基于激光引導(dǎo)方式下的AGV叉車研究

梅亞澤 陳小虎 樊雨

諾力智能裝備股份有限公司 浙江 湖州 313000

引言

自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）配備了自動(dòng)導(dǎo)引相關(guān)硬件，在設(shè)備中規(guī)劃叉車行駛路線，叉車可以按照預(yù)期設(shè)定完成一系列作業(yè)項(xiàng)目。AGV激光引導(dǎo)叉車使用蓄電池作為動(dòng)力，可以真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作行駛。

AGV叉車的行走路線、一系列站內(nèi)操作行為由計(jì)算機(jī)制定?，F(xiàn)階段應(yīng)用AGV技術(shù)的叉車多為載重量較小的車輛，對(duì)于這類車輛通常使用參數(shù)化曲線對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，參數(shù)化設(shè)計(jì)具有一定的局限性，僅適用于小重量的叉車設(shè)計(jì)，而不適用載重大的叉車設(shè)計(jì)：載重大的叉車通常體積更大，這就要求體積更大的叉車需要在車間行進(jìn)時(shí)擁有充足的空間，直接涉及車輛的行進(jìn)路線，運(yùn)用激光避障傳感器對(duì)叉車行進(jìn)過(guò)程中遇到的障礙物進(jìn)行探測(cè)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了相應(yīng)的叉車轉(zhuǎn)角變化動(dòng)態(tài)識(shí)別區(qū)，以障礙物特征控制點(diǎn)獲得相應(yīng)的分割點(diǎn)，分割完成后再合并的路徑可以滿足叉車在行駛過(guò)程中一系列多約束條件產(chǎn)生的路徑行進(jìn)障礙。

本次研究中在前人基礎(chǔ)上同時(shí)借助AGV、激光引導(dǎo)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)叉車自動(dòng)作業(yè)的同時(shí)還可以幫助叉車規(guī)劃行駛路徑，避免受到障礙的影響。

1 叉車AGV結(jié)構(gòu)

要將AGV技術(shù)運(yùn)用到叉車上首先需要設(shè)計(jì)合適的叉車結(jié)構(gòu)作為硬件支持，圖1所示為AGV叉車結(jié)構(gòu)。

1.1 車身

AGV車身分別與驅(qū)動(dòng)總成以及承載輪連接，車身叉腿內(nèi)側(cè)有平移軌道且與前移機(jī)構(gòu)連接。驅(qū)動(dòng)總成實(shí)現(xiàn)車輛的行走及轉(zhuǎn)向[1]。

1.2 前移機(jī)構(gòu)

門架系統(tǒng)固定在前移機(jī)構(gòu)上；門架舉升以及前移機(jī)構(gòu)由液壓體統(tǒng)提供動(dòng)力，通過(guò)油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)以及門架的升降。

1.3 滑架機(jī)構(gòu)

滑架機(jī)構(gòu)由貨叉以及貨叉架共同組成，貨叉通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)卡槽以及緊固螺釘固定在貨叉架上；滑架機(jī)構(gòu)通過(guò)鏈輪、鏈條以及鏈條拉桿固定在門架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)升降。

2 A*算法改進(jìn)

2.1 啟發(fā)函數(shù)改進(jìn)

以往的A*算法當(dāng)中只含有一定的距離信息，關(guān)于搜索方向、目標(biāo)方向的一致性處于空白。在此基礎(chǔ)上本次研究對(duì)A*算法進(jìn)行改進(jìn)，在傳統(tǒng)A*算法的基礎(chǔ)上融入歐幾里得距離模型構(gòu)建全新的啟發(fā)函數(shù)，通過(guò)這種方式可以更加有效的提升目標(biāo)搜索效率，優(yōu)化車輛行進(jìn)路線：

假設(shè)任意路徑矢量存在3點(diǎn)A、B、C，坐標(biāo)分別記為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）。A到B矢量記為AB，BC為B到C的矢量，其中BD與BC之間的夾角記為 ，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的矢量三角形。

