面向物流AGV的電子地圖系統設計與實現

蘇益超，翁 迅，蘇志遠，李忠明

（北京郵電大學 自動化學院，北京 100876）

自動導引小車（Automatic Guided Vehicle，AGV），是一種集機、聲、光、電、計算機等技術為一體的搬運設備[1]，是物流行業中關鍵的基礎設備。電子地圖作為在物流AGV地面系統中的應用，對物流AGV的自主作業起著重要的輔助作用。

在人們日常生活中，使用的地圖不外乎具有定位和導航功能，物流AGV中的電子地圖也與此類似。隨著物流AGV應用的不斷發展，復雜路徑作業中的貨物裝卸，起始點、充電位置的選擇，加減速控制等不同功能對AGV車在地圖中的定位精度都提出了較高要求；而當路徑中具有多條連通線路，或者多AGV運行時，對最短路徑，最優路徑的選擇，以及協同作業下的協同調度問題都是未來AGV發展的核心所在；除此之外為了直觀的將地圖展現在用戶面前，并且提供地圖信息的操作分析功能，而不是僅僅簡單的將AGV車輛的坐標信息傳入上位機等問題都使得電子地圖系統的引入顯得非常必要。同時，電子地圖的應用為監測人員對故障的及時發現和排除提供了更高的可靠性和信息支持。因此本文將針對面向物流AGV平臺的電子地圖系統的設計與實現進行探討。

圖1 系統結構圖

1 電子地圖平臺設計

AGV的電子地圖具有自適應性、實時性和交互性的特點，自適應性是電子地圖對不同場景的適應，可以靈活制作不同類型的地圖；實時性要求對AGV車進行實時定位，從而實現整體信息更新；可交互性是系統對場地信息具有一定的分析和反饋能力，從而達到對AGV的控制決策。

因此為了更好地適應物流場景應用，電子地圖系統軟件平臺的設計就以高效智能化作為目標。一個完整的電子地圖系統功能可歸納為顯示功能、編輯功能、存取功能和路徑規劃功能。整個系統設計架構如圖1所示。

對電子地圖系統平臺功能需求分析為如下幾點：

顯示功能：定位顯示問題是整個地圖系統設計的關鍵。管理員使用電子地圖時首先可以對整個場地大小進行自定義比例的設置，自主編輯完整地圖，每一段路徑的坐標信息，長度、角度、類型及其獨有的id號等信息也可以通過程序界面直觀查看。車輛運行時，通過與運動控制系統間的通訊，將速度信息和車輛位置實時顯示在地圖中，當進入特殊路段時，會向上位機反饋當前預警信息，通過上位機通過判斷進行運動決策的優化。同時系統具備一個模擬運行功能，可以自定義速度，姿態角變化，實時顯示車輛位置信息。通過對AGV車輛位置的實時定位監控，可及時發現實際運行中產生的故障或事故，有效地提高AGV自主運行的安全性和可靠性。

編輯功能：一個完整的電子地圖系統，不單單要適應某一種特定的場地信息，靈活自主的編輯功能，極大地豐富地圖的應用，加強了電子地圖的健壯性。通過對企業中AGV使用場地的實地考察可以發現，一般情況下場地信息可以分為直線路段、曲線路段、工位路段、起始路段和彎道路段等。故系統靈活地運用這些基本模型來實現地圖的自適應性。通過程序的預先輸入將完整的地圖信息展現在管理員面前。

存取功能：為實現地圖信息的簡單備份，系統設計文本文件存取功能。通常情況下，一個完整的系統不僅要具備前臺界面與管理員的交互功能，同樣，后臺分析能力也是系統需要拓展的。對地圖信息進行簡單的文件文本存儲只能將地圖信息以二進制信息進行保存，不能直觀顯示地圖數據，從而無法對地圖數據進行更有效的分析利用，故系統加入數據庫存取功能。通過實現數據庫基本功能，即地圖信息的存儲、讀取、增加和修改，為后續開發打下基礎。

路徑規劃功能：最短路徑問題是最優化問題研究領域中一個最基本的最重要并被廣泛研究過的話題之一[2]。最短路徑問題不僅可以直接應用于解決實際生產實踐中的眾多問題，而且也經常被作為一個基本方法和工具，用來解決其他的最優化問題以及預測和決策問題。通過對后臺數據的分析，系統添加自主的路徑選擇功能，使電子地圖具備更強大的智能性，并且對路徑信息進行極大的利用，路徑選擇功能遵循的法則是最短路徑選擇，將采用經典算法Dijkstra算法進行實現。

2 電子地圖平臺實現

2.1 主要功能模塊

通過功能分析，電子地圖系統中定義的主要模塊如下：編輯模塊、存取模塊、最短路徑規劃模塊和預警模塊等，系統平臺采用VS2008和MySQL數據庫設計實現。

2.2 模塊技術實現

（1）編輯模塊。程序中設計地圖路段信息模型的基類為CMapPath，其派生類為CMapPathLine，CMapPathArc，CMapPath－Work，CMapPathBegEnd，CMapPathCorner分別代表直線路段類、曲線路段類、工位路段類、起始點路段類和彎道路段等基本模型。

各個類中主要成員變量為路段的類型，全局id號以及工位id號，起始點坐標值，長度，曲線路段的半徑和樣式等。通過這些成員變量在界面中直觀顯示當前路徑的坐標、工位號和選擇框等信息。

