動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)定位技術(shù)在某玻璃纖維企業(yè)AGV系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

文/李騰飛 劉新偉 張恩光 張正偉 李煥龍

近年來，隨著用工成本增加，制造企業(yè)為降低成本、增加產(chǎn)量，越來越多地應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)備代替人工操作。自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）是自動(dòng)化設(shè)備中技術(shù)較為成熟的一種，尤其適用于工廠內(nèi)部搬運(yùn)頻率高、搬運(yùn)距離遠(yuǎn)、重量較重的物料，從而實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)物料搬運(yùn)的自動(dòng)化，更好地協(xié)調(diào)各個(gè)工藝之間進(jìn)度。

在傳統(tǒng)的AGV物料搬運(yùn)系統(tǒng)中，取卸貨站臺(tái)是固定的，即不會(huì)因?yàn)槠渌蛩囟鴮?dǎo)致其位置改變。而在某些工業(yè)場(chǎng)景下，AGV的取卸貨站臺(tái)存在移動(dòng)問題，從而使AGV難以精確地將貨物放置到指定站臺(tái)，或從指定站臺(tái)取到貨物，部分學(xué)者[1-9]對(duì)不同導(dǎo)航方式下AGV定位精度問題進(jìn)行了研究，還有部分學(xué)者[10]對(duì)AGV可視化監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究，但目前尚未發(fā)現(xiàn)研究取卸貨站臺(tái)移動(dòng)問題的相關(guān)文獻(xiàn)。

本文針對(duì)某玻璃纖維企業(yè)一車間物料搬運(yùn)過程中取卸貨站臺(tái)移動(dòng)問題進(jìn)行了研究，通過對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中固有誤差的計(jì)算，在AGV系統(tǒng)中添加了激光測(cè)距設(shè)備，同時(shí)將站臺(tái)移動(dòng)的距離離散化，將一個(gè)站臺(tái)分為多個(gè)離散分布的站臺(tái)，該方案可使AGV成功駛向合適的站臺(tái)，完成取卸貨操作。

一、某車間搬運(yùn)流程與AGV系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.搬運(yùn)流程

某玻璃纖維企業(yè)計(jì)劃對(duì)一車間進(jìn)行改造，將由人工利用行吊起重機(jī)完成的布卷搬運(yùn)操作，改由AGV完成，以此實(shí)現(xiàn)布卷搬運(yùn)自動(dòng)化，達(dá)到節(jié)省勞動(dòng)力的目的。

該搬運(yùn)操作主要包含三步：第一步，將放卷機(jī)上取下的空軸搬運(yùn)至空軸架；第二步，操作人員利用行吊將立庫口鐵托盤上的布卷搬運(yùn)至放卷機(jī)；第三步，操作人員利用行吊將空軸放置到立庫口鐵托盤上。搬運(yùn)操作流程，如圖1所示。

圖1 搬運(yùn)流程示意圖

2.AGV系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

放卷機(jī)的機(jī)械臂兩側(cè)各夾一個(gè)布卷，當(dāng)一個(gè)布卷放完后，另一個(gè)布卷旋轉(zhuǎn)到放卷位置，但在放第二卷布開始時(shí)，放卷機(jī)會(huì)根據(jù)上一卷布的位置進(jìn)行小幅度左右移動(dòng)，使第二卷布與第一卷布對(duì)齊，為此AGV系統(tǒng)中添加了激光測(cè)距儀，可以根據(jù)測(cè)距儀讀取的距離參數(shù)對(duì)AGV放卷位置進(jìn)行調(diào)整。

放卷機(jī)機(jī)械臂兩種狀態(tài)示意圖，如圖2和圖3所示。其中，圖2表示放卷機(jī)上側(cè)布卷放完布后只?？蛰S的狀態(tài)；圖3表示當(dāng)放卷機(jī)上側(cè)布卷放完布，放卷機(jī)機(jī)械臂通過順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，通過人工搬運(yùn)將新布卷放置到空軸位置后的狀態(tài)。

圖2 放卷機(jī)放完卷狀態(tài)示意圖

圖3 放卷機(jī)補(bǔ)充完新卷示意圖

當(dāng)放卷機(jī)處的布卷放完只剩空軸時(shí)，人工使用移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器或操縱臺(tái)在AGV調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)任務(wù)，AGV調(diào)度系統(tǒng)接收到任務(wù)后通過與NDC系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)AGV的搬運(yùn)工作，具體如圖4所示。

