基于運動的自動導引車直行能耗建模研究*

代爭爭，吳立輝，張中偉，李元生，胡文博

（1.河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450001；2.上海應用技術大學機械工程學院，上海 201418）

《中國制造2025》九大戰略任務中提出全面推行綠色制造，面向制造業努力構建高效、低碳、清潔和循環的綠色制造體系[1]。柔性制造車間作為制造企業生產制造的重要場所，是制造企業實現高效綠色制造的重要部門。柔性制造車間運行過程具有自動化程度高、生產效率高、產品種類與工藝柔性等特點，其生產過程中的物料搬運通常依靠自動導引車（Automated Guided Vehicle,AGV）實施。因此，AGV 系統的節能高效運行對柔性制造車間實現綠色制造具有重要意義。

能耗建模是實現AGV 節能高效運行的前提和基礎技術。隨著近年來制造業對綠色可持續性的關注，國內外學者開始關注AGV 能耗，并進行了相關探索研究：王真等[2]以AGV 能耗和運行距離為目標建立了多載AGV 的物流調度優化模型，提出了一種改進遺傳粒子群算法對模型進行求解。郭亞銘等[3]綜合考慮運輸負載和運輸路徑，建立了以運輸能耗和運輸路徑為優化目標的單AGV 節能路徑規劃模型。張中偉等[4-5]建立了以能耗和運輸距離為優化目標的單AGV 路徑規劃模型，并采用粒子群算法對模型進行求解。范厚明等[6]針對集裝箱碼頭以AGV 運輸過程的能耗最小為目標建立優化模型，并采用遺傳算法對模型進行求解。YIN 等[7]以降低能耗、提高穩定性等為優化目標，建立了AGV 運動控制模型。

然而，這些研究主要面向AGV 系統調度優化，在具體的AGV 能耗特性分析中未能綜合考慮直行運動過程中AGV 行駛速度、加減速和總質量等現實因素對能耗的影響，使得建立的相關能耗模型難以有效反映AGV 真實能耗水平，進而影響AGV 路徑規劃和柔性制造車間調度優化方案的節能效果評價。因此，本文綜合考慮直行運動過程中AGV 行駛速度、加減速和總質量等現實因素的影響，量化研究AGV 能耗，建立AGV 能耗模型，從而為AGV運動能耗分析和AGV 系統節能調度等提供基礎和指導。

1 問題描述

1.1 能耗分析

目前，在以機械加工為代表的制造車間，AGV一般采用“蓄電池+電動機+機械傳動”的驅動方式，其在進行物料運輸時，運行狀態通常會發生改變，各種狀態可視為不同耗能部件運動的綜合反映，因此可認為運動是AGV 消耗能量的原因。相應地，將AGV 運行過程中的能耗分為基礎能耗和不同形式的運動能耗。

基礎能耗指AGV 的運動待機能耗，主要包括主控制模塊、輸入/輸出信號接口電路、光/磁/視覺傳感器、直行/轉向電機驅動器、信息交互模塊（藍牙、無線WiF）i 等基礎運行所消耗的能量。

運動能耗指在AGV 基礎能耗的基礎上，維持車輛不同形式運動所需的附加能耗。維持各種運動所需能量通常由動力源（主要是各種電動機）輸出，經機械傳動后供給。動力源輸出的能量在經過機械傳動系統時，會因克服機械傳動系統中相鄰零件之間摩擦阻力/阻力矩而產生能量損耗，即機械傳動系統能耗。有些AGV 具備轉向功能和抓升降物料的功能，該部分運動能耗本文不做討論。

1.2 建模假設

結合AGV 應用實際，進行AGV 能耗特性分析和建模時提出以下假設。

1）車間地面平坦，材質均勻統一。

2）AGV 車輪與車間地面摩擦系數恒定，無打滑現象。

3）AGV 機械傳動系統狀態良好。

4）AGV 搬運物料時，存在加速、勻速和減速3 個運動階段，加速和減速運動階段的加速度恒定。

5）AGV 搬運負載在允許負載范圍內。

6）忽略AGV 運動過程風阻。

2 模型表示

AGV 基礎能耗可表示為

式中：Pb為AGV 的基礎功率，W。

式中：F（t）為AGV 的實時驅動力，N；v（t）為AGV實時速度，m/s；η 表示AGV 的驅動效率，其可進一步表示為

式中：ηm為電動機效率；ηk為電動機輸出機械功率傳遞至車輛最終運動執行機構所經歷的第k 個傳動系統的效率；n 為總傳動鏈數量。由于各傳動方式的效率一般為一個范圍，難以精確計算，故提出能效系數ε，其可表示為

