動態精準定位技術在某玻璃纖維企業AGV系統中的應用研究

文/李騰飛 劉新偉 張恩光 張正偉 李煥龍

近年來，隨著用工成本增加，制造企業為降低成本、增加產量，越來越多地應用自動化設備代替人工操作。自動導引小車（AGV）是自動化設備中技術較為成熟的一種，尤其適用于工廠內部搬運頻率高、搬運距離遠、重量較重的物料，從而實現工廠內物料搬運的自動化，更好地協調各個工藝之間進度。

在傳統的AGV物料搬運系統中，取卸貨站臺是固定的，即不會因為其他因素而導致其位置改變。而在某些工業場景下，AGV的取卸貨站臺存在移動問題，從而使AGV難以精確地將貨物放置到指定站臺，或從指定站臺取到貨物，部分學者[1-9]對不同導航方式下AGV定位精度問題進行了研究，還有部分學者[10]對AGV可視化監控技術進行了研究，但目前尚未發現研究取卸貨站臺移動問題的相關文獻。

本文針對某玻璃纖維企業一車間物料搬運過程中取卸貨站臺移動問題進行了研究，通過對實際場景中固有誤差的計算，在AGV系統中添加了激光測距設備，同時將站臺移動的距離離散化，將一個站臺分為多個離散分布的站臺，該方案可使AGV成功駛向合適的站臺，完成取卸貨操作。

一、某車間搬運流程與AGV系統實現

1.搬運流程

某玻璃纖維企業計劃對一車間進行改造，將由人工利用行吊起重機完成的布卷搬運操作，改由AGV完成，以此實現布卷搬運自動化，達到節省勞動力的目的。

該搬運操作主要包含三步：第一步，將放卷機上取下的空軸搬運至空軸架；第二步，操作人員利用行吊將立庫口鐵托盤上的布卷搬運至放卷機；第三步，操作人員利用行吊將空軸放置到立庫口鐵托盤上。搬運操作流程，如圖1所示。

圖1 搬運流程示意圖

2.AGV系統實現

放卷機的機械臂兩側各夾一個布卷，當一個布卷放完后，另一個布卷旋轉到放卷位置，但在放第二卷布開始時，放卷機會根據上一卷布的位置進行小幅度左右移動，使第二卷布與第一卷布對齊，為此AGV系統中添加了激光測距儀，可以根據測距儀讀取的距離參數對AGV放卷位置進行調整。

放卷機機械臂兩種狀態示意圖，如圖2和圖3所示。其中，圖2表示放卷機上側布卷放完布后只?？蛰S的狀態；圖3表示當放卷機上側布卷放完布，放卷機機械臂通過順時針旋轉180°，通過人工搬運將新布卷放置到空軸位置后的狀態。

圖2 放卷機放完卷狀態示意圖

圖3 放卷機補充完新卷示意圖

當放卷機處的布卷放完只?？蛰S時，人工使用移動數據采集器或操縱臺在AGV調度系統下發任務，AGV調度系統接收到任務后通過與NDC系統通訊，實現AGV的搬運工作，具體如圖4所示。

圖4 AGV系統構成

AGV收到系統命令后，前往放卷機執行取空軸動作，在前往放卷機的過程中讀取激光測距儀的參數，AGV系統根據讀取的距離參數為AGV分配放卷機處的站臺。AGV取得空軸后，將空軸搬運至空軸架，執行卸空軸動作；卸完空軸后前往立庫口取布卷，取布卷之前請求立庫口PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）；待立庫PLC允許取貨后，AGV取布卷；取布卷完成后向立庫PLC發送取貨完成信號，立庫PLC回復取貨完成確認；AGV收到取貨完成確認后，前往放卷機；在前往放卷機的過程中，AGV系統讀取激光測距儀的距離參數，根據距離參數將布卷放置放卷機處，最后AGV將空軸架處的空軸搬運至立庫口。在立庫口放置空軸之前，同樣需要對立庫口PLC進行卸貨請求，待立庫口PLC允許卸貨后AGV將空軸放置立庫口；AGV卸完空軸后向立庫口PLC發送卸貨完成信號，待立庫口PLC回復卸貨完成確認后，AGV回到充電站或執行下一個任務。AGV搬運流程，如圖5所示。

圖5 AGV搬運流程圖

二、系統設計重點問題與項目應用中的技術創新

1.系統設計的重點問題

放卷機在開始放新布卷時會進行左右小幅度移動，以此使新放的布卷與原來的布對齊，對齊之后放卷機便不再移動。放卷機移動幅度最大能達到200毫米，這就造成了放卷機站臺位置的不確定，而放卷機允許的最大放置誤差為17毫米（當AGV處于放卷機正中位置時，貨叉距放卷機兩端承接布卷設備的距離），AGV放置誤差超過這個范圍后就會撞到放卷機，無法使布卷準確地放置在放卷機上。AGV放布卷示意圖，如圖6所示。

圖6 AGV放布卷示意圖

如圖7所示，假設需要AGV將物品由A點搬運到B點，A點和B點的位置都是固定的，AGV系統較為容易實現該操作。而如圖8所示，假設不同時刻AGV將物品由A’點搬運到B’點過程中，B’點會在一定長度的范圍內移動，這種移動就增加了AGV放置的難度。

