基于5G 定制網(wǎng)的AGV小車控制算法研究和應用

金 武 連祝成 任乘漲 李海舟

（中國電信股份有限公司溫州分公司）

0 引言

在“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”創(chuàng)新發(fā)展進入快車道背景下，技術(shù)的不斷發(fā)展和應用，推動制造業(yè)數(shù)字化、高端化、智能化發(fā)展，推動了物流自動化領(lǐng)域的快速發(fā)展。AGV（自動引導車）小車作為物流自動化的重要組成部分，被廣泛應用于生產(chǎn)線、倉庫等場景。在傳統(tǒng)的AGV 小車系統(tǒng)中，往往使用WiFi 網(wǎng)絡進行通訊，通訊帶寬受限，難以滿足高速、低時延的通訊需求[1]。而5G 網(wǎng)絡作為一種新興的無線通訊技術(shù)，具有高速、低時延、大連接等優(yōu)勢，被廣泛應用于智能物流領(lǐng)域[2]。

目前，關(guān)于AGV 小車的應用研究已經(jīng)引起學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外研究者們在AGV 小車領(lǐng)域開展了大量的研究工作。在AGV 小車控制方面，研究者們提出了各種控制算法，例如遺傳算法、蟻群算法、激光SLAM、模糊控制、PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等[3-4]。而在無線通訊方面，目前主要的通訊技術(shù)是WiFi、4G、藍牙等，這些技術(shù)都存在一定的局限性，比如帶寬不足、時延高等[5]。

隨著5G 技術(shù)的不斷成熟和應用，基于5G 定制網(wǎng)的AGV 小車研究和應用已經(jīng)成為熱門話題。目前，國內(nèi)外學者對于基于5G 專網(wǎng)的AGV 小車研究和應用展開廣泛而深入的探討，涉及AGV 小車系統(tǒng)設計、路徑規(guī)劃算法、調(diào)度算法、實驗結(jié)果分析等多個方面，但是在實際應用中仍存在一些問題亟待解決。

1 5G 定制網(wǎng)和AGV 小車相關(guān)技術(shù)與理論

1.1 5G 通信技術(shù)及其應用

5G 通信技術(shù)是第五代移動通信技術(shù)，可以提供高速、低時延、低誤碼率的通信服務，為實時控制和監(jiān)測提供保障。5G 網(wǎng)絡性能指標較WiFi 大幅提升，實現(xiàn)更多類型場景化應用，可廣泛應用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、自動駕駛、虛擬現(xiàn)實、醫(yī)療保健等領(lǐng)域[6]。ITU（國際電信聯(lián)盟）提出三大應用場景：增強移動帶寬eMBB、超高可靠低時延uRLLC、海量機器類通信Mmtc[7]。如表1 所示，與WiFi 網(wǎng)絡相比，5G 網(wǎng)絡具有更高的速率、可靠性和安全性。

表1 5G 和WiFi6 性能對比

1.2 AGV 小車技術(shù)與發(fā)展

AGV（Automated Guided Vehicle）小車是指自動導引車輛，是一種能夠自主行駛的運輸工具，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)線、倉庫、醫(yī)院、機場等場合。AGV 小車最早起源于20 世紀50 年代，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，其功能和性能得到了極大提升。在工業(yè)場景下，AGV 小車作為一種自動化設備應用于物流倉儲系統(tǒng)，提高物流倉儲系統(tǒng)的自動化程度、降低勞動成本、提高生產(chǎn)效率等[8]。

在實際應用中，AGV 小車需要實現(xiàn)路徑規(guī)劃和調(diào)度才能達到最優(yōu)化的運輸效果。5G 技術(shù)為物流倉儲系統(tǒng)提供了更為穩(wěn)定、高速、可靠的網(wǎng)絡通信，為AGV小車的路徑規(guī)劃和調(diào)度提供了更為豐富的信息。常規(guī)控制算法有遺傳算法、蟻群算法、激光SLAM 等[9]，選擇適合5G 定制網(wǎng)環(huán)境下的最佳算法。

