基于周邊環(huán)境感知技術(shù)的ＡＧＶ機器人及其在煙草企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用

本文為浙江省教育廳基金資助項目：智能機器人對周邊環(huán)境感知技術(shù)的研究項目，編號：111251A4F02065

[摘要] 本文研究了AGV移動機器人對周邊環(huán)境信息感知和獲取技術(shù)，分析并研究了AGV機器人在煙草企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用流程。

[關(guān)鍵詞] AGV 光學(xué)導(dǎo)引 卷接包機組

一、概述

AGV自動導(dǎo)引小車屬于搬運機器人，AGV具有自動化程度高、安全、靈活等特點，因而廣泛應(yīng)用于汽車制造、煙草等企業(yè)自動化生產(chǎn)和倉儲系統(tǒng)，AGV是自動化柔性生產(chǎn)線、自動化高架立體倉庫等現(xiàn)代化生產(chǎn)物流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。自動導(dǎo)引是AGV控制的核心技術(shù)，它決定了AGV的導(dǎo)引方式。按照導(dǎo)引原理的不同，分為固定路徑導(dǎo)引和自由路徑導(dǎo)引。固定路徑導(dǎo)引是AGV運動路徑周邊部署信息標志裝置，車載傳感器在運動過程中實時檢測并控制正確的運動方向，信息標志有導(dǎo)線、色帶、反光板等。自主路徑導(dǎo)引是AGV車載計算機預(yù)先設(shè)定運動路徑的座標信息，運動過程中車載傳感器實時檢測當(dāng)前坐標信息并與預(yù)定位置比較、判別，從而控制AGV機器人的運動。

二、AGV 機器人總體結(jié)構(gòu)

AGV機器人由車輛本體、驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、控制、通信、安全保護、蓄電充電等模塊組成。

AGV車輛本體模塊由車體由車身和相關(guān)機械裝置組成，是其它部件安裝配置的平臺。AGV驅(qū)動模塊由車輪、變速、制動、驅(qū)動電機、控制電路等組成。AGV控制模塊是系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它將電機系統(tǒng)、傳感器信號處理、驅(qū)動器控制、定位算法、電子地圖及無線通訊等功能整合在一起，完成接收中央計算機命令完成AGV運動方向、速度、裝卸、停靠等控制，以及避障、安全等控制。AGV的驅(qū)動模塊由車輪、減速器、制動器、驅(qū)動單元、步進電機等組成，是控制AGV正常運行的裝置。為了安全，在斷電時制動裝置能靠機械實現(xiàn)制動。AGV通信模塊主要由無線數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)AGV機器人和中央計算機的通信，AGV機器人和中央計算機均配置無線數(shù)據(jù)通信卡。AGV的轉(zhuǎn)向包括中間輪速差轉(zhuǎn)向、前輪轉(zhuǎn)向和前后輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向模塊直接決定了AGV的運動性能。安全模塊包括對AGV機器人本身、對人或其它設(shè)備等的保護裝置。蓄電和充電模塊一般采用24V或48V直流蓄電池，能夠快速充電，并保證連續(xù)工作8小時以上。

三、AGV 機器人周邊環(huán)境感知技術(shù)

1.光學(xué)導(dǎo)引

光學(xué)導(dǎo)引屬于固定路徑導(dǎo)引。AGV運動路面配置色帶，利用地面顏色和色帶顏色的反差，確定AGV機器人的位置偏差，AGV運動如地面明亮配置黑色色帶，如地面黑暗配置白色色帶。AGV 機器人配置光源主動掃描色帶光學(xué)傳感器接收色帶反射光線，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號提交AGV車載處理器實時處理，車載處理器將處理結(jié)果提交驅(qū)動模塊，由驅(qū)動回路控制驅(qū)動系統(tǒng)工作。當(dāng)AGV偏離導(dǎo)引路徑時，AGV檢測到的亮度不同，經(jīng)過處理器運算回路計算出相應(yīng)偏差值，然后由控制回路對AGV的運行狀態(tài)實時修正，使其回到導(dǎo)引路徑上來，保證ＡＧＶ能夠始終沿著色帶的導(dǎo)引軌跡運行。圖1是光學(xué)導(dǎo)引的原理圖。

光學(xué)導(dǎo)引原理簡單，運動路徑地面設(shè)置簡單易行，技術(shù)比較成熟，成本低，應(yīng)用比較廣泛。在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，靈活性比較好，，但對色帶的污染和機械磨損敏感，對環(huán)境要求高，導(dǎo)引可靠性較差，且很難實現(xiàn)精確定位。

圖1 光學(xué)導(dǎo)引原理

2.激光導(dǎo)引

激光導(dǎo)引屬于自主導(dǎo)引。激光導(dǎo)引AGV機器人利用激光器感知和獲取周邊環(huán)境信息。激光導(dǎo)引機器人由中央計算機、無線網(wǎng)絡(luò)、激光器、直線驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、控制器等組成，中央計算機負責(zé)AGV機器人的調(diào)度，無線網(wǎng)絡(luò)負責(zé)中央計算機和控制器之間的信息傳輸，直線電機驅(qū)動AGV機器人的X、Y方向的運動，旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動激光器做回轉(zhuǎn)運動以進行周邊環(huán)境的360o掃描，控制器控制機器人具體動作。激光導(dǎo)引AGV結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2激光導(dǎo)引機器人結(jié)構(gòu)