派生類實現基類的Draw（）接口，并且在其Draw（）函數中實現地圖繪制部分的核心代碼。程序通過OnBnClicked－PathAdd（）函數實現信息輸入，ComputeLength（）函數實現信息計算。計算結果將通過對話框類中函數SetPathInfo（POINT point）進行展示。客戶端界面如圖2所示，界面左邊為不同路段的輸入部分，右端為路段信息顯示部分。

圖2 終端界面

（2）存取模塊。本模塊功能有兩部分，一是實現對繪制完成的地圖進行靈活的文本文件存取。程序中將文件后綴名字定義為.lma，該功能通過VC連續存儲（serialize）機制實現。程序利用MFC提供的CArchive類實現，將整個路段信息以二進制碼的形式保存在文本文件中，方便簡單靈活的地圖文件保存和加載。

數據存儲是實現后臺數據分析的前提，故在文本存取功能基礎上，模塊添加數據庫存取功能。程序通過MySQL C API的方式進行存取。

為實現地圖信息與數據庫進行交互，共設計5張表，分別為完整地圖信息表，地圖比例表，工位點信息表，工位點連接信息表，工位連接信息擴展表，其中地圖比例表與其他4張表無關聯關系，獨立存儲地圖場地的比例信息。讀取數據庫的時候，只需通過地圖完整信息表以及地圖比例表進行地圖的重繪，而最優路徑選擇模塊則通過工位點信息表和工位點連接信息表進行最優路徑的選擇。其中工位點信息表設計如圖3，字段pot_x和字段pot_y分別代表工位點的x、y坐標，字段pot_style代表的是工位點的類型包括“工位”、“起點”、“終點”，字段pot_id代表的是各個工位的id號碼，其余工位點連接信息表中工位號碼相對應。

工位點連接信息表如圖4，字段A，B分別代表的是兩點的工位號碼，字段AB代表兩點間是否直接相連，字段AB_len代表兩點間長度，字段AB_type代表連接類型，是曲線連接還是直線連接，字段map_store_id是連接線段在全局存儲中的唯一標識id號，與整體路段表中的id號相對應。

圖3 工位點信息表

圖4 工位點連接信息表

數據庫功能實現地圖的完整存儲，以及地圖的完整讀取和重繪。同樣賦予管理員權限的用戶可以直接選擇通過數據庫錄入進行地圖信息輸入，而不需要從終端界面進行繪制。

（3）最短路徑規劃模塊。為方便控制決策中選擇最優路徑進行設計，系統通過數據庫存儲數據，對工位點信息表，工位點連接信息表分析，以Dijkstra矩陣算法實現最短路徑選擇。

文中的電子地圖系統實現了路徑規劃的基本功能，可進行最短路徑長度計算，通過工位點的記錄等。迪科斯徹算法主要用于計算圖中一個節點到其他所有節點的最短路徑[3]，被認為是解決非負權值圖中兩點間最短路徑搜索最合適的算法之一。程序中算法實現步驟如下：

①初始時，S只包含源點，U包含除v外的其他頂點，U中頂點u距離為邊上的權（若v與u有邊）或∞ (若u不是v的出邊鄰接點）。

②從U中選取一個距離v最小的頂點k，把k，加入S中（該選定的距離就是v到k的最短路徑長度）。

③以k為新考慮的中間點，修改U中各頂點的距離；若從源點v到頂點u（u U）的距離（經過頂點k）比原來距離（不經過頂點k）短，則修改頂點u的距離值，修改后的距離值為頂點k的距離加上邊上的權。

④重復步驟（2）和（3）直到所有頂點都包含在S中。

如圖5所示，在查找最短路徑界面中輸入工位點3到工位點7時，地圖界面會自動選擇相關路線，并且將最短路徑長度，路徑工位線路順序完整展示給用戶，其結果與實際完全符合。

（4）預警模塊。AGV運行時擁有一個閾值速度。通常當AGV行駛到例如停止標志時，傳感器反饋的結果所產生的感應時間內因為慣性的原因導致AGV無法瞬間完成停止，會產生誤差或功能損耗等，因此進行預先的提示就是必要的。電子地圖包含完整的地圖信息，當其對AGV進行實時定位時可有效地對當前位置及下一位置信息進行反饋。程序設計中添加接口設置，通過函數InPut－PathAction（double lenth）提前輸入距離反應變量，該變量可以根據不同型號的AGV車輛，進行相關設定。當AGV車輛在地圖中運行到距離某工位點達到該變量值時，預警模塊會通過自定義函數Retroaction（）反饋給控制系統預警信息，以及即將到達工位點的工位信息，從而運動控制系統可通過預警信息進行相關優化。

圖5 最短路徑選擇結果

3 結束語及未來研究

本文通過物流AGV電子地圖系統的搭建，詳細介紹了系統設計及各模塊的基本實現原理，并且通過Dijkstra算法實現單AGV運行中的路徑規劃功能。目前該電子地圖對于多AGV應用還有待于進一步的開發，尤其對多AGV在同時同區域內協同作業時，運行死鎖等問題的解決方案進行深入實現。

[1]Kaloutsakis G,Tsourveloudis N.Spanoudakis P.Design and development of an automated guided vehicle[J].Industrial Technology,2003(2):990-993.

[2]B.V.Cherkassky,A.V.Goldberg,T.Radzik.Shortest Paths Algorithms:Theory and Experimental Evaluation[J].Math Prog,1996,73:129-174.

[3]潘崢嶸，陳曉宇，郭凱,等.基于電子地圖和Dijkstra算法路徑規劃的實現[J].測繪科學，2010,35(4):169-171.