關(guān)于AGV叉車在物流倉儲(chǔ)行業(yè)中的設(shè)計(jì)研究

陳小虎 樊雨 梅亞澤

諾力智能裝備股份有限公司 浙江 湖州 313000

伴隨工業(yè)4.0和智慧物流的持續(xù)推進(jìn)，AGV叉車成為物流倉儲(chǔ)行業(yè)主流應(yīng)用場景的重要設(shè)備，在智能倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)中發(fā)揮舉足輕重的作用[1]。對物流倉儲(chǔ)行業(yè)的生產(chǎn)、運(yùn)輸和成本管理來講能夠顯著減少倉管人員的工作時(shí)間、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低人工、加速倉庫貨物存取速度，大幅度提升倉庫自動(dòng)化水準(zhǔn)，全面實(shí)現(xiàn)物流倉儲(chǔ)行業(yè)柔性運(yùn)輸和運(yùn)輸自動(dòng)化[2]。文章主要研究AGV叉車在智能物流倉儲(chǔ)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、形式設(shè)計(jì)，通過觸摸屏HMI人機(jī)交互頁面設(shè)計(jì)、叉車行走路徑設(shè)計(jì)、叉車行走荷載設(shè)計(jì)，使得AGV叉車能夠適應(yīng)更高的載荷要求，在更加復(fù)雜和嚴(yán)苛的工作環(huán)境下能夠連續(xù)工作，具有明顯的社會(huì)效益。

1 AGV叉車軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AGV叉車主要用于物流周轉(zhuǎn)，是由液壓升降系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)引系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、警示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和動(dòng)力電源構(gòu)成，是結(jié)合液壓升降和控制系統(tǒng)的可編程無線調(diào)度自動(dòng)導(dǎo)引小車，核心配置均使用全球頂級(jí)品牌的核心元件，在導(dǎo)航及安全傳感器上選用的產(chǎn)品和解決方案均能確保AGV叉車具備高性能和長壽命。

1.1 AGV叉車智能倉儲(chǔ)管理軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 智能倉儲(chǔ)管理軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（IWNS）

通過上述軟件管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，AGV叉車可以實(shí)現(xiàn)地面控制、任務(wù)管理、車輛管理、交通管理、通訊管理、車輛驅(qū)動(dòng)等功能[3]。

1.2 AGV叉車硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對物流倉儲(chǔ)行業(yè)中較常出現(xiàn)的溫度、濕度、粉塵等特殊工況，以及集成項(xiàng)目的中多車、多設(shè)備調(diào)度的應(yīng)用場景，使用科爾摩根為AGV提供車輛自動(dòng)化套件，此系統(tǒng)在車載控制、導(dǎo)航技術(shù)、調(diào)度系統(tǒng)等方面具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活高效等特點(diǎn)，此系統(tǒng)包含：驅(qū)動(dòng)器、車輛控制器、編碼器、顯示器、激光導(dǎo)航雷達(dá)、安全感應(yīng)器和車輛I/O等。

通過上述硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，AGV叉車可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配、車輛調(diào)度、路線管理、交通管理和自動(dòng)充電等功能，車輛控制器在收到系統(tǒng)指令之后，AGV的導(dǎo)航傳感器負(fù)責(zé)計(jì)算和導(dǎo)引AGV叉車實(shí)現(xiàn)行走、裝卸等一系列操作行為，光電傳感器和導(dǎo)航傳感器負(fù)責(zé)為AGV叉車提供系統(tǒng)絕對、相對位置及具體航向。

因?yàn)锳GV叉車硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所以系統(tǒng)在硬件配置上主要以支持AGV叉車從路徑規(guī)劃、流程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真到項(xiàng)目實(shí)施全過程的設(shè)計(jì)流程，主要根據(jù)具體的應(yīng)用場景進(jìn)行規(guī)劃修改和路徑設(shè)計(jì)，提供定義不同的AGV叉車編程語言。這種由多臺(tái)AGV叉車共同組成的柔性物流搬運(yùn)系統(tǒng)，在具體搬運(yùn)過程中可以根據(jù)工藝流程的變化及時(shí)調(diào)整搬運(yùn)路線，促使生產(chǎn)線的生產(chǎn)柔性與生產(chǎn)競爭能力極大程度提升[4]。

2 AGV叉車車載模塊設(shè)計(jì)

為確保AGV叉車可以高性能和長壽命的穩(wěn)定運(yùn)行，在進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中選取抗干擾能力較強(qiáng)的專用控制器，叉車采用激光掃描外界環(huán)境信息，根據(jù)掃描所得數(shù)據(jù)確定具體位置，根據(jù)預(yù)設(shè)路徑在制定區(qū)域內(nèi)形式，根據(jù)具體指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

