陳甲偉，劉 英+，於亞斌，楊雨圖，王德鎮(zhèn)

(1.南京林業(yè)大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037；2.機電產品包裝生物質材料國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南京 210037)

0 引言

在德國提出“工業(yè)4.0”的國際背景下，我國出臺了《中國制造2025》的戰(zhàn)略政策，旨在推動國內制造業(yè)的智能化進程。以智能制造為基礎的智能工廠成為各行各業(yè)的革新目標，其中無人加工生產線的改造成為向智能工廠轉型的關鍵[1]。近年來，實木板材加工生產過程大部分已實現了自動化，但各個工序之間的運輸與銜接仍需要大量人工，勞動力成本的不斷提高制約了企業(yè)的發(fā)展。為提高實木板材加工的生產效益，實現實木板材加工行業(yè)的智能化轉型，本文研發(fā)了一種實木板材加工生產線的自動搬運系統(tǒng)，通過利用自動導引小車(Automated Guided Vehicle，AGV)進行無人運輸與裝卸，有效解決實木板材各個加工工序之間搬運成本高的問題。

1 實木板材加工生產線的自動搬運系統(tǒng)總體設計

1.1 自動搬運系統(tǒng)的設計需求

自動搬運系統(tǒng)的設計基于江蘇某機械有限公司的實木板材加工現狀，其生產線將原木加工成實木板材，盡管該生產加工線已基本實現自動化加工，但為了提高木材的利用率，工廠將短材拼接成規(guī)格材，即通過指接生產線對較小尺寸的實木板材進行梳齒和開榫加工[2]，利用“指接”方法結合成長條實木板材，再鋸切成滿足生產規(guī)格的板材。為提高實木板材加工的智能化水平，企業(yè)對傳統(tǒng)加工生產線進行改進，在傳統(tǒng)生產線上加上圖像識別裝置，用于智能掃描識別，并挑選出具有缺陷的板材。基于圖像識別的板材智能裁剪生產線利用圖像識別裝置確定實木板材缺陷(如蟲眼、結疤等)的位置信息[3]，然后通過智能裁剪裝置將缺陷部分進行切除，使無缺陷部分能夠接長使用。

自動搬運系統(tǒng)應用于傳統(tǒng)實木板材自動化加工生產線、板材智能裁剪生產線與智能指接加工生產線之間的銜接，實現實木板材的智能搬運與智能裝卸。通過圖像識別裝置與彈出裝置對傳統(tǒng)加工生產線加以改造，對傳統(tǒng)生產線進行智能升級，增加缺陷材的智能挑選功能，利用直角坐標機器人實現生產功能區(qū)板材的上料與堆疊作業(yè)，然后由AGV將各種板材搬運至相應的規(guī)格材料區(qū)，實現實木板材加工廠的無人生產與無人搬運。如圖1所示為板材智能裁剪生產線，如圖2所示為智能指接加工生產線。

經過傳統(tǒng)自動化加工生產線與智能指接加工生產線處理后的實木板材規(guī)格為1 200 mm×150 mm×18 mm，為了跟上生產節(jié)奏、保證效率，托盤的容量應能容納5排板材，且為確保AGV搬運板材過程的平穩(wěn)性，托盤四角應帶有支撐體。為搬運方便，選用抬升移載式AGV，同時AGV應配備有智能導航與定位裝置，保證搬運的位置精度，其結構如圖1所示。

1.2 自動搬運系統(tǒng)的環(huán)境布局

自動搬運系統(tǒng)的應用環(huán)境包括傳統(tǒng)生產線、板材智能裁剪生產線、智能指接加工生產線、殘缺木料堆積區(qū)、AGV休息區(qū)、進料區(qū)、倉儲入口分揀臺和辦公控制中心，其中AGV休息區(qū)為AGV充電與故障維修的場所，在實際生產過程中，傳統(tǒng)生產線上帶有缺陷的實木板材的數量相對較小，為了充分發(fā)揮智能裁剪生產線與智能指接加工生產線的作用，工廠另外采購成本低、帶有缺陷的板材進行加工，并將這些板材堆疊在進料區(qū)，利用多個AGV將各個功能區(qū)銜接起來。

