集裝箱自動(dòng)化碼頭AGV—NS研究

袁理松

【摘 要】集裝箱自動(dòng)化碼頭AGV-NS技術(shù)研究取得了很好的成果，本文針對(duì)某一港口開發(fā)了AGV-NS以適應(yīng)自動(dòng)化碼頭的工作對(duì)精確導(dǎo)航的要求。

【關(guān)鍵詞】AGV；AGV-NS；磁釘導(dǎo)航

1 AGV-NS概述

自動(dòng)導(dǎo)向車AGV[1]是現(xiàn)代物流系統(tǒng)自動(dòng)化、柔性化及智能化的關(guān)鍵設(shè)備，研究AGV的相關(guān)技術(shù)意義重大。導(dǎo)航系統(tǒng)為AGV核心組成部分，目前常見的AGV導(dǎo)航方式主要有視覺導(dǎo)航、激光導(dǎo)航與磁導(dǎo)航[2]，視覺導(dǎo)航由于易受環(huán)境影響其適應(yīng)性差，激光導(dǎo)航的硬件成本較高，磁導(dǎo)航則不僅控制簡(jiǎn)單[3]、成本低、且抗干擾能力強(qiáng)，可在各種環(huán)境下工作，應(yīng)用最為廣泛[4]。

1.1 視覺導(dǎo)航

在視覺導(dǎo)航技術(shù)中，目前應(yīng)用最普遍的是在AGV上安裝CCD攝像頭的基于局部視覺的導(dǎo)航方式[5]。攝像機(jī)有垂直安裝與傾斜安裝兩種方式[6]。垂直安裝方式定位精度比較高，但視野相對(duì)較小，若車體擺動(dòng)幅度過大，路徑容易脫離視野。傾斜安裝方式由于采集的圖像存在傾斜畸變，對(duì)其進(jìn)行校正插值后，精度沒有垂直安裝方式的高，但能夠獲得更大視野，另外也能檢測(cè)前進(jìn)方向上是否存在障礙物，以便及時(shí)停車或進(jìn)行避障。

1.2 激光導(dǎo)航

激光導(dǎo)航是AGV系統(tǒng)中比較常見的導(dǎo)航方式，也是AGV發(fā)展過程中十分重要的一項(xiàng)技術(shù)[7]。除了衛(wèi)星定位系統(tǒng)外，激光導(dǎo)引也是唯一不用地面處理的導(dǎo)引方式。激光導(dǎo)引AGV系統(tǒng)主要由AGV激光掃描器和AGV反射板兩部分組成[8]。首先在AGV設(shè)備中安裝可以接受和發(fā)射激光的掃描器，然后將AGV反射板安裝在導(dǎo)引區(qū)的四周，之后精確測(cè)量每塊發(fā)射板的坐標(biāo)位置，在AGV系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)每塊反射板的信息，根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)引計(jì)算。激光導(dǎo)引系統(tǒng)中的指定區(qū)域應(yīng)該設(shè)置一定數(shù)量的反射板，保證在AGV的工作區(qū)域內(nèi)探測(cè)出所有反射信息。

1.3 磁導(dǎo)航

磁導(dǎo)航是指在運(yùn)行路線上安裝磁條，AGV行駛時(shí)，依靠磁傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，以確定當(dāng)前AGV與導(dǎo)引帶的相對(duì)位置，再由控制器糾正其位置偏差，使AGV沿預(yù)定路線行駛。

2 集裝箱自動(dòng)化碼頭AGV-NS需求分析

本文所設(shè)計(jì)的AGV應(yīng)用背景為集裝箱自動(dòng)化碼頭中集裝箱的運(yùn)輸，結(jié)合青島港集裝箱自動(dòng)化碼頭的實(shí)際工況，對(duì)AGV有以下要求：

（1）能夠沿著預(yù)定的路徑進(jìn)行自主導(dǎo)航，具有一定導(dǎo)航精度；

（2）能夠自主判斷位資信息，在不同位置之間完成行駛與停靠，具有一定的定位精度；

（3）能夠與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，接收上位機(jī)傳遞的任務(wù)信息以及接受遠(yuǎn)程監(jiān)督與控制；

（4）具有多級(jí)安全保護(hù)裝置，能夠?qū)φ系K物進(jìn)行自主判斷；

（5）具有手動(dòng)/半自動(dòng)/自動(dòng)等運(yùn)行模式；

（6）能夠判斷自身狀態(tài)，具有急停、報(bào)警等功能；

（7）路徑要求變更容易，且AGV能夠適應(yīng)復(fù)雜路徑；

（8）能夠自動(dòng)判斷電池電量信息，在低電狀態(tài)下能夠自主到充電站完成充電動(dòng)作。

根據(jù)以上要求，本文自主研制了一款磁釘導(dǎo)航AGV。

3 集裝箱自動(dòng)化碼頭AGV-NS

3.1 AGV-NS的實(shí)現(xiàn)原理

AGV自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時(shí)根據(jù)VMS（車輛管理系統(tǒng)）路徑指令，檢測(cè)計(jì)算獲得AGV的位姿信息，通過導(dǎo)航算法控制AGV沿規(guī)劃路徑自動(dòng)運(yùn)行及定位。