在AGV機器人移動路徑沿途的墻壁或支柱配置具有反光特性的定位標志，安裝在AGV機器人上的激光掃描器按照一定頻率自動掃描并識別設(shè)置在運動路徑周邊的定位標志，激光掃描器實時地從3個以上定位標志采集反射光信號，AGV車載處理器根據(jù)這些定位標志的位置坐標、反射光線和掃描器的夾角、AGV當(dāng)前運動方向，計算AGV當(dāng)前位置，并和AGV內(nèi)置數(shù)字地圖進行比較，計算偏差量，控制下一步需要達到位置，并將命令發(fā)送控制器直接控制電機動作。

激光導(dǎo)引具有定位精度高，自主性強，智能化程度高，適應(yīng)性、靈活性強等特點。采用激光導(dǎo)引，AGV機器人可在導(dǎo)引區(qū)內(nèi)精確定位， 并根據(jù)生產(chǎn)工藝變化靈活改動運行路徑。

3.慣性導(dǎo)引

慣性導(dǎo)引屬于自主導(dǎo)引。AGV機器人利用慣性導(dǎo)航技術(shù)感知和獲取周邊環(huán)境信息。慣性導(dǎo)引（慣性導(dǎo)航）是一種自主導(dǎo)航技術(shù)，慣性導(dǎo)引利用牛頓運動定律原理，通過加速度計、陀螺儀等慣性組件測量并自動計算載體的瞬時速度和加速度等信息，由此，在載體運動過程中慣性組件能夠連續(xù)不斷地提供載體的全部導(dǎo)航和制導(dǎo)信息，從而實現(xiàn)自動導(dǎo)引。慣性導(dǎo)引它與周圍物理環(huán)境無關(guān)，不靠輻射能量和無線電等的輔助，不受外界干擾，導(dǎo)航精度完全取決于元器件本身及其定位方法的組合。圖3是AGV機器人慣性導(dǎo)引原理圖。

AGV 機器人直接安裝加速計、陀螺儀等慣性組件，并在AGV機器人運動路徑安裝定位標志行駛地面上安裝定位標志， AGV 機載計算機實時采集慣性組件及其地面定位標志信號，采用陀螺儀檢測AGV的方向角，通過驅(qū)動輪轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)編碼器反饋來累積計算直線距離，初步確定AGV的當(dāng)前位置；同時，通過檢測光電信號進行糾偏定位，實現(xiàn)AGV的精確定位，導(dǎo)引機器人按照正確的路徑運動，并停靠在正確的工作位置。

圖3慣性導(dǎo)引原理

慣性導(dǎo)引具有定位精度高，便于靈活組合，柔性好，同時，慣性導(dǎo)引對機器人運動路徑和周邊環(huán)境適應(yīng)性強等特點。

4.AGV機器人在煙草生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用

煙草企業(yè)的卷煙生產(chǎn)主要包括制絲(原料加工)、卷接(卷制成型)、包裝(包裝成品)等工藝過程。AGV機器人能實現(xiàn)自動導(dǎo)向、自動停車、自動裝卸、自動避障、安全保護等功能，AGV機器人能方便靈活地自動出入各類生產(chǎn)、裝配線、輸送線、工作臺、工位、貨架等，充分適應(yīng)了卷煙生產(chǎn)中卷接、包裝等自動化生產(chǎn)線柔性高、物料流動量大，生產(chǎn)線路徑復(fù)雜等要求。因此，AGV機器人在煙草企業(yè)自動化生產(chǎn)線、高架立體倉庫中具有廣泛應(yīng)用。

煙草企業(yè)卷煙工藝是以卷接包機組為生產(chǎn)核心，以主料和輔料多途徑輸送為基礎(chǔ)的生產(chǎn)模式，AGV機器人主要應(yīng)用于配方原料、卷包輔料、成型原輔料、生產(chǎn)廢料等的輸送和裝卸。AGV機器人在煙草企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的主要作業(yè)流程如下：

(1)當(dāng)卷接包裝生產(chǎn)線某個工位需補充物料時，工作人員按動計算機上補料按鈕并通過無線網(wǎng)絡(luò)自動發(fā)送補料請求。

(2)中央計算機通過無線網(wǎng)絡(luò)自動接收補料請求，根據(jù)當(dāng)前所有AGV的狀態(tài)、任務(wù)、位置等要素進行排隊計算，選擇一個最近的空閑AGV；如當(dāng)前所有AGV都處于工作狀態(tài)，則選擇距離工作結(jié)束時間最短的機器人進入排隊狀態(tài)。

(3)根據(jù)需補充物料起始位置、目標位置、AGV機器人當(dāng)前位置，規(guī)劃AGV機器人運動路徑，并將規(guī)劃路徑等命令發(fā)送AGV機器人。

(4)AGV車載計算機對任務(wù)進行分析，根據(jù)運動過程中周邊環(huán)境的變化自動計算并調(diào)整路徑，自動裝卸物料。

(5)AGV車載計算機按照一定的頻率通過無線網(wǎng)絡(luò)向中央計算機發(fā)送當(dāng)前的位置和狀態(tài);中央計算機通過無線網(wǎng)絡(luò)接收各工位發(fā)送補料請求。重復(fù)第(1)到(5)的過程。

引導(dǎo)方式不同，AGV機器人的靈活性、精確性、自主性和成本會有很大不同。煙草生產(chǎn)現(xiàn)場要求AGV機器人系統(tǒng)能高效、準確地采集卷接包機組生產(chǎn)線上各工位補料信息，高效準確地將輔料、廢料等物料送達目標工位。

參考文獻:

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[2]尤輝樊進躍杜晶:卷煙輔料自動運送系統(tǒng)研究[J]．物流科技．2002，12:51～57

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。