RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在AGV小車(chē)中的應(yīng)用研究

鞏杰 趙俊江 鞏坤/文

AGV 是一種以電池為動(dòng)力的自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸小車(chē)，內(nèi)有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，它能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，是具有安全保護(hù)以及移載功能的運(yùn)輸車(chē)。依靠技術(shù)算法、機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)等核心技術(shù)支撐，完成各種揀選、搬運(yùn)和配送。其可自動(dòng)充電、自動(dòng)化程度高，方便、占地面積小，可在生產(chǎn)的各個(gè)車(chē)間內(nèi)穿梭往復(fù)自如，靈活性大，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電商、快遞、倉(cāng)儲(chǔ)分揀、汽車(chē)、煙草、醫(yī)藥、服裝等各類(lèi)型的企業(yè)當(dāng)中。

作為一種無(wú)人駕駛工業(yè)搬運(yùn)車(chē)輛，快捷高效、準(zhǔn)確定位對(duì)AGV 小車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)十分重要。RFID 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是一種非接觸式、非可視化自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。利用RFID 識(shí)別AGV 小車(chē)位置，相對(duì)于其他定位方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，能準(zhǔn)確定位，更容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，采用車(chē)載RFID 讀寫(xiě)器識(shí)別貨物上的RFID 標(biāo)簽，按照MES 或WMS 管理系統(tǒng)中裝卸貨物的起點(diǎn)和終點(diǎn)信息，AGV 小車(chē)按照地圖的最佳軌跡路徑完成運(yùn)輸任務(wù)。

AGV 一般用于室內(nèi)工作，且為無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)。AGV 系統(tǒng)相對(duì)于有軌系統(tǒng)主要解決的問(wèn)題是運(yùn)輸路徑的定位和運(yùn)輸貨物的認(rèn)證識(shí)別問(wèn)題。AGV 的定位導(dǎo)航方式在不同的行業(yè)也有著不同需求，主要有超聲波、Wi-Fi、二維碼、RFID、激光等技術(shù)。在設(shè)計(jì)AGV 小車(chē)運(yùn)行軌跡時(shí)，預(yù)埋鋪設(shè)RFID 電子標(biāo)簽，AGV 通過(guò)攜帶的RFID 讀寫(xiě)器識(shí)別地面上的RFID電子標(biāo)簽信息，上傳調(diào)度管理系統(tǒng)FMS確認(rèn)后沿著軌跡運(yùn)行。

從AGV 行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)前SLAM 激光導(dǎo)航逐步取代其他定位導(dǎo)航技術(shù)，成為AGV 用于定位導(dǎo)航的主流技術(shù)。本文以SLAM 激光導(dǎo)航的AGV應(yīng)用RFID技術(shù)為重點(diǎn)進(jìn)行研究和探討。

RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù) 在AGV中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

AGV導(dǎo)航設(shè)計(jì)

市面上的激光導(dǎo)航AGV 有兩種模式：一種是反光板激光導(dǎo)航，在AGV 行駛路徑的周?chē)惭b位置精確的激光反射板，AGV 通過(guò)發(fā)射激光束，同時(shí)采集由反射板反射的激光束，來(lái)確定當(dāng)前位置和方向，并通過(guò)連續(xù)的三角幾何運(yùn)算實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)航。另一種則是激光SLAM 導(dǎo)航小車(chē)（無(wú)反光板激光導(dǎo)航），通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)場(chǎng)景的觀測(cè)，實(shí)時(shí)創(chuàng)建地圖并修正機(jī)器人位置，無(wú)需二維碼、色帶、磁條等人工布設(shè)標(biāo)志物，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)環(huán)境的零改造。通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)障礙物的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有效規(guī)劃軌跡避開(kāi)障礙物，提高人機(jī)混合場(chǎng)景的適用性和安全性。

本方案選擇AGV 利用SLAM 激光導(dǎo)航定位，自主構(gòu)建環(huán)境地圖，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需施工，路線(xiàn)可隨意更改，柔性更高、靈活性更強(qiáng)，同時(shí)具有良好的拓展性，使AGV 智能化；還可與ERP、MES、WMS、RFID 等系統(tǒng)對(duì)接，打通整套數(shù)據(jù)鏈，廣泛用于工廠、物流、倉(cāng)儲(chǔ)的自動(dòng)上下料、智能搬運(yùn)、移動(dòng)工位的應(yīng)用。

