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AGV是一種自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē), 已有50多年的歷史。隨著各行各業(yè)的發(fā)展, AGV的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷的擴(kuò)大, 主要用在制造業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)、郵局、化工等需要人工量多、工作任務(wù)重復(fù)量大等行業(yè)中。目前大型的制造型企業(yè)中也有了AGV的使用, 但是由于AGV的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格、維護(hù)成本高等問(wèn)題, 還沒(méi)有得到更為廣泛的推廣與使用。

本文針對(duì)大型電商倉(cāng)儲(chǔ)中配單時(shí)人工往返的重復(fù)工作問(wèn)題, 利用AGV來(lái)代替人工完成配單任務(wù)。為此設(shè)計(jì)了一種磁導(dǎo)航潛伏式AGV[1,2,3,4,5], 配合人工進(jìn)行訂單貨物的搬運(yùn)。在設(shè)計(jì)之初對(duì)AGV的基本框架進(jìn)行了分析, 從模塊化入手對(duì)AGV進(jìn)行設(shè)計(jì), 然后對(duì)AGV的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了研究, 采用雙驅(qū)動(dòng)方式調(diào)整AGV的運(yùn)動(dòng)位姿[6,7,8,9,10], 分析了AGV的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)[11,12,13], 通過(guò)AGV速度為輸入以AGV的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)、運(yùn)行偏差為輸出, 運(yùn)用三段調(diào)速理念調(diào)整AGV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[14,15,16]。在實(shí)際測(cè)試中, AGV能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。

AGV自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)主要針對(duì)電商倉(cāng)儲(chǔ)中的配單系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì), 為了將配單車(chē)與AGV系統(tǒng)進(jìn)行連接, 分析了電商倉(cāng)儲(chǔ)中的配單作業(yè)需求同時(shí)由于AGV需要穿梭于各個(gè)配貨車(chē)下, 通過(guò)與配貨車(chē)連接運(yùn)輸至最后的目的點(diǎn), 所以選擇潛伏式AGV。AGV的組成一般包括車(chē)體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)單元、控制單元、定位導(dǎo)航單元、電源系統(tǒng)、安全輔助單元, AGV的組成構(gòu)架如圖1所示。

圖1 AGV組成構(gòu)架   下載原圖

AGV導(dǎo)引是其運(yùn)行的關(guān)鍵之一, AGV需要通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)確定自身的運(yùn)行狀況, 實(shí)現(xiàn)在各種環(huán)境下的自主運(yùn)動(dòng)。由于磁道航導(dǎo)引方式的靈活性好、改變和擴(kuò)充路徑較容易、布線(xiàn)簡(jiǎn)單易行;所以在電商倉(cāng)儲(chǔ)中采用磁道航式的AGV, 其工作方式是通過(guò)在規(guī)劃的行駛路線(xiàn)貼上導(dǎo)引磁帶, 通過(guò)磁感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。

根據(jù)實(shí)際的電商倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)研對(duì)AGV整體方案提出如表1所述要求。

表1 AGV設(shè)計(jì)要求     下載原表

按照表1的設(shè)計(jì)要求, 設(shè)計(jì)了磁導(dǎo)航潛伏式AGV, AGV的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 AGV設(shè)計(jì)參數(shù)     下載原表

潛伏式AGV設(shè)計(jì)完成后, 通過(guò)AGV的受力分析保證其運(yùn)行的穩(wěn)定, 由于地面沒(méi)有絕對(duì)的水平, 所以在AGV運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)上坡、下坡、以及左右顛簸等情況, 但目前AGV運(yùn)行速度在10~35 m/min之間, 處于低速運(yùn)行范圍, 所以在AGV的受力分析前假設(shè)下面幾點(diǎn)成立。

1) AGV運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象。

2) 忽略空氣阻力。

3) 當(dāng)AGV承受載荷發(fā)生變化時(shí), AGV的每個(gè)車(chē)輪不會(huì)發(fā)生形變且車(chē)輪與車(chē)體銜接點(diǎn)位置不變。

4) AGV運(yùn)行路面平穩(wěn), 每個(gè)輪子運(yùn)行底面在同一水平面且運(yùn)動(dòng)輪與運(yùn)行面處于點(diǎn)接觸。

