沈 陽，魯 毅，張雁明

（紅云紅河（煙草）集團有限責任公司紅河卷煙廠，云南彌勒 652300）

0 引言

AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引小車）作為現(xiàn)代化物流生產(chǎn)線的重要組成部分，以其智能、柔性的運輸功能在各行業(yè)廣泛使用。AGV 導引模式多種多樣，裝卸貨模式也各有不同，本文主要介紹激光導引推挽式AGV 二次定位系統(tǒng)的改造。通過二次定位改造，旨在提升使用推挽式AGV 進行裝卸貨時的準確性，降低故障頻次，為AGV 路徑規(guī)劃提供新的思路。

1 AGV 系統(tǒng)組成

紅河卷煙廠（以下簡稱卷煙廠）物流部輔料庫AGV 系統(tǒng)由14 臺AGV 組成，其中，12 臺單叉推挽式AGV，2 臺牽引式AGV，是一個由地面控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)組成的整體。

地面控制系統(tǒng)即上位系統(tǒng)，負責對AGV 實施命令下達。例如，充電指令、站臺裝卸貨指令等都由上位系統(tǒng)進行調(diào)配。操作人員也可以通過上位系統(tǒng)監(jiān)控界面，實時查看AGV 的運行狀態(tài)和故障信息，以便人工迅速解決故障。

車載控制系統(tǒng)即AGV 車體本身，其中，ACC70 模塊為AGV車載控制的核心，功能與其他工業(yè)設備常見的PLC 類似，是一種模塊化的可編程控制器。使用NDC 公司特有的NPL 編程語言編寫程序，完成AGV 單機邏輯控制。同時，AGV 在運行時會保持與上位計算機的通信，很多運行中的判斷條件由上位系統(tǒng)提供。

2 AGV 路徑導航原理

卷煙廠輔料庫使用的AGV 為激光導引式AGV，如圖1 所示。激光導引方式是在AGV 行駛路徑與作業(yè)區(qū)域的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV 通過掃描頭（Laser Scanner）發(fā)射激光束，同時接收由反射板反射的激光束，對光線信號進行處理。通過連續(xù)的三角幾何運算，與車載路徑程序內(nèi)保存的反射板坐標數(shù)據(jù)進行估算比對。結合AGV 自身的運動控制系統(tǒng)返回的參數(shù)，確定其當前的位置坐標和運動方向，實現(xiàn)對AGV運動的導引。

圖1 AGV 激光導引的掃描方式示意

系統(tǒng)作業(yè)時，計算機通過無線電通信系統(tǒng)自動將任務分配給離任務作業(yè)點最近的AGV 小車。AGV 小車根據(jù)作業(yè)指令，按預先制定的路徑自動駛向作業(yè)點進行作業(yè)。在行駛過程中，AGV利用激光頭對周圍反射板進行掃描，同時計算掃描結果，導航并修正自身的偏差，從而保證行走和定位的精度。

AGV 定位是經(jīng)車載ACC70 模塊中的導航卡，通過計算激光掃描頭反饋的光線信息，確定AGV 在作業(yè)區(qū)域大坐標系內(nèi)的精確坐標。根據(jù)設備資料，小車在走行中會結合自身的速度及方向，對接下來一個周期內(nèi)的光線夾角變化進行連續(xù)的“呆板估算”，簡要原理見圖2。

圖2 AGV 導航原理示意

在理想環(huán)境中，僅需要3 條反射光線構成3 個連續(xù)的夾角即可完成定位。而在實際情況中，由于無法準確得知第一條光線對應的反射板是否正確，也無法保證無錯誤光線。因此，至少需要4 條連續(xù)的正確光線才能構成3 個連續(xù)的夾角，以供小車進行計算。

3 二次定位思想的提出

3.1 卷煙廠AGV 運行現(xiàn)狀

卷煙廠輔料庫使用WW511 型推挽式AGV，隨著長期使用，輔料庫在用的12 臺推挽式AGV 在作業(yè)過程中故障頻發(fā)。1 周內(nèi)輔料庫AGV 故障類型比例情況如圖3 所示，可見，AGV 在日常使用過程中主要故障是裝卸貨故障，占故障總數(shù)的85%。推挽式AGV 在作業(yè)過程中需要配套裝卸貨站臺，由于站臺位置固定，因此對AGV 的走行與定位要求很高。當推挽式AGV 的貨叉與站臺錯位超過±3 mm 時，貨物托盤會刮擦甚至撞擊站臺，正常的裝卸貨動作會受到阻礙。經(jīng)過現(xiàn)場實地查看，發(fā)現(xiàn)導致AGV 裝卸貨故障的原因，正是由于車體與站臺無法對齊，造成裝卸貨時托盤卡阻。