SLAM 激光導(dǎo)航是指在AGV 上安裝激光掃描儀，利用激光掃描儀采集由自然環(huán)境（墻壁、柱子以及其他固定物體）反射的激光束，來(lái)定位其當(dāng)前的位置和方向，自主感知環(huán)境，自主構(gòu)建環(huán)境輪廓地圖及路徑，實(shí)現(xiàn)AGV的精準(zhǔn)導(dǎo)航及導(dǎo)引。

AGV 小車(chē)核心部件由PLC 和工控機(jī)組成。其中工控機(jī)主要負(fù)責(zé)接收從無(wú)線(xiàn)AP 接收的上位機(jī)任務(wù)指令，傳遞給PLC，由PLC 將指令轉(zhuǎn)化成邏輯命令分別發(fā)送給相應(yīng)的功能部件，包括電源管理、異常報(bào)警、SLAM 激光導(dǎo)航和移載功能等；這些部件在運(yùn)行過(guò)程中，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳遞給PLC，PLC編輯后將數(shù)據(jù)上傳給工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)AP上傳到AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS。而讀寫(xiě)器單獨(dú)連接工控機(jī)，通過(guò)天線(xiàn)識(shí)別RFID 電子標(biāo)簽后，將標(biāo)簽信息沿著工控機(jī)、AP 上傳至FMS 系統(tǒng)和WMS 系統(tǒng)，對(duì)AGV 駐留地點(diǎn)、貨位、運(yùn)輸貨物進(jìn)行確認(rèn)，從而保證AGV運(yùn)行工作的準(zhǔn)確性，如圖1所示。

圖1 AGV小車(chē)運(yùn)行信息傳遞示意圖

RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用

RFID 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要是基于電磁波的發(fā)射和接收，完成數(shù)據(jù)交互和信息傳輸。通常RFID 系統(tǒng)中包括RFID 標(biāo)簽及讀寫(xiě)器硬件設(shè)備；而RFID 標(biāo)簽又包括有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽，通常有源標(biāo)簽應(yīng)用于識(shí)讀距離在10 米以上的場(chǎng)景，并且工作頻率在2.45-5.8GHZ；無(wú)源標(biāo)簽又分為高頻和超高頻兩類(lèi)，其中高頻讀取距離通常在50 厘米以?xún)?nèi)，超高頻則讀取距離一般在5米以?xún)?nèi)，根據(jù)需要可進(jìn)行調(diào)節(jié)。

AGV 采用SLAM 激光技術(shù)，定位導(dǎo)航問(wèn)題已經(jīng)得到解決。這里采用RFID 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，主要是解決AGV 運(yùn)行過(guò)程中的駐留貨位、貨物托盤(pán)識(shí)別及特定區(qū)域的識(shí)別確認(rèn)問(wèn)題。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，對(duì)RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的選擇遵循以下幾點(diǎn)要求：

（1）穿透性強(qiáng)，可輕易穿透物體讀取到標(biāo)簽，不影響讀距；

（2）抗干擾性強(qiáng)，不易受環(huán)境濕度、噪音、油污、電磁場(chǎng)、強(qiáng)震動(dòng)等因素干擾；

（3）讀卡距離適中且穩(wěn)定，要做到精準(zhǔn)停車(chē)，AGV 傳感器（即讀卡器）必須有穩(wěn)定合理的讀卡距離；

（4）讀卡速度快，穩(wěn)定讀取標(biāo)簽速度達(dá)20 個(gè)/秒以上。

根據(jù)本項(xiàng)目方案需要，選擇符合EPC global UHF Class 1 Gen 2/ ISO 18000-6C ISO 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無(wú)源超高頻RFID 標(biāo)簽，該類(lèi)RFID 標(biāo)簽使用成本低，滿(mǎn)足項(xiàng)目應(yīng)用需求。

與RFID 標(biāo)簽配套的讀寫(xiě)器選擇主要遵循幾個(gè)原則：

（1）符合EPC global UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C ISO 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；