最終求得余弦值最大相似度為1，最小值-1。當(dāng)數(shù)值趨近于1時(shí)，表示兩矢量趨于同向；當(dāng)數(shù)值趨近于0時(shí)，兩矢量趨近于垂直；當(dāng)數(shù)值趨近于-1，兩矢量趨近于反向。

在改進(jìn)后的新啟發(fā)函數(shù)中計(jì)算得到的歐幾里得余弦值相似度相比傳統(tǒng)算法可以進(jìn)一步減少車輛拐點(diǎn)，對(duì)于提升叉車提升效率有所幫助，因此進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.2 平滑策略

平滑策略將路徑、拐點(diǎn)數(shù)量作為考量基礎(chǔ)，面對(duì)相同的路徑最終選擇拐點(diǎn)最少的路徑作為方案。如圖2所示，優(yōu)化前子節(jié)點(diǎn)位于父節(jié)點(diǎn)正下方，此時(shí)優(yōu)化前后的路徑幾乎相同[2]。此時(shí)需要沿著父節(jié)點(diǎn)pi-2到pi-1方向優(yōu)先選擇pi作為子節(jié)點(diǎn)，并且使用位于父節(jié)點(diǎn)右側(cè)的子節(jié)點(diǎn)對(duì)下方子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行替換，最終達(dá)到節(jié)點(diǎn)pi+1，即拐點(diǎn)最少的平滑路徑。

圖2 拐點(diǎn)優(yōu)化

優(yōu)化叉車行進(jìn)路線以后綜合分析因?yàn)樯a(chǎn)車間障礙物導(dǎo)致叉車新進(jìn)路線狹窄，需要在未經(jīng)過(guò)平滑優(yōu)化的路徑當(dāng)中回溯拐點(diǎn)集中的位置通過(guò)引入路徑松弛閾值，適當(dāng)增加路徑長(zhǎng)度，減少直角轉(zhuǎn)向后，在此基礎(chǔ)上挑選拐點(diǎn)數(shù)最少的路徑，通過(guò)這種方式避免AGV叉車在行進(jìn)過(guò)程中因?yàn)檎系K不斷減速或者停止等待。

3 AGV電路改造與編程設(shè)計(jì)

本次研究中的叉車使用激光引導(dǎo)方式，為了確保引導(dǎo)方式的有效性，需要對(duì)控制電路進(jìn)行適當(dāng)改造，以此來(lái)確保在激光引導(dǎo)方式下AGV叉車行進(jìn)有效性。

3.1 控制柜

叉車外部控制線路均分布在控制柜當(dāng)中，其中包括一系列主要的元器件。通過(guò)顯示器可以觀察叉車的工作狀態(tài)，使用鑰匙實(shí)現(xiàn)對(duì)控制柜電源的連接與中斷，通過(guò)旋鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV叉車的工作狀態(tài)的手動(dòng)切換[3]。當(dāng)控制柜接通電源后指示燈會(huì)亮起。并且在車輛頂部安裝有激光導(dǎo)航傳感器與工業(yè)無(wú)線。

3.2 控制柜器件與電路設(shè)計(jì)

器件：電源、交換機(jī)、PLC、工控機(jī)、繼電器。

電路：激光導(dǎo)航傳感器、激光避障傳感器、行走控制器、轉(zhuǎn)向控制器、泵電機(jī)控制器結(jié)合叉車實(shí)際作業(yè)需要對(duì)AGV叉車進(jìn)行設(shè)計(jì)以后，實(shí)現(xiàn)在激光引導(dǎo)方式下對(duì)AGV叉車的有效改造。

3.3 PLC編程

在對(duì)PLC進(jìn)行編程時(shí)需要將IO分配表作為依據(jù)，本次研究使用的PLC存在24個(gè) 24個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入口、16個(gè)數(shù)字輸出口，同時(shí)包括擴(kuò)展的8通道模擬量輸入、4通道模擬量輸出量，編程步驟：①初始化模擬量、計(jì)數(shù)器；②暫存輸入模擬量；③編碼器歸零；④控制手柄信號(hào)。