圖2為AGV三維受力分析。

圖2 AGV三維受力分析   下載原圖

圖3為AGV二維偏轉(zhuǎn)分析。

圖3 AGV二維偏轉(zhuǎn)分析   下載原圖

圖3所示AGV為六輪系, 中間兩個(gè)為驅(qū)動(dòng)輪用1號(hào)輪與2號(hào)輪表示, 驅(qū)動(dòng)輪半徑為R, 前后為從動(dòng)萬(wàn)向輪分別用3、4、5、6號(hào)表示, 半徑為r。規(guī)定質(zhì)心點(diǎn)為AGV的中心點(diǎn)。3、4號(hào)輪中心點(diǎn)與AGV質(zhì)心點(diǎn)之間的距離和5、6號(hào)輪中心點(diǎn)與AGV質(zhì)心點(diǎn)之間的距離相等為L(zhǎng)a, 3、4號(hào)輪中心點(diǎn)之間的距離和5、6號(hào)輪中心點(diǎn)之間的距離相等為L(zhǎng)b, 1、2號(hào)輪中心點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)c;AGV在某一時(shí)刻存在轉(zhuǎn)向趨勢(shì), 設(shè)當(dāng)前1、2號(hào)輪中心點(diǎn)的轉(zhuǎn)向趨勢(shì)半徑為L(zhǎng)r, 3、4號(hào)和5、6號(hào)輪的中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為L(zhǎng), 則1、2號(hào)車(chē)輪的轉(zhuǎn)向半徑為L(zhǎng)r+Lc/2、Lr-Lc/2, 3、4號(hào)車(chē)輪的轉(zhuǎn)向力為FM3、FM4且FM3=FM4轉(zhuǎn)向半徑為L(zhǎng)+Lb/2、L-Lb/2。規(guī)定AGV車(chē)體前進(jìn)方向?yàn)檎较颉?

當(dāng)AGV處于轉(zhuǎn)向趨勢(shì)狀態(tài)時(shí)有FY5=0, FY6=0, 則:

由力平衡可知:

設(shè)每個(gè)輪的所受地面摩擦力相等且受正壓力相同, 則:

由式 (1) 、式 (2) 、式 (3) 可得:

由式 (4) 可知, 驅(qū)動(dòng)輪之間距離和轉(zhuǎn)向半徑是1、2號(hào)輪的轉(zhuǎn)向力穩(wěn)定的關(guān)鍵, 與3、4號(hào)輪以及5、6號(hào)輪之間的距離無(wú)關(guān)。

1) AGV運(yùn)行整體分析

AGV在運(yùn)行時(shí)是通過(guò)中間2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)前后4個(gè)萬(wàn)向輪使車(chē)體整體向預(yù)置方向運(yùn)行。6輪系A(chǔ)GV的運(yùn)行整體受力情況通過(guò)6輪所受各向力來(lái)進(jìn)行分析。設(shè)m為AGV的質(zhì)量, I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, a為當(dāng)前AGV的加速度, α為AGV前輪轉(zhuǎn)角。

2) AGV偏轉(zhuǎn)局部分析

AGV偏轉(zhuǎn)時(shí), 前面2個(gè)輪子是轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵, 3、4號(hào)輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角, 4號(hào)輪局部分析如圖4所示。

圖4 4號(hào)輪三維受力圖   下載原圖

式 (10) 中:FM4為車(chē)輪繞z軸的轉(zhuǎn)向力, IZ4為車(chē)輪繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

通過(guò)對(duì)AGV的整體到局部的力學(xué)分析可知, 影響AGV穩(wěn)定運(yùn)行的因素很多, 其中為了保證AGV具有穩(wěn)定的加速度則需要保證AGV具有穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力;為了確保AGV具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向力時(shí)則需要保證AGV的預(yù)置運(yùn)行軌跡的規(guī)范性以及良好性。

第2節(jié)中分析了AGV的運(yùn)行的力學(xué)分析, 保證AGV具有穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力則需要通過(guò)AGV的控制器下對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行有效的速度調(diào)控。即AGV運(yùn)行的穩(wěn)定的關(guān)鍵因素最主要的在于AGV的差速控制環(huán)節(jié)。