位姿信息包括AGV中心的絕對(duì)坐標(biāo)以及AGV的方向角，如圖1所示。準(zhǔn)確獲得位姿信息是AGV自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，直接決定了AGV運(yùn)行的精度和安全性。

導(dǎo)航系統(tǒng)采用天線——磁釘（transponder）系統(tǒng)測(cè)量AGV的絕對(duì)位置信息。這一系統(tǒng)首先需要在AGV的運(yùn)行場(chǎng)地中布置磁釘，每一個(gè)磁釘都記錄著其在堆場(chǎng)坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)。在AGV底盤的前端和后端，對(duì)稱安裝一對(duì)檢測(cè)天線。天線在覆蓋磁釘時(shí)可以測(cè)量磁釘相對(duì)于天線的位置，同時(shí)讀出磁釘在堆場(chǎng)中的絕對(duì)位置。這樣，當(dāng)AGV上兩塊天線能同時(shí)檢測(cè)到磁釘時(shí)，就可以直接計(jì)算出AGV的位姿。在這一工況下，導(dǎo)航定位的精度完全由天線的檢測(cè)精度決定，導(dǎo)航系統(tǒng)可獲得很高的精度。

在不滿足上述工況時(shí)，僅通過天線——磁釘系統(tǒng)將不能獲得AGV的位姿，需要進(jìn)行位姿估算才能完成導(dǎo)航定位。位姿估算基于AGV的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并綜合更多的傳感器信息，包括慣性測(cè)量傳感器（陀螺儀及加速度計(jì)）、車輪轉(zhuǎn)速編碼器、轉(zhuǎn)向角編碼器，進(jìn)行信息融合后計(jì)算出AGV的位姿信息。在這一工況下，估算的誤差主要由AGV模型與實(shí)際車輛的誤差決定，并且估算的誤差可能隨著時(shí)間增長而不斷增加。

在AGV實(shí)際的運(yùn)行中，導(dǎo)航系統(tǒng)將在上述兩種工況中交替運(yùn)行，AGV位姿的估算誤差也會(huì)不斷波動(dòng)，通常導(dǎo)航定位的總體精度由位姿估算算法決定。因此，需要著重優(yōu)化位姿估算算法的性能，保證導(dǎo)航的誤差不超過預(yù)定的誤差指標(biāo)。

3.2 AGV-NS的實(shí)現(xiàn)方法

在各種工況下，導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差不超過20mm。輸出位姿信息的頻率不低于20Hz，可以完全滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需求。

自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)AGV位姿信息，可以控制AGV沿指定路徑進(jìn)行運(yùn)輸任務(wù)。AGV的基本運(yùn)行路徑包括：直行、斜行、窄轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎（由窄車道轉(zhuǎn)向窄車道）、窄轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎、寬轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎和寬轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎。將上述基本運(yùn)行方式組合起來，可以形成更復(fù)雜的路徑，如U型轉(zhuǎn)彎和S型轉(zhuǎn)彎，保證了AGV在堆場(chǎng)中的靈活運(yùn)行。

3.3 AGV-NS系統(tǒng)構(gòu)架

自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航檢測(cè)系統(tǒng)和導(dǎo)航控制系統(tǒng)組成，二者缺一不可。從信息處理的角度，AGV自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。

導(dǎo)航算法構(gòu)成了導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟件部分的主體。可見該算法需要處理三種不同的工況。除前后天線同時(shí)檢測(cè)到磁釘?shù)墓r外，都需要采用位姿估算算法進(jìn)行導(dǎo)航。

位姿估算采用了擴(kuò)展Kalman濾波器（Extended Kalman Filter， EKF）算法作為核心算法，對(duì)各傳感器測(cè)量值進(jìn)行信息融合，最終得到位姿估算輸出。

4 結(jié)論

利用多個(gè)傳感器信息，進(jìn)行相互校正。特別是對(duì)于IMU中的陀螺儀，采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)零速修正技術(shù)可以顯著修正其漂移誤差。不同工況進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)估算算法進(jìn)行平滑切換，可以防止估算誤差突然惡化。預(yù)估模型是保證EKF算法性能的關(guān)鍵因素。在預(yù)估模型的設(shè)計(jì)中，充分考慮多種誤差因素，使其更好地匹配實(shí)際AGV的運(yùn)行特性。

本文開發(fā)的AGV-NS可以很好的滿足自動(dòng)化碼頭對(duì)AGV導(dǎo)航的高要求。

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[責(zé)任編輯：湯靜]