高速穿梭車定位技術的研究

2016-10-17 06:53:10國網上海市電力公司電力科學研究院張曉穎莊葛巍張洪紅

物流技術與應用 2016年9期

國網上海市電力公司電力科學研究院 / 張曉穎莊葛巍張洪紅

深圳市科陸電子科技股份有限公司 / 姚民

高速穿梭車定位技術的研究

國網上海市電力公司電力科學研究院 / 張曉穎莊葛巍張洪紅

深圳市科陸電子科技股份有限公司 / 姚民

目前穿梭車式貨架倉庫需求快速增加，但是與國外相比，我國物流裝備企業在穿梭車技術方面存在較大差距，因此急需研究高速智能穿梭車，以彌補國內空白，促進國內智能倉儲產業發展。在經過市場調查和技術探討后，本文主要對高速穿梭車的各項指標及其行走定位方式進行了研究。

自動化立體倉庫、高速穿梭車、定位技術

一、研究背景和意義

自動化立體倉庫系統，又稱自動存儲/檢索系統，即AS/ RS（Automated Storage/Retrieval System），使用高層貨架存儲貨物，充分利用倉庫空間，因此節省了占地面積，提高了空間使用率。目前使用最廣、適應性較強的是單元貨格式立體倉庫，但是在這種倉庫中巷道占去了三分之一左右的面積。在充分利用存儲空間的原則上，為了提高倉庫面積的利用率，達到能夠存儲更多貨物的目的，近年來各種高密度自動化倉儲系統逐漸發展成熟，例如：重力式貨架倉庫和穿梭車式貨架倉庫。

在重力式貨架倉庫中，貨架接通道排列，每個通道都是存貨通道，并帶有一定的坡度，從入庫口端裝入的貨物單元能夠在自重的作用下，自動向出庫端移動，直到到達通道出庫端或者碰到已存儲的貨物單元停住為止，通道出庫端設有止動裝置。當出庫端的第一個貨物單元被取走后，其后面的各個貨物單元在重力作用下依次向出庫端補位。從結構上講，為了保證這種倉庫系統的靈活性，要求每個存貨通道設置減少摩擦的裝置，如在貨架上加滾子，或者儲存托盤帶滾輪。

穿梭車式貨架倉庫，貨架也接通道排列，每個通道也都是存貨通道，但沒有設置坡度，每個通道都設有供穿梭車運行的軌道，穿梭車在巷道里往復運行，自動存取和搬取貨物，提升了物流效率，而且穿梭車可以和堆垛機、自動叉車或AGV配合，自動進行不同列、不同層及不同通道之間的交換，調度更加靈活，自動化程度更高。

穿梭車式貨架倉庫的核心設備是穿梭車。穿梭車又稱為軌道式自動導引車（rail guide vehicle），具有速度快、可靠性高、成本低等特點，它是立體倉庫的重要設備，并與其他物流設備實現自動連接，如出入庫站臺、緩沖站、輸送機、升降機和機器人等，按照計劃進行物料的輸送。穿梭車的行駛速度一定程度上決定了整個貨架倉庫的物流效率；穿梭車的供電方式、持續行進能力等決定了貨架倉庫安裝施工的難度；穿梭車的智能程度決定了貨架倉庫的智能化程度以及設計難度。因此，對于穿梭車式貨架倉庫系統來講，穿梭車本身十分值得研究和改進。

目前，立體倉庫正逐漸向高動態應用的方向發展——對倉庫存儲量的要求越來越高，揀選、輸送以及出入庫頻率等要求也越來越高，因此貨架穿梭車是近年來國內外研究的熱點。在國外，貨架穿梭車的研究起步較早，在2005年前后，YLOG、DEMATIC、TGW等物流巨頭就推出了自己的貨架穿梭車，并在這幾年進行持續優化，已相繼推出升級版本的貨架穿梭車，在運行速度、靈活性、智能程度上都有顯著提升。國外的穿梭車運行速度普遍在4m/s以上，并且一般具備路徑規劃系統，可進行復雜路徑的規劃。而在國內，貨架穿梭車的研究尚在起步階段，穿梭車系統應用較少，且穿梭車供應商廠家也很少。國產穿梭車的性能相對國外巨頭的產品來說還有較大差距。國產穿梭車運行速度普遍在2m/s以下，智能程度較低，大多的路徑規劃要依靠立庫系統軟件輔助完成。

二、主要研究內容

基于目前國內穿梭車的發展現狀，我國物流裝備行業急需研究高速（4m/s以上速度）智能的貨架穿梭車定位技術，以促進國內智能倉儲產業發展。在經過市場調查和技術探討后，我們主要對貨架穿梭車的以下指標進行了研究。

1.更快的速度

穿梭車更快的速度意味著單位時間內更多次數的取放貨物，直接關系到整個倉儲系統的物流效率。目前大部分的貨架穿梭車平均速度約在2m/s，通過市場調研和技術評估，我們預計將穿梭車的速度提升到4m/s。

