AGV系统在洛阳卷烟厂易地技改的设计与应用

AGV系统在洛阳卷烟厂易地技改的设计与应用

文｜河南中烟工业有限责任公司洛阳卷烟厂

刘进

近年来，新一代智能制造的发展越来越受到各国的重视，并被规划到国家战略层面，如德国的《国家工业战略2030》、美国的《美国将主宰工业的未来》报告、中国的《中国制造2025》。河南中烟洛阳卷烟厂积极响应国家智能制造政策，大胆引进国有自主研发的AGV系统，完成辅助物料的自动化运输，实现柔性化作业。

一、概述

1. 项目描述

河南中烟洛阳卷烟厂搬迁技改项目，卷烟房及滤棒成型车间辅料智能输送系统拟采用移动机器人系统（AGVS）进行自动配送。系统方案根据工厂布局及工艺要求设计，实现辅料及空托盘的自动配送，从而节省人工，提高生产效率，实现智能化。同时，物料信息可实时追溯。

2.项目总体规划

图1 总体规划图

整体规划图如图1所示，AGV主要运行区域如下：

（1）立体仓库出库工作站（2台）；

（2）立体库内空托盘/残料返回工作站；

（3）AGV充电区；

（4）滤棒车间；

（5）包装封口车间；

（6）卷对卷包装车间。

叉车AGV主要负责生产线辅料及空托盘的运输，将指定的满托盘从立体仓的出库平台送至车间所需的工位；同时将空托盘/余料返回至回料平台。

作业过程中，客户的仓库管理系统（WMS）根据生产所需物料，将取货、卸货地点发送给AGV调度系统，调度系统调度就近的AGV将托盘运送到装配工位所需地点，AGV小车完成作业后，AGV调度系统通知WMS系统任务完成。

当某个工位产生空托盘或者剩余托盘时，仓库管理系统（WMS）通知AGV调度系统自动将其运送至高架仓库的返回站。

2. 输入条件

1.工作系统

三班制，8小时/班；

出库发货分三班，21小时/天；

2.最大生产能力（如表1所示）

表 1 容量

3.AGV系统设计

AGV系统主要由AGV调度系统和AGV车辆控制系统两部分组成，下面就这两部分进行详细介绍；

1.调度系统设计

车辆调度系统是为了使多辆车辆能够在同一项目工作场景中同时运行，在不发生碰撞的情况下完成指定任务，并实时监控车辆信息，以保证系统平稳高效地运行。智能调度系统研究的主要核心内容包括路径规划和交通控制。下面我们将进一步阐述这两个方面。

（1）路径规划

路径规划需要解决的问题是如何基于现有的电子地图数据生成一条从任务起点到任务终点的最优路线，以保证车辆能够顺利完成调度员指定的任务。研究内容主要包括以下几个方面：

环境建模：环境建模是路径规划的重要组成部分，其目的是将项目现场的信息转换成计算机能够识别和处理的电子环境地图，建立便于计算机用于路径规划的环境模型，将实际的物理空间抽象成算法可以处理的抽象空间，并实现相互映射。

路径搜索：路径搜索阶段是根据环境模型，应用相应的算法寻找一条行走路径，使得预定的路径性能评价函数取得最优值，利用该算法生成从任务起点到任务终点的最短路径。

路径平滑：由于叉车AGV属于欠驱动系统，相应算法搜索到的路径并不是AGV实际能够行走的路径，需要进一步处理平滑才能成为实用的路径。采用自主研发的路径平滑算法对路径进行处理，生成AGV实际行驶的路径。

路径优化：路径规划算法生成的路径虽然是最短路径，但不一定就是最优路径。需要认真分析现场环境，提取影响最优路径的特征参数，如转弯次数、路径拥堵程度、路径宽度、特殊工况等，作为下一步路径优化的指标。通过深度学习与蚁群算法相结合，对算法规划的路径不断学习优化，最终得到一条近似最优路径。

（2）交通管制

在动态路径规划算法的基础上衍生出预测交通控制，即根据路径规划，分配并锁定沿途路径线路，提前预测交通问题，改变路径策略。

路径规划完成后，需要控制AGV使它沿着规划的路径行驶。在规划路径中，每条路径线都有行驶、等待行驶、已规划三种状态。

行驶是指AGV在路径线上行驶，或者停在路径线上的终点，不能被其他AGV列为行驶路径，不受重量变化和路径规划的影响。当AGV行驶完毕后，需要从规划路径中删除该路径线，将下一条要行驶的路径改为行驶路径。

