于娟（北京市自動化工程學(xué)校，北京　100101）

基于QR二維碼技術(shù)的AGV系統(tǒng)在倉儲中的應(yīng)用設(shè)計

于娟
（北京市自動化工程學(xué)校，北京100101）

摘要：借助QR二維碼技術(shù)，設(shè)計倉儲物流中的自動導(dǎo)引運輸車AGV系統(tǒng)，解決了AGV在導(dǎo)航方式中的軌跡跟蹤和定位精度問題，運用單源最短路經(jīng)算法Dijkstra算法和經(jīng)典的動態(tài)規(guī)劃算法Floyd算法相結(jié)合的方法，實現(xiàn)AGV的路徑規(guī)劃和碰撞問題，并在實際的倉儲物流中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：QR二維碼；AGV；軌跡；Dijkstra算法；Floyd算法

自動導(dǎo)引運輸車（automatic guided vehicle，AGV）是以電池為動力，能自動尋址，有電磁等自動導(dǎo)航裝置，通過計算機控制，達(dá)到無人駕駛以及作業(yè)的自動化搬運車輛[1]。在AGV無人駕駛的實現(xiàn)過程中，導(dǎo)引和導(dǎo)航技術(shù)對其起到了至關(guān)重要的作用。目前AGV主要有電磁導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）導(dǎo)航等多種方式[2]。隨著倉儲物流系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和工廠自動化等迅速發(fā)展，AGV的應(yīng)用范圍不斷擴展，對AGV的引導(dǎo)技術(shù)、軌跡規(guī)劃算法和跟蹤控制等相關(guān)技術(shù)也得到廣泛關(guān)注。

目前大多數(shù)AGV已經(jīng)商業(yè)化，它們大都采用激光導(dǎo)航和磁導(dǎo)航方式，雖然這些導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成熟，但其成本高，難以維護和改造，因此新的導(dǎo)航方式越來越受到人們的關(guān)注。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)被引入，該技術(shù)成本低，使用靈活。針對AGV的導(dǎo)航方式中的軌跡跟蹤和定位精度問題，本設(shè)計引入QR二維碼（Quick Response Code）技術(shù)，將軌跡及位置信息存儲在二維碼標(biāo)簽中，實現(xiàn)AGV的輔助定位和軌跡跟蹤，提高自動化效率。QR二維碼是一種矩陣二維碼符號。與其他二維碼相比，QR碼具有識讀速度快、信息容量大、占用空間小、成本低、可靠性高等優(yōu)勢[3]。針對路徑規(guī)劃和多車協(xié)作過程中遇到的碰撞問題，本設(shè)計采用經(jīng)典的單源最短路徑算法Dijkstra和經(jīng)典的動態(tài)規(guī)劃算法Floyd相結(jié)合的方法，解決了AGV在應(yīng)用過程中路徑規(guī)劃問題和碰撞問題；同時綜合運用QR二維碼和AGV控制技術(shù)，實現(xiàn)倉儲物流中AGV的自動引導(dǎo)和定位，并進行多AGV協(xié)同作業(yè)的算法優(yōu)化，有效提高了工作效率，降低了人工參與[4]，具有較強的實用性和穩(wěn)定性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AGV控制系統(tǒng)分為上層控制管理調(diào)度系統(tǒng)、本體AGV控制系統(tǒng)和導(dǎo)航導(dǎo)引輔助系統(tǒng)。上層控制管理調(diào)度系統(tǒng)是AGV系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)AGV任務(wù)分配、路徑規(guī)劃、車輛調(diào)度、自動充電等功能。本體AGV控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，負(fù)責(zé)AGV的導(dǎo)航計算、導(dǎo)引實現(xiàn)、車輛行走、裝卸操作等功能。導(dǎo)航導(dǎo)引系統(tǒng)為本體AGV提供系統(tǒng)絕對或相對位置及航向。AGV系統(tǒng)是一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，針對系統(tǒng)的特殊要求，增加了AGV系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)總體設(shè)計為2層結(jié)構(gòu)，即上層控制管理層和下層AGV控制系統(tǒng)層。多個AGV相互協(xié)作，不存在相互通信機制。AGV有碰撞檢測裝置，在系統(tǒng)出現(xiàn)路徑?jīng)_突時，可運用算法改變路徑，避免發(fā)生碰撞。

