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AGV是一種自動導(dǎo)引小車, 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)域也不斷的擴大, 主要用在制造業(yè)、倉儲業(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的購買價格、維護成本高等問題, 還沒有得到更為廣泛的推廣與使用。

本文針對大型電商倉儲中配單時人工往返的重復(fù)工作問題, 利用AGV來代替人工完成配單任務(wù)。為此設(shè)計了一種磁導(dǎo)航潛伏式AGV[1,2,3,4,5], 配合人工進行訂單貨物的搬運。在設(shè)計之初對AGV的基本框架進行了分析, 從模塊化入手對AGV進行設(shè)計, 然后對AGV的運行穩(wěn)定性進行了研究, 采用雙驅(qū)動方式調(diào)整AGV的運動位姿[6,7,8,9,10], 分析了AGV的靜力學(xué)、動力學(xué)[11,12,13], 通過AGV速度為輸入以AGV的運動坐標、運行偏差為輸出, 運用三段調(diào)速理念調(diào)整AGV的運動狀態(tài)[14,15,16]。在實際測試中, AGV能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運行。

AGV自動運輸系統(tǒng)主要針對電商倉儲中的配單系統(tǒng)進行設(shè)計, 為了將配單車與AGV系統(tǒng)進行連接, 分析了電商倉儲中的配單作業(yè)需求同時由于AGV需要穿梭于各個配貨車下, 通過與配貨車連接運輸至最后的目的點, 所以選擇潛伏式AGV。AGV的組成一般包括車體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動單元、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)引是其運行的關(guān)鍵之一, AGV需要通過導(dǎo)航系統(tǒng)確定自身的運行狀況, 實現(xiàn)在各種環(huán)境下的自主運動。由于磁道航導(dǎo)引方式的靈活性好、改變和擴充路徑較容易、布線簡單易行;所以在電商倉儲中采用磁道航式的AGV, 其工作方式是通過在規(guī)劃的行駛路線貼上導(dǎo)引磁帶, 通過磁感應(yīng)信號實現(xiàn)導(dǎo)引。

根據(jù)實際的電商倉儲調(diào)研對AGV整體方案提出如表1所述要求。

表1 AGV設(shè)計要求     下載原表

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

表2 AGV設(shè)計參數(shù)     下載原表

潛伏式AGV設(shè)計完成后, 通過AGV的受力分析保證其運行的穩(wěn)定, 由于地面沒有絕對的水平, 所以在AGV運動過程中會出現(xiàn)上坡、下坡、以及左右顛簸等情況, 但目前AGV運行速度在10~35 m/min之間, 處于低速運行范圍, 所以在AGV的受力分析前假設(shè)下面幾點成立。

1) AGV運行時不會發(fā)生抖動現(xiàn)象。

2) 忽略空氣阻力。

3) 當AGV承受載荷發(fā)生變化時, AGV的每個車輪不會發(fā)生形變且車輪與車體銜接點位置不變。

4) AGV運行路面平穩(wěn), 每個輪子運行底面在同一水平面且運動輪與運行面處于點接觸。

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, 中間兩個為驅(qū)動輪用1號輪與2號輪表示, 驅(qū)動輪半徑為R, 前后為從動萬向輪分別用3、4、5、6號表示, 半徑為r。規(guī)定質(zhì)心點為AGV的中心點。3、4號輪中心點與AGV質(zhì)心點之間的距離和5、6號輪中心點與AGV質(zhì)心點之間的距離相等為La, 3、4號輪中心點之間的距離和5、6號輪中心點之間的距離相等為Lb, 1、2號輪中心點之間的距離為Lc;AGV在某一時刻存在轉(zhuǎn)向趨勢, 設(shè)當前1、2號輪中心點的轉(zhuǎn)向趨勢半徑為Lr, 3、4號和5、6號輪的中心點轉(zhuǎn)動半徑為L, 則1、2號車輪的轉(zhuǎn)向半徑為Lr+Lc/2、Lr-Lc/2, 3、4號車輪的轉(zhuǎn)向力為FM3、FM4且FM3=FM4轉(zhuǎn)向半徑為L+Lb/2、L-Lb/2。規(guī)定AGV車體前進方向為正方向。

當AGV處于轉(zhuǎn)向趨勢狀態(tài)時有FY5=0, FY6=0, 則:

由力平衡可知:

設(shè)每個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)動輪之間距離和轉(zhuǎn)向半徑是1、2號輪的轉(zhuǎn)向力穩(wěn)定的關(guān)鍵, 與3、4號輪以及5、6號輪之間的距離無關(guān)。

1) AGV運行整體分析

AGV在運行時是通過中間2個驅(qū)動輪驅(qū)動帶動前后4個萬向輪使車體整體向預(yù)置方向運行。6輪系A(chǔ)GV的運行整體受力情況通過6輪所受各向力來進行分析。設(shè)m為AGV的質(zhì)量, I為轉(zhuǎn)動慣量, a為當前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, 前面2個輪子是轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵, 3、4號輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角, 4號輪局部分析如圖4所示。

圖4 4號輪三維受力圖   下載原圖

式 (10) 中:FM4為車輪繞z軸的轉(zhuǎn)向力, IZ4為車輪繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量。

通過對AGV的整體到局部的力學(xué)分析可知, 影響AGV穩(wěn)定運行的因素很多, 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)動力;為了確保AGV具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向力時則需要保證AGV的預(yù)置運行軌跡的規(guī)范性以及良好性。