AGV 產生位移運動時，輸入電動機的新增總能耗Emt表示為

進而，AGV 運動過程總能耗Et可表示為

由圖1 可知，假設AGV 初始停在A 點，AGV和搬運物料的總質量為m，最終停在B 點。從A 點到B 點，AGV 行駛路程為s，其中勻加速運動階段加速度為a1，勻減速運動階段加速度為a2，車輪和車間地面的滾動摩擦系數為μ1，勻速運動階段速度為v1。

圖1 AGV 行走示意圖

假設AGV 從零時刻開始運動，則勻加速運動階段的結束時間t1，勻速運動階段的結束時間t2，總運動結束時間t3可分別計算出

進而，AGV 的實時驅動力F（t）可表示為

式中：g 為重力加速度，取值9.8 m/s2。AGV 電動機的新增實時功率可表示為

式中：ε1、ε2、ε3分別為勻加速、勻速、勻減速3 個運動階段的能效系數。AGV 的直行運動總能耗Est可表示為

3 案例研究

由式（10）所示的AGV 直行運動能耗模型表達式可知，能效系數是重要的模型參數，但其涉及多個傳動環節，難以精確計算。為此，提出采用實驗擬合的方式確定能效系數，進而建立具體的AGV直行運動能耗模型。為了驗證AGV 直行運動能耗模型的有效性，選用GDLH-01 型AGV[8]開展實驗研究，其以蓄電池作為總電源，主要技術參數見第66 頁表1。GDLH-01 型AGV 的直行運動傳動簡圖見第66 頁圖2，AGV 電源輸入電動機的能量經過電動機、帶傳動機構、軸承損耗后，最終傳遞至行走輪。該型AGV 直行運動的能量源為4 個相同的直流無刷電機，總額定功率為240 W。

圖2 AGV 直行運動傳動簡圖

表1 AGV 主要技術參數

為了采集AGV 能耗信息，利用INA226 直流電源功率傳感器模塊和HC-05 藍牙通信模塊搭建了AGV 能耗采集系統，具體接線見圖3。該能耗采集系統可采集直流電源電能信息，電壓量程為0～36 V，電流量程為0～8 A，并以40 Hz 的采樣頻率將AGV用電功率采樣數據通過藍牙實時傳輸至上位機。實驗測得AGV 基礎功率為16.143 W。

圖3 能耗采集系統接線圖

為求出直行運動能效系數εj，j=1，2，3，取s=10 m，v1={0.3m/s，0.5m/s，0.7m/s，0.9m/s，1.1m/s}，m={60 kg，72.5 kg，85 kg，97.5 kg，110 kg}，分別進行25 組實驗，獲得實際的AGV 直行運動總能耗Ese。根據實驗結果，綜合取平均后可得：ε1=2.792 6，ε2=2.347 0，ε3=1.601 2。

進而，根據式（10），得出Est為

為了評估模型精度，定義能耗偏差率σ1為理論計算能耗與Ese的差值與Ese之比。進而，開展直行運動能耗模型驗證實驗，選擇m=100 kg，s=15 m，v1={0.3 m/s，0.5 m/s，0.7 m/s，0.9 m/s，1.1 m/s}，共進行5 組，實驗結果見表2。當m=100 kg，v1=0.9 m/s 時，得因此建立的AGV 直行運動能耗模型是有效的。

表2 直行運動能耗模型驗證實驗結果

4 結束語

采用理論分析與實驗研究相結合的方法，綜合考慮AGV 運輸行駛速度、加減速和總質量等因素的AGV 能耗量化計算模型，并通過案例研究驗證了AGV 能耗模型的有效性，從而為柔性制造車間進行AGV 使用過程能耗分析和優化提供支持。