一種碼頭上AGV動態(tài)定位技術(shù)

朱惠華 鄧海兵 陳 敏

寶武物流資產(chǎn)有限公司南京分公司

1 引言

自動化、智能化已成為各港口建設(shè)的目標[1]。某大型鋼廠自備碼頭，主要從事鋼廠成品鋼卷的倉儲和裝卸運輸，生產(chǎn)工藝采用岸邊橋式起重機AGV(自動導(dǎo)航運輸車，Automated Guided Vehicle )+倉庫無人行車的組合。在該生產(chǎn)工藝中，碼頭與倉庫間的水平運輸采用AGV，后方倉庫通過無人行車將鋼卷自動吊裝到配套框架上，AGV將裝滿鋼卷的框架運送至泊位，最后由橋式起重機將框架上的鋼卷裝船。

該AGV采用的是激光導(dǎo)航技術(shù)，通過車輛4角的激光雷達對四周自然環(huán)境中諸如墻壁、立柱或其他地標物體表面進行測量掃描及識別，將周圍的環(huán)境和AGV規(guī)劃行駛的路徑建立到導(dǎo)航地圖系統(tǒng)中[2]。

控制整個生產(chǎn)流程的是碼頭AGV調(diào)度管理系統(tǒng)。鋼卷的出庫裝船作業(yè)計劃下發(fā)后，如何讓AGV調(diào)度管理系統(tǒng)合理、高效地將鋼卷從后方庫區(qū)運送至碼頭橋式起重機下方，降低能耗的同時提高作業(yè)效率，涉及到AGV路徑的選擇，無人行車、AGV、橋式起重機相互間的作業(yè)銜接等問題。下面將重點對碼頭AGV運行過程中，動態(tài)獲取橋式起重機的定位方法及運行控制機制進行探討。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制機制

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

碼頭AGV動態(tài)定位系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖1，硬件部分包括AGV控制計算機、激光測距儀、PLC、無線AP基站、交換機、服務(wù)器、電腦等；軟件部分包括AGV調(diào)度管理系統(tǒng)、PLC程序等。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)運行控制機制

碼頭AGV調(diào)度管理系統(tǒng)下發(fā)作業(yè)計劃，AGV將空框架運至無人行車作業(yè)停車位，待空框架裝滿后，AGV載著重框架基于建立好的激光點云地圖規(guī)劃路徑從庫區(qū)開往碼頭(見圖2)。在進入碼頭作業(yè)面前的引橋口停車，AGV調(diào)度管理系統(tǒng)根據(jù)橋式起重機位置等信息，計算AGV行駛終點位置，選擇最優(yōu)的路徑，將重框架運送至橋式起重機中間位置，然后單車或載著空框架駛離碼頭作業(yè)面。

圖2 基于激光點云地圖的AGV規(guī)劃路徑

3 AGV動態(tài)定位技術(shù)內(nèi)容

3.1 AGV框架車目標位置計算

橋式起重機大車是按預(yù)設(shè)的軌道運行，通過在大車軌道的終端安裝激光測距儀，在起重機大梁上安裝激光反射板，可實時測出起重機與激光測距儀間距離，通過PLC將數(shù)據(jù)傳給調(diào)度管理系統(tǒng)。如圖3所示，只要獲得激光測距儀與起重機的距離L以及激光測距儀在地圖中的GPS坐標(X,Y)(也稱參考點)，就能計算出起重機的實時中心位置(X′,Y′)。

圖3 AGV框架車目標位置計算示意圖

假設(shè)反射板與起重機中線的距離為L0，AGV規(guī)劃路徑與起重機中心位置(X′,Y′)的垂直距離為D0，起重機大車軌道與GPS的坐標系(經(jīng)緯線)存在坐標系夾角為θ，計算起重機實時中心位置(X′,Y′)為：

X′=X-(L+L0)cosθ

Y′=Y+(L+L0)sinθ

AGV的實時目標位置(X″,Y″)為：

X″=X′-D0sinθ

Y″=Y′-D0cosθ

代入前述計算公式，(X″,Y″)最終求的結(jié)果為：

X″=X-(L+L0)cosθ-D0sinθ

Y″=Y+(L+L0)sinθ-D0cosθ

3.2 動態(tài)定位技術(shù)精度控制要求

以上動態(tài)定位計算公式可簡化為：

X″=(X-L0cosθ-D0sinθ)-Lcosθ

Y″=(Y+L0sinθ-D0cosθ)+Lsinθ

可以看出激光的定位(X，Y)、L0、D0、坐標系夾角θ都是不變的常數(shù)，AGV的目標位置(X″,Y″)隨著激光測距長度L變化而變化。為了控制動態(tài)定位計算精度，系統(tǒng)硬件安裝和調(diào)試時需要注意的事項如下。

(1)保證激光測距儀初始定位(X，Y)的精度。

(2)激光測距儀安裝時確保反射板與激光測距儀在一個水平高度上，發(fā)射的激光與大車軌道平行，提高L值精度，并且對于這臺橋式起重機L取值有一個范圍，即不得超出點云地圖上規(guī)劃的路徑以外。

(3)保證L0、D0數(shù)值精度，特別是AGV在地圖中的規(guī)劃路徑與橋式起重機中心位置距離D0，需要在AGV調(diào)試期間多次測試調(diào)整規(guī)劃路徑，AGV在碼頭上的規(guī)劃路徑是2條，系統(tǒng)在計算時根據(jù)不同的路徑給出不同的D0值。

(4)坐標系夾角θ，調(diào)試期間在需要點云地圖的2個規(guī)劃路徑上取4個點，根據(jù)多組坐標數(shù)據(jù)實測，求出坐標系夾角θ平均值。

3.3 AGV動態(tài)定位運行控制方式

碼頭AGV調(diào)度管理系統(tǒng)控制AGV到達泊位引橋口門禁道閘前位置停車，然后根據(jù)AGV反饋的信號，同時讀取激光測距儀的數(shù)值L，系統(tǒng)依據(jù)碼頭上作業(yè)工況(是否有其他框架，框架的具體位置)，確定AGV在泊位上行駛最優(yōu)路徑、停車位置、駛離作業(yè)內(nèi)容等，并且根據(jù)上述公式計算出AGV目標停車位置(X″,Y″)，最后將上述指令內(nèi)容發(fā)送給AGV執(zhí)行下一步作業(yè)。系統(tǒng)打開門禁道閘，AGV自動進入泊位平臺指定位置，完成放置重框架，帶離空框架等作業(yè)。

4 結(jié)語

基于點云地圖的碼頭AGV動態(tài)定位技術(shù)，不僅解決了AGV在碼頭上目標停車位的定位難點，還能依據(jù)起重機裝船作業(yè)進程，動態(tài)的調(diào)整目標停車位，確定最優(yōu)行駛路徑規(guī)劃，減少起重機大車行走時間，提高作業(yè)效率，進一步促進碼頭技術(shù)裝備從自動化向智能化發(fā)展。