國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院 / 張曉穎 莊葛巍 張洪紅

深圳市科陸電子科技股份有限公司 / 姚民

高速穿梭車定位技術(shù)的研究

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院 / 張曉穎 莊葛巍 張洪紅

深圳市科陸電子科技股份有限公司 / 姚民

目前穿梭車式貨架倉(cāng)庫(kù)需求快速增加，但是與國(guó)外相比，我國(guó)物流裝備企業(yè)在穿梭車技術(shù)方面存在較大差距，因此急需研究高速智能穿梭車，以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，促進(jìn)國(guó)內(nèi)智能倉(cāng)儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和技術(shù)探討后，本文主要對(duì)高速穿梭車的各項(xiàng)指標(biāo)及其行走定位方式進(jìn)行了研究。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、高速穿梭車、定位技術(shù)

一、研究背景和意義

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)，又稱自動(dòng)存儲(chǔ)/檢索系統(tǒng)，即AS/ RS（Automated Storage/Retrieval System），使用高層貨架存儲(chǔ)貨物，充分利用倉(cāng)庫(kù)空間，因此節(jié)省了占地面積，提高了空間使用率。目前使用最廣、適應(yīng)性較強(qiáng)的是單元貨格式立體倉(cāng)庫(kù)，但是在這種倉(cāng)庫(kù)中巷道占去了三分之一左右的面積。在充分利用存儲(chǔ)空間的原則上，為了提高倉(cāng)庫(kù)面積的利用率，達(dá)到能夠存儲(chǔ)更多貨物的目的，近年來(lái)各種高密度自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)逐漸發(fā)展成熟，例如：重力式貨架倉(cāng)庫(kù)和穿梭車式貨架倉(cāng)庫(kù)。

在重力式貨架倉(cāng)庫(kù)中，貨架接通道排列，每個(gè)通道都是存貨通道，并帶有一定的坡度，從入庫(kù)口端裝入的貨物單元能夠在自重的作用下，自動(dòng)向出庫(kù)端移動(dòng)，直到到達(dá)通道出庫(kù)端或者碰到已存儲(chǔ)的貨物單元停住為止，通道出庫(kù)端設(shè)有止動(dòng)裝置。當(dāng)出庫(kù)端的第一個(gè)貨物單元被取走后，其后面的各個(gè)貨物單元在重力作用下依次向出庫(kù)端補(bǔ)位。從結(jié)構(gòu)上講，為了保證這種倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的靈活性，要求每個(gè)存貨通道設(shè)置減少摩擦的裝置，如在貨架上加滾子，或者儲(chǔ)存托盤帶滾輪。

穿梭車式貨架倉(cāng)庫(kù)，貨架也接通道排列，每個(gè)通道也都是存貨通道，但沒(méi)有設(shè)置坡度，每個(gè)通道都設(shè)有供穿梭車運(yùn)行的軌道，穿梭車在巷道里往復(fù)運(yùn)行，自動(dòng)存取和搬取貨物，提升了物流效率，而且穿梭車可以和堆垛機(jī)、自動(dòng)叉車或AGV配合，自動(dòng)進(jìn)行不同列、不同層及不同通道之間的交換，調(diào)度更加靈活，自動(dòng)化程度更高。

穿梭車式貨架倉(cāng)庫(kù)的核心設(shè)備是穿梭車。穿梭車又稱為軌道式自動(dòng)導(dǎo)引車（rail guide vehicle），具有速度快、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，它是立體倉(cāng)庫(kù)的重要設(shè)備，并與其他物流設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，如出入庫(kù)站臺(tái)、緩沖站、輸送機(jī)、升降機(jī)和機(jī)器人等，按照計(jì)劃進(jìn)行物料的輸送。穿梭車的行駛速度一定程度上決定了整個(gè)貨架倉(cāng)庫(kù)的物流效率；穿梭車的供電方式、持續(xù)行進(jìn)能力等決定了貨架倉(cāng)庫(kù)安裝施工的難度；穿梭車的智能程度決定了貨架倉(cāng)庫(kù)的智能化程度以及設(shè)計(jì)難度。因此，對(duì)于穿梭車式貨架倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)講，穿梭車本身十分值得研究和改進(jìn)。

