一種適用于集裝箱運輸的新型AGV系統設計

摘 ?要：當前先進的集裝箱自動化碼頭水平運輸系統，主要以基于磁釘導航的AGV系統，來完成集裝箱在碼頭前沿和堆場之間的自動化轉運。該類AGV系統雖可靠性高，適用于碼頭復雜的作業環境，但同時要求碼頭在基礎建設中鋪設大量的磁釘，不利于傳統碼頭的升級改造，具有局限性。本文設計了一種適用于集裝箱運輸的新型AGV系統，基于多傳感器信息融合技術的導航技術，滿足傳統碼頭的建設需求。系統主要從AGV車體、控制系統架構、軟件系統等多方面進行設計，使得產品具有顯著的優越性、可行性和可實施性。

關鍵詞：集裝箱;自動化碼頭;AGV;導航技術

中圖分類號：TH247 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0148-04

Abstract：At present，the advanced horizontal transportation system of container automation wharf mainly uses AGV system guided by magnetic nails to complete the automatic transshipment of containers between the front of the wharf and the yard. The AGV system has high reliability and is suitable for complex working environment of wharf，but at the same time，it requires a large number of magnetic nails to be laid in the infrastructure of wharf，which has limitations and is not conducive to the upgrading and transformation of traditional wharf. In this paper，a new AGV system for container transportation is designed. The navigation technology based on multi-sensor information fusion technology meets the construction requirements of traditional terminals. The system is designed from the aspects of AGV line-controlled car body，control system architecture，software system and so on，which makes the product have remarkable advantages，feasibility and practicability.

Keywords：container;automation terminal;AGV;navigation technology

0 ?引 ?言

隨著全球貿易的快速發展，港口碼頭在全球貿易發展中占據非常重要的地位，起到了貨物中轉和裝卸的作用。集裝箱碼頭是包括可以容納集裝箱裝卸作業以及運輸過程的具有明確邊界的區域。近幾十年來，貿易進出口量以約70%的增長率增長，海運貿易量占了三分之二。集裝箱運輸是連接海運和其他運輸方式的橋梁。隨著集裝箱吞吐量的增加，船舶大型化不斷發展，提高集裝箱碼頭的核心競爭力尤為重要[1]。目前，自動化集裝箱碼頭已經是全世界港口發展的方向，受到碼頭運營商的高度重視，對于我國集裝箱港口，要提升港口競爭力，不斷研究和發展自動化技術是一個非常關鍵的方向。集裝箱AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引運輸車）是銜接碼頭前沿到堆場的重要環節，是集裝箱碼頭作業效率、投資與營運成本、環境安全及吞吐能力的關鍵影響因素，因此探索一種適用于集裝箱運輸的新型AGV系統既可以用于新碼頭運行，也可以對傳統的舊碼頭自動化升級改造，是一項非常具有現實意義的研究。

1 ?功能需求

由于AGV的作用是代替人工完成集裝箱在碼頭前沿和堆場之間的集裝箱卡車運輸，同時考慮提高作業效率、降低生產成本等關鍵因素，所以必須具備以下一些基本的功能：（1）支持全天候運行，適應碼頭前沿特定區域自動化轉運作業[2];（2）能適應并承載常見集裝箱尺寸大小，滿足20、2×20、40、45英尺標準集裝箱裝載，額定承載61t;（3）AGV集成基于激光雷達等多傳感器信息融合技術的自動駕駛技術，完成AGV即時定位、環境感知、運動規劃控制與故障診斷，實現集裝箱無人轉運;（4）具備與遠端調度系統的無線通信功能，發送車輛位置、狀態等信息，接收調度系統發出的任務、路線等指令;（5）具有故障診斷能力，在位置錯誤、環境不符、機械故障等情況下可啟動應急反應機制、記錄故障數據，并向水平運輸系統發送錯誤信息，便于現場維護、部件更換;（6）AGV具備自動駕駛和手動操控兩種模式，自動駕駛模式用于無人化作業，手動操作模式用于現場維護和應急處理;（7）AGV能在碼頭前沿岸橋和堆場交換區定點停車，距離指定區域邊界距離誤差不大于2cm。指定位置的停車精度考慮到集裝箱在岸橋和堆場吊機的起落精準度，兩者之間的誤差小，才能保證裝卸流程的一致性，也會使裝卸流程更加流暢，是效率提升的關鍵。

2 ?結構設計

國內外集裝箱自動運輸車主要分為AGV和無人集卡兩大類。考慮到車輛在轉運過程中，需要較高的速度精度和轉向精度才能達到指定區域定點停車的精度要求，所以本文選擇AGV作為車輛的主體架構。首先確定AGV的傳動形式，針對碼頭環境的復雜性和作業空間多樣化，具有全輪轉向獨立驅動的結構更適合作業需求。整個AGV采用4軸轉向輪，配置4個轉向電機，轉向精度達到0.1°，轉向角度為±90.0°，具有直線、轉彎、斜行、橫行、中心回轉功能。其次在整車動力方面選用純電池動力形式，滿足碼頭作業環境要求，噪聲小，污染少，符合清潔能源，是未來AGV發展的主流方向。由于AGV的承載需求上，需要滿足61t的承載能力，考慮到沖擊載荷要求，AGV需要具備沖擊載荷70t。根據作業要求，AGV的物理尺寸為長16.50m×寬3.10m×高2.25m，自身重量30t。在動力性能方面，行駛速度設計直行空載速度：8.0m/s，直行重載速度：5.0m/s，彎道速度：3.0m/s;加速度設計直行空載加速度1.0m/s2，直行重載加速度0.5m/s2。考慮到AGV在行駛過程中的定位需求，需要安裝GPS接收天線及激光雷達，GPS在工作時不能被集裝箱遮擋，因此設計了安裝支架用于傳感器固定，車身周圍也布置了相應的安裝附件。AGV的整體示意圖如圖1所示。

