宋允輝，張 悅，樓佩煌，陸廣敏

(1.南京航空航天大學(xué)蘇州研究院,江蘇 蘇州 215500)(2.蘇州榮世吉自動(dòng)化設(shè)備有限公司,江蘇 蘇州 215500)

食用菌產(chǎn)業(yè)是近年來(lái)精準(zhǔn)扶貧背景下興起的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的擴(kuò)大，以食用菌產(chǎn)品為重點(diǎn)的產(chǎn)業(yè)化道路是必然選擇。食用菌產(chǎn)業(yè)由于培養(yǎng)環(huán)境穩(wěn)定,工藝步驟簡(jiǎn)單，非常適合工業(yè)化運(yùn)作。隨著人力成本的提升，對(duì)于食用菌這種低效益產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)業(yè)升級(jí)迫在眉睫。

食用菌產(chǎn)業(yè)主要包括菌種栽培、轉(zhuǎn)移、培育等環(huán)節(jié)，食用菌生長(zhǎng)對(duì)周圍環(huán)境的要求較高，各種環(huán)境因素都會(huì)影響食用菌的生長(zhǎng)代謝和養(yǎng)分積累,進(jìn)而影響食用菌的生長(zhǎng)狀況[1]。其中轉(zhuǎn)移和培育過(guò)程中需要高溫消毒并且滿足恒溫高濕的條件，傳統(tǒng)方式主要依靠工人駕駛叉車或電動(dòng)堆高車來(lái)完成，需要穿著防護(hù)服長(zhǎng)時(shí)間在此類環(huán)境中工作，對(duì)身體產(chǎn)生較大影響。同時(shí)采用人工堆放，不同批次的培養(yǎng)皿難以區(qū)分，對(duì)于菌菇生長(zhǎng)情況只能估算，無(wú)法按標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間出庫(kù)，無(wú)法將培養(yǎng)效率最大化，甚至由于時(shí)間誤差會(huì)造成一定量的菌菇損失，或者菌菇的生長(zhǎng)情況參差不齊，影響后續(xù)的打包和稱重。另外，在較高的堆垛情況下，也容易產(chǎn)生安全隱患。為此，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種新的應(yīng)用于食用菌工廠的叉車型自動(dòng)導(dǎo)引車(automated guided vehicle，AGV)，其具有自動(dòng)堆垛、自動(dòng)上下料、自動(dòng)出入庫(kù)管理等一系列自動(dòng)控制功能。

1 AGV控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

1.1 提出背景

1)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀。

目前,中國(guó)已成為世界食用菌生產(chǎn)第一大國(guó),栽培面積大,總產(chǎn)量高。根據(jù)中國(guó)食用菌協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1978年我國(guó)食用菌產(chǎn)量只有5.8萬(wàn)t，到2009年已達(dá)到了2 020.6萬(wàn)t[2]。

食用菌工廠化生產(chǎn)起源于20世紀(jì)50年代，之后在歐、美、日、韓等國(guó)家和地區(qū)發(fā)展迅速。我國(guó)的食用菌工廠化生產(chǎn)模式起步較晚，20世紀(jì) 90年代后才逐漸興起。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，我國(guó)食用菌產(chǎn)量已居世界第一[3]。然而，我國(guó)生產(chǎn)食用菌的地區(qū)發(fā)展差異較大,福建、浙江等省份是食用菌生產(chǎn)先進(jìn)地區(qū)，具有規(guī)模化的食用菌工廠，其產(chǎn)品除了供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，還出口國(guó)外，但食用菌產(chǎn)品出口的份額還有待提高[4]。

國(guó)內(nèi)的食用菌工廠規(guī)模在不斷擴(kuò)大，但工廠的擴(kuò)大一般選擇偏遠(yuǎn)郊區(qū)，或人口相對(duì)密集的貧窮地區(qū)。由于其自動(dòng)化程度低，人工需求量較大，工廠內(nèi)需要大量的人工搬運(yùn)，對(duì)于菌菇的生長(zhǎng)環(huán)境以及生長(zhǎng)情況也無(wú)法有效控制，只能按估算時(shí)間大概計(jì)算出庫(kù)時(shí)間，造成很大的浪費(fèi)。

2)AGV在行業(yè)中的現(xiàn)狀。

AGV廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè),近年來(lái)叉車AGV不斷興起并擴(kuò)展到各個(gè)生產(chǎn)加工業(yè)，叉車AGV具有承載能力大、速度快、適合碼垛等多種優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合激光導(dǎo)航，通過(guò)構(gòu)建全局坐標(biāo)系統(tǒng)，結(jié)合工廠實(shí)際環(huán)境，能夠靈活建立各種物流運(yùn)輸模型[5]。