圖4 AGV系統(tǒng)構(gòu)成

AGV收到系統(tǒng)命令后，前往放卷機(jī)執(zhí)行取空軸動(dòng)作，在前往放卷機(jī)的過程中讀取激光測(cè)距儀的參數(shù)，AGV系統(tǒng)根據(jù)讀取的距離參數(shù)為AGV分配放卷機(jī)處的站臺(tái)。AGV取得空軸后，將空軸搬運(yùn)至空軸架，執(zhí)行卸空軸動(dòng)作；卸完空軸后前往立庫口取布卷，取布卷之前請(qǐng)求立庫口PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）；待立庫PLC允許取貨后，AGV取布卷；取布卷完成后向立庫PLC發(fā)送取貨完成信號(hào)，立庫PLC回復(fù)取貨完成確認(rèn)；AGV收到取貨完成確認(rèn)后，前往放卷機(jī)；在前往放卷機(jī)的過程中，AGV系統(tǒng)讀取激光測(cè)距儀的距離參數(shù)，根據(jù)距離參數(shù)將布卷放置放卷機(jī)處，最后AGV將空軸架處的空軸搬運(yùn)至立庫口。在立庫口放置空軸之前，同樣需要對(duì)立庫口PLC進(jìn)行卸貨請(qǐng)求，待立庫口PLC允許卸貨后AGV將空軸放置立庫口；AGV卸完空軸后向立庫口PLC發(fā)送卸貨完成信號(hào)，待立庫口PLC回復(fù)卸貨完成確認(rèn)后，AGV回到充電站或執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。AGV搬運(yùn)流程，如圖5所示。

圖5 AGV搬運(yùn)流程圖

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)問題與項(xiàng)目應(yīng)用中的技術(shù)創(chuàng)新

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題

放卷機(jī)在開始放新布卷時(shí)會(huì)進(jìn)行左右小幅度移動(dòng)，以此使新放的布卷與原來的布對(duì)齊，對(duì)齊之后放卷機(jī)便不再移動(dòng)。放卷機(jī)移動(dòng)幅度最大能達(dá)到200毫米，這就造成了放卷機(jī)站臺(tái)位置的不確定，而放卷機(jī)允許的最大放置誤差為17毫米（當(dāng)AGV處于放卷機(jī)正中位置時(shí)，貨叉距放卷機(jī)兩端承接布卷設(shè)備的距離），AGV放置誤差超過這個(gè)范圍后就會(huì)撞到放卷機(jī)，無法使布卷準(zhǔn)確地放置在放卷機(jī)上。AGV放布卷示意圖，如圖6所示。

圖6 AGV放布卷示意圖

如圖7所示，假設(shè)需要AGV將物品由A點(diǎn)搬運(yùn)到B點(diǎn)，A點(diǎn)和B點(diǎn)的位置都是固定的，AGV系統(tǒng)較為容易實(shí)現(xiàn)該操作。而如圖8所示，假設(shè)不同時(shí)刻AGV將物品由A’點(diǎn)搬運(yùn)到B’點(diǎn)過程中，B’點(diǎn)會(huì)在一定長度的范圍內(nèi)移動(dòng)，這種移動(dòng)就增加了AGV放置的難度。

圖7 傳統(tǒng)取卸貨地點(diǎn)

圖8 移動(dòng)站臺(tái)取卸貨

傳統(tǒng)的AGV系統(tǒng)在繪制AGV運(yùn)行地圖時(shí)，所有站臺(tái)都是固定的，AGV取卸貨的位置也相對(duì)固定。如何在使用傳統(tǒng)繪制的AGV運(yùn)行地圖前提下，解決取卸貨站臺(tái)移動(dòng)問題，是本文研究的重點(diǎn)。

2.技術(shù)創(chuàng)新

針對(duì)AGV取卸貨站臺(tái)移動(dòng)問題，本文提出將連續(xù)距離離散化，在移動(dòng)站臺(tái)處繪制多個(gè)間距近似相等的站臺(tái)，并使AGV系統(tǒng)在移動(dòng)站臺(tái)入口點(diǎn)讀取激光測(cè)距儀參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)距離參數(shù)分配AGV駛向合適的站臺(tái)，如圖9所示。

圖9 離散化站臺(tái)示意圖

當(dāng)AGV從A’點(diǎn)搬運(yùn)物品到B’點(diǎn)時(shí)，因?yàn)橐呀?jīng)將B’離散化為多個(gè)點(diǎn)，所以AGV行駛至C點(diǎn)時(shí)AGV系統(tǒng)讀取激光測(cè)距儀參數(shù)，并根據(jù)距離參數(shù)分配AGV前往合適的站臺(tái)，至此移動(dòng)站臺(tái)的問題就得到了解決。

放卷機(jī)處的多個(gè)站臺(tái)坐標(biāo)計(jì)算方法如下：

為了便于計(jì)算，本文假設(shè)放卷機(jī)只進(jìn)行橫向移動(dòng)，縱向坐標(biāo)恒定。示意圖如圖10所示，其中矩形代表放卷機(jī)，放卷機(jī)可以橫向移動(dòng)，左側(cè)矩形表示放卷機(jī)移動(dòng)到最左側(cè)處的位置，b為放卷機(jī)移動(dòng)到最左側(cè)處時(shí)激光測(cè)距儀的讀數(shù)，右側(cè)矩形表示放卷機(jī)移動(dòng)到最右側(cè)處的位置，a為放卷機(jī)移動(dòng)到最右側(cè)處時(shí)激光測(cè)距儀的讀數(shù)，（Xa,Y a）表示當(dāng)放卷機(jī)移動(dòng)到最右側(cè)位置時(shí)放卷機(jī)處站臺(tái)在地圖上的坐標(biāo)，Xa為橫坐標(biāo)，Ya為縱坐標(biāo)，為放卷機(jī)最大偏移距離值。當(dāng)AGV由A點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，AGV系統(tǒng)讀取激光測(cè)距儀距離參數(shù)，根據(jù)當(dāng)前距離參數(shù)、a，以及（Xa,aY ）確定放卷機(jī)在地圖上的坐標(biāo)，進(jìn)而確定AGV將要駛向的站臺(tái)。

