基于5G 定制網(wǎng)的AGV小車控制算法研究和應(yīng)用

金 武 連祝成 任乘漲 李海舟

（中國(guó)電信股份有限公司溫州分公司）

0 引言

在“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)入快車道背景下，技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化、高端化、智能化發(fā)展，推動(dòng)了物流自動(dòng)化領(lǐng)域的快速發(fā)展。AGV（自動(dòng)引導(dǎo)車）小車作為物流自動(dòng)化的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線、倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)景。在傳統(tǒng)的AGV 小車系統(tǒng)中，往往使用WiFi 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，通訊帶寬受限，難以滿足高速、低時(shí)延的通訊需求[1]。而5G 網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的無(wú)線通訊技術(shù)，具有高速、低時(shí)延、大連接等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于智能物流領(lǐng)域[2]。

目前，關(guān)于AGV 小車的應(yīng)用研究已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外研究者們?cè)贏GV 小車領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究工作。在AGV 小車控制方面，研究者們提出了各種控制算法，例如遺傳算法、蟻群算法、激光SLAM、模糊控制、PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[3-4]。而在無(wú)線通訊方面，目前主要的通訊技術(shù)是WiFi、4G、藍(lán)牙等，這些技術(shù)都存在一定的局限性，比如帶寬不足、時(shí)延高等[5]。

隨著5G 技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，基于5G 定制網(wǎng)的AGV 小車研究和應(yīng)用已經(jīng)成為熱門話題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于基于5G 專網(wǎng)的AGV 小車研究和應(yīng)用展開(kāi)廣泛而深入的探討，涉及AGV 小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃算法、調(diào)度算法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等多個(gè)方面，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題亟待解決。

1 5G 定制網(wǎng)和AGV 小車相關(guān)技術(shù)與理論

1.1 5G 通信技術(shù)及其應(yīng)用

5G 通信技術(shù)是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，可以提供高速、低時(shí)延、低誤碼率的通信服務(wù)，為實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)提供保障。5G 網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)較WiFi 大幅提升，實(shí)現(xiàn)更多類型場(chǎng)景化應(yīng)用，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域[6]。ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）提出三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)帶寬eMBB、超高可靠低時(shí)延uRLLC、海量機(jī)器類通信Mmtc[7]。如表1 所示，與WiFi 網(wǎng)絡(luò)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)具有更高的速率、可靠性和安全性。

表1 5G 和WiFi6 性能對(duì)比

1.2 AGV 小車技術(shù)與發(fā)展

AGV（Automated Guided Vehicle）小車是指自動(dòng)導(dǎo)引車輛，是一種能夠自主行駛的運(yùn)輸工具，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線、倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合。AGV 小車最早起源于20 世紀(jì)50 年代，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其功能和性能得到了極大提升。在工業(yè)場(chǎng)景下，AGV 小車作為一種自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用于物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，提高物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、降低勞動(dòng)成本、提高生產(chǎn)效率等[8]。

在實(shí)際應(yīng)用中，AGV 小車需要實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和調(diào)度才能達(dá)到最優(yōu)化的運(yùn)輸效果。5G 技術(shù)為物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)提供了更為穩(wěn)定、高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)通信，為AGV小車的路徑規(guī)劃和調(diào)度提供了更為豐富的信息。常規(guī)控制算法有遺傳算法、蟻群算法、激光SLAM 等[9]，選擇適合5G 定制網(wǎng)環(huán)境下的最佳算法。

5G 技術(shù)優(yōu)化AGV 小車之間的無(wú)線通信，通過(guò)實(shí)時(shí)采集AGV 小車的位置、速度、能耗等數(shù)據(jù)，結(jié)合AI 算法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，優(yōu)化調(diào)度方案，減少能源消耗和停頓時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和資源利用率，可以更快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)調(diào)度指令，提高整個(gè)生產(chǎn)流程的效率，從而實(shí)現(xiàn)更高效的協(xié)作和配合，避免沖突和延誤。

2 基于5G 定制網(wǎng)的AGV 小車路徑規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化

2.1 5G 定制網(wǎng)對(duì)路徑規(guī)劃和調(diào)度的優(yōu)化影響

5G 定制網(wǎng)是一種為特定場(chǎng)景量身打造的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)定制切片、配置DNN 來(lái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離，滿足企業(yè)安全要求，同時(shí)具有低延遲、高可靠性、高速率等特點(diǎn)[10]。在AGV 小車應(yīng)用中，5G 定制網(wǎng)絡(luò)的引入對(duì)路徑規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化有著重要的影響。5G 的低延遲和高速率可以提高AGV 小車的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)傳輸速率，使得AGV 小車能夠更快、更準(zhǔn)確地獲取環(huán)境信息，實(shí)時(shí)掌握車輛狀態(tài)，從而更好地完成路徑規(guī)劃和調(diào)度任務(wù)。5G 拓?fù)鋱D如圖1 所示。

其次，5G 的高可靠性和容量可以提高AGV 小車的穩(wěn)定性和承載能力。在高密度設(shè)備連接的場(chǎng)景下，5G 網(wǎng)絡(luò)可以更好地處理大量的數(shù)據(jù)流量，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而減少路徑規(guī)劃和調(diào)度的延遲和出錯(cuò)率。

最后，5G 還具備較強(qiáng)的靈活性和可編程性，能夠根據(jù)不同場(chǎng)景和需求進(jìn)行個(gè)性化的配置和調(diào)整，為路徑規(guī)劃和調(diào)度的優(yōu)化提供更多的技術(shù)手段和可能性。

因此，結(jié)合5G 定制網(wǎng)技術(shù)的路徑規(guī)劃和調(diào)度算法，能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，提高AGV 小車的工作效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更加智能化和自動(dòng)化的工業(yè)物流管理。

