牛秦玉，惠 釗，李珍惜

（西安科技大學 機械工程學院，西安 710054）

0 引言

基于企業(yè)打造“智慧物流、綠色物流、敏捷物流”戰(zhàn)略[1]，在生產(chǎn)物流構建中運用AGV系統(tǒng)實現(xiàn)自動化物料搬運上線方式是降低企業(yè)生產(chǎn)物流成本，提高生產(chǎn)能級的重要手段之一[2,4]。AGV的導引方式多種多樣，有電磁導引[3]、激光導引[6]和視覺導引等。磁導引雖然存在路徑難以更改，軌道布設繁瑣等制約因素，但由于高性價比、路徑變更方便等優(yōu)點，依然是大多數(shù)企業(yè)工廠的首要選擇[2,5,8]。

路徑規(guī)劃是AGV系統(tǒng)投入生產(chǎn)的關鍵技術之一，簡潔、有效的路徑規(guī)劃可以使整個AGV控制系統(tǒng)運行高效[7,9]。凌忠奇[2]等研究了固定路徑、全局環(huán)境已知的行駛地圖數(shù)據(jù)結構。胡彬[5]等提出一種能夠避免多車沖突并且時間最優(yōu)的基于時間窗的動態(tài)路徑規(guī)劃算法路。趙江[7]等提出了改進的A*算法，采用幾何方法對傳統(tǒng)A星算法規(guī)劃出的路徑進行進一步優(yōu)化。目前路徑規(guī)劃研究都是關于最短路徑、最優(yōu)路徑，無論采用哪種路徑規(guī)劃算法或者導航方式，針對不同的生產(chǎn)線地圖就得重新編寫路徑規(guī)劃及任務調(diào)度程序，不具有通用性，冗雜不便。

本文針對磁導航存在路線布置繁瑣，生產(chǎn)線變更麻煩的問題，基于磁導航叉車式AGV，提出一種生產(chǎn)線布置模板及相應的標簽指令算法。將生產(chǎn)線梳理為由線路、工位、標簽組成的最小單元，只是組合與布置方式不一樣。以數(shù)據(jù)庫為主服務器，將所有生產(chǎn)線上的信息分模塊設計成一個通用的系統(tǒng)，變更生產(chǎn)線后只需在數(shù)據(jù)庫中修改數(shù)據(jù)，無需重新設計算法，從而減少系統(tǒng)設計工作量及投入時間，提高其可靠性與維護性。

1 總體設計

1.1 路徑規(guī)劃模板體系結構

系統(tǒng)設計采用模塊化設計思路，以數(shù)據(jù)庫為主服務器，生產(chǎn)線上所有的數(shù)據(jù)都存入數(shù)據(jù)庫中，上位機監(jiān)控調(diào)度界面采用力控組態(tài)軟件開發(fā)，以C++開發(fā)后臺路徑規(guī)劃及任務調(diào)度程序，算法程序與數(shù)據(jù)庫連接，會根據(jù)任務的不同實時更新路徑、工位信息，這樣的布局相比在高級語言中嵌入Active X地圖插件[12]靈活性增強。通過將生產(chǎn)線上的信息進行分類模板化處理，不同的生產(chǎn)線布置方式就變成了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表信息的不同，只需進行相應的數(shù)據(jù)改動，便可快速投入使用。體系架構圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結構

1.2 生產(chǎn)線信息處理

對于工業(yè)AGV來說，生產(chǎn)線一般由線路、地標點、作業(yè)點組成，根據(jù)車間具體工藝環(huán)境的不同，作業(yè)點各有不同，一般情況下，主要有立體倉庫、停車位、充電位、胚料庫、成品庫、工藝加工工位等，通過對不同車間工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境作業(yè)點的實地考察，發(fā)現(xiàn)AGV作業(yè)點類型如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線作業(yè)點類型