該系統(tǒng)針對倉儲物流中入庫和出庫的實際應(yīng)用進行設(shè)計，AGV主要發(fā)揮運輸作用，合理利用倉庫資源。其中，準(zhǔn)確定位和路徑優(yōu)化是系統(tǒng)的重要指標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機層主要實現(xiàn)AGV的調(diào)度和算法處理。AGV的調(diào)度負(fù)責(zé)上位機與AGV的信息交換，派發(fā)AGV的運行任務(wù)，進行AGV調(diào)度。若存在多臺AGV協(xié)作，上位機層可解決多臺AGV之間的協(xié)同作業(yè)并避免發(fā)生碰撞問題。算法處理主要是對AGV的任務(wù)進行路徑優(yōu)化算法生成[5]，同時下達(dá)AGV子系統(tǒng)任務(wù)，當(dāng)多臺AGV共同作業(yè)時，可將任務(wù)運用算法優(yōu)化，提高AGV使用率。

AGV自動導(dǎo)引車子系統(tǒng)由QR二維碼讀寫模塊、運動控制模塊、避碰傳感器模塊、電源電池、無線通信模塊和控制核心等重要部分組成。子系統(tǒng)接收上位機派發(fā)的任務(wù)，進行算法處理，實現(xiàn)AGV的自動運行。當(dāng)多個AGV協(xié)同作業(yè)時[6]，AGV之間有傳感器檢測，若出現(xiàn)路徑?jīng)_突，可上報控制管理中心，也可自動啟動優(yōu)化算法改變路徑。子系統(tǒng)各組成模塊的功能如下。

（1）QR二維碼讀寫模塊：QR二維碼標(biāo)簽按照行列排布在地表，標(biāo)簽中存儲有位置信息、轉(zhuǎn)彎信息、位置狀態(tài)等，AGV通過讀寫模塊獲取當(dāng)前信息。二維碼成本低，讀寫速度快，可粘貼足夠多，能做到信息量足夠大且有冗余。若AGV在運行過程中漏掃二維碼，可在附件掃到相關(guān)信息的二維碼，達(dá)到系統(tǒng)識別速度和精度的要求。

（2）運動控制模塊：采用運動控制器控制AGV的運行、轉(zhuǎn)彎及裝卸貨物[7]，并可進行運行速度的實時調(diào)整。

（3）傳感器模塊：避免AGV與場地環(huán)境中的物料或其他AGV運輸車形成碰撞。

（4）電源：作為AGV的供電系統(tǒng)，采用可充電的電池，根據(jù)功耗選擇合適的容量；為配合無線供電需求，還需配有在線充電裝置。AGV在運行過程中電量檢測裝置實時監(jiān)測電池的放電量，當(dāng)放電量達(dá)到設(shè)定的界限時，自行到充電區(qū)進行充電；充電結(jié)束后，自行歸隊靜候作業(yè)安排。

（5）無線通信模塊：為實現(xiàn)與上下位機的信息交互，采用無線通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。AGV通過發(fā)送請求，獲取運輸?shù)钠鹗嫉睾吐窂杰壽E。上位機獲取AGV的狀態(tài)進行作業(yè)安排，并且通過完成情況獲取庫存信息。

（6）算法處理：在接收到軌跡執(zhí)行任務(wù)時，對現(xiàn)場標(biāo)簽信息路徑進行算法優(yōu)化處理；當(dāng)存在多個AGV協(xié)同作業(yè)時，遇到碰撞問題，需重新計算路徑規(guī)劃算法。