圖3 1 周內(nèi)輔料庫AGV 故障類型比例情況

很多情況下AGV 與站臺不能正常對齊，最主要原因是導航環(huán)境過差，導致AGV 在站臺處停止位置不夠精確。影響導航環(huán)境的最主要因素是反射板。由于車間內(nèi)部各區(qū)域設備布局復雜，在AGV 運行至某些特定位置時，車間內(nèi)部玻璃表面、設備的反光表面等都會產(chǎn)生干擾光線。AGV 接收到干擾光線后，很可能將錯誤光線與正確反射板相對應。這種錯誤對應使得導航程序的下一個周期計算結果與估算結果相悖，從而走偏甚至丟失導航。同時，AGV 運行過程中，部分反射板在特定角度會被障礙物遮擋，這也會使可供定位的反射板數(shù)量減少，導致AGV 無法進行定位計算，如圖4 所示。

圖4 錯誤光線產(chǎn)生原理

綜上，影響AGV 精確定位的因素就是導航環(huán)境的復雜性，但是因車間內(nèi)部設備布局與建筑環(huán)境難以改變。為最大限度提升AGV 作業(yè)效率，降低定位不準導致的裝卸貨故障，決定嘗試利用AGV 控制功能中的“柔性段（Variable Segment）”功能。輔以適當方式，提高WW511 型推挽式AGV 在站臺處的定位精度，使得AGV 在站臺處進行“二次定位”。

3.2 二次定位功能解析

AGV 的路徑由點和段組成，AGV 通過Layout 繪制好的路徑運行。AGV 的運行路徑遵循點到點的模式，兩點之間的路徑稱為“段”（Segment），長度固定。AGV 必須走行至某段的終點坐標，自身的導航系統(tǒng)才會判定為該段結束，進而執(zhí)行其他命令?！叭嵝远巍保╒ariable Segment）顧名思義，段的長度可變。這種功能允許AGV 在滿足其他判定條件時，在到達該段的預設終點坐標之前提前結束該段路徑，執(zhí)行下一步動作。

如上所述，卷煙廠AGV 系統(tǒng)隨著使用時間的推移，設備產(chǎn)生自然老化。而且車間內(nèi)的導航環(huán)境已經(jīng)跟隨設備遷移發(fā)生了很大改變，導致AGV 在站臺處定位不夠精確，進而頻繁產(chǎn)生裝卸貨故障。而全面優(yōu)化甚至重置導航環(huán)境，又會帶來極大工作量。

為此需要借助“柔性段”功能，在激光導引的基礎上進一步提升AGV 定位精度。由此產(chǎn)生“二次定位”的概念，即通過加入新的驗證機制，在AGV 運行至裝卸貨位置時定位更加準確，將AGV 與站臺之間的位置誤差控制在±3 mm 以內(nèi)。

3.3 改造價值分析

推挽式AGV 的優(yōu)勢是能夠在狹小空間范圍內(nèi)進行裝卸貨作業(yè)，節(jié)約空間，在卷煙廠生產(chǎn)場地有限的情況下能夠有效提升設備作業(yè)效率。

本次二次定位系統(tǒng)改造主要涉及的輔料庫AGV 系統(tǒng)為NDC 7 系統(tǒng)。目前，NDC 7 系統(tǒng)與最新的NDC 8 系統(tǒng)相比，雖然通信效率、可擴展性和簡潔化程度都有所不及，但是NDC 7系統(tǒng)以其特殊的NPL 編程語言，保障了AGV 單機車體作業(yè)時的高效和穩(wěn)定。因此，在工業(yè)控制領域，NDC 7 系統(tǒng)仍舊保持強大生命力。

