蘇永華

SU Yong-hua

(北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120)

0 引言

AGV(Automated Guided Vehicles)由于其具有自動(dòng)化程度高、安全、靈活等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械加工等自動(dòng)化生產(chǎn)和物流配送系統(tǒng)。它是柔性制造生產(chǎn)線和自動(dòng)化物流配送中心的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)以及技術(shù)進(jìn)步，AGV 越來越被廣泛應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)行業(yè)中。

傳統(tǒng)的AGV通常是基于通過電腦來控制其行進(jìn)路線以及行為，裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，通常采用單輪驅(qū)動(dòng)（SD）或差輪驅(qū)動(dòng)（DIFF）方式。

全方位式AGV則更適合在空間狹小的生產(chǎn)車間中工作，由于采用全方位驅(qū)動(dòng)（QUAD），對(duì)比傳統(tǒng)的AGV具備更高的運(yùn)動(dòng)靈活性，更適合大型高密度立體倉庫的場(chǎng)合。對(duì)于大型重物的搬運(yùn)，由于全方位式AGV能夠在有限空間里的快速準(zhǔn)確移動(dòng)定位，通過多個(gè)AGV協(xié)作搬運(yùn)，能夠形成遠(yuǎn)大于單個(gè)AGV的搬運(yùn)能力。而多個(gè)AGV成的協(xié)作系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本等方面都優(yōu)于能力特別強(qiáng)的單AGV，是未來AGV技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

本文通過研究全方位移動(dòng)式AGV移載裝備的控制原理和方法，描述了基于激光、視覺等多傳感器融合的定位技術(shù)以及多AGV移載設(shè)備協(xié)同工作的搬運(yùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了AGV開發(fā)的三個(gè)重要技術(shù)：AGV全方位移動(dòng)式控制技術(shù)、AGV協(xié)作搬運(yùn)技術(shù)以及多傳感器融合導(dǎo)引技術(shù)。上述三項(xiàng)技術(shù)能夠顯著提升AGV的控制性能，運(yùn)行速度更快，對(duì)大批量搬運(yùn)作業(yè)的任務(wù)執(zhí)行響應(yīng)更快，配置方式更靈活。

1 AGV系統(tǒng)簡介

本文設(shè)計(jì)的全方位式AGV硬件系統(tǒng)主要組成部分包括動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)引系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)和車體本身。動(dòng)力系統(tǒng)中相對(duì)普通AGV系統(tǒng)增加了協(xié)作搬運(yùn)系統(tǒng)模塊；導(dǎo)引系統(tǒng)則根據(jù)新技術(shù)發(fā)展增加了綜合視覺導(dǎo)引系統(tǒng)；在照明系統(tǒng)中添加了協(xié)作照明系統(tǒng)，小車間能夠互相輔助照明，有效解決由于搬運(yùn)過程中，AGV小車互相遮擋帶來的陰影和目標(biāo)對(duì)象難以分辨的問題。圖1為AGV硬件平臺(tái)的具體構(gòu)成。

圖1 AGV硬件平臺(tái)

圖2 AGV系統(tǒng)軟件組成

在該硬件平臺(tái)上，需和AGV軟件平臺(tái)配套實(shí)現(xiàn)滿足協(xié)作裝載、作業(yè)調(diào)度的功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該AGV系統(tǒng)通過人機(jī)界面形成交互，并根據(jù)輸入的指令以及搬運(yùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，生成適合當(dāng)前AGV工作狀態(tài)的作業(yè)序列。同時(shí)根據(jù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，并根據(jù)事先指定的最優(yōu)化目標(biāo)（例如時(shí)間最優(yōu)或能耗最優(yōu)等），選擇是否進(jìn)行協(xié)作作業(yè)或單獨(dú)作業(yè)，并生成當(dāng)前各個(gè)AGV的作業(yè)序列碼。

軟件系統(tǒng)生產(chǎn)AGV作業(yè)序列碼的同時(shí)，還將相關(guān)指令傳輸?shù)奖O(jiān)控設(shè)備，用于監(jiān)測(cè)異常，保證統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)前AGV指令序列如果執(zhí)行異常或AGV小車發(fā)生異常，將通過監(jiān)控系統(tǒng)反饋確認(rèn)，并由軟件作業(yè)模塊重新規(guī)劃AGV作業(yè)隊(duì)列，同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警等等信息。

2 全向式AGV實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

全向式AGV系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)在于其靈活性和協(xié)作裝載，因此關(guān)鍵點(diǎn)在于：1）AGV 的全方位輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)。2）基于激光、視覺等多傳感器融合的導(dǎo)引技術(shù)。3）多AGV的協(xié)作裝載技術(shù)。