2.2 基于5G 定制網(wǎng)的控制算法設(shè)計(jì)

基于5G 定制網(wǎng)的控制算法設(shè)計(jì)是將5G 通信技術(shù)與AGV 小車控制算法相結(jié)合，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV 小車的精確控制和管理?？刂扑惴ㄐ枰紤]多種因素，例如車輛的當(dāng)前位置、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、環(huán)境的變化等等[11]。詳細(xì)講述基于5G 定制網(wǎng)的控制算法設(shè)計(jì)內(nèi)容，主要包括以下幾個(gè)方面：

1）定位技術(shù)?？刂扑惴ǖ牡谝徊绞菍?shí)時(shí)獲取AGV 小車的位置信息。傳統(tǒng)的AGV 小車定位技術(shù)主要依賴于激光雷達(dá)、GPS 等技術(shù)，但是在復(fù)雜環(huán)境下，這些技術(shù)容易受到干擾，從而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。5G 網(wǎng)絡(luò)可以提供更高的帶寬和更低的延遲，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)環(huán)境信息，從而可以實(shí)現(xiàn)更高精度和更實(shí)時(shí)的定位，例如利用5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行毫米級(jí)定位。同時(shí)，AGV 小車還可以利用傳感器和地圖信息來(lái)輔助定位，使得定位可以更加精確和實(shí)時(shí)，從而提高了AGV 小車的定位精度和可靠性。

2）路徑規(guī)劃與導(dǎo)航。根據(jù)車輛當(dāng)前位置、目標(biāo)位置以及環(huán)境信息，通過(guò)算法計(jì)算出車輛需要行駛的最佳路線?；?G 定制網(wǎng)的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航算法可以更加精準(zhǔn)地規(guī)劃AGV 小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境信息，例如交通流量、道路擁堵情況等等，從而優(yōu)化路徑規(guī)劃算法。5G 支持的高速通信和低時(shí)延的特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的高效傳輸，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV 小車狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，從而提高路徑規(guī)劃和導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

3）控制算法設(shè)計(jì)?；?G 定制網(wǎng)的控制算法設(shè)計(jì)是對(duì)AGV 小車進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的核心，根據(jù)路徑規(guī)劃結(jié)果，對(duì)AGV 小車進(jìn)行控制。AGV 小車系統(tǒng)可以利用5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)，提高控制算法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，例如通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，5G 網(wǎng)絡(luò)還可以提供更高的帶寬和更低的延遲，從而可以更快速地完成車輛控制。

5G 定制網(wǎng)場(chǎng)景下采用基于激光傳感器（SLAM）和運(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)AGV 規(guī)劃調(diào)度行駛、自主規(guī)劃路徑，增強(qiáng)柔性[12]。激光SLAM 是一種用于實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航機(jī)器人的算法，它通過(guò)激光雷達(dá)掃描環(huán)境，并根據(jù)掃描結(jié)果生成地圖和定位機(jī)器人的位置和姿態(tài)，并結(jié)合定位和地圖構(gòu)建技術(shù)，使機(jī)器人可以在未知環(huán)境中自主導(dǎo)航[13]。運(yùn)動(dòng)控制算法是用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的算法，包括速度控制、軌跡規(guī)劃、路徑規(guī)劃等，使機(jī)器人能夠按照預(yù)定的軌跡或路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和執(zhí)行任務(wù)。該算法使用傳感器和機(jī)器人狀態(tài)來(lái)感知環(huán)境和機(jī)器人自身狀態(tài)[14]，以便做出合適的控制決策。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在完成5G 定制網(wǎng)環(huán)境下的AGV 小車基于激光SLAM 和運(yùn)動(dòng)控制算法的設(shè)計(jì)和應(yīng)用之后，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化，并進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析部分主要關(guān)注實(shí)際應(yīng)用情況以及對(duì)系統(tǒng)性能的評(píng)估。以下是針對(duì)遺傳算法、蟻群算法、激光SLAM 和運(yùn)動(dòng)控制算法這三種算法的對(duì)比分析，對(duì)比情況如表2 和表3 所示。

表2 三種路徑算法平均搜索時(shí)間對(duì)比

表3 三種路徑算法實(shí)際效果對(duì)比

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中使用激光傳感器進(jìn)行SLAM 建圖，評(píng)估SLAM 算法的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SLAM算法能夠?qū)崟r(shí)獲取環(huán)境的三維地圖，并對(duì)小車的位置和姿態(tài)進(jìn)行精確估計(jì)，減少搜索時(shí)間和提高成功率。

基于激光SLAM 和運(yùn)動(dòng)控制算法的AGV 小車系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了較好的性能和可靠性，激光傳感器SLAM 算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)環(huán)境建圖和定位功能，運(yùn)動(dòng)控制算法使AGV 小車能夠?qū)崿F(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制和路徑跟蹤。AGV 小車實(shí)際場(chǎng)景效果如圖2 所示。

圖2 AGV 小車實(shí)際場(chǎng)景效果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本研究，成功地應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)了基于激光傳感器（SLAM）和運(yùn)動(dòng)控制算法的AGV 小車系統(tǒng)，該系統(tǒng)在路徑規(guī)劃和調(diào)度方面展現(xiàn)出良好的性能和準(zhǔn)確性。通過(guò)激光傳感器獲取環(huán)境信息，并通過(guò)SLAM算法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建和定位，為路徑規(guī)劃和導(dǎo)航提供了準(zhǔn)確的參考。運(yùn)動(dòng)控制算法能夠精確控制AGV 小車的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)路徑的準(zhǔn)確跟蹤和調(diào)整。與傳統(tǒng)方案相比，更加適合于大規(guī)模AGV 小車系統(tǒng)的運(yùn)行，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。