4 二次定位改造實施

4.1 選擇驗證機制

在柔性段功能中，NDC 公司提供了多種段的結束方式（圖5）。最常見的是使AGV 在運行中，通過走行電機編碼器計算實際的走行距離并與設定值進行比對，以精確控制AGV 在最終段（Last Segment）的停止位置。但是這種方式基于AGV 在路徑段的起點處能夠精確定位的前提，對AGV 自身的激光定位準確度要求較高，不適用于卷煙廠目前導航環(huán)境非常復雜的情況。為此，決定使用外部信號觸發(fā)段結束指令的方式。

圖5 柔性段幫助文檔

通過分析車型結構與裝卸貨過程，最終選用鏡反射式光電檢測作為檢測站臺到位工具。在AGV 左右兩側安裝光電檢測，在站臺上粘貼反射片，如圖6 所示。

圖6 硬件改造

當AGV 對齊站臺時，側面光電檢測照射到站臺上的反射片，給予ACC70 一個外部信號。當AGV 檢測到該信號時，即認為對齊站臺。站臺上反射片的粘貼位置需要通過操作AGV 進行反復調(diào)整，確保當光電檢測被觸發(fā)時，AGV 與站臺剛好對齊，如圖7 所示。

圖7 保證反射片粘貼位置正確

4.2 修改路徑模式

AGV 路徑設定使用NDC 開發(fā)的Layout 軟件，界面如圖8所示，其內(nèi)部集成多種AGV 路徑規(guī)劃功能。在NDC 7 系統(tǒng)中，Layout 作為功能模塊被集成在DOS 下的AutoCAD（R）軟件中，路徑地圖被保存為.dwg 文件，使用Layout 中的功能塊則可以導出與AGV 相關的功能配置文件。

圖8 Layout 軟件界面

由于添加了柔性段，導致路徑中段的數(shù)目倍增，會影響AGV 作業(yè)分配。原因是AGV 在NDC 7 系統(tǒng)下計算AGV 與作業(yè)點的距離是對所有路徑段上點的數(shù)量來進行比較的，即使各段長度很短，系統(tǒng)也會認為AGV 位置過遠。由于添加新的坐標點來定義柔性段，點的數(shù)量也成倍增長，因此需要優(yōu)化原AGV行進路線，在保證功能的前提下大幅減少路徑段的數(shù)量。

卷煙廠輔料庫供料系統(tǒng)中，對應的裝卸貨站臺多達200 余個。但是在本次改造中，無需對所有站臺進行重新定位與測量，僅需要對原有站臺處路徑段進行改造升級。

設計思路：為預防AGV 在站臺處沒有觸發(fā)光電檢測，將原來與站臺對齊的坐標點往前移動一段距離，使得AGV 可以行走更多距離來觸發(fā)光電檢測，對齊站臺。這樣就實現(xiàn)了使用站臺實際位置作為段的終點的目的，從而保證AGV 在站臺處的精確定位。若未檢測到反射片，AGV 將會一直走行至新站臺坐標點。由于光電管在此處并未檢測到站臺上的反射片，AGV 將會停止裝卸貨動作，向上位系統(tǒng)返回故障信息，在原地停留等待人工處理。實際路徑修改流程如圖9 所示，需要定義新的坐標點，將原先的段分為兩個新的段，將新的點到移動后原坐標點的段定義為柔性段，如圖10 所示。柔性段功能開啟后，還需要將原來段屬性全部復制過來，使得該新增的柔性段在其他功能上與原段無異，即使作為通過段也能被導航卡正常規(guī)劃。同時，在圖11 所示的標簽頁中，對已經(jīng)改造的路徑起止點，定義完全相同的功能與前后繼關系，保證AGV 在該柔性段上的其他作業(yè)過程正常。

圖9 實際路徑修改流程

圖10 開啟路徑的柔性段功能

圖11 站臺點功能復制

4.3 程序修改

在NDC 7 系統(tǒng)程序平臺中，AGV 單機程序由BASE 7文件夾下的多個子文件組成，如圖12 所示。從圖中可以看出，.a70、.sys、.c7 和.cwy 分別對應多個AGV 開發(fā)程序：.a70 對應ACC70 編程文件，.sys 對應路徑程序Layout 應用文件，.c7 為總編譯器需求文件，.cwy 對應CWAY，是上位系統(tǒng)監(jiān)控軟件的地圖配置文件。其中，.a70 文件可以使用計算機的ACC70.exe 軟件進行編輯，修改AGV 的控制邏輯程序。在本次改造中，需要對AGV 的部分動作與邏輯判定程序進行升級，增加適當?shù)墓δ軄砼浜先嵝远蔚氖褂?。同時，更新AGV 的路徑與程序后，還需要升級相應的.c7 與.cwy 文件來更新上位系統(tǒng)。

