0 引言

    對于物件搬運AGV（自動導引車），導引和定位是其關(guān)鍵研究部分。常用的導引方式有磁導引^[1]、視覺導引^[2]、激光導引^[3]等，定位方式有二維碼定位^[4]、RFID射頻識別定位^[5]、超聲波定位等，其中磁導引磁條鋪設(shè)方便、路徑變更容易，射頻識別不易污染、對聲光無干擾，因此集成RFID技術(shù)的磁導引AGV在自動化生產(chǎn)運輸中的應(yīng)用廣泛。

    針對磁導引中的RFID技術(shù)，已有諸多學者進行研究。顧佳煒等人^[6]通過在電子標簽中寫入標簽編號和運動控制參數(shù)實現(xiàn)AGV導航。李季^[7]采用RFID輔助定位并借助橫向磁條的方式完成車輛轉(zhuǎn)彎、停車等動作。羅雨佳^[8]將AGV轉(zhuǎn)彎動作模式固定，利用標簽信息實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎90°和180°。

    上述文獻大多是把動作指令寫在電子標簽內(nèi)，由于保存的指令信息單一，標簽利用率低，當實際路徑復雜時需布置更多標簽，不利于路徑規(guī)劃和導引。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以解決復雜路徑下AGV的導引問題為目標，提出一種車輛動作指令算法，根據(jù)調(diào)度任務(wù)生成動作指令并保存在車載控制系統(tǒng)，標簽僅作為位置識別以提高車輛行駛靈活性。

1 行駛地圖建模

1.1 地圖組成

    地圖由導引磁條、工位組成，如圖1所示，二者分別用線條和矩形表示。g表示工位，數(shù)量為h，按式(1)對其編號(圖中小矩形右側(cè)數(shù)字)，則工位集合可以表示為G={g₁，g₂，g₃，…，g_h}。l表示線路，數(shù)量為n，規(guī)定橫向、縱向線路編號分別用偶數(shù)、奇數(shù)表示并按式(2)對其編號（圖中圓圈內(nèi)的數(shù)字），線路集合為L={l₁，l₂，…，l_n}。

    基于本文的應(yīng)用場景規(guī)定AGV除了進入工位時貨叉朝前向前行駛外，其余情況下均后退行駛，在線路交叉處、進工位時減速行駛。

1.2 電子標簽布置方式

1.2.1 工位相關(guān)標簽布置

    圖2中p_i1，p_i2，…，p_i7表示電子標簽位置。圖2(a)為AGV直行從左側(cè)進入工位g_i，規(guī)定依次在p_i3、p_i5、p_i4、p_i7處分別減速、由后退行駛變?yōu)榍斑M、前進右轉(zhuǎn)、停車。圖2(b)為AGV后退左轉(zhuǎn)出工位，依次在p_i7、p_i6、p_i1處分別后退直行、后退左轉(zhuǎn)、加速。AGV從工位右側(cè)進、出和其從左側(cè)進、出相似。定義p_ik是和工位g_i相關(guān)的第k個標簽(k∈{1，2，…，7})，按圖2布置，其組成用矩陣S₁表示為：

1.2.2 線路標簽布置

    在每條線路兩端各放置兩個電子標簽。S_ja表示線路l_j上的第a個標簽，a={1，2，3，4}。規(guī)定S_j1、S_j2、S_j3、S_j4在l_j上依次沿坐標軸正方向布置，S_j1和S_j4之間的線段為線路l_j的范圍。車輛在S_j1、S_j4處執(zhí)行轉(zhuǎn)彎指令以進入其他線路，在S_j2、S_j3處執(zhí)行加速或減速指令使其進入l_j時加速，離開l_j時減速。所有線路上的標簽用式(4)所示矩陣S₂表示，最終地圖中所有標簽的布置情況如圖3所示。

2 動作指令算法

    首先對標簽編碼，然后根據(jù)調(diào)度路徑確定經(jīng)過每個標簽的順序，最后根據(jù)標簽排序生成動作指令。

2.1 電子標簽編碼

    電子標簽編碼格式如圖4所示，其中x、y表示標簽在地圖中的坐標，‘pro’表示屬性，即車輛在標簽處可執(zhí)行的動作指令種類，‘line’表示所在線路，‘sit’表示相關(guān)工位號。根據(jù)AGV在線路上的行駛方式規(guī)定S_j1、S_j4的‘pro’位為‘01’，表示轉(zhuǎn)彎，S_j2、S_j3的‘pro’位為‘02’表示加減速。S_ja的‘line’位為其所在線路編號j，‘sit’位用零表示。標簽p_ik的‘pro’位根據(jù)AGV進出工位方式將其用表1表示，‘line’位為p_i1所在的線路編號，‘sit’位為和其相關(guān)的工位編號i。 