叉車AGV在工業(yè)上的成功并沒(méi)有刺激其在食用菌行業(yè)的發(fā)展。究其原因主要在于食用菌行業(yè)的效益低，難以接受自動(dòng)化的投入改造成本。市場(chǎng)上的叉車AGV成本難以滿足食用菌工廠的成本要求。但近年來(lái)人力成本的提升使傳統(tǒng)行業(yè)從業(yè)者看到了農(nóng)業(yè)工業(yè)化的未來(lái)成效，同時(shí)新技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了叉車AGV在食用菌行業(yè)的發(fā)展。

綜合來(lái)看，叉車AGV在食用菌工廠的應(yīng)用還處于空白階段，隨著食用菌工廠的自動(dòng)化升級(jí)改造，以及結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行AGV任務(wù)調(diào)度管理方式的發(fā)展，激光導(dǎo)航叉車AGV依靠其簡(jiǎn)單靈活、適用場(chǎng)景多樣的特性，一定會(huì)有較為快速的發(fā)展。

1.2 AGV結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)

基于叉車的結(jié)構(gòu),考慮工廠高溫高濕的環(huán)境,叉車型AGV采用激光導(dǎo)航方式，激光傳感器安裝于叉車橫梁頂部，如圖1所示。

圖1 叉車本體圖

如圖2所示，應(yīng)用于食用菌工廠的叉車型AGV導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：定位與建圖控制器、激光雷達(dá)頭、導(dǎo)航控制器。激光雷達(dá)頭將二維掃描數(shù)據(jù)傳給定位與建圖控制器，定位與建圖控制器進(jìn)行地圖建立與實(shí)時(shí)定位，并將定位數(shù)據(jù)傳給導(dǎo)航控制器，導(dǎo)航控制器解算AGV的運(yùn)動(dòng)控制。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

路徑規(guī)劃導(dǎo)航主要完成AGV車體點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)之間路徑導(dǎo)航。

具體步驟如下：

步驟1，激光坐標(biāo)計(jì)算。

激光導(dǎo)航傳感器根據(jù)環(huán)境中多個(gè)反光板的位置，確定傳感器在空間中的坐標(biāo)(x,y,θ)。

步驟2，激光坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到輔助輪。

圖3 AGV控制模型

(1)

式中：l為激光傳感器中心到輔助輪中心的距離。

步驟3，激光運(yùn)行路徑偏差計(jì)算。

首先建立一個(gè)坐標(biāo)系XOY，設(shè)定車體任務(wù)工位點(diǎn)由A到F點(diǎn)，將AF分成多段直線，如圖4所示。

圖4 任意曲線軌跡示意圖

這里以A，B兩點(diǎn)直線行走為例，在AB點(diǎn)之間建立一條直線，AGV實(shí)時(shí)位置為點(diǎn)C：

1)激光坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到車體前部。

2)繪制激光坐標(biāo)點(diǎn)連線。

3)A、B的坐標(biāo)分別為(xA,yA)和(xB,yB)，車體實(shí)時(shí)位置C的坐標(biāo)為(xC,yC)。規(guī)定車體沿直線AB行走。

在車體位置C點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)之間建立一條直線lCB：

水利水電工程項(xiàng)目的施工技術(shù)管理，需要重視全員管理原則，在項(xiàng)目施工環(huán)節(jié)不僅關(guān)注施工技術(shù)人員，同時(shí)還要關(guān)注施工技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)因素，包括原材料供應(yīng)、施工監(jiān)理等，通過(guò)全員管理避免外界因素對(duì)施工技術(shù)應(yīng)用造成影響。

mx+ny=λ

(2)

式中：m,n,λ為直線參數(shù)。

如果xC-xB=0，則m=0；如果xC-xB≠0，則m=1。

將AB兩點(diǎn)坐標(biāo)代入式(2)中，計(jì)算出n和λ的值。因?yàn)镃點(diǎn)在直線上，所以C點(diǎn)和直線距離偏差為:

ddis=0

(3)

角度偏差為：

(4)

4)根據(jù)角度偏差和距離偏差實(shí)時(shí)調(diào)整AGV姿態(tài)。達(dá)到停止條件后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作，包括取貨、轉(zhuǎn)彎、放貨等。

