AGV系統在洛陽卷煙廠易地技改的設計與應用

一、概述

1.項目簡述

河南中煙洛陽卷煙廠易地技改項目，卷包房、濾棒成型車間的輔料智能輸送系統，擬采用移動機器人系統（AGVS）進行自動配送。系統方案按照工廠布局、工藝流程需求而設計,實現輔料、空托盤的自動配送,從而達到節約勞動力、提高生產效率、實現智能化的目的，同時可以對物料信息進行實時追溯。

2.項目的整體規劃

整體規劃圖，如圖1。AGV主要作業區域如下：

（1）立體庫出庫工位（2 個站臺）；

（2）立體庫空托盤/余料返回工位 ；

（3）AGV充電區；

（4）濾棒車間；

（5）裝封箱車間；

（6）卷接包車間。

叉車式 AGV 主要負責生產線輔料、空托盤的搬運。將指定的實托盤從立體庫出庫站臺送往車間的需求工位；同時將空托盤/余料返回回庫站臺。

在作業過程中由客戶端的倉儲管理系統（WMS）根據生產所需物料，WMS 系統將取貨、卸貨站點發送給AGV 調度系統，調度系統調度就近的AGV 搬運托盤至裝配工位需求站點，AGV 小車作業完成后，AGV 調度系統通知 WMS 系統任務完成。

當工位上產生空托盤或余料托盤后，倉儲管理系統（WMS）通知 AGV調度系統，將其 自動搬運到立體倉庫回庫站臺工位。

二、輸入條件

1.工作制

三班制，8 小時/班；

出庫三班制，21 小時/天；

圖1 整體規劃圖

表1 產能

圖2 AGV行駛至A點時的路徑規劃

圖3 AGV行駛至B點時的路徑規劃

圖4 AGV車載控制系統硬件模塊

圖5 AGV叉車數學模型

2.最大產能（如表1）

三、AGV系統設計

AGV系統主要由AGV調度系統、AGV車載控制系統這兩大部分組成。以下對這兩大部分進行詳盡的介紹；

1.調度系統設計

車輛調度系統是要實現多臺車輛設備在同一個項目工作場景內同時運行，能夠無碰撞地完成指定任務，且能夠實時監控車輛信息，保證系統順利、高效地運行。智能調度系統研究的主要核心內容包括路徑規劃和交通管制，以下我們就這兩方面展開進一步說明。

（1）路徑規劃

路徑規劃要解決的問題是如何根據現有的電子地圖數據生成一條從任務起點到任務終點的最優路線，保證車輛能夠順利完成調度指定的任務。研究內容主要包括以下幾個方面：

環境建模：環境建模是路徑規劃的重要環節，目的是將工程項目現場的信息轉換成可以讓計算機識別處理的電子環境地圖，建立一個便于計算機進行路徑規劃所使用的環境模型，將實際的物理空間抽象成算法能夠處理的抽象空間，實現相互間的映射。

路徑搜索：路徑搜索階段是在環境模型的基礎上應用相應算法尋找一條行走路徑，使預定的路徑性能評估函數獲得最優值。采用了Dijkstra算法，生成從任務起點到任務終點的最短路徑。

路徑平滑：由于叉車式AGV屬于欠驅動系統，通過相應算法搜索出的路徑并不是AGV實際可以行走的路徑，需要作進一步處理與平滑才能使其成為一條實際可行的路徑。采用了自主開發的路徑平滑算法對路徑進行處理，生成AGV實際行駛的路徑。

路徑的優化：通過Dijkstra路徑規劃算法生成的路徑雖然是路程最短路徑，但可能不是最優路徑，需要認真分析現場環境，提取影響最優路徑的特征參數，比如轉彎的次數、路徑的擁擠程度、路徑的寬度、特殊的工況等，作為下一步路徑優化的指標。采用深度學習和蟻群算法相接合，對Dijkstra算法規劃出來的路徑進行不斷學習和優化，最后達到近似最優路徑。

（2）交通管制

基于動態的路徑規劃算法，衍生出了預測式的交通管制。即根據路徑規劃，分配并鎖定沿途的路徑線，提前預知交通問題并改變路徑策略。

當路徑規劃完成后，需要對AGV進行控制，使其按照規劃的路徑行駛。規劃好的路徑中，每條路徑線有三種狀態，分別是：正行駛、待行駛和已規劃。

正行駛，表示AGV正在該路徑線上行駛，或停止于該路徑線的端點上。不可被其他AGV列為待行駛路徑，也不受權值改變和路徑規劃影響。當AGV行駛完后，需將路徑線從規劃路徑中刪除，并將下一條待行駛的路徑變為正行駛的路徑。