2.2 路徑建立與選擇

其中，w表示路徑，數(shù)量為m(m≥m₀)，則所有路徑組成的矩陣可表示為W=[w₁，w₂，…，w_m]^T。l_tx表示路徑w_t的第x條線路，其中w_t={l_t1，l_t2，…，l_tx，…}，t∈{1，2，…，m}，l_tx∈L，設(shè)第t條路徑所包含的線路數(shù)量最大且為n₁，則W為m×n₁階矩陣。對于線路數(shù)目不足n₁的，不足部分用0表示，路徑矩陣用式(6)表示：

2.3 調(diào)度路徑標簽排序方式

    對任意兩條相連接線路上標簽，第一條和第二條分別用l_u、l_v表示。l_u上的標簽為S_u1、S_u2、S_u3、S_u4，l_v上的標簽為S_v1、S_v2、S_v3、S_v4。r₀表示從l_u到l_v經(jīng)過的標簽順序。設(shè)S_u1坐標為(x₁，y₁)，S_v1坐標為(x₂，y₂)，經(jīng)過二者坐標比較可推斷出l_u和l_v的相對位置關(guān)系：

    第一種情況：x₁>x₂，y₁>y₂，如圖5(a)、圖5(b)所示，r₀={S_u4，S_u3，S_u2，S_u1，S_v4，S_v3，S_v2，S_v1}。

    第二種情況：x₁>x₂，y₁<y₂，如果l_u為奇數(shù)，r₀={S_u1，S_u2，S_u3，S_u4，S_v4，S_v3，S_v2，S_v1},對應(yīng)圖5(c)；否則r₀={S_u4，S_u3，S_u2，S_u1，S_v1，S_v2，S_v3，S_v4}，對應(yīng)圖5(d)。同理可推斷出其余幾種情況下的r0元素排列情況。

    對于路徑w_β，首先根據(jù)式(4)選出每段線路上的標簽，然后按照車輛在該路徑上經(jīng)過每個標簽的順序排列，步驟如下：

    (1)將l_β1、l_β2分別視為第一條、第二條線路，根據(jù)坐標關(guān)系判斷出兩者位置關(guān)系。按照兩條線路標簽排序規(guī)則進行排序，并將排序結(jié)果放在數(shù)組r₁中；

    (2)將l_β2、l_β3分別視為第一條、第二條線路進行排序，將l_β3標簽的排序結(jié)果添加在數(shù)組r₁中；

    (3)依次對線路l_β3、l_β4，l_β4、l_β5，…，按照類似步驟(2)的方式排列標簽。

    根據(jù)AGV進出工位的方式刪除r₁中未在l_j1和l_j2上經(jīng)過的標簽，此時r₁中元素個數(shù)用b₁表示。

2.4 動作指令

    動作指令格式如圖6所示，前5位為電子標簽編碼，‘ins’位為AGV在前5位對應(yīng)的標簽處執(zhí)行的動作指令,按其功能不同進行編碼，如表2所示。AGV從起始工位gs到目標工位ge過程中，按照出工位、路徑上行駛、進工位的順序行駛，RFID閱讀器持續(xù)讀取地面標簽信息并將其傳遞給車載控制系統(tǒng)，通過依次按條件執(zhí)行指令完成調(diào)度任務(wù)，條件為當前讀取的標簽信息和要執(zhí)行指令的標簽編碼位一致。

2.4.1 出工位動作指令

    R₁表示出工位動作指令集合。如果AGV從左側(cè)出工位，則在S₁第S行‘pro’位為‘09’、‘08’、‘03’的標簽編碼后分別添加‘00’、‘01’和‘05’，否則在S₁第S行‘pro’位為‘09’、‘08’、‘07’的標簽編碼后分別添加‘00’、‘02’和‘05’，并依次作為R₁中第1、2、3條動作指令。

2.4.2 路徑動作指令

    分別對r₁中b₁個標簽按‘pro’位確定動作指令。R₂表示路徑動作指令集合，圖7為其判斷流程。

2.4.3 進工位動作指令

    R₃表示出工位動作指令集合。AGV從左側(cè)進工位，在S1第e行‘pro’位為‘05’、‘07’、‘06’、‘09’的標簽編碼后分別添加‘06’、‘07’、‘04’、‘08’；否則在該行‘pro’位為‘05’、‘03’、‘04’、‘09’的標簽編碼后分別添加‘06’、 07’、‘03’、‘08’，并依次作為R3中第1、2、3、4條指令。

