基于激光引導方式下的AGV叉車研究

梅亞澤 陳小虎 樊雨

諾力智能裝備股份有限公司 浙江 湖州 313000

引言

自動導引車（AGV）配備了自動導引相關硬件，在設備中規劃叉車行駛路線，叉車可以按照預期設定完成一系列作業項目。AGV激光引導叉車使用蓄電池作為動力，可以真正實現無人操作行駛。

AGV叉車的行走路線、一系列站內操作行為由計算機制定。現階段應用AGV技術的叉車多為載重量較小的車輛，對于這類車輛通常使用參數化曲線對其進行設計，參數化設計具有一定的局限性，僅適用于小重量的叉車設計，而不適用載重大的叉車設計：載重大的叉車通常體積更大，這就要求體積更大的叉車需要在車間行進時擁有充足的空間，直接涉及車輛的行進路線，運用激光避障傳感器對叉車行進過程中遇到的障礙物進行探測，并在此基礎上構建了相應的叉車轉角變化動態識別區，以障礙物特征控制點獲得相應的分割點，分割完成后再合并的路徑可以滿足叉車在行駛過程中一系列多約束條件產生的路徑行進障礙。

本次研究中在前人基礎上同時借助AGV、激光引導技術在實現叉車自動作業的同時還可以幫助叉車規劃行駛路徑，避免受到障礙的影響。

1 叉車AGV結構

要將AGV技術運用到叉車上首先需要設計合適的叉車結構作為硬件支持，圖1所示為AGV叉車結構。

1.1 車身

AGV車身分別與驅動總成以及承載輪連接，車身叉腿內側有平移軌道且與前移機構連接。驅動總成實現車輛的行走及轉向[1]。

1.2 前移機構

門架系統固定在前移機構上；門架舉升以及前移機構由液壓體統提供動力，通過油缸的伸縮實現前后移動以及門架的升降。

1.3 滑架機構

滑架機構由貨叉以及貨叉架共同組成，貨叉通過標準卡槽以及緊固螺釘固定在貨叉架上；滑架機構通過鏈輪、鏈條以及鏈條拉桿固定在門架內，實現升降。

2 A*算法改進

2.1 啟發函數改進

以往的A*算法當中只含有一定的距離信息，關于搜索方向、目標方向的一致性處于空白。在此基礎上本次研究對A*算法進行改進，在傳統A*算法的基礎上融入歐幾里得距離模型構建全新的啟發函數，通過這種方式可以更加有效的提升目標搜索效率，優化車輛行進路線：

假設任意路徑矢量存在3點A、B、C，坐標分別記為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）。A到B矢量記為AB，BC為B到C的矢量，其中BD與BC之間的夾角記為 ，構成標準的矢量三角形。

最終求得余弦值最大相似度為1，最小值-1。當數值趨近于1時，表示兩矢量趨于同向；當數值趨近于0時，兩矢量趨近于垂直；當數值趨近于-1，兩矢量趨近于反向。

在改進后的新啟發函數中計算得到的歐幾里得余弦值相似度相比傳統算法可以進一步減少車輛拐點，對于提升叉車提升效率有所幫助，因此進一步進行數據標準化處理。

2.2 平滑策略

平滑策略將路徑、拐點數量作為考量基礎，面對相同的路徑最終選擇拐點最少的路徑作為方案。如圖2所示，優化前子節點位于父節點正下方，此時優化前后的路徑幾乎相同[2]。此時需要沿著父節點pi-2到pi-1方向優先選擇pi作為子節點，并且使用位于父節點右側的子節點對下方子節點進行替換，最終達到節點pi+1，即拐點最少的平滑路徑。

圖2 拐點優化

優化叉車行進路線以后綜合分析因為生產車間障礙物導致叉車新進路線狹窄，需要在未經過平滑優化的路徑當中回溯拐點集中的位置通過引入路徑松弛閾值，適當增加路徑長度，減少直角轉向后，在此基礎上挑選拐點數最少的路徑，通過這種方式避免AGV叉車在行進過程中因為障礙不斷減速或者停止等待。

