一、概述

1.項目簡述

河南中煙洛陽卷煙廠易地技改項目，卷包房、濾棒成型車間的輔料智能輸送系統(tǒng)，擬采用移動機器人系統(tǒng)（AGVS）進行自動配送。系統(tǒng)方案按照工廠布局、工藝流程需求而設(shè)計,實現(xiàn)輔料、空托盤的自動配送,從而達(dá)到節(jié)約勞動力、提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)智能化的目的，同時可以對物料信息進行實時追溯。

2.項目的整體規(guī)劃

整體規(guī)劃圖，如圖1。AGV主要作業(yè)區(qū)域如下：

（1）立體庫出庫工位（2 個站臺）；

（2）立體庫空托盤/余料返回工位 ；

（3）AGV充電區(qū)；

（4）濾棒車間；

（5）裝封箱車間；

（6）卷接包車間。

叉車式 AGV 主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)線輔料、空托盤的搬運。將指定的實托盤從立體庫出庫站臺送往車間的需求工位；同時將空托盤/余料返回回庫站臺。

在作業(yè)過程中由客戶端的倉儲管理系統(tǒng)（WMS）根據(jù)生產(chǎn)所需物料，WMS 系統(tǒng)將取貨、卸貨站點發(fā)送給AGV 調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度就近的AGV 搬運托盤至裝配工位需求站點，AGV 小車作業(yè)完成后，AGV 調(diào)度系統(tǒng)通知 WMS 系統(tǒng)任務(wù)完成。

當(dāng)工位上產(chǎn)生空托盤或余料托盤后，倉儲管理系統(tǒng)（WMS）通知 AGV調(diào)度系統(tǒng)，將其 自動搬運到立體倉庫回庫站臺工位。

二、輸入條件

1.工作制

三班制，8 小時/班；

出庫三班制，21 小時/天；

圖1 整體規(guī)劃圖

表1 產(chǎn)能

圖2 AGV行駛至A點時的路徑規(guī)劃

圖3 AGV行駛至B點時的路徑規(guī)劃

圖4 AGV車載控制系統(tǒng)硬件模塊

圖5 AGV叉車數(shù)學(xué)模型

2.最大產(chǎn)能（如表1）

三、AGV系統(tǒng)設(shè)計

AGV系統(tǒng)主要由AGV調(diào)度系統(tǒng)、AGV車載控制系統(tǒng)這兩大部分組成。以下對這兩大部分進行詳盡的介紹；

1.調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

車輛調(diào)度系統(tǒng)是要實現(xiàn)多臺車輛設(shè)備在同一個項目工作場景內(nèi)同時運行，能夠無碰撞地完成指定任務(wù)，且能夠?qū)崟r監(jiān)控車輛信息，保證系統(tǒng)順利、高效地運行。智能調(diào)度系統(tǒng)研究的主要核心內(nèi)容包括路徑規(guī)劃和交通管制，以下我們就這兩方面展開進一步說明。

（1）路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃要解決的問題是如何根據(jù)現(xiàn)有的電子地圖數(shù)據(jù)生成一條從任務(wù)起點到任務(wù)終點的最優(yōu)路線，保證車輛能夠順利完成調(diào)度指定的任務(wù)。研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

環(huán)境建模：環(huán)境建模是路徑規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，目的是將工程項目現(xiàn)場的信息轉(zhuǎn)換成可以讓計算機識別處理的電子環(huán)境地圖，建立一個便于計算機進行路徑規(guī)劃所使用的環(huán)境模型，將實際的物理空間抽象成算法能夠處理的抽象空間，實現(xiàn)相互間的映射。

路徑搜索：路徑搜索階段是在環(huán)境模型的基礎(chǔ)上應(yīng)用相應(yīng)算法尋找一條行走路徑，使預(yù)定的路徑性能評估函數(shù)獲得最優(yōu)值。采用了Dijkstra算法，生成從任務(wù)起點到任務(wù)終點的最短路徑。

路徑平滑：由于叉車式AGV屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)，通過相應(yīng)算法搜索出的路徑并不是AGV實際可以行走的路徑，需要作進一步處理與平滑才能使其成為一條實際可行的路徑。采用了自主開發(fā)的路徑平滑算法對路徑進行處理，生成AGV實際行駛的路徑。