2.1 AGV全方位輪驅(qū)技術(shù)

采用重載型全方位輪的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)AGV的全方位自由移動(dòng)，核心設(shè)備采用4個(gè)麥卡那姆輪組成。對(duì)于全方位輪由于采用自由滾輪導(dǎo)致越障能力減弱以及由于其結(jié)構(gòu)特性帶來的運(yùn)動(dòng)打滑的缺陷，通過優(yōu)化滾輪的懸掛結(jié)構(gòu)，建立轉(zhuǎn)輪/動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化模型，通過姿態(tài)控制環(huán)路與運(yùn)動(dòng)控制大環(huán)路結(jié)合的方法，優(yōu)化輪動(dòng)驅(qū)動(dòng)，防止上述故障的發(fā)生。圖3為輪向控制涉及的硬件配置圖。

圖3 輪向控制硬件配置圖

全方位移動(dòng)AGV的各向最大速度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)效率都存在著各向相異性，從而AGV沿各向運(yùn)動(dòng)的效果存在很大差異，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方法無法充分發(fā)揮全方位移動(dòng)AGV的運(yùn)動(dòng)優(yōu)越性。而現(xiàn)代的AGV應(yīng)用，對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、平滑性以及效率功耗方面提出了更高的要求。為滿足以上運(yùn)動(dòng)要求，在控制全方位移動(dòng)AGV時(shí)，本項(xiàng)目通過引入各向相異性，解決在高速下的多軸速度協(xié)調(diào)問題以及高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性問題，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)優(yōu)先的全方位移動(dòng)的精確協(xié)調(diào)控制，達(dá)到運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的高效性目的；同時(shí)獲得對(duì)系統(tǒng)干擾及參數(shù)變化具有完全的自適應(yīng)性與不變性的控制效果，優(yōu)化AGV無碰撞路徑，從而提出一套適用于要求高速、穩(wěn)定且效率高的應(yīng)用場(chǎng)合下全方位移動(dòng)式AGV的運(yùn)動(dòng)控制方法。

基于各向相異性特性的輪驅(qū)技術(shù)，核心控制流程圖如圖4所示。

圖4 AGV輪驅(qū)內(nèi)環(huán)控制流程圖

在求解AGV的路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)作業(yè)指令時(shí)，同樣考慮了AGV的各項(xiàng)異性輪驅(qū)特性，并形成基于AGV輪驅(qū)的運(yùn)動(dòng)外環(huán)控制流程。外環(huán)流程中以傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法作為初始規(guī)劃方案，并引入路徑障礙物模型，實(shí)時(shí)給出AGV的安全避障區(qū)間，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的短路徑區(qū)間等關(guān)鍵結(jié)果。路障模型支持動(dòng)態(tài)添加與自動(dòng)識(shí)別添加。AGV的運(yùn)動(dòng)控制流程圖如圖5所示。

圖5 基于各項(xiàng)異性的AGV運(yùn)動(dòng)規(guī)劃流程

2.2 定位導(dǎo)引與防撞技術(shù)

1）定位技術(shù)

首先在AGV需要經(jīng)過的路線上鋪設(shè)特征帶，在AGV車體底部架設(shè)視覺傳感設(shè)備，當(dāng)AGV車體在特征帶上經(jīng)過時(shí)，通過視覺系統(tǒng)對(duì)特征帶上圖案的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)AGV的精確定位?；谄胀ㄌ卣髂０迤ヅ渲庇^易懂，但在實(shí)際應(yīng)用中面臨許多困難，主要表現(xiàn)在當(dāng)存在光照、視角等變換時(shí)，無法得到正確的匹配結(jié)果。項(xiàng)目組經(jīng)過多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)圖像模板借鑒傳統(tǒng)二維碼方式時(shí)，鑒別率最高。因此采用二維碼框架，作為模板基礎(chǔ)。具體示意圖如圖6所示。

圖6 二維碼定位模板

這種模板由正方形黑色邊框構(gòu)成，內(nèi)部在規(guī)定位置上印有不同圖案。經(jīng)閾值分割后，可以比較容易的提取黑色邊框的四條邊緣，利用四條邊緣的圖像坐標(biāo)與已知的模板信息，可以計(jì)算出該模板的投影變換。經(jīng)過投影反變換，即可將圖像轉(zhuǎn)為類似模板庫中的圖像，從而可以方便的利用模板匹配法識(shí)別出該圖形的種類，解決了模板匹配法無法應(yīng)對(duì)投影變換的問題。

如果實(shí)際物流系統(tǒng)中定位點(diǎn)數(shù)量不超過65536處，攜帶的信息量較少，可以將二維碼圖案進(jìn)行簡化或者直接采用二維碼版本（即21×21大?。?。本項(xiàng)目的內(nèi)部圖案設(shè)計(jì)成如圖7所示，方便提高識(shí)別率。

圖7 定位用的內(nèi)部簡化碼型圖

定位、導(dǎo)引方法研究將所有跟蹤識(shí)別到的特征點(diǎn)形成空間位置地圖，并針對(duì)其出現(xiàn)與消失進(jìn)行有效管理，幫助實(shí)現(xiàn)位姿估計(jì)。在新的特征點(diǎn)出現(xiàn)并識(shí)別后，記錄并納入到地圖結(jié)構(gòu)中。在特征點(diǎn)穩(wěn)定出現(xiàn)并成功跟蹤后，在地圖構(gòu)建中記錄連續(xù)幾幀的位置；特征點(diǎn)消失或不再能觀察識(shí)別后，從地圖中刪除特征點(diǎn)的信息。為成功實(shí)現(xiàn)位姿估計(jì)，在地圖中需保持足夠數(shù)目的特征點(diǎn)數(shù)量。圖8為定位示意圖。