傳統(tǒng)生產線上主要加工缺陷少的板材，需要指接的板材不多，大部分搬運任務在其他功能區(qū)進行，其中進料區(qū)和分揀臺與其他功能區(qū)之間的搬運量最大，由于板材智能裁剪生產線與智能指接加工生產線的加工工序繁多，板材堆疊時間相對較長，所以搬運需求相對較小，同時為減少AGV行程，殘缺木料堆積區(qū)設計在進料區(qū)附近。通過解析法求得各工作區(qū)AGV所需數量，定義Tr為AGV平均完成一次板材搬運過程的總時間(單位：s)，

Tr=Tw+Tk+Tm+Tz。

(1)

式中：Tw為AGV平均等待時間，Tk為平均空載行駛時間，Tm為平均滿載行駛時間，Tz為平均板材物料轉換時間。定義ω為板材物料需求時間，即每隔ω秒會產生一個搬運任務，則每小時搬運次數C=3 600/ω，那么AGV每小時完成所有任務C所需的總時間Ta=C×Tr，設AGV除去充電時間的每小時平均工作時間為μ秒，則可得AGV數量的基本公式為：N=Ta/μ，設AGV每小時工作時間為50 min，AGV平均完成一次搬運時間為200 s，根據各個工作區(qū)任務量計算出傳統(tǒng)生產線、進料區(qū)、板材智能裁剪生產線與殘缺木料堆積區(qū)之間需4輛AGV往返搬運板材，當傳統(tǒng)生產線的缺陷材產出達到一個托盤容量，抽調4輛小車中的1輛,將板材搬運至智能裁剪生產線，智能裁剪生產線與智能指接加工生產線之間由3輛AGV進行板材搬運，智能指接加工生產線、傳統(tǒng)生產線與倉儲入口分揀臺之間由4輛AGV進行搬運，共11輛AGV。自動搬運系統(tǒng)環(huán)境布局基于80 m×50 m的生產面積，其中傳統(tǒng)生產線部分占地面積為65 m×15 m，在該傳統(tǒng)生產線上，主要加工較好的板材，這些板材中只有少量帶有缺陷，被機器人挑選出來后放置在缺陷材堆疊口，加工完成的無缺陷成品板材放置于成品材堆疊口，其他功能區(qū)的占地面積與位置如圖3所示。

2 自動導航運輸系統(tǒng)(AGVS)的設計

自動導引運輸系統(tǒng)(Automated Guided Vehicle System，AGVS)主要包含中心控制模塊、AGV監(jiān)控模塊、定位模塊、通信模塊和自動充電模塊，通過該系統(tǒng)實現搬運任務的分配與調度[4]、AGV的自動定位與導航、AGV路徑規(guī)劃與運動控制[5]，是無人生產搬運系統(tǒng)的核心。

2.1 導航系統(tǒng)的設計

目前市場上常用的AGV導航方式主要有磁導航、激光導航[6]、慣性導航、視覺導航[7]。在視覺導航中，QR碼(quick response code)導航因其高效穩(wěn)定的特點得到眾多AGV廠商的青睞。在實木板材加工工廠環(huán)境中，AGV對搬運速度和精度有一定要求，故本文采用QR碼導航，每個碼有唯一編號，由AGV車載相機進行識別讀取信息，從而實現AGV的導航控制，二維碼標簽材料選用耐磨損標簽，且定期更換以確保有效識別。同時，為了減少工廠中粉塵對識別的影響，要求在AGV上配備吹塵裝置，在識別二維碼前將可能存有的粉塵驅除。QR碼的識別計算過程如圖4b所示，其中N1、N2、N3為定位圖案輪廓，⊿N1N2N3為等腰直角三角形；原點O為所求QR碼的中心，向量N1N2為旋轉軸向量。

設AGV車載相機掃描QR碼時的誤差角為θ，θ∈[-180°,+180°]，逆時針旋轉為正向。設實際旋轉向量為N1′N2′，則通過式(2)可計算出誤差角θ如下:

(2)

橫、縱位置誤差為:

(3)