5G 技術(shù)優(yōu)化AGV 小車之間的無線通信，通過實時采集AGV 小車的位置、速度、能耗等數(shù)據(jù)，結(jié)合AI 算法進行分析和預測，優(yōu)化調(diào)度方案，減少能源消耗和停頓時間，提高生產(chǎn)效率和資源利用率，可以更快速、準確地響應調(diào)度指令，提高整個生產(chǎn)流程的效率，從而實現(xiàn)更高效的協(xié)作和配合，避免沖突和延誤。

2 基于5G 定制網(wǎng)的AGV 小車路徑規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化

2.1 5G 定制網(wǎng)對路徑規(guī)劃和調(diào)度的優(yōu)化影響

5G 定制網(wǎng)是一種為特定場景量身打造的網(wǎng)絡架構(gòu)，通過定制切片、配置DNN 來實現(xiàn)業(yè)務隔離，滿足企業(yè)安全要求，同時具有低延遲、高可靠性、高速率等特點[10]。在AGV 小車應用中，5G 定制網(wǎng)絡的引入對路徑規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化有著重要的影響。5G 的低延遲和高速率可以提高AGV 小車的實時性和數(shù)據(jù)傳輸速率，使得AGV 小車能夠更快、更準確地獲取環(huán)境信息，實時掌握車輛狀態(tài)，從而更好地完成路徑規(guī)劃和調(diào)度任務。5G 拓撲圖如圖1 所示。

其次，5G 的高可靠性和容量可以提高AGV 小車的穩(wěn)定性和承載能力。在高密度設備連接的場景下，5G 網(wǎng)絡可以更好地處理大量的數(shù)據(jù)流量，避免網(wǎng)絡擁塞，從而減少路徑規(guī)劃和調(diào)度的延遲和出錯率。

最后，5G 還具備較強的靈活性和可編程性，能夠根據(jù)不同場景和需求進行個性化的配置和調(diào)整，為路徑規(guī)劃和調(diào)度的優(yōu)化提供更多的技術(shù)手段和可能性。

因此，結(jié)合5G 定制網(wǎng)技術(shù)的路徑規(guī)劃和調(diào)度算法，能夠充分利用網(wǎng)絡的優(yōu)勢，提高AGV 小車的工作效率和穩(wěn)定性，實現(xiàn)更加智能化和自動化的工業(yè)物流管理。

2.2 基于5G 定制網(wǎng)的控制算法設計

基于5G 定制網(wǎng)的控制算法設計是將5G 通信技術(shù)與AGV 小車控制算法相結(jié)合，通過計算機程序來實現(xiàn)對AGV 小車的精確控制和管理。控制算法需要考慮多種因素，例如車輛的當前位置、任務的優(yōu)先級、環(huán)境的變化等等[11]。詳細講述基于5G 定制網(wǎng)的控制算法設計內(nèi)容，主要包括以下幾個方面：

1）定位技術(shù)。控制算法的第一步是實時獲取AGV 小車的位置信息。傳統(tǒng)的AGV 小車定位技術(shù)主要依賴于激光雷達、GPS 等技術(shù)，但是在復雜環(huán)境下，這些技術(shù)容易受到干擾，從而導致定位不準確。5G 網(wǎng)絡可以提供更高的帶寬和更低的延遲，通過網(wǎng)絡傳輸實時環(huán)境信息，從而可以實現(xiàn)更高精度和更實時的定位，例如利用5G 網(wǎng)絡進行毫米級定位。同時，AGV 小車還可以利用傳感器和地圖信息來輔助定位，使得定位可以更加精確和實時，從而提高了AGV 小車的定位精度和可靠性。

2）路徑規(guī)劃與導航。根據(jù)車輛當前位置、目標位置以及環(huán)境信息，通過算法計算出車輛需要行駛的最佳路線。基于5G 定制網(wǎng)的路徑規(guī)劃與導航算法可以更加精準地規(guī)劃AGV 小車的運動軌跡，實時獲取環(huán)境信息，例如交通流量、道路擁堵情況等等，從而優(yōu)化路徑規(guī)劃算法。5G 支持的高速通信和低時延的特性可以實現(xiàn)對路徑規(guī)劃和導航數(shù)據(jù)的高效傳輸，同時還可以實現(xiàn)對AGV 小車狀態(tài)的實時監(jiān)控和調(diào)整，從而提高路徑規(guī)劃和導航的準確性和實時性。