    每次執(zhí)行任務(wù)的完整指令集合用R表示，則：

3 試驗結(jié)果及分析

    在圖7中選擇工位12、13、17、18進行試驗。標簽編碼如圖8所示，前兩位為x坐標，第3~4位為y坐標，第5~6位表示屬性，第7~8位為其所在線路編號，最后兩位為和其相關(guān)工位編號。

    在VC++6.0中編寫車輛動作指令程序，選取基于ARM架構(gòu)并集成了RC522射頻識別模塊的模型車作為試驗對象。圖9為鋪設(shè)導引線和放置標簽后的實際車輛運行圖。試驗表明，車輛能夠按照預期的目的完成調(diào)度任務(wù)。圖10為將動作指令寫入標簽內(nèi)的導引方式，AGV通過執(zhí)行標簽內(nèi)指令完成加減速等動作。因地面標簽布置結(jié)束后其內(nèi)部指令信息已確定，所以車輛經(jīng)過每個標簽時僅能完成某個固定動作，導引方式相對單一,靈活性差。

    選取不同的起始工位和目標工位進行組合，代表不同調(diào)度任務(wù)，在C++6.0中其每次運算結(jié)果如圖11所示，每條動作指令前10位為電子標簽編碼，最后兩位為AGV在該標簽執(zhí)行的動作。

    由圖11(a)、11(b)可知任務(wù)1、2的行駛路線分別為20→22→24，20→22→21→18，AGV均經(jīng)過了標簽4610012200，任務(wù)1中沒有該標簽對應(yīng)的指令，AGV在此處不執(zhí)行任何指令，從線路22保持直行狀態(tài)進入線路24；任務(wù)2中在該標簽對應(yīng)的指令為461001220002，最后兩位‘02’表示AGV在此處后退右轉(zhuǎn)，由線路22進入線路21。對比可得： AGV僅在滿足動作指令執(zhí)行條件的標簽處執(zhí)行該指令。

    由圖11(c)、11(d)可知任務(wù)3、4的行駛路線分別為24→21→16→14，24→21→18，AGV均經(jīng)過了標簽4722012100，任務(wù)3中AGV在該標簽對應(yīng)的指令為472201210002，最后兩位‘02’表示AGV在此處后退右轉(zhuǎn)，由線路21進入線路16；任務(wù)4中在該標簽對應(yīng)的指令為472201210001，最后兩位‘01’表示AGV在此處后退左轉(zhuǎn)，由線路21進入線路18。對比可得：AGV完成不同任務(wù)時在同一個標簽處能夠執(zhí)行不同的指令，增加了行駛靈活性。

4 總結(jié)

    本文采取了電子標簽作為位置識別，且動作指令根據(jù)具體任務(wù)由算法生成并存儲在車載控制系統(tǒng)的方式，使得車輛在執(zhí)行不同任務(wù)過程中經(jīng)過同一電子標簽時可執(zhí)行不同的動作指令，彌補了傳統(tǒng)導航方式中行駛路線固定、在標簽處執(zhí)行指令單一的不足。該方法解決了復雜路徑下車輛的導引問題，提高了行駛靈活性和標簽利用率，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻

[1] 王惠嬌.AGV磁導航數(shù)據(jù)的高速獲取和偏差處理[J].工業(yè)控制計算機，2017，30(9)：91-92.

[2] 李照，舒志兵，嚴亮.基于模糊路徑糾偏的AGV視覺精定位研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(4)：81-85.

[3] 唐瑞，顏文俊.激光導引AGV的轉(zhuǎn)彎算法研究[J].機電工程，2015，32(10)：1390-1394.

[4] 楊友良，胡少輝，趙麗宏，等.基于二維碼定位導航的兩輪差速轉(zhuǎn)向AGV設(shè)計[J].物流科技，2017，40(10)：40-42.

[5] 張力，徐曄曄，夏超.基于RFID定位的AGV導航系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2017(5)：67-69.

[6] 顧佳煒，樓佩煌.基于無線射頻識別技術(shù)的自動導引車導航方法的研究[J].電工電氣，2009(12)：22-24.

[7] 李季.磁導引AGV的設(shè)計[D].濟南：山東大學，2013.

[8] 羅雨佳.夾抱搬運型AGV的設(shè)計與可靠性分析[D].成都：電子科技大學，2017.

作者信息：

牛秦玉，李珍惜，田海波

(西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安710000)