在實際倉儲物流中，AGV進行入庫和出庫的流程圖如圖2所示。

圖2　AGV進行入庫和出庫的流程圖

在物流運輸過程中，被運輸物已到達(dá)庫房位置需進行入庫操作。上位機獲取到調(diào)度任務(wù)命令后，發(fā)送入庫調(diào)度命令；AGV接收入庫命令后進行裝料，通過與上位機通信，查詢庫存空余位置確定目的地，上位機通過最短路徑法算法將任務(wù)路徑下達(dá)給AGV運輸車；AGV獲取路徑信息后，開往裝料處裝料并運往目的地位置。在運輸過程中，通過掃描二維碼，AGV可進行精確定位，按預(yù)計路徑完成任務(wù)，在運輸過程中可自行調(diào)速，提高運輸效率。反之，出庫也是一樣。上位機發(fā)送出庫調(diào)度任務(wù)；AGV接收到出庫命令后與上位機進行數(shù)據(jù)查詢，查詢物料所在位置，上位機通過最短路徑法算法將任務(wù)路徑下達(dá)給AGV運輸車；AGV獲取路徑信息后，完成取料和運輸?shù)娜蝿?wù)。該過程中，二維碼信息為精確定位提供了有效保障。多臺AGV也可進行協(xié)作，同時裝載貨物入庫和出庫，也可以進行邊入庫邊出庫操作。

2　軌跡規(guī)劃

QR二維碼是1994年9月由日本Denso公司研制的一種矩陣二維碼符號。QR二維碼的高速識讀是它的主要特性。鑒于QR二維碼的特點，在AGV的導(dǎo)航中，將其成功引入能夠有效地存儲倉儲物流中的場景信息，為上位機構(gòu)建信息數(shù)據(jù)網(wǎng)和后續(xù)路徑規(guī)劃的實施奠定了基礎(chǔ)。在QR二維碼中預(yù)置了軌跡信息，上位機控制管理中心根據(jù)AGV的開始-結(jié)束位置進行信息交互，規(guī)劃AGV的行走軌跡。

AGV接收到行走軌跡信息后執(zhí)行行走操作，根據(jù)場景中的QR二維碼的信息（直行、轉(zhuǎn)彎、目的地等信息）快速定位，并對所走的路徑進行校正，實現(xiàn)停留在精確位置的要求。AGV行走軌跡圖如圖3所示。

圖3　AGV行走軌跡圖

場地中的二維碼由打印獲得，成本低，在使用過程中會有損壞。為避免信息丟失或遺漏，需大量鋪設(shè)二維碼，有效利用冗余數(shù)據(jù)，獲取位置信息，實現(xiàn)精確定位。二維碼張貼于運行環(huán)境中的地表，存有直行、轉(zhuǎn)彎、目的地及相應(yīng)的坐標(biāo)信息，AGV識別后迅速做出反應(yīng)，按照設(shè)定路徑行駛。

3　多臺AGV協(xié)同作業(yè)

多臺AGV可分別對圖3中的軌跡進行協(xié)同作業(yè)。根據(jù)上位機控制中心下達(dá)的軌跡分配任務(wù)，AGV根據(jù)二維碼信息，快速識別出對應(yīng)的路徑，并且能夠準(zhǔn)確定位目的地位置，避免了碰撞及不知如何運動的問題。

本設(shè)計采用Dijkstra算法和Floyd算法相結(jié)合的方法，在任務(wù)調(diào)度時采用Dijkstra算法來計算從有向圖中任意一節(jié)點到其他節(jié)點的最優(yōu)路徑[8]。

將場景中的二維碼中的位置及距離信息做成帶權(quán)有向圖，圖中頂點分成2組，用Dijkstra算法實現(xiàn)的步驟如下。

（1）初始時，S只包含源點，即S＝{v}，v的距離為0。U包含除v外的其他頂點，U中頂點u距離為邊上的權(quán)值（若v與u有邊）或∞（若u不是v的出邊鄰接點即沒有邊）。

（2）從頂點集合U中選取一個距離v最小的頂點k，把k加入到頂點集合S中（該選定的距離就是v到k的最短路徑長度）。

（3）以k為新的中間點，修改U中各頂點的距離。若從源點v到頂點u的距離（經(jīng)過頂點k）比原來不經(jīng)過頂點k的距離短，則修改頂點u的距離值，修改后的距離值的頂點k的距離加上邊上的權(quán)。