（2）固定式，配置線(xiàn)極化天線(xiàn)；

（3）功率在0-30dBm，大小可以調(diào)節(jié)，讀取距離可控；

（4）支持信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸；

（5）天線(xiàn)增益≥6dBi；

（6）體積小型化。

基于RFID識(shí)別技術(shù)的AGV在四種管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

AGV 是在多個(gè)管理系統(tǒng)的協(xié)同配合基礎(chǔ)上完成物料運(yùn)輸任務(wù)的，伴隨著AGV 的運(yùn)行過(guò)程，RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)有著不同的應(yīng)用需求。

ERP、MES、WMS 及FMS 四者之間的關(guān)系：ERP是一個(gè)企業(yè)的資源計(jì)劃管理系統(tǒng)；MES 是生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)，產(chǎn)品訂單的完成依靠MES系統(tǒng)的執(zhí)行完成；WMS 則是庫(kù)存管理系統(tǒng)，是對(duì)原材料、半成品及產(chǎn)成品的庫(kù)存管理。ERP 系統(tǒng)為MES 系統(tǒng)提供包括人力、設(shè)備、公用設(shè)施、資金等資源性數(shù)據(jù)支持；MES系統(tǒng)按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)向ERP系統(tǒng)上傳生產(chǎn)系統(tǒng)完成的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)；WMS 系統(tǒng)根據(jù)MES 系統(tǒng)提供的原材料采購(gòu)計(jì)劃、半成品、產(chǎn)成品等數(shù)據(jù)建立和更新倉(cāng)庫(kù)管理數(shù)據(jù)，而MES系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品訂單及生產(chǎn)任務(wù)計(jì)劃，按照時(shí)間要將物料請(qǐng)求發(fā)送給WMS 系統(tǒng)物料配送模塊，生成各類(lèi)物料運(yùn)輸指令發(fā)送給AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)（FMS），最終通過(guò)FMS具體命令A(yù)GV 完成逐項(xiàng)物料運(yùn)輸任務(wù)，如圖2 所示（見(jiàn)下頁(yè)）。

建立材料及產(chǎn)品庫(kù)存數(shù)據(jù)。在WMS 倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，從原材料、半成品到產(chǎn)成品分類(lèi)建立倉(cāng)儲(chǔ)管理子系統(tǒng)，在每個(gè)子系統(tǒng)中，對(duì)原材料、半成品和產(chǎn)成品根據(jù)產(chǎn)品及型號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分類(lèi)，在每個(gè)貨位上設(shè)置RFID 電子標(biāo)簽，據(jù)此建立貨位或貨區(qū)的材料及產(chǎn)品庫(kù)存型號(hào)及數(shù)量。

AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS 與倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS 建立物料配送數(shù)據(jù)接口。MES 系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度時(shí)，產(chǎn)生的物料配送信息發(fā)送到WMS 倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，WMS 將生成的物料運(yùn)輸任務(wù)命令傳遞給調(diào)度管理系統(tǒng)FMS，該系統(tǒng)立即響應(yīng)，產(chǎn)生一條物料配送指令，根據(jù)指令的類(lèi)型，系統(tǒng)給出物料配送的起點(diǎn)和終點(diǎn)，系統(tǒng)中根據(jù)地圖信息給出最優(yōu)路線(xiàn)圖和就近調(diào)度安排AGV小車(chē)執(zhí)行物料運(yùn)輸任務(wù)。