目前，立體倉(cāng)庫(kù)正逐漸向高動(dòng)態(tài)應(yīng)用的方向發(fā)展——對(duì)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)量的要求越來(lái)越高，揀選、輸送以及出入庫(kù)頻率等要求也越來(lái)越高，因此貨架穿梭車是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。在國(guó)外，貨架穿梭車的研究起步較早，在2005年前后，YLOG、DEMATIC、TGW等物流巨頭就推出了自己的貨架穿梭車，并在這幾年進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，已相繼推出升級(jí)版本的貨架穿梭車，在運(yùn)行速度、靈活性、智能程度上都有顯著提升。國(guó)外的穿梭車運(yùn)行速度普遍在4m/s以上，并且一般具備路徑規(guī)劃系統(tǒng)，可進(jìn)行復(fù)雜路徑的規(guī)劃。而在國(guó)內(nèi)，貨架穿梭車的研究尚在起步階段，穿梭車系統(tǒng)應(yīng)用較少，且穿梭車供應(yīng)商廠家也很少。國(guó)產(chǎn)穿梭車的性能相對(duì)國(guó)外巨頭的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)還有較大差距。國(guó)產(chǎn)穿梭車運(yùn)行速度普遍在2m/s以下，智能程度較低，大多的路徑規(guī)劃要依靠立庫(kù)系統(tǒng)軟件輔助完成。

二、主要研究?jī)?nèi)容

基于目前國(guó)內(nèi)穿梭車的發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)物流裝備行業(yè)急需研究高速（4m/s以上速度）智能的貨架穿梭車定位技術(shù)，以促進(jìn)國(guó)內(nèi)智能倉(cāng)儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和技術(shù)探討后，我們主要對(duì)貨架穿梭車的以下指標(biāo)進(jìn)行了研究。

1.更快的速度

穿梭車更快的速度意味著單位時(shí)間內(nèi)更多次數(shù)的取放貨物，直接關(guān)系到整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的物流效率。目前大部分的貨架穿梭車平均速度約在2m/s，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和技術(shù)評(píng)估，我們預(yù)計(jì)將穿梭車的速度提升到4m/s。

更快的速度意味著更大的電機(jī)功率和能耗，而功率越大的電機(jī)重量越重，整個(gè)車體的重量也就越重，而更重的車體則需要更大的驅(qū)動(dòng)功率，導(dǎo)致惡性循環(huán)。因此，速度的提升對(duì)穿梭車來(lái)說(shuō)是個(gè)重大挑戰(zhàn)。

2.更精準(zhǔn)的定位方式

目前，國(guó)內(nèi)外穿梭車的行走定位模式如下：

（1）行走電機(jī)編碼器與單個(gè)定位檢測(cè)孔（每個(gè)貨位一個(gè)定位孔）

缺點(diǎn)是：此種方式要經(jīng)過(guò)行走電機(jī)編碼器數(shù)據(jù)處理，精確計(jì)算，如果多段穿梭車導(dǎo)軌出現(xiàn)連接處錯(cuò)位等，極有可能導(dǎo)致行走輪打滑，同時(shí)也有可能因電機(jī)啟動(dòng)加速度太大導(dǎo)致行走輪與導(dǎo)軌面摩擦力變化打滑，穿梭車將無(wú)法準(zhǔn)確到達(dá)指定位置，只有通過(guò)找貨位的定位檢測(cè)孔來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，有可能穿梭車會(huì)過(guò)沖或者還未到達(dá)目標(biāo)位置行走電機(jī)就停止了，只能通過(guò)程序判斷穿梭車低速來(lái)回找目標(biāo)位。

（2）條碼定位檢測(cè)