（4）重復(fù)步驟（2）和（3），直到所有頂點都包含在頂點集合S中。

當(dāng)多臺AGV協(xié)同作業(yè)時，會產(chǎn)生2種沖突，即相向沖突和超前沖突，可通過檢測AGV運行的路徑是否存在重復(fù)路段和檢查AGV是否同一時間在同一條路段上運行來確定是否存在沖突。出現(xiàn)沖突時，對AGV設(shè)定任務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級，根據(jù)任務(wù)的重要性，對規(guī)劃的路徑設(shè)定優(yōu)先級。當(dāng)AGV執(zhí)行任務(wù)時出現(xiàn)沖突碰撞的路徑通過Dijkstra算法不能滿足需求時，采用Floyd算法。Floyd算法是典型的動態(tài)規(guī)劃路徑的方法，是解決任意2點間最短路徑的一種算法，可以正確處理有向圖或負(fù)權(quán)的最短路徑問題，同時也被計算有向圖的傳遞閉包所用。用通俗的語言來描述的話，該算法是尋找從點i到點j的最短路徑。根據(jù)L（i，k）+ L（k，j）< L（i，j）是否成立，確定從點i到k再到j(luò)的路徑是否比i直接到j(luò)的路徑短，L（i，j）表示從i到j(luò)的路徑[9]。在碰撞沖突發(fā)生時，AGV會主動向控制管理中心發(fā)送消息，控制管理中心會根據(jù)沖突區(qū)的位置信息，搜索到發(fā)生沖突的AGV，根據(jù)優(yōu)先級高低，通過Floyd算法，重新規(guī)劃需要改變行走軌跡的AGV路徑。Floyd算法過程是十字交叉法的矩陣計算，利用鄰接矩陣從左上角開始計算，一直到右下角。本系統(tǒng)綜合運用2種算法，既解決了路徑規(guī)劃問題又解決了多臺AGV沖突問題，有效地提高了系統(tǒng)的自動化程度，適合現(xiàn)代倉儲物流。多臺AGV協(xié)同作業(yè)圖如圖4所示。

圖4　多臺AGV協(xié)同作業(yè)圖

上位機向AGV運輸車發(fā)送任務(wù)及每個AGV的路徑規(guī)劃，根據(jù)算法獲取最優(yōu)路徑，根據(jù)優(yōu)先級高低處理碰撞沖突。多臺AGV可同時入庫出庫，也可邊入庫邊出庫。

4　結(jié)束語

為適應(yīng)物流行業(yè)中AGV精確定位的需求，本系統(tǒng)設(shè)計借助QR二維碼視覺定位技術(shù)，解決了定位問題，降低了成本。在路徑規(guī)劃上，采用Dijkstra和Floyd相結(jié)合的算法，運用優(yōu)先級的方式進行多臺AGV小車的任務(wù)調(diào)度，解決了多臺協(xié)作和沖突碰撞問題。通過實驗驗證，對于寬闊場地或立體空間強的倉儲環(huán)境，AGV定位精度高，任務(wù)調(diào)度及時，算法準(zhǔn)確靈活，能夠滿足當(dāng)前物流領(lǐng)域中AGV的導(dǎo)航作業(yè)任務(wù)，具有一定的實用性和可操作性，在未來AGV應(yīng)用的不同領(lǐng)域中可進一步得到驗證。

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Design of application for AGV system in warehousing based on QR Code technology

YU Juan
（Beijing Automatic Engineering School，Beijing 100101，China）

Abstract：The automatic guided vehicle（AGV）system of the warehouse logistics is designed by QR code technology，and the tracking and positioning accuracy of the AGV is solved. Using Dijkstra algorithm and Floyd algorithm，the path planning and collision of AGV is realized. It has been applied in the actual storage and logistics. The application and stability of the system is highly applicable.

Key words：QR code；automatic guided vehicle（AGV）；track；Dijkstra algorithm；Floyd

作者簡介：于娟（1976—），女，講師，研究方向為機電一體化技術(shù)應(yīng)用.

收稿日期：2015-06-18

中圖分類號：TP391.44

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095－0926（2015）03－0044－04