式(3)中Δx和Δy分別為橫、縱位置誤差，實際采集QR碼的中心坐標為O(Ox,Oy)，AGV車載相機分辨率為(2W)×(2L)，W、L分別為水平像素和豎直像素，Sx為QR碼定位圖案像素面積，S0為QR碼的真實面積，D為定位圖案的邊長。AGV相對于QR碼的位姿表示為P(x,y,μ)，其中x=Ox+Δx,y=Oy+Δy,μ=θ,AGV在整個電子地圖中的坐標設為(Xi,Yi)，從掃描到當前QR碼至AGV到達下一個QR碼為止，AGV在電子地圖坐標系中的任意時刻位置表達(X,Y,γ)可由式(4)求出,γ表示AGV位姿正向與行駛路徑方向的角度偏差。二維碼放置位置需確保AGV可以不間斷識別到二維碼，從而實時確定本身的位置信息，達到向任意方向行駛的效果。

(4)

2.2 電子地圖的建立

電子地圖是AGVS可視化交互界面的基礎，能夠實時顯示AGV的運行狀態(tài)。用于AGVS的電子地圖主要有特征地圖[8]、拓撲地圖[9]和柵格地圖[10]3類。其中柵格地圖將實際地圖劃分為相同大小的網格，便于創(chuàng)建、表示和維護，便于規(guī)劃短路徑，且本文設計的實木板材自動搬運系統(tǒng)中，各個設備的位置固定不變，故采用柵格地圖進行環(huán)境表述。實際地圖由公司提供數據并經實際核對，在工作環(huán)境合理改造后確定工作區(qū)域與AGV可行駛區(qū)域，僅對AGV可行駛區(qū)域柵格化，根據板材規(guī)格長度為1.2 m，將柵格尺寸設置為2×2 m，確保足夠的AGV安全行駛空間，避免擁堵和碰撞發(fā)生。根據規(guī)劃的系統(tǒng)環(huán)境布局建立的電子地圖如圖5所示，為了最簡化AGV的任務分配，將地圖分為3個主要工作區(qū)域：板材智能裁剪工作區(qū)A、智能指接加工工作區(qū)B、成品板材搬運工作區(qū)C，系統(tǒng)正常運作時，AGV只在各工作區(qū)內部搬運，當工作區(qū)之間的搬運任務量出現較大差別時，系統(tǒng)重新分配各工作區(qū)AGV數量。實際廠房工作區(qū)環(huán)境中的支柱等不可行駛區(qū)域在地圖中由標準形狀的黑色柵格表示，且其柵格輪廓已包含AGV與障礙物之間的安全距離。

2.3 路徑規(guī)劃設計

常用的AGV路徑規(guī)劃算法包括Dijkstra算法[11]、A*算法[12]、遺傳算法[13]、蟻群算法[14]等，姜康[15]基于線纜在布置時主要考慮線纜與組件之間干涉問題，使用剛性因子評估連續(xù)彎折時的線纜路徑來改進A*算法完成合理的布線路徑。余必秀[16]基于無人船在避開障礙物后需要回到預設航線的需求，對船舶的不同位置采用不同的估價函數進行路徑規(guī)劃求解，使船舶更快地回到預設航線。本文基于實木板材生產環(huán)境對路徑算法提出基本規(guī)則：①確保AGV實際行駛所需時間最少；②路徑信息盡量簡潔?；谝?guī)則提出節(jié)點優(yōu)簡算法，通過在初始最短路徑的基礎上，一方面盡可能減少路徑轉彎的次數，去除AGV轉彎時所需的減速和再加速時間來縮短實際行駛時間，另一方面去除直線路徑里的中間節(jié)點，只記錄關鍵節(jié)點信息并傳遞至AGV。算法整體公式為：

F(n)=G(n)+H(n)+T(Kn)+S(ω)。

(5)

式中：G(n)+H(n)為初始最短路徑的求解函數；G(n)為代價函數，表示從初始節(jié)點到當前節(jié)點n的真實距離值；H(n)為啟發(fā)函數，表示當前節(jié)點n到目標節(jié)點最短路徑的估計距離值，常用的啟發(fā)函數有曼哈頓距離函數[17]、對角線距離函數和歐幾里得距離函數[18]，在本文設計系統(tǒng)的地圖環(huán)境中，啟發(fā)函數采用曼哈頓距離函數，即當前節(jié)點至目標節(jié)點在X軸方向的距離差值與Y軸方向距離差值的和，其計算公式為：