2 自動(dòng)堆垛及出入庫(kù)管理

2.1 提出背景

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)人工成本的提高，食用菌工廠對(duì)于產(chǎn)業(yè)升級(jí)的需求不斷加強(qiáng)。由于食用菌工廠培育條件嚴(yán)格，機(jī)器代人必然成為主流趨勢(shì)。食用菌工廠碼垛托盤質(zhì)量在1 t以上，出于節(jié)省空間的需求，一般需要多層堆垛，堆垛高度可達(dá)5 m。待培育期過(guò)后，人工尋找出庫(kù)托盤，由工人開(kāi)叉車搬運(yùn)出庫(kù)。

AGV在倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)的巨大成功也加速了其向食用菌產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)散。激光導(dǎo)航的叉車型AGV具有承載能力大、運(yùn)動(dòng)靈活、柔性高、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能完美解決食用菌工廠對(duì)于叉車載重要求、運(yùn)動(dòng)模型要求、堆垛能力要求，以及根據(jù)生長(zhǎng)狀況出庫(kù)搬運(yùn)要求等。

物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IOT)是指通過(guò)各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，通過(guò)各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理。

傳統(tǒng)方式對(duì)食用菌出庫(kù)的判斷通過(guò)人眼判斷來(lái)完成，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)托盤碼垛情況復(fù)雜,人眼判斷并不是十分準(zhǔn)確。

食用菌對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的敏感性使得以時(shí)間作為出庫(kù)條件并不合理，不能最大化保證菌菇的生長(zhǎng)質(zhì)量。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，將觸感器數(shù)據(jù)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，可以解決工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的諸多問(wèn)題。

2.2 自動(dòng)出入庫(kù)流程

結(jié)合傳感器技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)菌菇的生長(zhǎng)情況，結(jié)合菌菇的生長(zhǎng)時(shí)間，綜合判斷菌菇的出庫(kù)需求。同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)不斷地學(xué)習(xí)優(yōu)化，將傳感器數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的菌菇生長(zhǎng)情況進(jìn)一步優(yōu)化匹配，提高菌菇的出入庫(kù)效率。工廠自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 工廠自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

AGV調(diào)度系統(tǒng)主要完成調(diào)度AGV車體從工位到工位的轉(zhuǎn)運(yùn)以及相應(yīng)的動(dòng)作。菌菇生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)模塊主要通過(guò)采集菌菇土壤成分變化信息監(jiān)測(cè)菌菇生長(zhǎng)情況。上垛自動(dòng)線主要完成菌菇培養(yǎng)皿的堆砌。消毒柜對(duì)菌菇培養(yǎng)皿進(jìn)行消毒處理。拆垛自動(dòng)線完成對(duì)出庫(kù)菌菇的培養(yǎng)皿拆垛。

工廠自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖6所示，上垛自動(dòng)線完成上垛后，呼叫閑置的AGV將對(duì)應(yīng)的托盤搬運(yùn)至消毒柜中。消毒柜滿裝后關(guān)閉柜門完成消毒，然后呼叫閑置的潔凈區(qū)AGV搬運(yùn)托盤至潔凈區(qū)進(jìn)行培養(yǎng)。在潔凈區(qū)，根據(jù)菌菇生長(zhǎng)模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的菌菇培養(yǎng)時(shí)間，控制菌菇在托盤存儲(chǔ)區(qū)、緩存區(qū)、托盤出庫(kù)區(qū)的轉(zhuǎn)移，達(dá)到出庫(kù)條件的托盤由AGV自動(dòng)搬運(yùn)至拆垛自動(dòng)線，完成菌菇稱重包裝的最后環(huán)節(jié)。

圖6 運(yùn)行流程圖

2.3 AGV任務(wù)調(diào)度策略

AGV主要執(zhí)行4種類型的任務(wù)：

1)從消毒柜搬運(yùn)托盤至托盤存儲(chǔ)區(qū)。

每個(gè)消毒柜存放10個(gè)托盤，依次從各消毒柜取出托盤放置到托盤存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)存儲(chǔ)區(qū)工位大于托盤總數(shù)時(shí)，每個(gè)工位只放置一個(gè)托盤，當(dāng)托盤數(shù)量大于N(工位數(shù)量)時(shí)，查找工位上托盤培養(yǎng)時(shí)間最短的托盤進(jìn)行碼垛。該任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高。