缺點(diǎn)是：此種方式要求在貨架行走導(dǎo)軌一側(cè)貼一整條條碼，并且條碼不能撕裂和斷開(kāi)較大距離，對(duì)條碼有較高的安裝要求；同時(shí)對(duì)于層數(shù)多、巷道長(zhǎng)的多層穿梭式貨架，使用條碼定位會(huì)導(dǎo)致較高的成本。

（3）激光測(cè)距方式

（4）穿梭車行走定位的新方式

穿梭車行走定位采用RFID信息識(shí)別與雙定位檢測(cè)點(diǎn)方式，可有效降低系統(tǒng)控制難度，即時(shí)讀取倉(cāng)位信息減少系統(tǒng)交互時(shí)間；該方式簡(jiǎn)單的加工及安裝工藝，降低了定位成本，即使貨架因地面沉降和安裝使導(dǎo)軌在一定程度上發(fā)生偏移，也不影響穿梭車正常運(yùn)行，可提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和冗錯(cuò)性。采用RFID信息識(shí)別與雙定位檢測(cè)點(diǎn)方案，可提前判斷位置給予系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，防止穿梭車過(guò)沖，提高定位精度。

三、技術(shù)方案

穿梭車擬采用的設(shè)計(jì)方案，如圖1。

1.控制機(jī)構(gòu)

控制機(jī)構(gòu)用于控制整個(gè)穿梭車的運(yùn)動(dòng)、停止以及存取托盤貨物等各種動(dòng)作，控制機(jī)構(gòu)控制伺服電機(jī)、貨叉，并接收路徑規(guī)劃系統(tǒng)的指令，完成指定路徑的運(yùn)動(dòng)和執(zhí)行動(dòng)作?？刂茩C(jī)構(gòu)主要由運(yùn)動(dòng)控制器和伺服控制器組成。

圖1 穿梭車技術(shù)方案

（1）運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)穿梭車的控制核心，通過(guò)接收主站發(fā)出的控制指令，控制穿梭車的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止以及存取貨等各種動(dòng)作。

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運(yùn)動(dòng)控制器將采用ARM加FPGA的框架設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)穿梭車的高速和高精度定位功能，并通過(guò)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)與主站的通訊，接收由主站發(fā)出的系統(tǒng)路徑規(guī)劃指令，完成指定路徑的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作，并且返回給主站穿梭車的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作狀態(tài)等信息。

（2）伺服控制器

本項(xiàng)目中需要實(shí)現(xiàn)穿梭車的精確定位，如果托盤貨物的擺放誤差較大，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的存取貨操作，可能導(dǎo)致整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的混亂甚至癱瘓，因此伺服控制器必須通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的精確位置控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)穿梭車的精確位置定位。

本設(shè)計(jì)將基于TI公司C2000的DSP作為控制平臺(tái)，控制結(jié)構(gòu)將采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)閉環(huán)控制，結(jié)合矢量控制算法實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的精確定位。硬件將采用高精度絕對(duì)式編碼器來(lái)采集電機(jī)位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置環(huán)和速度環(huán)的反饋信號(hào)，功率電路采用英飛凌IGBT作為開(kāi)關(guān)管，將主板經(jīng)過(guò)矢量計(jì)算后輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)的三相交流電壓。

2.PPS及外部接

PPS是Path Planning System的縮寫，意指路徑規(guī)劃系統(tǒng)，穿梭車可根據(jù)WMS（倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)）發(fā)來(lái)的位置信息，依據(jù)路徑規(guī)劃算法，自行規(guī)劃最優(yōu)路徑，并向控制機(jī)構(gòu)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，使控制機(jī)構(gòu)沿規(guī)劃路徑運(yùn)行至指定位置并存取貨物，這樣WMS只需告知穿梭車存取貨的目標(biāo)位置，其他控制均由穿梭車自行完成，提高了通信效率的同時(shí)，也減少了WMS的開(kāi)發(fā)難度。

PPS需要一系列外部接口協(xié)議的支撐，包括與WMS的協(xié)議約定以及穿梭車提升機(jī)之間的協(xié)議約定，因此該模塊還包含與WMS的外部接口以及和提升機(jī)的外部接口。

