關于AGV叉車在物流倉儲行業中的設計研究

陳小虎 樊雨 梅亞澤

諾力智能裝備股份有限公司 浙江 湖州 313000

伴隨工業4.0和智慧物流的持續推進，AGV叉車成為物流倉儲行業主流應用場景的重要設備，在智能倉儲管理系統中發揮舉足輕重的作用[1]。對物流倉儲行業的生產、運輸和成本管理來講能夠顯著減少倉管人員的工作時間、提升勞動生產效率、降低人工、加速倉庫貨物存取速度，大幅度提升倉庫自動化水準，全面實現物流倉儲行業柔性運輸和運輸自動化[2]。文章主要研究AGV叉車在智能物流倉儲中的結構設計、形式設計，通過觸摸屏HMI人機交互頁面設計、叉車行走路徑設計、叉車行走荷載設計，使得AGV叉車能夠適應更高的載荷要求，在更加復雜和嚴苛的工作環境下能夠連續工作，具有明顯的社會效益。

1 AGV叉車軟硬件系統結構設計

AGV叉車主要用于物流周轉，是由液壓升降系統、驅動系統、控制系統、導引系統、通信系統、警示系統、操作系統和動力電源構成，是結合液壓升降和控制系統的可編程無線調度自動導引小車，核心配置均使用全球頂級品牌的核心元件，在導航及安全傳感器上選用的產品和解決方案均能確保AGV叉車具備高性能和長壽命。

1.1 AGV叉車智能倉儲管理軟件系統結構設計

圖1 智能倉儲管理軟件系統結構（IWNS）

通過上述軟件管理系統結構，AGV叉車可以實現地面控制、任務管理、車輛管理、交通管理、通訊管理、車輛驅動等功能[3]。

1.2 AGV叉車硬件系統結構設計

針對物流倉儲行業中較常出現的溫度、濕度、粉塵等特殊工況，以及集成項目的中多車、多設備調度的應用場景，使用科爾摩根為AGV提供車輛自動化套件，此系統在車載控制、導航技術、調度系統等方面具有穩定性高、精度高、靈活高效等特點，此系統包含：驅動器、車輛控制器、編碼器、顯示器、激光導航雷達、安全感應器和車輛I/O等。

通過上述硬件系統結構，AGV叉車可以實現任務分配、車輛調度、路線管理、交通管理和自動充電等功能，車輛控制器在收到系統指令之后，AGV的導航傳感器負責計算和導引AGV叉車實現行走、裝卸等一系列操作行為，光電傳感器和導航傳感器負責為AGV叉車提供系統絕對、相對位置及具體航向。

因為AGV叉車硬件系統結構是一套復雜的控制系統結構，所以系統在硬件配置上主要以支持AGV叉車從路徑規劃、流程設計、系統仿真到項目實施全過程的設計流程，主要根據具體的應用場景進行規劃修改和路徑設計，提供定義不同的AGV叉車編程語言。這種由多臺AGV叉車共同組成的柔性物流搬運系統，在具體搬運過程中可以根據工藝流程的變化及時調整搬運路線，促使生產線的生產柔性與生產競爭能力極大程度提升[4]。

2 AGV叉車車載模塊設計

為確保AGV叉車可以高性能和長壽命的穩定運行，在進行硬件系統設計的過程中選取抗干擾能力較強的專用控制器，叉車采用激光掃描外界環境信息，根據掃描所得數據確定具體位置，根據預設路徑在制定區域內形式，根據具體指令執行相應動作。

2.1 傳感模塊

考慮到物流倉儲行業的實際工況，數據采集選用可靠性較高的激光測障傳感器進行可靠而且精準的測量，通過其高精度和短時間內響應的特性，完成車載全部傳感器的信息采集和處理。

2.2 定位導航模塊

AGV叉車通過激光導航雷達360°高精度掃描周圍環境輪廓信息，同時可以通過電磁感應、圖像識別等可選導引方式實時讀取坐標與AGV叉車車體方向角，獲取數據為根據計算AGV叉車所在柵格站點坐標信息，導航精度高、可控性好，對路徑相對復雜、站點較多的軌跡配備RFID進行識別，確保多站點最科學路徑規劃和自由調配。

2.3 安全裝置模塊

AGV叉車的安全模塊是車載控制系統最為重要的組成部分，主要保障AGV叉車運動動作功能的安全，防止AGV叉車在運行中出現差錯，確保AGV叉車功能的順利實現，在最大范圍內確保AGV叉車動作的安全性。安全模塊主要分為障礙物接近檢測裝置和接觸檢測裝置兩種，針對障礙物接近檢測裝置采用激光掃描，針對接觸檢測裝置主要采用機械防撞圍欄或安全防撞觸邊。

2.4 通訊信號模塊

通訊模塊屬于AGV叉車和上位控制機交換信息和命令的主要樞紐。目前AGV叉車采用的無線通信主要包含無線局域網和無線數字傳輸模式兩種，但是因為無線數字傳輸模塊并不支持全雙工模式，同時輸入和輸出切換等待時間較長，模塊傳輸速率較低，因此，AGV叉車與上位機通訊主要采用由無線網和無線路由器組成的無線局域網模式實施。