H(n)=|xn-xgoal|+|yn-ygoal|。

(6)

式中T(Kn)為共線節(jié)點優(yōu)化函數，判斷當前節(jié)點是否為共線節(jié)點的方法為：已知節(jié)點Pi+1為AGV當前位置點，在地圖中坐標為(xi+1,yi+1)，節(jié)點Pi為AGV剛駛過的節(jié)點，坐標為(xi,yi)，節(jié)點Pi+2為下一待到達節(jié)點，坐標為(xi+2,yi+2),由式(7)和式(8)求得線段PiPi+1與線段Pi+1Pi+2的斜率分別為KPiPi+1和KPi+1Pi+2：

(7)

(8)

若KPiPi+1=KPi+1Pi+2，則節(jié)點Pi、Pi+1、Pi+2在同一行駛方向上，節(jié)點Pi+1為冗余的共線節(jié)點，因此不加入路徑節(jié)點計算列表中，此時T(Kn)=0；若KPiPi+1≠KPi+1Pi+2，則該節(jié)點為拐點，此時T(Kn)=1。

式(5)中S(ω)為多余拐點優(yōu)化函數，判斷拐角節(jié)點是否為多余拐點，方法為：已知節(jié)點Pi、Pi+1、Pi+2為路徑拐角的3個連續(xù)節(jié)點，節(jié)點Pi+1為拐角節(jié)點，Pi、Pi+2為前后兩節(jié)點，若節(jié)點Pi與節(jié)點Pi+2連線之間無障礙物，則直接刪除節(jié)點Pi+1；若連線路徑上存在障礙物，判斷連線是否與障礙物對角線之一相交，若相交，則節(jié)點Pi+1保存，否則刪除節(jié)點Pi+1。

如圖6所示，AGV欲從節(jié)點Pi到達節(jié)點Pi+2，節(jié)點Pi、Pi+1、Pi+2的坐標分別為(xi,yi)、(xi+1,yi+1)、(xi+2,yi+2)，節(jié)點Z1、Z2、Z3、Z4為地圖中某障礙物的4個頂點，坐標表示為(xZ1,yZ1)、(xZ2,yZ2)、(xZ3,yZ3)、(xZ4,yZ4)。

PiPi+2×PiZ1=[(xi+2-xi)(yZ1-yi)-

(xZ1-xi)(yi+2-yi)]σ=ω1σ，

(9)

PiPi+2×PiZ3=[(xi+2-xi)(yZ3-yi)-

(xZ3-xi)(yi+2-yi)]σ=ω2σ，

(10)

Z3Z1×Z3Pi=[(xZ1-xZ3)(yi-yZ3)-

(xi-xZ3)(yZ1-yZ3)]σ=ω3σ，

(11)

Z3Z1×Z3Pi+2=[(xZ1-xZ3)(yi+2-yZ3)-

(xi+2-xZ3)(yZ1-yZ3)]σ=ω4σ。

(12)

式(9)～式(12)為向量叉乘函數，其中ω1、ω2、ω3、ω4為向量叉乘系數，σ為單位向量。若ω1·ω2<0且ω3·ω4<0，則線段PiPi+2與Z1Z3相交，如圖6b所示；否則線段PiPi+2與Z1Z3不相交，如圖6a所示，采用相同方法可判斷線段PiPi+2與Z2Z4是否相交。若線段PiPi+2與障礙物任一對角線段相交，則拐點Pi+1加入路徑節(jié)點列表，此時S(ω)=1，AGV行駛路徑節(jié)點為Pi-Pi+1-Pi+2；若不相交，則拐點Pi+1不加入列表，此時S(ω)=0，AGV行駛路徑節(jié)點為Pi-Pi+2。節(jié)點優(yōu)簡算法流程圖如圖7所示。