等待行驶，表示AGV准备行驶的路径。不能被其他AGV列为等待路径，不受重量变化和路径规划的影响。

，表示已经规划到此路径。受重量变化和路径规划的影响，可以列为任意一条AGV行驶的路径。

从点A到点T的最佳路径是：1-2-3-4-9-18-27

当AGV在A点时，1为正在行驶的路径，2、3、4为需要行驶的路径，9、18、27为规划路径。参见图2。

图2 AGV行驶至A点时的路径规划

当AGV行驶到B点时，规划路径中删除1，2为正在行驶的路径，3、4、9为待行驶的路径，18、27为规划路径。参见图3。

图3 AGV行驶至B点时的路径规划

当上述算法用于路径规划和AGV控制时，交通控制行为就变成了禁止将“规划”路径转换成“待行驶”路径的行为。

当路径规划模块需要将“规划”路径转换为“待行进”路径时，需要询问交通控制模块是否可以进行转换。

交通管制不管理AGV的启动、停止、以及速度。

默认情况下，判断某条线路是否可以转为等待行驶状态的条件为：

（a）该航线未被其他航线指定为“等待通行”或“正在通行”

（b）路径终点处没有停放 AGV

（c）该路径的终点不是其他“待行进”或“已行进”路径的终点

2.AGV车辆控制系统设计

智能AGV车载控制系统通过拟人控制和智能积分PID运动控制算法输出速度、角度等控制量，从而实时控制AGV的运动；智能AGV控制系统通过激光避障传感器、防撞条等实时数据采集，实现AGV的安全防护；同时智能AGV控制系统还支持TCP网络通讯功能，实时接收调度系统指令并定期向调度系统反馈AGV状态信息；智能AGV控制系统还包含语音、三色灯、工业触摸屏等控制模块，方便故障报警和诊断；下面我们从硬件模块、运输控制算法概述、电池选择方案三个方面进行较为详细的介绍。

（1）硬件模块

图4 AGV车辆控制系统硬件模块

图4为NDC8 AGV车辆控制硬件模块组成，主要由车辆控制器、激光导航传感器、激光避障传感器、IO控制、编码器、工控屏、驱动器、手持控制器等组成。

（2）云控制算法概述

在真正开始实现AGV的控制之前，我们首先需要分析一下AGV驱动控制的数学模型。抛开那些与运动控制无关的AGV部分，我们对AGV结构进行了极大的简化。最后我们发现AGV叉车的运动其实就是三轮车模型。也就是说，只要我们彻底分析了三轮车模型的数学本质，就掌握了叉车控制的本质问题，从而为最终实现叉车实体的运动控制打下了良好的基础。接下来我们来分析一下三轮车的数学模型。

图5 AGV叉车数学模型

如图5所示，叉车可以简化为三轮车模型。A为驱动轮，B为方向轮中心点。点O为旋转中心。驱动轮旋转角度为γ，叉车速度为V，当前叉车车身与全局坐标系成角度θ。叉车轮距为L，驱动轮A到旋转中心O的距离为R1，B到O的距离为R2。

从上面的叉车模型，我们可以得出结论：

从编码器计算出的坐标：

那么只要给定AGV的初始位置，结合编码器轨迹计算，就能计算出AGV的当前位置，实现AGV行走轨迹的跟踪。

但由于地面不平、AGV车轮打滑等各种原因，编码器计算出来的AGV位置逐渐出现偏差，提供的位置信息与实际的AGV位置偏差严重。因此采用上述方法计算出来的AGV位置只能保证在很短的时间间隔内是准确的。因此还需要提供比编码器更精确的AGV导航定位传感器。这里采用德国SICK公司的激光导航传感器作为主导航传感器。将激光导航传感器数据与编码器数据相结合，可以提高叉车位置更新频率，叉车的导航定位精度也能大大提高。主流的方法是采用卡尔曼滤波将激光导航传感器与编码器数据进行融合，得到的位置信息更加真实可靠。

编码器预测值：

激光导航传感器值：

二者通过扩展非线性卡尔曼滤波进行数据融合，得到当前AGV位置。

（3）电池选择方案

AGV所采用的电池主要有镍镉电池、锂电池、铅酸电池，这三种电池的主要特性对比如表2所示。

表2 主要电池特性比较

在实际项目中，根据自己的需求选择合适的电池。在我们的项目中，我们选择了镍镉电池，主要是因为镍镉电池支持大电流充电，安全性较高。镍镉电池及智能充电桩的主要参数如表3所示。

表3 电池参数

4. 效率模拟

我们采用NDC软件进行仿真，共计4台AGV，包括充电时间（充放电比为1：6），AGV仿真速度设置如表4所示。AGV在实际运行过程中，实际速度会与仿真软件中的速度基本一致。因此，我们可以通过仿真结果评估AGV的运行效率和AGV数量，确保项目的成功实施和风险控制。

表4 AGV速度

任务下发方法：以通道中间平台为测试对象，连续下发4个任务，如图6所示。

图6 AGV仿真

仿真结果：46托盘/小时，满足换卡期间45.1托盘/小时的最大产能要求。

五、结论

河南中烟洛阳卷烟厂积极响应国家智能制造政策，大胆引入国有自主研发的AGV系统，完成辅助物料的自动化运输，实现柔性化作业。