集裝箱自動化碼頭AGV—NS研究

袁理松

【摘 要】集裝箱自動化碼頭AGV-NS技術研究取得了很好的成果，本文針對某一港口開發了AGV-NS以適應自動化碼頭的工作對精確導航的要求。

【關鍵詞】AGV；AGV-NS；磁釘導航

1 AGV-NS概述

自動導向車AGV[1]是現代物流系統自動化、柔性化及智能化的關鍵設備，研究AGV的相關技術意義重大。導航系統為AGV核心組成部分，目前常見的AGV導航方式主要有視覺導航、激光導航與磁導航[2]，視覺導航由于易受環境影響其適應性差，激光導航的硬件成本較高，磁導航則不僅控制簡單[3]、成本低、且抗干擾能力強，可在各種環境下工作，應用最為廣泛[4]。

1.1 視覺導航

在視覺導航技術中，目前應用最普遍的是在AGV上安裝CCD攝像頭的基于局部視覺的導航方式[5]。攝像機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，但視野相對較小，若車體擺動幅度過大，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，對其進行校正插值后，精度沒有垂直安裝方式的高，但能夠獲得更大視野，另外也能檢測前進方向上是否存在障礙物，以便及時停車或進行避障。

1.2 激光導航

激光導航是AGV系統中比較常見的導航方式，也是AGV發展過程中十分重要的一項技術[7]。除了衛星定位系統外，激光導引也是唯一不用地面處理的導引方式。激光導引AGV系統主要由AGV激光掃描器和AGV反射板兩部分組成[8]。首先在AGV設備中安裝可以接受和發射激光的掃描器，然后將AGV反射板安裝在導引區的四周，之后精確測量每塊發射板的坐標位置，在AGV系統的存儲器中存儲每塊反射板的信息，根據存儲數據進行導引計算。激光導引系統中的指定區域應該設置一定數量的反射板，保證在AGV的工作區域內探測出所有反射信息。

1.3 磁導航

磁導航是指在運行路線上安裝磁條，AGV行駛時，依靠磁傳感器檢測磁場強度的變化，以確定當前AGV與導引帶的相對位置，再由控制器糾正其位置偏差，使AGV沿預定路線行駛。

2 集裝箱自動化碼頭AGV-NS需求分析

本文所設計的AGV應用背景為集裝箱自動化碼頭中集裝箱的運輸，結合青島港集裝箱自動化碼頭的實際工況，對AGV有以下要求：

（1）能夠沿著預定的路徑進行自主導航，具有一定導航精度；

（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）能夠與上位機實時通信，接收上位機傳遞的任務信息以及接受遠程監督與控制；

（4）具有多級安全保護裝置，能夠對障礙物進行自主判斷；

（5）具有手動/半自動/自動等運行模式；

（6）能夠判斷自身狀態，具有急停、報警等功能；

（7）路徑要求變更容易，且AGV能夠適應復雜路徑；

（8）能夠自動判斷電池電量信息，在低電狀態下能夠自主到充電站完成充電動作。

根據以上要求，本文自主研制了一款磁釘導航AGV。

3 集裝箱自動化碼頭AGV-NS

3.1 AGV-NS的實現原理

AGV自動導航系統的任務是實時根據VMS（車輛管理系統）路徑指令，檢測計算獲得AGV的位姿信息，通過導航算法控制AGV沿規劃路徑自動運行及定位。

位姿信息包括AGV中心的絕對坐標以及AGV的方向角，如圖1所示。準確獲得位姿信息是AGV自動運行的基礎，直接決定了AGV運行的精度和安全性。

導航系統采用天線——磁釘（transponder）系統測量AGV的絕對位置信息。這一系統首先需要在AGV的運行場地中布置磁釘，每一個磁釘都記錄著其在堆場坐標系中的絕對坐標。在AGV底盤的前端和后端，對稱安裝一對檢測天線。天線在覆蓋磁釘時可以測量磁釘相對于天線的位置，同時讀出磁釘在堆場中的絕對位置。這樣，當AGV上兩塊天線能同時檢測到磁釘時，就可以直接計算出AGV的位姿。在這一工況下，導航定位的精度完全由天線的檢測精度決定，導航系統可獲得很高的精度。

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

在AGV實際的運行中，導航系統將在上述兩種工況中交替運行，AGV位姿的估算誤差也會不斷波動，通常導航定位的總體精度由位姿估算算法決定。因此，需要著重優化位姿估算算法的性能，保證導航的誤差不超過預定的誤差指標。

3.2 AGV-NS的實現方法

在各種工況下，導航系統的定位誤差不超過20mm。輸出位姿信息的頻率不低于20Hz，可以完全滿足運動控制系統的需求。

自動導航系統根據AGV位姿信息，可以控制AGV沿指定路徑進行運輸任務。AGV的基本運行路徑包括：直行、斜行、窄轉窄轉彎（由窄車道轉向窄車道）、窄轉寬轉彎、寬轉窄轉彎和寬轉寬轉彎。將上述基本運行方式組合起來，可以形成更復雜的路徑，如U型轉彎和S型轉彎，保證了AGV在堆場中的靈活運行。

3.3 AGV-NS系統構架

自動導航系統由導航檢測系統和導航控制系統組成，二者缺一不可。從信息處理的角度，AGV自動導航系統與運動控制系統的構架如圖2所示。

導航算法構成了導航控制系統軟件部分的主體。可見該算法需要處理三種不同的工況。除前后天線同時檢測到磁釘的工況外，都需要采用位姿估算算法進行導航。

位姿估算采用了擴展Kalman濾波器（Extended Kalman Filter， EKF）算法作為核心算法，對各傳感器測量值進行信息融合，最終得到位姿估算輸出。

4 結論

利用多個傳感器信息，進行相互校正。特別是對于IMU中的陀螺儀，采用靜態或動態零速修正技術可以顯著修正其漂移誤差。不同工況進行轉換時，對估算算法進行平滑切換，可以防止估算誤差突然惡化。預估模型是保證EKF算法性能的關鍵因素。在預估模型的設計中，充分考慮多種誤差因素，使其更好地匹配實際AGV的運行特性。

本文開發的AGV-NS可以很好的滿足自動化碼頭對AGV導航的高要求。

【參考文獻】

[1]武啟平，金亞萍，任平，等.自動導引車（AGV）關鍵技術現狀及其發展趨勢[J].制造業與自動化，2013，35（5）：106-109，121.

[2]姜涌，曹杰，杜亞玲，等.基于各種傳感器的自動導引車的制導方式[J].傳感器技術，2005，25（8）：1-4.

[3]彭光清，樓佩煌.磁導航 AGV 模糊控制器的研究[J].工業控制計算機，2012，25（9）：43-44.

[4]鄭炳坤，賴乙宗，葉峰.磁導航AGV控制系統的設計與實現[J].專題研究，文章編號： 001-9944（2014）03-0006-05.

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[8]張毅，羅元，鄭太雄.移動機器人技術及其應用[D].北京：電子工業出版社，2007.

[責任編輯：湯靜]