AGV機電控制系統要求具備車輛線控化，通訊參數基于CAN總線。能提供自動駕駛系統設備的安裝位置空間、穩定電源供應、物理防護和保護，車輛需有自動駕駛傳感器安裝的支架等。

具體的設計參數如表1所示。

3 ?控制系統設計

AGV以基于CAN總線通訊網絡，以AGV線控車輛系統，基于多傳感器信息融合的自動駕駛系統及遠端的調度系統等組成[3]，實現對AGV的精確定位及速度和轉向控制。AGV需要在碼頭安全可靠地自動駕駛，需要自動駕駛系統具備定位功能、環境感知功能、規劃控制功能和故障診斷功能。AGV運行的任務信息來源于調度系統，AGV在工作過程中需要接收調度管理系統的運輸任務，在運輸任務完成后需要向調度管理系統發送任務完成信號，完成AGV與碼頭調度管理系統之間的數據通訊，通訊方式采用4G網絡通訊。控制系統的總體框架如圖2所示。

AGV自動駕駛的定位系統用來持續解析出AGV的位姿坐標，以指導AGV的運行控制。在行駛過程中，準確的定位使得AGV能夠按規劃出的路徑行駛，使AGV不跑偏;在指定的裝卸位置時，要求有精確的定位，保證裝卸的準確性。考慮到指定裝卸位置的停車精度在0.02m以內，系統采用在指定裝卸位置布置磁釘的方式，達到定位要求。

環境感知系統的主要功能是在AGV行駛過程中，檢測與AGV行駛相關的信息，如行駛區域的人、其他車輛等障礙物的距離、方位等信息，計算障礙物等是否會與AGV發生碰撞等，提前讓AGV做好預測準備，保障自動駕駛的安全。

AGV自動駕駛系統在以上兩個子系統設計中運用了多種傳感器，主要安裝方式及位置如表2所示。

AGV的控制模式主要有手動控制和自動駕駛控制，AGV控制流程如圖3所示。主要以調度系統、自動駕駛系統、線控車體三者之間的決策控制完成。

（1）具體的控制策略：上電自檢，軟件系統啟動，加載地圖，定位初始化，AGV得出當前的位置信息，下一步主要是在自動駕駛模式下接收調度系統的指令。（2）正常工作方式：主要在AGV調度系統的統一調配下，依據AGV本身狀態信息、任務信息、環境感知信息、定位信息、高精地圖，規劃AGV行駛路線，控制AGV避碰、停車等行為;基于AGV數學模型，做軌跡跟蹤控制[4]，向AGV線控車體系統輸出速度、加速度、轉向信息等;同時響應用戶切換為手動操作模式。（3）應急工作方式：AGV處于手動遙控模式時，車載遙控接收機接收遙控器的操縱信號，車體電控系統依據遙控器信號實現對車體的控制。可用頻率數為433MHz，有效操作距離為100m以內。

4 ?系統的軟件設計

AGV系統軟件采用模塊化結構設計，其中自動駕駛系統采用C++語言[5]，基于Qt開發工具進行開發，界面友好，主要用于定位感知層、決策層、控制層等智能算法處理模塊;AGV系統的響應和執行結構為線控車體系統，編程語言采用德國3S公司的CoDeSys軟PLC開發包，符合IEC 61131-3國際標準。兩者之間的通訊是基于CAN總線的網絡通訊。圖4是系統的軟件結構。

5 ?結 ?論

一種適用于集裝箱運輸的新型AGV系統，將基于激光雷達等多傳感器信息融合的定位感知、基于全輪獨立轉向控制的線控車體等技術成功應用于自動化碼頭的集裝箱無人化轉運。AGV車體設計結構緊湊、承載能力強、速度性能優越。多輛AGV可組成車隊，由遠端調度系統統一調度，大大提高了轉運的效率。總之，集裝箱運輸的新型AGV系統是未來自動化碼頭水平運輸的重要組成部分。

參考文獻：

[1] 張廣斌，胡文輝，陳金龍.自動化集裝箱運輸車AGV動力能源系統 [J].起重運輸機械，2018（9）：64-68.

[2] 彭傳圣.集裝箱碼頭的自動化運轉 [J].港口裝卸，2003（2）：1-6.

[3] 楊瑞.自動化集裝箱碼頭管控一體化系統技術研究 [J].中國水運（下半月），2015，15（1）：60-63.

[4] 康志敏.集裝箱自動化碼頭AGV路徑優化和調度研究 [D].武漢：武漢理工大學，2011.

[5] 孫鑫，余安萍.VC++深入詳解 [M].北京：電子工業出版社，2006.

作者簡介：鄧燁峰（1982），男，漢族，浙江紹興人，工程師，碩士研究生，研究方向：智能裝備系統、電子信息系統。