3 AGV電路改造與編程設計

本次研究中的叉車使用激光引導方式，為了確保引導方式的有效性，需要對控制電路進行適當改造，以此來確保在激光引導方式下AGV叉車行進有效性。

3.1 控制柜

叉車外部控制線路均分布在控制柜當中，其中包括一系列主要的元器件。通過顯示器可以觀察叉車的工作狀態，使用鑰匙實現對控制柜電源的連接與中斷，通過旋鈕實現對AGV叉車的工作狀態的手動切換[3]。當控制柜接通電源后指示燈會亮起。并且在車輛頂部安裝有激光導航傳感器與工業無線。

3.2 控制柜器件與電路設計

器件：電源、交換機、PLC、工控機、繼電器。

電路：激光導航傳感器、激光避障傳感器、行走控制器、轉向控制器、泵電機控制器結合叉車實際作業需要對AGV叉車進行設計以后，實現在激光引導方式下對AGV叉車的有效改造。

3.3 PLC編程

在對PLC進行編程時需要將IO分配表作為依據，本次研究使用的PLC存在24個 24個數字信號輸入口、16個數字輸出口，同時包括擴展的8通道模擬量輸入、4通道模擬量輸出量，編程步驟：①初始化模擬量、計數器；②暫存輸入模擬量；③編碼器歸零；④控制手柄信號。

3.4 AGV調度管理系統

AGV調度管理系統由上位調度系統、AGV地面控制系統、AGV車載控制系統共同組合而成。

4 AGV叉車激光引導測試

AGV叉車整體改造工作完成以后，對改造叉車進行測試以后明確叉車的最大行駛速度可達1.1 m/s。NAV350定位精度±5 mm，因此在實際工作中如果工作車間當中不存在強光線干擾的情況，此時小車的定位精度可以達到±10 m。

實際提升貨叉的過程中，在速度很快的情況下，貨叉在即將到達指定高度時會自然發生反復上升、下降，之所以會出現這種情況是因為貨叉即將達到指定高度時未減速，同時并沒合適的誤差區間，不確定的誤差區間導致貨叉在指定高度周圍震蕩[4]。貨叉接近指定位置時速度通常需要控制＜0.1m/s，誤差范圍＜±10mm，實際使用過程中結合生產需要設置不同的速度并在此基礎上適當提升精度。

叉車在行進過程中，AGV叉車在拐彎過程中需要將兩側承載輪中點作為轉彎圓心，以承載輪到車身最大外輪廓之間的線段距離為半徑，明確轉彎弧度，并且這種拐彎弧度相對平滑，最高時速可達0.5 m/s。

因為電壓具有一定的波動性，且PLC本身控制精度有限，由此造成AGV叉車的行走路徑往往會發生一定的偏移。為了盡量穩定電壓，可以選擇通過穩壓電源實現對輸出電壓的穩定控制，并且優化PLC程序，使用強抗干擾性PLC方式作為小車運行可靠性提升強化的途徑。

本次研究表示，經過AGV與激光引導改造后的叉車，具備按照編寫的任務程序自主執行任務，并且可以實現從一個點到另一個繞過障礙自由取放貨，拉線編碼器定位貨叉提升高度，并且可以結合實際生產需求隨意設置提升高度。根據倉庫、貨載信息對調度系統進行調配，真正實現叉車無人化靈活生產。

5 結束語

叉車是社會生產活動中必要的運輸工具，叉車運輸對速度、精度、高度都具有苛刻的要求。為了提升社會生產效率，本次研究中將AGV、激光引導應用到叉車當中，激光引導AGV叉車可以真正實現無人駕駛與精確運輸。

AGV叉車在行進過程中往往會因為障礙導致行進不順利。為了避免障礙對叉車造成的行進阻礙，本次研究中運用改良A*算法對叉車行進路線進行計算規劃，通常生產車間道路狹窄，因此通過A*算法適當增加路徑長度，減少直角轉向，在多條路徑當中選擇拐點最少、表面平滑的路線。

為了確保AGV叉車的穩定性，首先結合實際工作需求打造合適的結構，并對AGV控制柜電路進行改造，軟件設計工作包括PLC編程與AGV調度管理系統，并且為了提升叉車通信效率需要進行聯網，經過測試本次研究設計的激光引導AGV叉車滿足實際生產需求。