圖10 放卷機(jī)（矩形）與激光測(cè)距設(shè)備（藍(lán)色圓形）相對(duì)位置示意圖

計(jì)算涉及到的參數(shù)如下：

a放卷機(jī)距激光測(cè)距儀最近時(shí)（最右側(cè)）激光測(cè)距儀讀數(shù)，當(dāng)激光測(cè)距儀位置確定后，a由放卷機(jī)最右側(cè)限位決定，單位毫米；

b放卷機(jī)距激光測(cè)距儀最遠(yuǎn)時(shí)（最左側(cè)）激光測(cè)距儀讀數(shù)，當(dāng)激光測(cè)距儀位置確定后，b由放卷機(jī)最左側(cè)限位決定，單位毫米；

本文研究了在放卷機(jī)移動(dòng)場(chǎng)景下，AGV系統(tǒng)通過添加激光測(cè)距儀獲取距離參數(shù)，對(duì)放卷機(jī)精準(zhǔn)定位，分配合適的站臺(tái)，使AGV準(zhǔn)確地將布卷放置到放卷機(jī)上。

當(dāng)放卷機(jī)距激光測(cè)距儀最近時(shí)放卷機(jī)站臺(tái)的橫坐標(biāo)，單位毫米；

Ya當(dāng)放卷機(jī)距激光測(cè)距儀最近時(shí)放卷機(jī)站臺(tái)的縱坐標(biāo)，單位毫米；

m站臺(tái)數(shù)量

具體計(jì)算步驟：

計(jì)算離散化后的站臺(tái)數(shù)量m；

則第i個(gè)站臺(tái)的坐標(biāo)為(Xi,Ya)。

三、實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采取人工下發(fā)任務(wù)模式，通過AGV調(diào)度系統(tǒng)將任務(wù)下發(fā)至NDC系統(tǒng)，NDC系統(tǒng)與AGV協(xié)作共同完成物料搬運(yùn)與取卸貨作業(yè)。

本次實(shí)驗(yàn)中激光測(cè)距儀最大偏移讀數(shù)為922毫米，最小偏移讀數(shù)為827毫米，最小劃分單元為5毫米，共設(shè)有20個(gè)站臺(tái)，其中站臺(tái)與其偏移讀數(shù)、偏移讀數(shù)范圍對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。當(dāng)激光測(cè)距儀讀數(shù)范圍在偏移讀數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，AGV前往指定偏移讀數(shù)的站臺(tái)。

表1 站臺(tái)與偏移讀數(shù)對(duì)應(yīng)表

為了驗(yàn)證精確定位技術(shù)在玻纖行業(yè)AGV系統(tǒng)中的可行性，本文連續(xù)進(jìn)行了20組實(shí)驗(yàn)，其中每組實(shí)驗(yàn)包括取空軸和放布卷兩種操作，下面對(duì)兩種操作在各個(gè)站臺(tái)取軸、放布卷次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（如圖11所示），并對(duì)AGV每次放布卷時(shí)實(shí)際取軸、放布卷位置與指定取軸、放布卷位置進(jìn)行誤差分析，具體如圖12所示。

圖11 站臺(tái)取軸/放布卷次數(shù)圖

圖12 取軸/放布卷誤差及其次數(shù)

從圖11中可以看出，AGV取放貨站臺(tái)集中在12、13、14、15和16站臺(tái)，放卷機(jī)在布卷換卷過程中雖然存在移動(dòng)，但其移動(dòng)范圍較小。

取軸誤差與放布卷誤差，為AGV實(shí)際到達(dá)位置與AGV指定到達(dá)位置之差的絕對(duì)值。從圖12可以看出，在20次實(shí)驗(yàn)中AGV誤差范圍均在3毫米以內(nèi)，小于允許誤差17毫米，由此可以判斷精確定位技術(shù)在AGV系統(tǒng)中具有一定的穩(wěn)定性。

三、總結(jié)

本文研究了在放卷機(jī)移動(dòng)場(chǎng)景下，AGV系統(tǒng)通過添加激光測(cè)距儀獲取距離參數(shù)，對(duì)放卷機(jī)精準(zhǔn)定位，分配合適的站臺(tái)，使AGV準(zhǔn)確地將布卷放置到放卷機(jī)上。在本文實(shí)驗(yàn)中，AGV取放最大誤差為3毫米，小于最大允許誤差17毫米，AGV取放誤差受到導(dǎo)航方式、載貨狀態(tài)、控制系統(tǒng)精度以及地面整潔程度等因素影響，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮影響誤差的因素，盡量減少取放誤差。本文研究拓展了AGV作業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，使原來不適合AGV作業(yè)的場(chǎng)景可以用AGV實(shí)現(xiàn)。