2.1 傳感模塊

考慮到物流倉儲(chǔ)行業(yè)的實(shí)際工況，數(shù)據(jù)采集選用可靠性較高的激光測障傳感器進(jìn)行可靠而且精準(zhǔn)的測量，通過其高精度和短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)的特性，完成車載全部傳感器的信息采集和處理。

2.2 定位導(dǎo)航模塊

AGV叉車通過激光導(dǎo)航雷達(dá)360°高精度掃描周圍環(huán)境輪廓信息，同時(shí)可以通過電磁感應(yīng)、圖像識(shí)別等可選導(dǎo)引方式實(shí)時(shí)讀取坐標(biāo)與AGV叉車車體方向角，獲取數(shù)據(jù)為根據(jù)計(jì)算AGV叉車所在柵格站點(diǎn)坐標(biāo)信息，導(dǎo)航精度高、可控性好，對路徑相對復(fù)雜、站點(diǎn)較多的軌跡配備RFID進(jìn)行識(shí)別，確保多站點(diǎn)最科學(xué)路徑規(guī)劃和自由調(diào)配。

2.3 安全裝置模塊

AGV叉車的安全模塊是車載控制系統(tǒng)最為重要的組成部分，主要保障AGV叉車運(yùn)動(dòng)動(dòng)作功能的安全，防止AGV叉車在運(yùn)行中出現(xiàn)差錯(cuò)，確保AGV叉車功能的順利實(shí)現(xiàn)，在最大范圍內(nèi)確保AGV叉車動(dòng)作的安全性。安全模塊主要分為障礙物接近檢測裝置和接觸檢測裝置兩種，針對障礙物接近檢測裝置采用激光掃描，針對接觸檢測裝置主要采用機(jī)械防撞圍欄或安全防撞觸邊。

2.4 通訊信號(hào)模塊

通訊模塊屬于AGV叉車和上位控制機(jī)交換信息和命令的主要樞紐。目前AGV叉車采用的無線通信主要包含無線局域網(wǎng)和無線數(shù)字傳輸模式兩種，但是因?yàn)闊o線數(shù)字傳輸模塊并不支持全雙工模式，同時(shí)輸入和輸出切換等待時(shí)間較長，模塊傳輸速率較低，因此，AGV叉車與上位機(jī)通訊主要采用由無線網(wǎng)和無線路由器組成的無線局域網(wǎng)模式實(shí)施。

2.5 動(dòng)作模塊

AGV叉車動(dòng)作模塊主要包括驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置及貨物移載裝置，整個(gè)動(dòng)作模塊的設(shè)置直接決定了AGV叉車的運(yùn)動(dòng)性能。通常AGV叉車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、單舵輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、雙舵輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、多舵輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，貨物移載裝置可根據(jù)貨物尺寸和移栽特性進(jìn)行定制。實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)不同的工況、不同的車輛載荷、不同的運(yùn)行軌跡需要選用不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和貨物移載裝置，充分保障AGV叉車結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活穩(wěn)定。

2.6 測障模塊

考慮到物流倉儲(chǔ)行業(yè)在現(xiàn)場實(shí)際工作環(huán)境中將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)估的變化，為了提升AGV叉車抗干擾和糾錯(cuò)能力，在AGV叉車前后左右采取若干紅外避障傳感器進(jìn)行糾錯(cuò)補(bǔ)償，達(dá)到對周邊環(huán)境進(jìn)行探測的最佳效果，提升AGV叉車運(yùn)行的可靠程度。同時(shí)可以采取激光、光電、超聲波等多重避障方式與本機(jī)固有的機(jī)械觸邊碰撞感應(yīng)傳感器進(jìn)行組合，組成全方位避障防護(hù)網(wǎng)，科學(xué)規(guī)避運(yùn)動(dòng)過程中的潛在危險(xiǎn)。

3 AGV叉車行走實(shí)測

3.1 觸摸屏HMI人機(jī)交互頁面設(shè)計(jì)