3）控制算法設計。基于5G 定制網(wǎng)的控制算法設計是對AGV 小車進行實時控制的核心，根據(jù)路徑規(guī)劃結(jié)果，對AGV 小車進行控制。AGV 小車系統(tǒng)可以利用5G 網(wǎng)絡進行實時控制和監(jiān)測，提高控制算法的準確性和實時性，例如通過5G 網(wǎng)絡發(fā)送控制指令，實現(xiàn)對車輛的遠程控制。同時，5G 網(wǎng)絡還可以提供更高的帶寬和更低的延遲，從而可以更快速地完成車輛控制。

5G 定制網(wǎng)場景下采用基于激光傳感器（SLAM）和運動控制算法，實現(xiàn)AGV 規(guī)劃調(diào)度行駛、自主規(guī)劃路徑，增強柔性[12]。激光SLAM 是一種用于實現(xiàn)自主導航機器人的算法，它通過激光雷達掃描環(huán)境，并根據(jù)掃描結(jié)果生成地圖和定位機器人的位置和姿態(tài)，并結(jié)合定位和地圖構(gòu)建技術(shù)，使機器人可以在未知環(huán)境中自主導航[13]。運動控制算法是用于控制機器人運動的算法，包括速度控制、軌跡規(guī)劃、路徑規(guī)劃等，使機器人能夠按照預定的軌跡或路徑進行運動，實現(xiàn)自主導航和執(zhí)行任務。該算法使用傳感器和機器人狀態(tài)來感知環(huán)境和機器人自身狀態(tài)[14]，以便做出合適的控制決策。

3 實驗結(jié)果與分析

在完成5G 定制網(wǎng)環(huán)境下的AGV 小車基于激光SLAM 和運動控制算法的設計和應用之后，實現(xiàn)路徑規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化，并進行一系列的實驗以驗證該系統(tǒng)的有效性。實驗結(jié)果與分析部分主要關(guān)注實際應用情況以及對系統(tǒng)性能的評估。以下是針對遺傳算法、蟻群算法、激光SLAM 和運動控制算法這三種算法的對比分析，對比情況如表2 和表3 所示。

表2 三種路徑算法平均搜索時間對比

表3 三種路徑算法實際效果對比

通過在實驗場景中使用激光傳感器進行SLAM 建圖，評估SLAM 算法的性能。實驗結(jié)果顯示，SLAM算法能夠?qū)崟r獲取環(huán)境的三維地圖，并對小車的位置和姿態(tài)進行精確估計，減少搜索時間和提高成功率。

基于激光SLAM 和運動控制算法的AGV 小車系統(tǒng)在實驗中表現(xiàn)出了較好的性能和可靠性，激光傳感器SLAM 算法能夠有效地實現(xiàn)環(huán)境建圖和定位功能，運動控制算法使AGV 小車能夠?qū)崿F(xiàn)精確的運動控制和路徑跟蹤。AGV 小車實際場景效果如圖2 所示。

圖2 AGV 小車實際場景效果

4 結(jié)束語

通過本研究，成功地應用并實現(xiàn)了基于激光傳感器（SLAM）和運動控制算法的AGV 小車系統(tǒng)，該系統(tǒng)在路徑規(guī)劃和調(diào)度方面展現(xiàn)出良好的性能和準確性。通過激光傳感器獲取環(huán)境信息，并通過SLAM算法實現(xiàn)了實時地圖構(gòu)建和定位，為路徑規(guī)劃和導航提供了準確的參考。運動控制算法能夠精確控制AGV 小車的移動，實現(xiàn)路徑的準確跟蹤和調(diào)整。與傳統(tǒng)方案相比，更加適合于大規(guī)模AGV 小車系統(tǒng)的運行，具有較高的應用價值和推廣價值。