路徑的優(yōu)化：通過Dijkstra路徑規(guī)劃算法生成的路徑雖然是路程最短路徑，但可能不是最優(yōu)路徑，需要認(rèn)真分析現(xiàn)場環(huán)境，提取影響最優(yōu)路徑的特征參數(shù)，比如轉(zhuǎn)彎的次數(shù)、路徑的擁擠程度、路徑的寬度、特殊的工況等，作為下一步路徑優(yōu)化的指標(biāo)。采用深度學(xué)習(xí)和蟻群算法相接合，對Dijkstra算法規(guī)劃出來的路徑進行不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化，最后達(dá)到近似最優(yōu)路徑。

（2）交通管制

基于動態(tài)的路徑規(guī)劃算法，衍生出了預(yù)測式的交通管制。即根據(jù)路徑規(guī)劃，分配并鎖定沿途的路徑線，提前預(yù)知交通問題并改變路徑策略。

當(dāng)路徑規(guī)劃完成后，需要對AGV進行控制，使其按照規(guī)劃的路徑行駛。規(guī)劃好的路徑中，每條路徑線有三種狀態(tài)，分別是：正行駛、待行駛和已規(guī)劃。

正行駛，表示AGV正在該路徑線上行駛，或停止于該路徑線的端點上。不可被其他AGV列為待行駛路徑，也不受權(quán)值改變和路徑規(guī)劃影響。當(dāng)AGV行駛完后，需將路徑線從規(guī)劃路徑中刪除，并將下一條待行駛的路徑變?yōu)檎旭偟穆窂健?/p>

待行駛，表示AGV準(zhǔn)備行駛的路徑。不可被其他AGV列為待行駛路徑，也不受權(quán)值改變和路徑規(guī)劃影響。

已規(guī)劃，表示路徑已規(guī)劃至該路徑。受權(quán)值改變和路徑規(guī)劃影響，可被任意AGV列為待行駛路徑。

從A點到T點最優(yōu)路徑為：1-2-3-4-9-18-27

當(dāng)AGV在A點時，1為正行駛路徑，2、3、4為待行駛路徑，9、18、27為已規(guī)劃路徑。如圖2。

當(dāng)AGV行駛至B點時，1從規(guī)劃路徑中被刪除，2為正行駛路徑，3、4、9為待行駛路徑，18、27為已規(guī)劃路徑。如圖3。

當(dāng)路徑規(guī)劃和AGV控制使用上述算法后，交通管制行為就變?yōu)榱私埂耙岩?guī)劃”路勁轉(zhuǎn)變?yōu)椤按旭偂甭窂降男袨椤?/p>

當(dāng)路徑規(guī)劃模塊需要將“已規(guī)劃”路徑轉(zhuǎn)變?yōu)椤按旭偂甭窂綍r，需要詢問交通管制模塊，是否可以做該轉(zhuǎn)變。

交通管制不會管理AGV的啟動、停止和速度。

默認(rèn)情況下，判斷一條路徑線可不可以轉(zhuǎn)換成“待行駛”狀態(tài)的條件是：

（a）該路徑?jīng)]有被其他路徑分配為“待行駛”或“正行駛”狀態(tài)

（b）該路徑的結(jié)束點上沒有AGV停靠

（c）該路徑的結(jié)束點不是其他“待行駛”或“正行駛”路徑的結(jié)束點

2.AGV車載控制系統(tǒng)設(shè)計

智能AGV車載控制系統(tǒng)，通過仿人控制與智能積分PID運動控制算法，輸出速度和角度控制量，從而實時控制AGV行走；智能AGV控制系統(tǒng)通過激光避障傳感器及防撞條的實時數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了AGV的安全防護；同時智能AGV控制系統(tǒng)還支持Socket TCP網(wǎng)絡(luò)通信功能，實時接收調(diào)度系統(tǒng)指令并定時反饋AGV狀態(tài)信息到調(diào)度系統(tǒng)；智能AGV控制系統(tǒng)還包含語音、三色燈、工業(yè)觸控屏控制模塊，便于故障的報警與診斷；我們將會從硬件模塊、運運控制算法概述、電池選型方案、等三方面展開進行更詳細(xì)介紹。