HMI是系統(tǒng)和操作人員進(jìn)行交互和信息互換的媒介，設(shè)計(jì)主要在AGV自動(dòng)導(dǎo)引車上將功能與手勢進(jìn)行對應(yīng)連接，以此通過次序和條件實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的功能。HMI人機(jī)交互頁面設(shè)計(jì)要方便操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察，隨時(shí)可以進(jìn)行手動(dòng)控制模式切換，主要按照處理事件順序、訪問查看順序、控制工藝流程等設(shè)計(jì)監(jiān)控管理及人機(jī)對話主界面和二級(jí)界面順序進(jìn)行設(shè)置，采用觸摸屏編程調(diào)試軟件編輯，可與可編程控制器建立通信連接，通過軟件編輯可實(shí)現(xiàn)工程畫面創(chuàng)建、圖形繪制、對象配置和設(shè)置及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.2 叉車行走路徑設(shè)計(jì)

為確保AGV叉車的路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)為最優(yōu)方案，同時(shí)深入挖掘物流系統(tǒng)配送路徑優(yōu)化問題的含義與特征，建立環(huán)境電子地圖模型，計(jì)算基于AGV最短行走路徑數(shù)學(xué)模型。通過制定優(yōu)先級(jí)交通規(guī)則法和沖突檢測法約束AGV叉車通行策略，采取路徑調(diào)整方法解決沖突問題，利用制定規(guī)則規(guī)避碰撞危險(xiǎn)，保證AGV叉車在系統(tǒng)中協(xié)調(diào)同行。主要根據(jù)物流倉儲(chǔ)貨倉實(shí)際位置選取若干點(diǎn)作為行走節(jié)點(diǎn)，盡可能保證目標(biāo)站點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)對象連續(xù)穩(wěn)定。

3.3 叉車行走荷載設(shè)計(jì)

AGV叉車車輛行走載荷計(jì)算公式如下：

C為載荷中心距，為固定值，Y為貨物重心線至貨叉垂直段前臂水平距離值，X為前懸距，叉車前輪中心線至貨叉垂直短前臂的水平距離值，為固定值。

通過傳感器導(dǎo)引，AGV叉車載重行走在輕載時(shí)只要環(huán)境無劇烈光線變化或物體變化不大，叉車定位精度能夠最高達(dá)到10mm，在AGV叉車工作范圍之內(nèi)，在任意角度任意工作范圍之內(nèi)，叉車可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和線路選擇正確方向并回到最初的起點(diǎn)。在此過程中，一旦發(fā)現(xiàn)AGV叉車產(chǎn)生反復(fù)上升和反復(fù)下降的震蕩情況，可以通過PID控制器調(diào)節(jié)P/I/D的具體數(shù)值，最終解決上下震蕩的異常情況，引導(dǎo)叉車按照預(yù)先設(shè)計(jì)的任務(wù)程序執(zhí)行取放貨物操作，同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)物流倉儲(chǔ)信息對AGV叉車進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)引調(diào)度，實(shí)現(xiàn)無人生產(chǎn)和無人操作。

4 結(jié)束語

AGV叉車屬于集成機(jī)械化、電子化、智能化和信息化的產(chǎn)物，是物流倉儲(chǔ)行業(yè)重要周轉(zhuǎn)機(jī)械，主要采用激光導(dǎo)航、圖像識(shí)別等作為導(dǎo)航方式，輔助RFID識(shí)別可運(yùn)行與復(fù)雜路徑、多站點(diǎn)可靠循跡，主驅(qū)動(dòng)采用舵輪或差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，促使AGV叉車運(yùn)行相應(yīng)迅速、定位精準(zhǔn)，另外，獨(dú)立液壓升降系統(tǒng)能夠輔助高精度位移傳感器促使AGV叉車在升降行程內(nèi)任意位置停靠，大大提高AGV叉車裝載柔性化和舉升位置精準(zhǔn)程度。

近年來，伴隨物流倉儲(chǔ)行業(yè)應(yīng)用AGV叉車的場景逐漸增多，倉儲(chǔ)叉車面對的智能化需求逐漸升高，智能物流倉儲(chǔ)場景需要智能化AGV叉車搭建，用以提升物流倉儲(chǔ)效率、提升準(zhǔn)確概率。目前，大部分物流倉儲(chǔ)場景已經(jīng)通過AGV叉車體系滿足不同的需求，但是仍然在核心技術(shù)和產(chǎn)品性能上存在一系列問題，文章對AGV叉車軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、AGV叉車車載模塊設(shè)計(jì)、AGV叉車行走實(shí)測進(jìn)行了簡要闡述，通過觸摸屏HMI人機(jī)交互頁面設(shè)計(jì)、叉車行走路徑設(shè)計(jì)、叉車行走荷載設(shè)計(jì)，使得AGV叉車能夠適應(yīng)更高的載荷要求，在更加復(fù)雜和嚴(yán)苛的工作環(huán)境下能夠連續(xù)工作，具有明顯的社會(huì)效益。