2.5 動作模塊

AGV叉車動作模塊主要包括驅動轉向裝置及貨物移載裝置，整個動作模塊的設置直接決定了AGV叉車的運動性能。通常AGV叉車的驅動系統分為差速驅動系統、單舵輪驅動系統、雙舵輪驅動系統、多舵輪驅動系統等，貨物移載裝置可根據貨物尺寸和移栽特性進行定制。實際設計中根據不同的工況、不同的車輛載荷、不同的運行軌跡需要選用不同的驅動系統和貨物移載裝置，充分保障AGV叉車結構緊湊、運動靈活穩定。

2.6 測障模塊

考慮到物流倉儲行業在現場實際工作環境中將會產生不可預估的變化，為了提升AGV叉車抗干擾和糾錯能力，在AGV叉車前后左右采取若干紅外避障傳感器進行糾錯補償，達到對周邊環境進行探測的最佳效果，提升AGV叉車運行的可靠程度。同時可以采取激光、光電、超聲波等多重避障方式與本機固有的機械觸邊碰撞感應傳感器進行組合，組成全方位避障防護網，科學規避運動過程中的潛在危險。

3 AGV叉車行走實測

3.1 觸摸屏HMI人機交互頁面設計

HMI是系統和操作人員進行交互和信息互換的媒介，設計主要在AGV自動導引車上將功能與手勢進行對應連接，以此通過次序和條件實現進一步的功能。HMI人機交互頁面設計要方便操作人員進行數據觀察，隨時可以進行手動控制模式切換，主要按照處理事件順序、訪問查看順序、控制工藝流程等設計監控管理及人機對話主界面和二級界面順序進行設置，采用觸摸屏編程調試軟件編輯，可與可編程控制器建立通信連接，通過軟件編輯可實現工程畫面創建、圖形繪制、對象配置和設置及數據傳輸等功能。

3.2 叉車行走路徑設計

為確保AGV叉車的路徑規劃設計為最優方案，同時深入挖掘物流系統配送路徑優化問題的含義與特征，建立環境電子地圖模型，計算基于AGV最短行走路徑數學模型。通過制定優先級交通規則法和沖突檢測法約束AGV叉車通行策略，采取路徑調整方法解決沖突問題，利用制定規則規避碰撞危險，保證AGV叉車在系統中協調同行。主要根據物流倉儲貨倉實際位置選取若干點作為行走節點，盡可能保證目標站點之間的節點對象連續穩定。

3.3 叉車行走荷載設計

AGV叉車車輛行走載荷計算公式如下：

C為載荷中心距，為固定值，Y為貨物重心線至貨叉垂直段前臂水平距離值，X為前懸距，叉車前輪中心線至貨叉垂直短前臂的水平距離值，為固定值。

通過傳感器導引，AGV叉車載重行走在輕載時只要環境無劇烈光線變化或物體變化不大，叉車定位精度能夠最高達到10mm，在AGV叉車工作范圍之內，在任意角度任意工作范圍之內，叉車可以根據預設的程序和線路選擇正確方向并回到最初的起點。在此過程中，一旦發現AGV叉車產生反復上升和反復下降的震蕩情況，可以通過PID控制器調節P/I/D的具體數值，最終解決上下震蕩的異常情況，引導叉車按照預先設計的任務程序執行取放貨物操作，同時，系統根據物流倉儲信息對AGV叉車進行自動導引調度，實現無人生產和無人操作。

4 結束語

AGV叉車屬于集成機械化、電子化、智能化和信息化的產物，是物流倉儲行業重要周轉機械，主要采用激光導航、圖像識別等作為導航方式，輔助RFID識別可運行與復雜路徑、多站點可靠循跡，主驅動采用舵輪或差速驅動系統，促使AGV叉車運行相應迅速、定位精準，另外，獨立液壓升降系統能夠輔助高精度位移傳感器促使AGV叉車在升降行程內任意位置停靠，大大提高AGV叉車裝載柔性化和舉升位置精準程度。

近年來，伴隨物流倉儲行業應用AGV叉車的場景逐漸增多，倉儲叉車面對的智能化需求逐漸升高，智能物流倉儲場景需要智能化AGV叉車搭建，用以提升物流倉儲效率、提升準確概率。目前，大部分物流倉儲場景已經通過AGV叉車體系滿足不同的需求，但是仍然在核心技術和產品性能上存在一系列問題，文章對AGV叉車軟硬件系統結構設計、AGV叉車車載模塊設計、AGV叉車行走實測進行了簡要闡述，通過觸摸屏HMI人機交互頁面設計、叉車行走路徑設計、叉車行走荷載設計，使得AGV叉車能夠適應更高的載荷要求，在更加復雜和嚴苛的工作環境下能夠連續工作，具有明顯的社會效益。