（1）硬件模塊

圖4為NDC8 AGV車載控制硬件模塊組成圖，主要由車載控制器、激光導(dǎo)航傳感器、激光避障傳感器、IO控制、編碼器、工控屏、驅(qū)動器、手持控制器等組成。

（2）運運控制算法概述

在真正開始實現(xiàn)對A GV 的控制前，有必要好好分析一下AGV的驅(qū)動控制數(shù)學(xué)模型。拋開那些與運動控制無關(guān)的 AGV 零部件，對AGV結(jié)構(gòu)做了大量簡化，最后發(fā)現(xiàn)AGV叉車的運動實際上是一個三輪車模型。這也就是說，只要分析透徹三 輪車模型的數(shù)學(xué)本質(zhì)，就掌握了叉車控制的本質(zhì)問題，從而為最終實現(xiàn)叉車實體的運動控制打下良好的基礎(chǔ)。下面，一起來分析三輪車的數(shù)學(xué)模型。

如圖5所示，叉車可以簡化為三輪車模型。A 為驅(qū)動輪，B 為定向輪中心點。O 點為旋轉(zhuǎn)中心。驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)角度為γ，叉車車速為 V，當(dāng)前叉車車身與全局坐 標(biāo)系成θ角。叉車軸距為 L，驅(qū)動輪 A 到旋轉(zhuǎn)中心 O 的距離為 R1，B 到O 的距 離為 R2。

表2 電池主要特性對比

表3 電池參數(shù)

表4 AGV速度

由上圖叉車模型可以得出：

根據(jù)編碼器推算出的坐標(biāo)：

那么，只要給出了AGV的初始位置，結(jié)合編碼器航跡推算，就可以計算出 AGV的當(dāng)前位置，實現(xiàn)對AGV的行走軌跡跟蹤。

但是，由于地面不平、AGV輪子打滑等種種原因，導(dǎo)致根據(jù)編碼器計算的AGV位置逐漸發(fā)生偏移，最后提供的位置信息嚴(yán)重偏移實際AGV位置。因此，由以上方法計算出來的 AGV位置只能保證在短暫時間間隔內(nèi)是準(zhǔn)確的，因此，還需要提供一個比編碼器更加準(zhǔn)確的AGV導(dǎo)航定位傳感器，這里采用了德國SICK公司的NAV350激光導(dǎo)航傳感器，作為主導(dǎo)航傳感器。將激光導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)和編碼器數(shù)據(jù)結(jié)合起來，就能起到提高叉車位置更新頻率的能力，叉車的導(dǎo)航定位精度也能有一個較大的提高。主流的方法是采用卡爾曼濾波對激光導(dǎo)航傳感器和編碼器進行數(shù)據(jù)融合，得到的位置信息更加真實可信。

圖6 AGV防真

編碼器預(yù)測值：

兩者通過擴展非線性卡爾曼濾波進行數(shù)據(jù)融合，得到當(dāng)前的AGV位置。

（3）電池選型方案

AGV使用的電池主要有鎳鎘電池、鋰電池、鉛酸電池，這三種電池主要特性對比如表2。

在實際項目中，根據(jù)自身需求選擇合適電池；在我們此次項目中，我們選擇了鎳鎘電池，主要是鎳鎘電池支持大電流充電和安全性高，鎳鎘電池和智能充電樁主要參數(shù)，如表3。

四、效率仿真

我們使用NDC軟件進行仿真，共4臺AGV，包含充電時間（充放電比為1:6），AGV仿真速度設(shè)定如表4，在AGV實際運行過程中，實際速度將和仿真軟件中的速度基本保持一致。所以我們可以通過仿真結(jié)果，評估AGV運行效率和AGV臺數(shù)，確保項目的成功實施和風(fēng)險把控。

任務(wù)下達(dá)方式：以通道中間站臺為測試對象，下達(dá)4個任務(wù)，連續(xù)下達(dá)。如圖6。

仿真結(jié)果：46托/小時，滿足換牌時段最大產(chǎn)能45.1托/小時要求。

五、結(jié)論

河南中煙洛陽卷煙廠積極響應(yīng)中國智能智造方針，大膽導(dǎo)入國有自研AGV系統(tǒng)，完成輔料的自動化運輸，實現(xiàn)了柔性化作業(yè)。