2)在托盤存儲(chǔ)區(qū)調(diào)整托盤位置。

為有效利用空間，當(dāng)托盤數(shù)量大于N時(shí)，AGV空閑時(shí)對(duì)托盤存放區(qū)托盤位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整策略為將待出庫(kù)培養(yǎng)皿盡量調(diào)整到堆垛上方，方便后續(xù)運(yùn)達(dá)緩存區(qū)，也有利于食用菌的生長(zhǎng)。系統(tǒng)根據(jù)各工位上下托盤的出庫(kù)剩余時(shí)間，計(jì)算最簡(jiǎn)易調(diào)整次數(shù)進(jìn)行調(diào)整，該任務(wù)優(yōu)先級(jí)第二。

3)將符合條件的托盤搬運(yùn)至托盤緩存區(qū)。

對(duì)于待出庫(kù)托盤，AGV將對(duì)應(yīng)托盤放置于緩存區(qū)，該任務(wù)優(yōu)先級(jí)第三。

4)將托盤緩存區(qū)托盤搬運(yùn)出倉(cāng)庫(kù)。

AGV將緩存區(qū)符合出庫(kù)條件的托盤搬運(yùn)出倉(cāng)庫(kù)，該任務(wù)優(yōu)先級(jí)第三。

調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度AGV按優(yōu)先級(jí)從高到低執(zhí)行，優(yōu)先滿足高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)安排，當(dāng)AGV無(wú)法滿足相應(yīng)的AGV任務(wù)時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)將任務(wù)掛起等待執(zhí)行。

3 應(yīng)用案例介紹

某食用菌工廠每小時(shí)堆料機(jī)可打包48垛待搬運(yùn)托盤，有10個(gè)滅菌柜，物料入庫(kù)需要4個(gè)人不間斷搬運(yùn)完成，物料堆垛出庫(kù)需4個(gè)人穿著防護(hù)服在高溫高濕環(huán)境下完成。工廠近期面臨著食用菌訂單需求越來(lái)越多，尤其是對(duì)于食用菌需求即將到來(lái)的旺季，但人員招聘面臨巨大困難，離職率高，工作環(huán)境嚴(yán)苛，增加產(chǎn)能只能靠增加更多工人，這對(duì)于食用菌淡季來(lái)說(shuō)無(wú)疑又增加較多成本。

針對(duì)該需求做如下方案：

如圖7所示，首先AGV從碼垛機(jī)搬運(yùn)堆砌好培養(yǎng)皿的托盤，將托盤放置于滅菌柜中消毒。

圖7 工廠布局圖

潔凈區(qū)AGV將消毒完成的托盤布置于培養(yǎng)區(qū)，培養(yǎng)區(qū)被系統(tǒng)劃分成各個(gè)獨(dú)立的部分，一個(gè)培養(yǎng)區(qū)最大可劃分的托盤放置區(qū)為N,為節(jié)省空間，每個(gè)工位可進(jìn)行雙層堆垛，即將其他托盤放置在已有托盤的上方。

系統(tǒng)最多可放置托盤數(shù)量為(2N-1)。AGV放置好托盤后，調(diào)度系統(tǒng)會(huì)記錄托盤放置位置及托盤進(jìn)入時(shí)間，并存放到對(duì)應(yīng)工位所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

培養(yǎng)皿通常28天左右會(huì)進(jìn)行出庫(kù)處理，內(nèi)置于培養(yǎng)皿的菌菇生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)合其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的菌菇生長(zhǎng)情況是否滿足出庫(kù)條件，符合出庫(kù)條件后，通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)呼叫閑置AGV,閑置AGV提前把待出庫(kù)的托盤移動(dòng)到緩存區(qū)。

本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

1)AGV具有自動(dòng)堆垛到2.5 m高度的能力，相對(duì)人工堆垛安全。

2)系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)判斷出庫(kù)條件，節(jié)省了培養(yǎng)成本。

3)系統(tǒng)可以柔性調(diào)整產(chǎn)能，在不同季節(jié)有不同的運(yùn)輸能力。

4)效率更高，可以全天候持續(xù)運(yùn)行，搬運(yùn)速度達(dá)到48垛/h，一天工作時(shí)長(zhǎng)為8 h，相比傳統(tǒng)搬運(yùn)方式，AGV自動(dòng)搬運(yùn)效率可以提高3倍。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，本文提出了一種應(yīng)用于食用菌工廠的采用激光導(dǎo)航方式叉車型AGV，滿足食用菌工廠的定位要求的同時(shí)，結(jié)合傳感器技術(shù)對(duì)食用菌生長(zhǎng)情況及出入庫(kù)需求精確把控，提高了食用菌工廠的生產(chǎn)效率，節(jié)約了高溫高濕條件下的人工成本，避免了由此帶來(lái)的安全問(wèn)題，可以在食用菌行業(yè)推廣應(yīng)用。