3.4 AGV調(diào)度管理系統(tǒng)

AGV調(diào)度管理系統(tǒng)由上位調(diào)度系統(tǒng)、AGV地面控制系統(tǒng)、AGV車載控制系統(tǒng)共同組合而成。

4 AGV叉車激光引導(dǎo)測(cè)試

AGV叉車整體改造工作完成以后，對(duì)改造叉車進(jìn)行測(cè)試以后明確叉車的最大行駛速度可達(dá)1.1 m/s。NAV350定位精度±5 mm，因此在實(shí)際工作中如果工作車間當(dāng)中不存在強(qiáng)光線干擾的情況，此時(shí)小車的定位精度可以達(dá)到±10 m。

實(shí)際提升貨叉的過(guò)程中，在速度很快的情況下，貨叉在即將到達(dá)指定高度時(shí)會(huì)自然發(fā)生反復(fù)上升、下降，之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況是因?yàn)樨洸婕磳⑦_(dá)到指定高度時(shí)未減速，同時(shí)并沒(méi)合適的誤差區(qū)間，不確定的誤差區(qū)間導(dǎo)致貨叉在指定高度周圍震蕩[4]。貨叉接近指定位置時(shí)速度通常需要控制＜0.1m/s，誤差范圍＜±10mm，實(shí)際使用過(guò)程中結(jié)合生產(chǎn)需要設(shè)置不同的速度并在此基礎(chǔ)上適當(dāng)提升精度。

叉車在行進(jìn)過(guò)程中，AGV叉車在拐彎過(guò)程中需要將兩側(cè)承載輪中點(diǎn)作為轉(zhuǎn)彎圓心，以承載輪到車身最大外輪廓之間的線段距離為半徑，明確轉(zhuǎn)彎弧度，并且這種拐彎弧度相對(duì)平滑，最高時(shí)速可達(dá)0.5 m/s。

因?yàn)殡妷壕哂幸欢ǖ牟▌?dòng)性，且PLC本身控制精度有限，由此造成AGV叉車的行走路徑往往會(huì)發(fā)生一定的偏移。為了盡量穩(wěn)定電壓，可以選擇通過(guò)穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定控制，并且優(yōu)化PLC程序，使用強(qiáng)抗干擾性PLC方式作為小車運(yùn)行可靠性提升強(qiáng)化的途徑。

本次研究表示，經(jīng)過(guò)AGV與激光引導(dǎo)改造后的叉車，具備按照編寫的任務(wù)程序自主執(zhí)行任務(wù)，并且可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)繞過(guò)障礙自由取放貨，拉線編碼器定位貨叉提升高度，并且可以結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求隨意設(shè)置提升高度。根據(jù)倉(cāng)庫(kù)、貨載信息對(duì)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)配，真正實(shí)現(xiàn)叉車無(wú)人化靈活生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

叉車是社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中必要的運(yùn)輸工具，叉車運(yùn)輸對(duì)速度、精度、高度都具有苛刻的要求。為了提升社會(huì)生產(chǎn)效率，本次研究中將AGV、激光引導(dǎo)應(yīng)用到叉車當(dāng)中，激光引導(dǎo)AGV叉車可以真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛與精確運(yùn)輸。

AGV叉車在行進(jìn)過(guò)程中往往會(huì)因?yàn)檎系K導(dǎo)致行進(jìn)不順利。為了避免障礙對(duì)叉車造成的行進(jìn)阻礙，本次研究中運(yùn)用改良A*算法對(duì)叉車行進(jìn)路線進(jìn)行計(jì)算規(guī)劃，通常生產(chǎn)車間道路狹窄，因此通過(guò)A*算法適當(dāng)增加路徑長(zhǎng)度，減少直角轉(zhuǎn)向，在多條路徑當(dāng)中選擇拐點(diǎn)最少、表面平滑的路線。

為了確保AGV叉車的穩(wěn)定性，首先結(jié)合實(shí)際工作需求打造合適的結(jié)構(gòu)，并對(duì)AGV控制柜電路進(jìn)行改造，軟件設(shè)計(jì)工作包括PLC編程與AGV調(diào)度管理系統(tǒng)，并且為了提升叉車通信效率需要進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試本次研究設(shè)計(jì)的激光引導(dǎo)AGV叉車滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。