更快的速度意味著更大的電機功率和能耗，而功率越大的電機重量越重，整個車體的重量也就越重，而更重的車體則需要更大的驅動功率，導致惡性循環。因此，速度的提升對穿梭車來說是個重大挑戰。

2.更精準的定位方式

目前，國內外穿梭車的行走定位模式如下：

（1）行走電機編碼器與單個定位檢測孔（每個貨位一個定位孔）

缺點是：此種方式要經過行走電機編碼器數據處理，精確計算，如果多段穿梭車導軌出現連接處錯位等，極有可能導致行走輪打滑，同時也有可能因電機啟動加速度太大導致行走輪與導軌面摩擦力變化打滑，穿梭車將無法準確到達指定位置，只有通過找貨位的定位檢測孔來進行檢測，有可能穿梭車會過沖或者還未到達目標位置行走電機就停止了，只能通過程序判斷穿梭車低速來回找目標位。

（2）條碼定位檢測

缺點是：此種方式要求在貨架行走導軌一側貼一整條條碼，并且條碼不能撕裂和斷開較大距離，對條碼有較高的安裝要求；同時對于層數多、巷道長的多層穿梭式貨架，使用條碼定位會導致較高的成本。

（3）激光測距方式

（4）穿梭車行走定位的新方式

穿梭車行走定位采用RFID信息識別與雙定位檢測點方式，可有效降低系統控制難度，即時讀取倉位信息減少系統交互時間；該方式簡單的加工及安裝工藝，降低了定位成本，即使貨架因地面沉降和安裝使導軌在一定程度上發生偏移，也不影響穿梭車正常運行，可提高系統的可維護性和冗錯性。采用RFID信息識別與雙定位檢測點方案，可提前判斷位置給予系統響應時間，防止穿梭車過沖，提高定位精度。

三、技術方案

穿梭車擬采用的設計方案，如圖1。

1.控制機構

控制機構用于控制整個穿梭車的運動、停止以及存取托盤貨物等各種動作，控制機構控制伺服電機、貨叉，并接收路徑規劃系統的指令，完成指定路徑的運動和執行動作。控制機構主要由運動控制器和伺服控制器組成。

圖1 穿梭車技術方案

（1）運動控制器

運動控制器是整個穿梭車的控制核心，通過接收主站發出的控制指令，控制穿梭車的啟動、運行和停止以及存取貨等各種動作。

隨著高職院校互聯網建設的不斷推進和完善，開展基于互聯網的會計教學應用將成為當前會計教學改革的首要內容。通過搭建會計教學資源數據庫，客戶端可以通過多媒體教室、實驗實訓室、手機等進行直播或查看錄像，提高精品課程的利用率，利用優質教學資源，增強教學效果，提升會計專業建設整體水平。“人盡其才，悉用其力”,既能夠最大限度地降低學生想學學不到，名師分不公等各種不利因素，又能極大地調動教師的授課積極性，又有助于激發學生對會計知識的學習興趣。[2]

運動控制器將采用ARM加FPGA的框架設計，實現穿梭車的高速和高精度定位功能，并通過WiFi模塊實現與主站的通訊，接收由主站發出的系統路徑規劃指令，完成指定路徑的運動和動作，并且返回給主站穿梭車的運動和動作狀態等信息。

（2）伺服控制器

本項目中需要實現穿梭車的精確定位，如果托盤貨物的擺放誤差較大，將無法實現精確的存取貨操作，可能導致整個倉儲系統的混亂甚至癱瘓，因此伺服控制器必須通過對伺服電機的精確位置控制，來實現穿梭車的精確位置定位。

本設計將基于TI公司C2000的DSP作為控制平臺，控制結構將采用電流環、速度環、位置環的三環閉環控制，結合矢量控制算法實現伺服電機的精確定位。硬件將采用高精度絕對式編碼器來采集電機位置信號，實現位置環和速度環的反饋信號，功率電路采用英飛凌IGBT作為開關管，將主板經過矢量計算后輸出的PWM信號轉換成控制電機的三相交流電壓。

2.PPS及外部接

PPS是Path Planning System的縮寫，意指路徑規劃系統，穿梭車可根據WMS（倉儲管理系統）發來的位置信息，依據路徑規劃算法，自行規劃最優路徑，并向控制機構發出運動指令，使控制機構沿規劃路徑運行至指定位置并存取貨物，這樣WMS只需告知穿梭車存取貨的目標位置，其他控制均由穿梭車自行完成，提高了通信效率的同時，也減少了WMS的開發難度。

PPS需要一系列外部接口協議的支撐，包括與WMS的協議約定以及穿梭車提升機之間的協議約定，因此該模塊還包含與WMS的外部接口以及和提升機的外部接口。

3.伺服電機

伺服電機的功率、轉速和扭矩需根據車體重量、地面摩擦系數、車體行駛速度、減速機選型、車輪直徑等信息進行確定（詳細計算不做贅述）。

由于伺服電機位于車體上，因此伺服電機本身的重量也是重要的考量因素。