如圖8所示為節(jié)點優(yōu)簡算法與A*算法路徑結果比較，分別為A區(qū)與C區(qū)的工作路徑，在電子地圖中，工作區(qū)與障礙物的邊框已包含與AGV的安全距離，路徑除去不可與其邊框相交情況下，可到達地圖任意位置。按每個柵格邊長為1計算，具體數據如表1所示，從起點(2.5,4.5)至終點(14.5,15.5)，與A*算法相比，節(jié)點優(yōu)簡算法的計算路徑節(jié)點數量減少了13個(72%)，路徑長度縮短了約1.17(6%)，且轉彎次數減少了2次(40%)，可有效縮短AGV的搬運時間。

表1 算法數據結果比較

2.4 多AGV的協同規(guī)則

單個AGV的最優(yōu)路徑由路徑規(guī)劃算法求出，但多輛AGV同時運行時，難免會出現最優(yōu)路徑交叉的情況，從而造成道路擁堵甚至AGV碰撞的狀況發(fā)生，不合理的調度會降低AGV的工作效率，影響生產節(jié)拍[19]，故需針對多輛AGV的同時運作進行協同規(guī)劃，防止擁堵和碰撞問題。根據AGV行駛情況，可能出現的擁堵碰撞情況有追尾碰撞、相向碰撞、側面碰撞3種，如圖9所示。

謝永良[20]利用超聲波原理設計了避障算法，使AGV在直行時能夠繞行前方靜態(tài)障礙物、減速或停車避讓動態(tài)障礙物，但無法有效處理多AGV復雜動態(tài)擁堵和碰撞的情況。賀長征[21]提出基于時間窗和Dijkstra算法的混合遺傳算法，通過速度調節(jié)和更換新路徑的方法，針對多AGV復雜擁堵情況，能夠精確地為AGV規(guī)劃出一條無碰撞無沖突的最短路徑，但由此帶來的計算會影響整體系統(tǒng)的運行效率，且路徑的變換會增加AGV轉彎次數，增加實際行駛時間。本文系統(tǒng)從軟件與硬件兩方面共同設計，做到問題的預防與有效處理。在軟件方面，通過建立數學模型函數優(yōu)化路徑，使AGV不會在同一直線路徑對向行駛，且基于求解路徑行駛，減少沖突再增加的可能，在最少實際行駛時間的規(guī)則下，基于規(guī)劃路徑提前預知沖突節(jié)點，使AGV在行駛時對可能發(fā)生的碰撞進行預防。

碰撞預防處理的目標函數如下：

(13)

式中：q為AGV的集合，q=(1,2,3,…,qk)，k為AGV數量；R為地圖中所有節(jié)點的集合，i,j∈R，i,j用來表示AGV在R中的節(jié)點位置；di,j為節(jié)點i與節(jié)點j的距離。

約束條件：

(14)

(15)

(16)

(17)

dij≠dji,i,j∈R。

(18)

其中：式(14)表示AGVqk通過節(jié)點i后，下一行駛目標只有唯一節(jié)點j；式(15)表示駛向節(jié)點j的AGVqk已通過的節(jié)點僅有一個，即節(jié)點i；式(16)約束AGV從路徑起點開始搬運，Os表示路徑起點；式(17)約束AGV到達路徑終點，Of表示路徑終點；式(18)表示AGV行駛時所在路徑只能單向通過。

AGV在行駛時實時申請占用前方路徑節(jié)點，若路徑出現重合，重合節(jié)點被其中一輛AGV占用，另一輛AGV則無法申請，即為沖突，若AGV繼續(xù)前行則可能出現碰撞，如圖10所示，1號AGV已占領節(jié)點，2號AGV進行沖突預防。

對此情況通過安全距離限制AGV的行駛速度預防碰撞的發(fā)生，式(19)中：Plock表示2號AGV申請占領的下一段路徑長度，vmax為AGV的最大行駛速度，v1為AGV的最小行駛速度，即0 m/s，v0為AGV的當前行駛速度，a為AGV加速度，Rs表示AGV從最大速度減速到停止所需的安全距離，在圖10中可以看出這個距離的范圍是一個圓，代表不同方向來的AGV在原點停止的安全距離。Ls表示2號AGV申請占領節(jié)點失敗后，預減速的一段距離，在2號AGV預減速時，若1號AGV已經駛離，沖突節(jié)點被釋放，則2號AGV從當前速度逐漸加速行駛，若沖突節(jié)點未被釋放，2號AGV在到達安全距離時停止，待1號AGV駛出安全距離時再逐漸加速通過。