可以發(fā)現(xiàn)，這幾個作業(yè)點都可以當做類十字工位處理，通用的生產(chǎn)線布置方式對各種導航類型、移載機構的AGV都可以適用，本課題主要對叉車式AGV進行作業(yè)點分析，以磁帶作為導引方式，RFID射頻識別技術作為站點識別技術。AGV通過黏貼于地面上的RFID標簽實現(xiàn)自身定位及相應的動作指令。對于磁導航叉車式AGV而言，由于導航傳感器與站點識別單元安裝于車體后方，其進出工位的方式也與承載式牽引式AGV不同，需要先調(diào)整方向，再駛進工位，進出工位方式如圖3所示。

圖3 叉車式AGV進出工位方式

根據(jù)叉車式AGV進出工位的方式及進出工位方向不同，類十字形工位需要設置9個標簽，實際黏貼時根據(jù)需要設置即可。標簽布置如圖4所示。

圖4 作業(yè)點工位標簽布置形式

為了增加AGV對RFID標簽信息識別的時效性，同時增強路徑規(guī)劃的通用性、方便性，針對庫位、路徑、工位等所有作業(yè)點采用統(tǒng)一的12位碼格式。每個RFID標簽要包含該點的坐標信息，相應的動作指令信息，所處的線路號信息，還有與之相關的工位信息。標簽信息設置如表1所示。

表1 電子標簽設置

每個RFID標簽都有一個屬性信息pro，用來表示AGV在該標簽處可以執(zhí)行的動作指令種類，根據(jù)線路標簽布置方式，規(guī)定轉彎點的屬性為01，加減速點的屬性為02。線路標簽設置如表2所示。

表2 線路標簽屬性

根據(jù)AGV進出工位的方式，工位標簽的‘pro’位設置如表3表示。

表3 線路標簽屬性

圖5 數(shù)據(jù)庫結構圖

1.3 數(shù)據(jù)庫設計

本文設計的所有數(shù)據(jù)信息都存儲在關系數(shù)據(jù)庫中，生產(chǎn)線變更后，只需對數(shù)據(jù)庫中相關路段表，地標信息表、工位信息表進行增刪處理，不需要重新編寫任務調(diào)度及標簽指令算法，便可快速投入使用。本課題數(shù)據(jù)庫設計，包括AGV信息表、路徑信息表、線路信息表、地標點信息表、工位信息表,主要數(shù)據(jù)表間的設置及關系如圖5所示。

2 標簽指令算法設計

前面將生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)信息處理為最小單元線路、地標、工位的組合，AGV接到上位機發(fā)送的指令后，對于某一具體的任務，可能是上貨，取貨，移庫，出庫，入庫，不管多么復雜的任務，都可以處理為出工位-線路行駛-進工位的子任務之間的組合?；诒菊n題的生產(chǎn)線規(guī)劃模板，標簽指令算法結構如圖6所示。

圖6 標簽指令算法流程

上位機下達的指令格式是在標簽編碼后增加指令格式，根據(jù)叉車式AGV的動作方式，指令編碼形式如表4所示。

2.1 進出工位標簽指令

叉車式AGV完成任何一個子任務的過程由三個部分組成，出工位，路徑上行駛，進工位。

表4 叉車式AGV動作指令格式

依照叉車式AGV進出工位的方式，進工位需要讀寫4個標簽，相應的有4條動作指令，出工位需要讀寫3個標簽，相應的有3條指令。則依照表4依次在需要動作的RFID標簽格式后面加上相關指令。如圖7所示。AGV從工位左側駛出十字形工位19時，則在工位標簽集合中第19個工位處Pi7，Pi6，Pi1三個標簽編碼后分別添加‘00’、‘01’和‘05’，從右側駛進工位19時，則在Pi3，Pi1，Pi2，Pi7四個標簽編碼后分別添加‘06’、07’、‘03’、‘08’。