AGV 通過(guò)RFID 自動(dòng)識(shí)別確認(rèn)每次的物料運(yùn)輸任務(wù)。AGV 在調(diào)度管理系統(tǒng)中都有自己的編號(hào)，空閑狀態(tài)下各個(gè)AGV 都會(huì)分布在專(zhuān)用等待區(qū)或停車(chē)區(qū)進(jìn)行充電等待任務(wù)指令。AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS 根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS 的物料運(yùn)輸指令，進(jìn)行計(jì)算和判斷物料運(yùn)輸?shù)某霭l(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)，據(jù)此形成物料運(yùn)輸指令，就近分配給等待區(qū)的AGV，并確定運(yùn)輸?shù)能?chē)輛及數(shù)量，AGV 啟動(dòng)按照系統(tǒng)線(xiàn)路，到達(dá)物料運(yùn)輸起點(diǎn)，識(shí)讀貨區(qū)RFID 電子標(biāo)簽，上傳數(shù)據(jù)，確認(rèn)貨區(qū)正確后，完成自動(dòng)裝貨；按照物料運(yùn)輸指令規(guī)劃的線(xiàn)路，將貨物運(yùn)輸?shù)浇K點(diǎn)，并有AGV 識(shí)別卸貨區(qū)的RFID 電子標(biāo)簽，上傳位置信息，確認(rèn)正確后，自動(dòng)完成卸貨，完成一次物料運(yùn)輸任務(wù)，小車(chē)自動(dòng)返回等待區(qū)固定位置，并識(shí)別地面RFID 標(biāo)簽上傳數(shù)據(jù)，系統(tǒng)記錄AGV的位置信息。

圖2 AGV小車(chē)運(yùn)行邏輯命令

RFID在AGV作業(yè) 運(yùn)行中的應(yīng)用模式設(shè)計(jì)

AGV 的使用范圍越來(lái)越廣泛，不同的行業(yè)對(duì)AGV 的運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用模式設(shè)計(jì)有著不同的要求，本文主要以生產(chǎn)制造業(yè)為主進(jìn)行了應(yīng)用研究和模式設(shè)計(jì)。

AGV運(yùn)行環(huán)境的搭建

ERP、MES、WMS 及FSM 系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)安裝搭建完畢，數(shù)據(jù)接口連通后，AGV 在作業(yè)運(yùn)行之前，首先利用SLAM 激光定位導(dǎo)航技術(shù)沿著規(guī)劃路徑進(jìn)行掃描建立運(yùn)行軌跡地圖（MAP），并且把地圖信息上傳至AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS。其次，基于RFID 射頻識(shí)別技術(shù)特點(diǎn)，將地點(diǎn)信息的編碼分類(lèi)編寫(xiě)后，寫(xiě)入RFID 電子標(biāo)簽芯片，并將這些電子標(biāo)簽制作成RFID 地標(biāo)，預(yù)埋到準(zhǔn)確位置。AGV 除了建立路徑軌跡地圖外，還需要對(duì)駐留地點(diǎn)、倉(cāng)庫(kù)貨位、作業(yè)機(jī)臺(tái)、原材料、半成品以及產(chǎn)成品各個(gè)區(qū)域的具體地點(diǎn)RFID 電子標(biāo)簽地標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和確認(rèn)，如圖3所示（見(jiàn)下頁(yè)）。

基于定位導(dǎo)航技術(shù)建立的運(yùn)行軌跡地圖和各個(gè)區(qū)域地點(diǎn)RFID 地標(biāo)識(shí)別，在AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS中，可實(shí)時(shí)查看到每臺(tái)AGV的運(yùn)行位置和實(shí)時(shí)狀態(tài)，如圖4所示（見(jiàn)下頁(yè)）。

圖3 AGV小車(chē)運(yùn)行路徑示意圖

AGV 通過(guò)車(chē)載AP 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，報(bào)告自己的運(yùn)行位置和工作狀態(tài)，執(zhí)行AGV調(diào)度管理系統(tǒng)FMS的指令，把工作節(jié)拍和工作量及時(shí)傳遞給AGV調(diào)度管理系統(tǒng)FMS。

AGV運(yùn)行狀態(tài)管理與控制

AGV通常有如下三種狀態(tài)：

AGV 待命狀態(tài) AGV 處于待命狀態(tài)時(shí)，按照FMS 系統(tǒng)的要求，AGV ?？渴窃谙到y(tǒng)規(guī)定的不同停車(chē)等待區(qū)進(jìn)行充電或處于待命狀態(tài)。停車(chē)等待區(qū)設(shè)有多個(gè)充電樁位供AGV小車(chē)?？刻峁┏潆姺?wù)。