(19)

U(path1,path2)=Rpath1∩Rpath2，

(20)

tpath1k1Uh>tpath2k2Uh→Ppath1k1

(21)

式(20)根據路徑規(guī)劃算法求出的兩條AGV行駛路徑中的沖突節(jié)點判斷AGV在行駛過程中發(fā)生沖突的可能性，U(path1,path2)表示行駛路徑path1與path2沖突節(jié)點的集合；式(21)基于排隊算法，以先到先得的原則確定AGV的優(yōu)先級，先申請到節(jié)點的AGV優(yōu)先通過，申請失敗的AGV減速等待優(yōu)先級高的AGV通過后再行駛，tpath1k1Uh表示行駛路徑path1中第k1輛AGV到達第h個沖突節(jié)點所需時間，Ppath1k1表示行駛路徑path1中第k1輛AGV的優(yōu)先級。

在硬件方面，首先保證每輛AGV裝配實時測距裝置，使AGV與其他車輛和障礙物之間有足夠的安全距離，其次為防止系統(tǒng)失效的情況，每輛AGV加裝保險杠，用于AGV發(fā)生碰撞時緩沖撞擊力，保護設備。

2.5 系統(tǒng)實例

根據AGVS的設計規(guī)劃，通過C++程序語言系統(tǒng)開發(fā)面向實木板材加工生產線的自動搬運系統(tǒng)，系統(tǒng)登陸界面如圖11所示。

系統(tǒng)監(jiān)控與控制界面如圖12所示，電子地圖中實時顯示11輛AGV，工作區(qū)A包含1、2、3、4號AGV，B區(qū)包含5、6、7號AGV，C區(qū)包含8、9、10、11號AGV，AGV的路徑顯示為AGV當前位置至終點的路徑?？刂婆_中的路徑起點和終點默認為系統(tǒng)自動輸入，特殊情況時可由操作員進行更改，當AGV的通信狀態(tài)顯示為故障時，系統(tǒng)將報警并激活急停按鈕，使AGV即時停止，避免事故的發(fā)生。根據AGV規(guī)格，空載AGV的直線速度為1 m/s，轉彎速度為0.5 m/s，載貨AGV的直線速度為0.6 m/s，轉彎速度0.3 m/s，AGV安全距離以最大速度計算Rs=1.6 m，安全距離內以轉彎速度行駛，故載貨AGV通過轉彎處安全區(qū)所需時間較直線行駛通過多花費時間約為5 s。根據搬運速度和轉彎耗時，各工作區(qū)中的載貨AGV極限工作路程所需時間如表2所示，即以載貨AGV的最大行駛速度計算，得出每個工作區(qū)內載貨AGV最短工作路程與最長工作路程所需時間。

表2 各工作區(qū)載貨AGV極限搬運距離時間

3 結束語

本文設計的實木板材加工生產線的自動搬運系統(tǒng)主要解決工廠中各生產線間物料搬運時人工成本高的問題?；谧詣影徇\系統(tǒng)的設計需求，確定了系統(tǒng)的主要組成部分，具體根據板材的規(guī)格和搬運需求，對各個生產線加以改造并選擇搬運AGV的類型，保證系統(tǒng)智能流暢地運行。系統(tǒng)環(huán)境布局的設計維持了生產效率與搬運效率的平衡，在有效利用空間的同時提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了生產效益。通過設計AGV導航系統(tǒng)、建立了電子地圖、改進了路徑算法、制定了系統(tǒng)任務調度規(guī)則與多AGV協同運作制度，使自動搬運系統(tǒng)實現了任務智能分配、AGV智能行駛與控制等一系列功能。實木板材加工生產線自動搬運系統(tǒng)的研究使板材工廠中各生產線之間的物料銜接實現無人化運作，節(jié)約了人工成本，提高了生產效益，對實木板材加工企業(yè)的智能化轉型發(fā)展有著積極的推進作用。未來將研究基于深度學習目標檢測算法的多AGV避障方法，結合路徑規(guī)劃算法，以進一步提高自動搬運系統(tǒng)的運行效率。