3.伺服電機(jī)

伺服電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩需根據(jù)車體重量、地面摩擦系數(shù)、車體行駛速度、減速機(jī)選型、車輪直徑等信息進(jìn)行確定（詳細(xì)計(jì)算不做贅述）。

由于伺服電機(jī)位于車體上，因此伺服電機(jī)本身的重量也是重要的考量因素。

圖2

直流伺服電機(jī)的碳刷壽命有限，需定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，而穿梭車一直工作在貨架上，維護(hù)保養(yǎng)多有不便，所以我們放棄了直流伺服電機(jī)，而選用交流伺服電機(jī)。

4.主電源

目前，大部分穿梭車使用的是滑觸線供電的方式，利用在貨架巷道中布置滑觸線滿足穿梭車運(yùn)行的供電需要，采用48V的供電方式更加安全。

5.逆變器

由于主電源為直流，而伺服電機(jī)為交流，因此需要提供逆變器將直流轉(zhuǎn)化為交流為伺服電機(jī)供電，逆變電源除了需要較高的轉(zhuǎn)化效率外，還需要盡量的輕便以及小巧。

6.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括減速機(jī)和車輪，減速機(jī)用于匹配車輪的轉(zhuǎn)速和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在減少轉(zhuǎn)速的同時(shí)，提高了扭矩，減少了負(fù)載慣量。

車輪直徑根據(jù)車體速度和車輪轉(zhuǎn)速確定，計(jì)算過(guò)程不再贅述。

7.防撞阻擋模塊

穿梭車一旦遇到障礙物（如系統(tǒng)異常，不同穿梭車進(jìn)入了同一層貨架，或路徑上有意外的障礙物阻擋），穿梭車需及時(shí)感應(yīng)并停止運(yùn)行，同時(shí)為防止異常情況下穿梭車從貨架上滑出，需設(shè)計(jì)阻擋機(jī)構(gòu)使其確認(rèn)貨架邊緣位置，并及時(shí)采取措施阻止滑出。

8.行走定位模式

定位檢測(cè)點(diǎn)+RFID定位方式，信息識(shí)別通過(guò)傳感器定位檢測(cè)點(diǎn)判斷穿梭車是否行駛到目標(biāo)貨位，RFID作為門牌號(hào)形式提供具體的貨位信息，從而使穿梭車目標(biāo)定位更加智能化、簡(jiǎn)單化。

行走定位信息識(shí)別模塊由EPC泡沫板、雙反射型傳感器感應(yīng)的定位反光片、RFID信息識(shí)別卡以及用于粘貼于穿梭車導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)的強(qiáng)力3M膠等組成。行走定位信息識(shí)別模塊與穿梭車導(dǎo)軌、穿梭車上傳感器安裝相對(duì)位置，如圖2。

圖3為行走定位信息識(shí)別模塊與穿梭車導(dǎo)軌安裝位置示意圖。

四、研究成果

本項(xiàng)目的預(yù)期成果是高速智能貨架穿梭車樣機(jī)一臺(tái)，如圖4。

圖3

圖4

1.技術(shù)指標(biāo)

高速智能貨架穿梭車擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

●進(jìn)入勻速行駛階段的額定速度為4m/s；

●加速度＞2m/S2；

●額定載重為50kg；

●整車（含貨叉、車身、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電機(jī)等整個(gè)車體）重量，不大于80kg；

●額定功率為1500W；

●車體定位精度應(yīng)≤1mm。

2.技術(shù)特點(diǎn)

（1）行走定位模式

定位檢測(cè)點(diǎn)+RFID定位方式，信息識(shí)別通過(guò)傳感器定位檢測(cè)點(diǎn)判斷穿梭車是否行駛到目標(biāo)貨位，RFID作為門牌號(hào)形式提供具體的貨位信息，從而使穿梭車目標(biāo)定位更加智能化、簡(jiǎn)單化。

（2）與國(guó)外產(chǎn)品的技術(shù)比較，如表1。

表1