第2節(jié)中分析了AGV的運行的力學(xué)分析, 保證AGV具有穩(wěn)定的驅(qū)動力則需要通過AGV的控制器下對驅(qū)動電機進行有效的速度調(diào)控。即AGV運行的穩(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在運行時雖然預(yù)置了相應(yīng)的運行軌跡, 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)置的運行軌跡時會發(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題, 假設(shè)將AGV看做為點Q, 首先定義AGV的偏差角度為Eθ (即Q點與AGV前進方向與預(yù)置軌道之間的夾角) , AGV的偏移距離為Ed (Q點與預(yù)置軌道中心線的垂直距離) , 設(shè)1、2號輪速度為V1、V2, Q點的位姿矩陣為ξQ=[X (t) , Y (t) , θ (t) ]T, Q點的初始狀態(tài)為ξQ=[X0, Y0, θ0]T。Q點在X、Y平面內(nèi)運行, 則:

由式 (11) 可得Q點的各個時刻的速度, 可由偏角度、線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1、2號輪所對應(yīng)的圓心角相等則:

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

分析圖5中的AGV運行軌跡, 在預(yù)置運行軌跡的下, 運用Q點代替AGV來分析其運動的偏差狀態(tài), Q點的運行狀況可以得出整個AGV的控制策略的優(yōu)劣。Q點的初始狀態(tài)為:ξQ=[X0, Y0, θ0]T, 預(yù)置的運行軌跡方程為X軸, 即Y=0, 則有:

結(jié)合式 (16) 、式 (17) 得:

圖5 AGV的運行偏差   下載原圖

當Δt→0時:

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

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

如圖6為AGV差速運行特性, 表示AGV差速調(diào)整中的角度與位置偏差的關(guān)系, 當AGV在運行過程中發(fā)生距離偏移時, 通過調(diào)整AGV兩驅(qū)動輪的速度來調(diào)節(jié)AGV的運行位姿。磁道航AGV是通過磁道航傳感器來識別AGV與磁條的相對位置然后將當前位置轉(zhuǎn)化為電信號發(fā)送控制器來進行AGV位姿的調(diào)整, 軟件設(shè)計通過三段調(diào)速來穩(wěn)定AGV的正常的運行, 設(shè)計流程如圖7所示, 當AGV左偏的偏移量小于預(yù)置的小偏移量時, AGV左輪以速度V左1進行微調(diào)使得AGV的位姿得到糾正;當AGV左偏的偏移量小于預(yù)置的大偏移量時, AGV左輪以速度V左2進行AGV的位姿糾正, 當AGV的偏移量調(diào)整到小于預(yù)置偏移量時返回微調(diào)階段;當AGV左偏的偏移量大于預(yù)置的偏差時, 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差速運行特性圖   下載原圖

圖7 三段調(diào)速控制   下載原圖

AGV運行測試時通過仿真軟件Matlab/Simulink對AGV運行偏差調(diào)整模型進行分析, 以速度為輸入, 偏差調(diào)整軌跡為輸出, 假設(shè)Q點初始狀態(tài)為:

如圖8所示軌跡線1為距離偏差, 軌跡線2為角度偏差。如圖9所示為Q點在短時間內(nèi)X與Y的位姿調(diào)整軌跡, 軌跡線3是Q點的實際運行軌跡, 軌跡線4是Q點的目標運行軌跡。

圖8 偏差走勢   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點在較短時間內(nèi)從偏移位置, 自行調(diào)整到預(yù)置的目標軌跡上。軌跡3是Q點從原來初始位姿與偏差角度調(diào)整到目標的軌跡上的全過程。AGV在處于偏離時經(jīng)過位姿調(diào)整能夠得到目標軌跡。實際AGV的運行調(diào)試時首先需要預(yù)置路線, 設(shè)定需要工作的站點, 然后合理的在預(yù)置路線上貼好磁帶。測試時選擇一段區(qū)域, 在區(qū)域中布置與工作現(xiàn)場相符合的路徑形狀, 包括直線、90°轉(zhuǎn)彎角以及S曲線等, 同時設(shè)置兩個站點一個裝貨點和一個卸貨點, 通過這些路段來檢測AGV的運行。AGV首先在裝貨點等待, 當貨物裝完后觸發(fā)AGV控制器使其自動按照路徑運行至卸貨站點, 當AGV運行至卸貨站點后停車等待卸貨, 在卸貨完成后觸發(fā)AGV控制器使其自動按照路徑運行至裝貨站點, 一個周期運行完成。經(jīng)過多次周期運行, AGV在短時間內(nèi)能夠調(diào)整偏離軌道, 滿足運行要求。AGV運行過程由直線→S彎道→直線→90°彎道→直線→S彎道→直線→S彎道→直線→90°彎道→直線。如圖10所示為AGV運行在直線路段和S彎道, AGV直線運行時當給定一個側(cè)向力使AGV偏離運行軌道時, AGV能夠迅速的進行位姿調(diào)整恢復(fù)到預(yù)置運行軌跡, AGV運行至S彎道時位姿調(diào)整穩(wěn)定且靈敏。經(jīng)過測試AGV在整個運行過程中啟動、停止迅速, 運行在各個路段平穩(wěn), 能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的自主運行。

圖1 0 AGV測試運行圖   下載原圖

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