圖7 傳統取卸貨地點

圖8 移動站臺取卸貨

傳統的AGV系統在繪制AGV運行地圖時，所有站臺都是固定的，AGV取卸貨的位置也相對固定。如何在使用傳統繪制的AGV運行地圖前提下，解決取卸貨站臺移動問題，是本文研究的重點。

2.技術創新

針對AGV取卸貨站臺移動問題，本文提出將連續距離離散化，在移動站臺處繪制多個間距近似相等的站臺，并使AGV系統在移動站臺入口點讀取激光測距儀參數，系統根據距離參數分配AGV駛向合適的站臺，如圖9所示。

圖9 離散化站臺示意圖

當AGV從A’點搬運物品到B’點時，因為已經將B’離散化為多個點，所以AGV行駛至C點時AGV系統讀取激光測距儀參數，并根據距離參數分配AGV前往合適的站臺，至此移動站臺的問題就得到了解決。

放卷機處的多個站臺坐標計算方法如下：

為了便于計算，本文假設放卷機只進行橫向移動，縱向坐標恒定。示意圖如圖10所示，其中矩形代表放卷機，放卷機可以橫向移動，左側矩形表示放卷機移動到最左側處的位置，b為放卷機移動到最左側處時激光測距儀的讀數，右側矩形表示放卷機移動到最右側處的位置，a為放卷機移動到最右側處時激光測距儀的讀數，（Xa,Y a）表示當放卷機移動到最右側位置時放卷機處站臺在地圖上的坐標，Xa為橫坐標，Ya為縱坐標，為放卷機最大偏移距離值。當AGV由A點到達C點時，AGV系統讀取激光測距儀距離參數，根據當前距離參數、a，以及（Xa,aY ）確定放卷機在地圖上的坐標，進而確定AGV將要駛向的站臺。

圖10 放卷機（矩形）與激光測距設備（藍色圓形）相對位置示意圖

計算涉及到的參數如下：

a放卷機距激光測距儀最近時（最右側）激光測距儀讀數，當激光測距儀位置確定后，a由放卷機最右側限位決定，單位毫米；

b放卷機距激光測距儀最遠時（最左側）激光測距儀讀數，當激光測距儀位置確定后，b由放卷機最左側限位決定，單位毫米；

本文研究了在放卷機移動場景下，AGV系統通過添加激光測距儀獲取距離參數，對放卷機精準定位，分配合適的站臺，使AGV準確地將布卷放置到放卷機上。

當放卷機距激光測距儀最近時放卷機站臺的橫坐標，單位毫米；

Ya當放卷機距激光測距儀最近時放卷機站臺的縱坐標，單位毫米；

m站臺數量

具體計算步驟：

計算離散化后的站臺數量m；

則第i個站臺的坐標為(Xi,Ya)。

三、實驗與結果分析

實驗采取人工下發任務模式，通過AGV調度系統將任務下發至NDC系統，NDC系統與AGV協作共同完成物料搬運與取卸貨作業。

本次實驗中激光測距儀最大偏移讀數為922毫米，最小偏移讀數為827毫米，最小劃分單元為5毫米，共設有20個站臺，其中站臺與其偏移讀數、偏移讀數范圍對應關系，如表1所示。當激光測距儀讀數范圍在偏移讀數范圍內時，AGV前往指定偏移讀數的站臺。

表1 站臺與偏移讀數對應表

為了驗證精確定位技術在玻纖行業AGV系統中的可行性，本文連續進行了20組實驗，其中每組實驗包括取空軸和放布卷兩種操作，下面對兩種操作在各個站臺取軸、放布卷次數進行統計分析（如圖11所示），并對AGV每次放布卷時實際取軸、放布卷位置與指定取軸、放布卷位置進行誤差分析，具體如圖12所示。

圖11 站臺取軸/放布卷次數圖

圖12 取軸/放布卷誤差及其次數

從圖11中可以看出，AGV取放貨站臺集中在12、13、14、15和16站臺，放卷機在布卷換卷過程中雖然存在移動，但其移動范圍較小。

取軸誤差與放布卷誤差，為AGV實際到達位置與AGV指定到達位置之差的絕對值。從圖12可以看出，在20次實驗中AGV誤差范圍均在3毫米以內，小于允許誤差17毫米，由此可以判斷精確定位技術在AGV系統中具有一定的穩定性。

三、總結

本文研究了在放卷機移動場景下，AGV系統通過添加激光測距儀獲取距離參數，對放卷機精準定位，分配合適的站臺，使AGV準確地將布卷放置到放卷機上。在本文實驗中，AGV取放最大誤差為3毫米，小于最大允許誤差17毫米，AGV取放誤差受到導航方式、載貨狀態、控制系統精度以及地面整潔程度等因素影響，在實際應用中應考慮影響誤差的因素，盡量減少取放誤差。本文研究拓展了AGV作業的應用場景，使原來不適合AGV作業的場景可以用AGV實現。