圖12 NDC7 系統(tǒng)下文件構成

在ACC70 程序中，首先添加路徑的屬性變量（Attribute Symbles）flex_left、flex_right（圖13）。在路徑規(guī)劃中，改寫路徑的功能屬性，使得小車在行進至該段時將此變量置位，作為開啟二次定位功能的前提條件之一。同時在圖14 所示標簽頁中，對路徑設定相關的PLC Attr，以改造該段路徑的功能。

圖13 添加屬性變量

圖14 修改路徑屬性

由于添加了左右2 個光電檢測開關，因此需要定義新的外部輸入信號。將光電檢測的信號接入AGV 控制模塊ACC70 的I/O 點，在ACC70 程序中定義新的輸入變量名稱，如圖15 所示。

圖15 I/O 點定義

定義A1、A2 兩個輸入端子為左右光電開關輸入量，命名為flex_l、flex_r，分別對應左側和右側的光電開關。當光電開關檢測到站臺上的反射片時，該變量將被置位，用于下一步的邏輯判定。為此，在ACC70 PLC 中編寫柔性段停止作業(yè)程序，使AGV在滿足對齊站臺的各條件時，置位“Arrived”變量，結束柔性段，發(fā)出AGV 到位信號。

圖16 中，“onlastseg”變量即為AGV 在走行中行進至最后段時的標志變量，由上位系統(tǒng)給出。結合添加的路徑屬性變量，所有判斷條件均要在裝卸貨路徑的柔性段才能啟用，因此不必擔心AGV 小車在運行過程照射到其他站臺反射片，導致光電檢測誤觸發(fā)。同時，在圖17 所示的菜單中，修改AGV 原有的裝卸貨控制程序，新增光電檢測判定。保證AGV 在裝卸貨過程中保持與站臺的對齊，避免個別AGV 在停車或作業(yè)過程中產(chǎn)生輕微位移，導致裝卸貨故障。最后，在全局變量中新增需要的各標志位變量和中間變量，保證程序能夠正常編譯，如圖18 所示。

圖16 柔性段邏輯程序編寫

圖17 裝卸貨程序修改

圖18 全局變量添加

4.4 車體硬件保養(yǎng)優(yōu)化

由于AGV 車體之間存在差異性老化，例如，編碼器比例值變化、抱閘制動性能不同等，即使AGV 處于導航環(huán)境良好的區(qū)域，也會出現(xiàn)丟失導航的情況。對于這些基礎問題，對AGV 所有硬件進行維護，包括調(diào)整抱閘間隙、修正各編碼器比例值等。同時通過校準反射板坐標、增加反射板等手段，提高導航環(huán)境的可靠性，排除硬件給AGV 定位帶來的干擾因素。

5 效果驗證

通過二次定位系統(tǒng)改造，修改AGV 路徑系統(tǒng)及車載控制程序。使得AGV 裝卸貨時能夠擺脫坐標點的定位要求，柔性實現(xiàn)裝卸貨功能。改造后1 周內(nèi)輔料庫AGV 故障類型比例情況如圖19 所示，可見，輔料庫AGV 在二次定位改造后，站臺定位的準確性得到極大提升，AGV 故障率明顯降低。

圖19 改造后1 周內(nèi)輔料庫AGV 故障類型比例情況

6 總結

AGV 作為科技自動化的前沿產(chǎn)品，在各行各業(yè)都有著廣泛運用，其制導模式也多種多樣。為更好向用戶提供便利，AGV 也經(jīng)歷著不斷改進，但是都離不開路徑的規(guī)劃。無規(guī)矩不成方圓，良好的路徑規(guī)劃能夠提供優(yōu)質(zhì)服務。二次定位實質(zhì)是對路徑規(guī)劃的一次升華，在有限的資源條件下，以最小投入解決最大問題，為以后AGV 路徑的規(guī)劃提供有利參考。