待行駛，表示AGV準備行駛的路徑。不可被其他AGV列為待行駛路徑，也不受權值改變和路徑規劃影響。

已規劃，表示路徑已規劃至該路徑。受權值改變和路徑規劃影響，可被任意AGV列為待行駛路徑。

從A點到T點最優路徑為：1-2-3-4-9-18-27

當AGV在A點時，1為正行駛路徑，2、3、4為待行駛路徑，9、18、27為已規劃路徑。如圖2。

當AGV行駛至B點時，1從規劃路徑中被刪除，2為正行駛路徑，3、4、9為待行駛路徑，18、27為已規劃路徑。如圖3。

當路徑規劃和AGV控制使用上述算法后，交通管制行為就變為了禁止“已規劃”路勁轉變為“待行駛”路徑的行為。

當路徑規劃模塊需要將“已規劃”路徑轉變為“待行駛”路徑時，需要詢問交通管制模塊，是否可以做該轉變。

交通管制不會管理AGV的啟動、停止和速度。

默認情況下，判斷一條路徑線可不可以轉換成“待行駛”狀態的條件是：

（a）該路徑沒有被其他路徑分配為“待行駛”或“正行駛”狀態

（b）該路徑的結束點上沒有AGV停靠

（c）該路徑的結束點不是其他“待行駛”或“正行駛”路徑的結束點

2.AGV車載控制系統設計

智能AGV車載控制系統，通過仿人控制與智能積分PID運動控制算法，輸出速度和角度控制量，從而實時控制AGV行走；智能AGV控制系統通過激光避障傳感器及防撞條的實時數據采集，實現了AGV的安全防護；同時智能AGV控制系統還支持Socket TCP網絡通信功能，實時接收調度系統指令并定時反饋AGV狀態信息到調度系統；智能AGV控制系統還包含語音、三色燈、工業觸控屏控制模塊，便于故障的報警與診斷；我們將會從硬件模塊、運運控制算法概述、電池選型方案、等三方面展開進行更詳細介紹。

（1）硬件模塊

圖4為NDC8 AGV車載控制硬件模塊組成圖，主要由車載控制器、激光導航傳感器、激光避障傳感器、IO控制、編碼器、工控屏、驅動器、手持控制器等組成。

（2）運運控制算法概述

在真正開始實現對A GV 的控制前，有必要好好分析一下AGV的驅動控制數學模型。拋開那些與運動控制無關的 AGV 零部件，對AGV結構做了大量簡化，最后發現AGV叉車的運動實際上是一個三輪車模型。這也就是說，只要分析透徹三 輪車模型的數學本質，就掌握了叉車控制的本質問題，從而為最終實現叉車實體的運動控制打下良好的基礎。下面，一起來分析三輪車的數學模型。

如圖5所示，叉車可以簡化為三輪車模型。A 為驅動輪，B 為定向輪中心點。O 點為旋轉中心。驅動輪旋轉角度為γ，叉車車速為 V，當前叉車車身與全局坐 標系成θ角。叉車軸距為 L，驅動輪 A 到旋轉中心 O 的距離為 R1，B 到O 的距 離為 R2。

表2 電池主要特性對比

表3 電池參數

表4 AGV速度

由上圖叉車模型可以得出：

根據編碼器推算出的坐標：

那么，只要給出了AGV的初始位置，結合編碼器航跡推算，就可以計算出 AGV的當前位置，實現對AGV的行走軌跡跟蹤。

但是，由于地面不平、AGV輪子打滑等種種原因，導致根據編碼器計算的AGV位置逐漸發生偏移，最后提供的位置信息嚴重偏移實際AGV位置。因此，由以上方法計算出來的 AGV位置只能保證在短暫時間間隔內是準確的，因此，還需要提供一個比編碼器更加準確的AGV導航定位傳感器，這里采用了德國SICK公司的NAV350激光導航傳感器，作為主導航傳感器。將激光導航傳感器數據和編碼器數據結合起來，就能起到提高叉車位置更新頻率的能力，叉車的導航定位精度也能有一個較大的提高。主流的方法是采用卡爾曼濾波對激光導航傳感器和編碼器進行數據融合，得到的位置信息更加真實可信。

圖6 AGV防真

編碼器預測值：

兩者通過擴展非線性卡爾曼濾波進行數據融合，得到當前的AGV位置。

（3）電池選型方案

AGV使用的電池主要有鎳鎘電池、鋰電池、鉛酸電池，這三種電池主要特性對比如表2。

在實際項目中，根據自身需求選擇合適電池；在我們此次項目中，我們選擇了鎳鎘電池，主要是鎳鎘電池支持大電流充電和安全性高，鎳鎘電池和智能充電樁主要參數，如表3。

四、效率仿真

我們使用NDC軟件進行仿真，共4臺AGV，包含充電時間（充放電比為1:6），AGV仿真速度設定如表4，在AGV實際運行過程中，實際速度將和仿真軟件中的速度基本保持一致。所以我們可以通過仿真結果，評估AGV運行效率和AGV臺數，確保項目的成功實施和風險把控。

任務下達方式：以通道中間站臺為測試對象，下達4個任務，連續下達。如圖6。

仿真結果：46托/小時，滿足換牌時段最大產能45.1托/小時要求。

五、結論

河南中煙洛陽卷煙廠積極響應中國智能智造方針，大膽導入國有自研AGV系統，完成輔料的自動化運輸，實現了柔性化作業。