磁導(dǎo)航式AGV在運(yùn)行時(shí)雖然預(yù)置了相應(yīng)的運(yùn)行軌跡, 但由于輪子自身以及地面的摩擦力等因素的存在, AGV在按照預(yù)置的運(yùn)行軌跡時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的偏差。在合理的分析AGV的位姿與預(yù)置軌跡之間存在的偏差問(wèn)題, 假設(shè)將AGV看做為點(diǎn)Q, 首先定義AGV的偏差角度為Eθ (即Q點(diǎn)與AGV前進(jìn)方向與預(yù)置軌道之間的夾角) , AGV的偏移距離為Ed (Q點(diǎn)與預(yù)置軌道中心線(xiàn)的垂直距離) , 設(shè)1、2號(hào)輪速度為V1、V2, Q點(diǎn)的位姿矩陣為ξQ=[X (t) , Y (t) , θ (t) ]T, Q點(diǎn)的初始狀態(tài)為ξQ=[X0, Y0, θ0]T。Q點(diǎn)在X、Y平面內(nèi)運(yùn)行, 則:

由式 (11) 可得Q點(diǎn)的各個(gè)時(shí)刻的速度, 可由偏角度、線(xiàn)速度以及角速度之間的關(guān)系得出:

由式 (12) 可得:

由于AGV在轉(zhuǎn)彎時(shí)1、2號(hào)輪所對(duì)應(yīng)的圓心角相等則:

圖5為磁道航AGV的運(yùn)行偏差, 其中θ為磁道航傳感器與預(yù)置路徑中心線(xiàn)之間的夾角, Ed1、Ed2為磁道航傳感器的兩次采樣偏移值, 在Δt時(shí)間內(nèi), 則:

分析圖5中的AGV運(yùn)行軌跡, 在預(yù)置運(yùn)行軌跡的下, 運(yùn)用Q點(diǎn)代替AGV來(lái)分析其運(yùn)動(dòng)的偏差狀態(tài), Q點(diǎn)的運(yùn)行狀況可以得出整個(gè)AGV的控制策略的優(yōu)劣。Q點(diǎn)的初始狀態(tài)為:ξQ=[X0, Y0, θ0]T, 預(yù)置的運(yùn)行軌跡方程為X軸, 即Y=0, 則有:

結(jié)合式 (16) 、式 (17) 得:

圖5 AGV的運(yùn)行偏差   下載原圖

當(dāng)Δt→0時(shí):

在AGV的運(yùn)行中路段信息是連續(xù)且穩(wěn)定的, 所以對(duì)式 (22) 、式 (23) 進(jìn)行拉氏變換得:

則由式 (24) 、式 (25) 可得出AGV的運(yùn)行控制系統(tǒng)圖。

如圖6為AGV差速運(yùn)行特性, 表示AGV差速調(diào)整中的角度與位置偏差的關(guān)系, 當(dāng)AGV在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生距離偏移時(shí), 通過(guò)調(diào)整AGV兩驅(qū)動(dòng)輪的速度來(lái)調(diào)節(jié)AGV的運(yùn)行位姿。磁道航AGV是通過(guò)磁道航傳感器來(lái)識(shí)別AGV與磁條的相對(duì)位置然后將當(dāng)前位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)送控制器來(lái)進(jìn)行AGV位姿的調(diào)整, 軟件設(shè)計(jì)通過(guò)三段調(diào)速來(lái)穩(wěn)定AGV的正常的運(yùn)行, 設(shè)計(jì)流程如圖7所示, 當(dāng)AGV左偏的偏移量小于預(yù)置的小偏移量時(shí), AGV左輪以速度V左1進(jìn)行微調(diào)使得AGV的位姿得到糾正;當(dāng)AGV左偏的偏移量小于預(yù)置的大偏移量時(shí), AGV左輪以速度V左2進(jìn)行AGV的位姿糾正, 當(dāng)AGV的偏移量調(diào)整到小于預(yù)置偏移量時(shí)返回微調(diào)階段;當(dāng)AGV左偏的偏移量大于預(yù)置的偏差時(shí), AGV左輪以速度V左3快速調(diào)節(jié)使得AGV的位姿得到糾正。AGV偏右的調(diào)節(jié)與偏左調(diào)節(jié)方式相同。

圖6 AGV差速運(yùn)行特性圖   下載原圖

圖7 三段調(diào)速控制   下載原圖

AGV運(yùn)行測(cè)試時(shí)通過(guò)仿真軟件Matlab/Simulink對(duì)AGV運(yùn)行偏差調(diào)整模型進(jìn)行分析, 以速度為輸入, 偏差調(diào)整軌跡為輸出, 假設(shè)Q點(diǎn)初始狀態(tài)為:

如圖8所示軌跡線(xiàn)1為距離偏差, 軌跡線(xiàn)2為角度偏差。如圖9所示為Q點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)X與Y的位姿調(diào)整軌跡, 軌跡線(xiàn)3是Q點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)行軌跡, 軌跡線(xiàn)4是Q點(diǎn)的目標(biāo)運(yùn)行軌跡。

圖8 偏差走勢(shì)   下載原圖

圖9 位姿調(diào)整   下載原圖

從圖9仿真圖可以得到, Q點(diǎn)在較短時(shí)間內(nèi)從偏移位置, 自行調(diào)整到預(yù)置的目標(biāo)軌跡上。軌跡3是Q點(diǎn)從原來(lái)初始位姿與偏差角度調(diào)整到目標(biāo)的軌跡上的全過(guò)程。AGV在處于偏離時(shí)經(jīng)過(guò)位姿調(diào)整能夠得到目標(biāo)軌跡。實(shí)際AGV的運(yùn)行調(diào)試時(shí)首先需要預(yù)置路線(xiàn), 設(shè)定需要工作的站點(diǎn), 然后合理的在預(yù)置路線(xiàn)上貼好磁帶。測(cè)試時(shí)選擇一段區(qū)域, 在區(qū)域中布置與工作現(xiàn)場(chǎng)相符合的路徑形狀, 包括直線(xiàn)、90°轉(zhuǎn)彎角以及S曲線(xiàn)等, 同時(shí)設(shè)置兩個(gè)站點(diǎn)一個(gè)裝貨點(diǎn)和一個(gè)卸貨點(diǎn), 通過(guò)這些路段來(lái)檢測(cè)AGV的運(yùn)行。AGV首先在裝貨點(diǎn)等待, 當(dāng)貨物裝完后觸發(fā)AGV控制器使其自動(dòng)按照路徑運(yùn)行至卸貨站點(diǎn), 當(dāng)AGV運(yùn)行至卸貨站點(diǎn)后停車(chē)等待卸貨, 在卸貨完成后觸發(fā)AGV控制器使其自動(dòng)按照路徑運(yùn)行至裝貨站點(diǎn), 一個(gè)周期運(yùn)行完成。經(jīng)過(guò)多次周期運(yùn)行, AGV在短時(shí)間內(nèi)能夠調(diào)整偏離軌道, 滿(mǎn)足運(yùn)行要求。AGV運(yùn)行過(guò)程由直線(xiàn)→S彎道→直線(xiàn)→90°彎道→直線(xiàn)→S彎道→直線(xiàn)→S彎道→直線(xiàn)→90°彎道→直線(xiàn)。如圖10所示為AGV運(yùn)行在直線(xiàn)路段和S彎道, AGV直線(xiàn)運(yùn)行時(shí)當(dāng)給定一個(gè)側(cè)向力使AGV偏離運(yùn)行軌道時(shí), AGV能夠迅速的進(jìn)行位姿調(diào)整恢復(fù)到預(yù)置運(yùn)行軌跡, AGV運(yùn)行至S彎道時(shí)位姿調(diào)整穩(wěn)定且靈敏。經(jīng)過(guò)測(cè)試AGV在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中啟動(dòng)、停止迅速, 運(yùn)行在各個(gè)路段平穩(wěn), 能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的自主運(yùn)行。

圖1 0 AGV測(cè)試運(yùn)行圖   下載原圖

為了提高大型電商倉(cāng)儲(chǔ)中配單效率, 利用AGV來(lái)代替人工完成配單任務(wù), 設(shè)計(jì)了一種磁導(dǎo)航潛伏式AGV。首先對(duì)AGV的基本框架進(jìn)行了分析與研究, 從模塊化入手對(duì)AGV進(jìn)行設(shè)計(jì), 然后對(duì)AGV運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究, 采用差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)AGV的位姿調(diào)整, 在分析了AGV的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上以AGV的速度控制為輸入調(diào)整AGV的運(yùn)動(dòng)位姿, 在實(shí)際測(cè)試中, 雙驅(qū)動(dòng)式AGV控制能夠有效的保證AGV運(yùn)行穩(wěn)定, 為配合電商倉(cāng)儲(chǔ)中工程應(yīng)用提供幫助。