圖7 工位標簽指令添加示意圖

由于我們規(guī)定了線路正方向左側工位編號為奇數(shù)，右側工位編號為偶數(shù)，AGV進出工位時會因工位編號的奇偶性、進出工位方向不同而有差異，但讀取標簽的個數(shù)與指令添加方式相同。

2.2 路徑標簽指令

添加路徑標簽之前先得為AGV從起始工位到目標工位規(guī)劃一條有效路徑，目前應用較多的路徑規(guī)劃算法有遺傳算法、蟻群算法、A星算法等[13,14]。鑒于本文中線路地圖并不復雜，主要特點是線路長，工位繁多，故采用A*算法進行線路與標簽的篩選，對A*算法的步驟不再贅述，對篩選出的線路有效標簽集合依照圖8的流程進行標簽指令的添加，其中i是標簽編號。

圖8 路徑標簽指令算法流程

3 試驗驗證與結果分析

為驗證本文提出的生產(chǎn)線布置方案及標簽指令算法是否符合實際應用需求，在實驗室搭載了模型車及生產(chǎn)線地圖。上位機監(jiān)控界面采用力控組態(tài)軟件開發(fā)，通過SQLServer數(shù)據(jù)庫與后臺C++算法進行信息交互。

1）首先以1號生產(chǎn)線進行試驗,簡化的生產(chǎn)線由線路，工位，RFID標簽組成，對于十字形工位設置9個標簽，丁字形作業(yè)工位設置7個電子標簽，線路正方向左邊工位設置為奇數(shù)工位，右邊工位設置為偶數(shù)工位，將相應地圖數(shù)據(jù)信息輸入數(shù)據(jù)庫。隨機添加任務，輸入起始工位與目標工位，AGV開始運行，上位機監(jiān)控運行結果如圖9、圖10所示。

圖9 實車運行結果

圖10 上位機監(jiān)控運行結果

2）在1號生產(chǎn)線基礎上，添加修改若干線路及工位，并且在數(shù)據(jù)庫中更改相應信息，更改后的生產(chǎn)線地圖如圖11所示。

圖11 生產(chǎn)線變更后的地圖設置

初始化系統(tǒng)，重新啟動后，隨機添加任務，變更生產(chǎn)線后的標簽指令算法運行結果如圖12所示。

圖12 標簽指令算法運行結果

對比兩條生產(chǎn)線的實驗結果由實驗可知：

1）路徑選擇滿足最短路徑要求，叉車式AGV經(jīng)過每一個所需完成任務路徑上的標簽，但是只在需要加速和轉彎及到達相應工位的標簽處執(zhí)行動作指令，并且能夠根據(jù)任務的不同在同一個標簽處執(zhí)行多條不同指令。

2）生產(chǎn)線更改后，所設計的路徑規(guī)劃及標簽指令算法不需要做任何更改，只需在數(shù)據(jù)庫中對線路表、工位表，標簽信息表進行相應數(shù)據(jù)的修改增刪，便可快速投入使用，標簽指令執(zhí)行無誤。

4 結論

本文基于磁導航叉車式AGV，提出一種針對不同生產(chǎn)線的通用型生產(chǎn)線布置方式及標簽指令算法。將生產(chǎn)線上的所有作業(yè)點統(tǒng)一看做工位點處理，將生產(chǎn)線簡化為線路、標簽、工位的組合，將叉車式AGV的任務細分成出工位-線路行駛-進工位的子過程，從而將生產(chǎn)線布置和標簽指令算法都以模塊化思想處理。

通過在實驗室搭載實車實驗環(huán)境，完成了磁導航叉車式AGV取貨送貨的功能，并且實現(xiàn)在同一個RFID標簽處執(zhí)行兩種以上的指令動作功能；生產(chǎn)線更改后，不需要重新編寫指令算法，只需在數(shù)據(jù)庫中對相應數(shù)據(jù)表進行相應信息的修改，便可快速投入使用。通過在某電力公司生產(chǎn)線投入運行，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，實用性強。