AGV 執(zhí)行物料運(yùn)輸狀態(tài) 當(dāng)FSM 系統(tǒng)接收到WMS 系統(tǒng)的物流命令后，通過(guò)算法確定最優(yōu)路徑及最近的AGV；通過(guò)無(wú)線(xiàn)AP 發(fā)送派車(chē)命令后，AGV上的無(wú)線(xiàn)AP 接收到命令，根據(jù)系統(tǒng)命令規(guī)定的物料運(yùn)輸任務(wù)到達(dá)物料運(yùn)輸起點(diǎn)，小車(chē)RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別RFID 電子標(biāo)簽，通過(guò)無(wú)線(xiàn)AP 上傳電子標(biāo)簽信息至WMS 系統(tǒng)進(jìn)行核驗(yàn)，核驗(yàn)無(wú)誤后，小車(chē)PLC驅(qū)動(dòng)移載功能的“裝貨”，將貨物托起后，沿著系統(tǒng)指定的最優(yōu)線(xiàn)路將貨物運(yùn)輸?shù)轿锪线\(yùn)輸指令規(guī)定的終點(diǎn)，AGV 上的RFID 讀寫(xiě)器自動(dòng)讀取RFID 電子標(biāo)簽，上傳位置信息，系統(tǒng)核驗(yàn)確認(rèn)后，小車(chē)PLC 再次啟動(dòng)移載功能的“卸貨”，將貨物放置在固定位置。AGV 不論是到達(dá)物料運(yùn)輸起點(diǎn)，還是到達(dá)物料運(yùn)輸終點(diǎn)，都要通過(guò)RFID 讀寫(xiě)器讀取RFID 電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別確認(rèn)，如果識(shí)別RFID 電子標(biāo)簽后，位置信息與物料運(yùn)輸指令不符，AGV 會(huì)自動(dòng)報(bào)警并上傳物料運(yùn)輸失敗的數(shù)據(jù)信息，請(qǐng)求管理人員到場(chǎng)提供援助。AGV 每次完成一項(xiàng)物料運(yùn)輸?shù)闹噶詈?，?huì)根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃線(xiàn)路和位置，回到AGV 等待區(qū)自動(dòng)充電并等待任務(wù)指令。

圖4 AGV小車(chē)運(yùn)行區(qū)位圖

暫停使用狀態(tài) AGV 出現(xiàn)故障或者需要更新時(shí)，管理人員需根據(jù)AGV 的運(yùn)行狀況給出判斷，并在FMS 系統(tǒng)中對(duì)AGV 按照編號(hào)做出維保或更換的狀態(tài)判斷，暫停使用。

RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù) 在AGV運(yùn)行中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

RFID 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在AGV 運(yùn)行中的不同位置發(fā)揮著不同的作用，具體應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

高效路徑規(guī)劃：路徑規(guī)劃實(shí)施優(yōu)化決策，合理交通管制，避免死鎖、堵塞。

智能任務(wù)分配：系統(tǒng)化智能任務(wù)分配算法，保證AGV小車(chē)高效協(xié)同，效率提升。

數(shù)據(jù)可視與管理：AGV 運(yùn)維數(shù)據(jù)實(shí)施追蹤管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出，服務(wù)整體流程優(yōu)化。

多個(gè)系統(tǒng)協(xié)同：多元系統(tǒng)平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，數(shù)據(jù)交互精準(zhǔn)，為AGV小車(chē)運(yùn)行提供保障和支持。

隨著智能制造的崛起，現(xiàn)代化的制造生產(chǎn)模式已是大趨勢(shì)。其中自動(dòng)化生產(chǎn)與柔性化生產(chǎn)成為制造型企業(yè)兩大發(fā)展方向。而如何打通生產(chǎn)與物流的自動(dòng)化銜接，如何適應(yīng)高頻次的產(chǎn)線(xiàn)變化，則成為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重中之重。結(jié)合RFID 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的激光SLAM 導(dǎo)航AGV 小車(chē)與FSM 調(diào)度系統(tǒng)，創(chuàng)新性提出了符合多行業(yè)跨場(chǎng)景的柔性工業(yè)物流解決方案，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)原料出庫(kù)—線(xiàn)邊倉(cāng)上下料—產(chǎn)線(xiàn)在制品流轉(zhuǎn)—成品入庫(kù)全程物流自動(dòng)化，同時(shí)實(shí)施追蹤記錄生產(chǎn)與物流數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化，在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)高質(zhì)量發(fā)展的大背景下，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)奠定基礎(chǔ)。