圖8 AGV的定位示意圖

2）防撞技術(shù)

考慮使用ZDM/SL激光掃描測(cè)距儀進(jìn)行周邊環(huán)境的檢測(cè)，支持360°掃描。當(dāng)小車到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域或有障礙物阻擋時(shí)，AGV小車通過自身定位以及AGV上位系統(tǒng)指示，確定是否進(jìn)行避讓或者減速，當(dāng)確定障礙物為非法闖入或非預(yù)設(shè)障礙物時(shí)，將快速停止運(yùn)動(dòng)。

考慮到激光掃描測(cè)距的成本較高，也可嘗試通過配備視覺導(dǎo)引和紅外反射式光電開關(guān)的方法進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。視覺導(dǎo)引系統(tǒng)將根據(jù)行進(jìn)路線上的物理進(jìn)行較遠(yuǎn)距離識(shí)別（1m以上），確認(rèn)不會(huì)阻擋前進(jìn)或后退。當(dāng)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端具備阻擋可能性后，將啟動(dòng)紅外線光電開關(guān)進(jìn)行精確探測(cè)，并做好防撞減速準(zhǔn)備。當(dāng)靠近障礙對(duì)象后，將通過紅外最終確認(rèn)，并采取對(duì)應(yīng)措施。

2.3 多系統(tǒng)融合與多協(xié)作AGV技術(shù)

1）協(xié)作搬運(yùn)技術(shù)

在多個(gè)AGV協(xié)作搬運(yùn)過程中，AGV將作為一個(gè)整體進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此單個(gè)AGV的裝載角度與姿態(tài)必須保持一致。因此AGV必須利用多維感知傳感器感知部件相對(duì)位移，調(diào)整部件位置，同時(shí)防止多AGV協(xié)同搬運(yùn)過程中對(duì)部件的損壞。對(duì)單個(gè)AGV小車而言，相對(duì)搬運(yùn)整體的前進(jìn)速度以及側(cè)向位移均需要控制在一定范圍內(nèi)，必須穩(wěn)定的控制算法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中的精確同步協(xié)調(diào)控制。

另外，在協(xié)作搬移過程中，由于存在AGV之間的定位遮擋問題，因此需要設(shè)計(jì)輔助照明系統(tǒng)以及輔助定位系統(tǒng)，用于保證協(xié)作AGV之間位置信息的傳遞，實(shí)現(xiàn)精確行進(jìn)路線和精確定位。

整體AGV的搬運(yùn)協(xié)作流程圖如圖9所示。

圖9 AGV協(xié)作決策流程圖

對(duì)于協(xié)作搬運(yùn)中的單個(gè)AGV姿態(tài)調(diào)整則主要通過交叉耦合控制方法，通過姿態(tài)優(yōu)先的調(diào)整策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV的全方位移動(dòng)方式的準(zhǔn)確控制。具體實(shí)現(xiàn)示意圖如圖10所示。

2）多技術(shù)智能體協(xié)同導(dǎo)引

多臺(tái)AGV進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)，主要采取主從控制方法。當(dāng)前AGV小車將通過系統(tǒng)下發(fā)指令獲知協(xié)作指令消息以及主從特性，并得到本次協(xié)作設(shè)備組的信息，包括主設(shè)備名稱、從設(shè)備名稱，集合地點(diǎn)等。

主從AGV設(shè)備到達(dá)集合地點(diǎn)后，主AGV將對(duì)從AGV設(shè)備啟動(dòng)協(xié)調(diào)控制指令。從設(shè)備間將通過定位信息以及算法獲得主AGV的具體位置，并根據(jù)輔助信息完成多臺(tái)AGV的協(xié)作運(yùn)動(dòng)控制。

圖10 協(xié)作AGV運(yùn)動(dòng)控制方法

圖11 多AGV協(xié)作處理定位方法

3 結(jié)束語

通過建立各向異性全方位輪模型，實(shí)現(xiàn)AGV的全方位自由移動(dòng)，通過激光與視覺識(shí)別定位等多導(dǎo)引技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，通過基于交叉耦合的多AGV同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)多AGV移載裝備的合作搬運(yùn)功能，在多智能體協(xié)同導(dǎo)引方面取得成功，可極大提高數(shù)字化裝配操作的準(zhǔn)確度和快速性，提升大型物件裝運(yùn)的整體效率。

[1]S.Takakuwa,Nagoya University.Efficient module-based modeling for a large-scale as/rs-agv systemISBN:0-7803-3383-7.

[2]葉菁.磁導(dǎo)式AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[3]張智勇,等.AGV整體集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].物流技術(shù),2004(4).