《自動導(dǎo)引車》PPT課件.ppt
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第九章自動導(dǎo)引車,9.1概述自動導(dǎo)引小車是一種以電池為動力,裝有非接觸式導(dǎo)向裝置的無人駕駛自動運(yùn)輸車(見圖9-1、9-2)。其主要功能是,在計(jì)算機(jī)控制下,通過復(fù)雜的路徑將物料按一定的停位精度輸送到指定的位置上。,,,9.1.1AGV的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)50年代中期,Barret公司設(shè)計(jì)出無人駕駛卡車,也就是AGV的最早雛形。后來,美國物料搬運(yùn)研究所將其定義為AGV,它是可充電的無人駕駛小車,可根據(jù)路徑和定位情況編程,而且行走的路線可以改變和擴(kuò)展。據(jù)報(bào)導(dǎo),到1960年時(shí),歐洲就安裝了各種型號不同水平的自動搬運(yùn)車系統(tǒng),使用了13,000多臺AGV。1959年AGV開始用于倉庫自動化和工廠作業(yè)中。日本也從這時(shí)開始引進(jìn)AGV技術(shù)。日本是使用這種車輛最多的國家,在20世紀(jì)80年代末,擁有各種類型的自動搬運(yùn)車超過一萬臺,其生產(chǎn)廠家達(dá)47家,廣泛應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械、電子、鋼鐵、化工、醫(yī)藥、印刷、倉儲、運(yùn)輸業(yè)和商業(yè)上。20世紀(jì)70年代,AGV作為生產(chǎn)組成部分進(jìn)入了生產(chǎn)系統(tǒng),并得到了迅速發(fā)展。1973年,瑞典VOLVO公司在KALMAR轎車廠的裝配線上大量采用了AGV進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制裝配作業(yè),擴(kuò)大了AGV的使用范圍,9.1.2AGV在AS/RS中的作用控制臺通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接受立體倉庫管理系統(tǒng)下達(dá)的AGV輸送任務(wù),通過無線局域網(wǎng)通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各AGV、拆箱機(jī)器人的狀態(tài)信息。根據(jù)需求情況和當(dāng)前AGV運(yùn)行情況,將調(diào)度命令傳遞給選定的AGV。AGV完成一次運(yùn)輸任務(wù),在托盤回收站待命,等待下次任務(wù)。各立體庫出貨口和拆箱機(jī)器人處均有光導(dǎo)通訊裝置。對運(yùn)行中的AGV,控制臺將通過無線局域網(wǎng)通訊系統(tǒng)與AGV交換信息,實(shí)現(xiàn)AGV問的避碰調(diào)度、工作狀態(tài)檢測、任務(wù)調(diào)度。在立體倉庫和拆箱機(jī)器人處通過光導(dǎo)通訊與AGV交換任務(wù)和狀態(tài),完成移載。自動導(dǎo)航系統(tǒng)完成AGV的導(dǎo)引。充電系統(tǒng)由充電器和充電控制器組成,完成在線快速自動充電。AGV接受控制臺的任務(wù),完成運(yùn)輸。地面移載設(shè)備可實(shí)現(xiàn)AGV的自動移載、加載、交換空托盤。圖9-4為在青島海爾自動化立體倉庫中移載用的激光導(dǎo)引AGV。,9.1.3AGV的組成AGV由以下各部分組成:車體、蓄電池、車上充電裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、精確定位裝置、移載機(jī)構(gòu)、通信單元和導(dǎo)引系統(tǒng)。1.車體。由車架和相應(yīng)的機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)如減速箱、電機(jī)、車輪等組成。車架常采用焊接鋼結(jié)構(gòu),要求有足夠的剛性。2.蓄電池與充電裝置。常采用24V或48V直流工業(yè)蓄電池為動力。3.驅(qū)動裝置。驅(qū)動裝置是一個(gè)伺服驅(qū)動的變速控制系統(tǒng),可驅(qū)動AGV運(yùn)行并具有速度控制和制動能力。它由車輪、減速器、制動器、電機(jī)及速度控制器等部分組成,并由計(jì)算機(jī)或人工進(jìn)行控制。速度調(diào)節(jié)可采用脈寬調(diào)速或變頻調(diào)速等方法。直線行走速度可達(dá)1m/s,轉(zhuǎn)彎時(shí)為0.2~0.5m/s,接近停位點(diǎn)時(shí)為0.1m/s。,4.轉(zhuǎn)向裝置。AGV常設(shè)計(jì)成三種運(yùn)動方式:只能向前;能向前與向后;能縱向、橫向、斜向及回轉(zhuǎn)全方位運(yùn)動。轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有三種:(1)鉸軸轉(zhuǎn)向式三輪車型。車體的前部為一個(gè)鉸軸轉(zhuǎn)向車輪,同時(shí)也是驅(qū)動輪。轉(zhuǎn)向和驅(qū)動分別由兩個(gè)不同的電動機(jī)帶動,車體后部為兩個(gè)自由輪,由前輪控制轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)單方向向前行駛。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但定位精度較低(見圖9-5)。(2)差速轉(zhuǎn)向式四輪車型。車體的中部有兩個(gè)驅(qū)動輪,由兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動。前后部各有一個(gè)轉(zhuǎn)向輪(自由輪)。通過控制中部兩個(gè)輪的速度比可實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向,并實(shí)現(xiàn)前后雙向行駛和轉(zhuǎn)向。這種方式結(jié)構(gòu)簡單,定位精度較高(見圖9-6)。(3)全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型。車體的前后部各有兩個(gè)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向一體化車輪,每個(gè)車輪分別由各自的電動機(jī)驅(qū)動,可實(shí)現(xiàn)沿縱向、橫向、斜向和回轉(zhuǎn)方向任意路線行走,控制較復(fù)雜,見圖9-7。,,圖7-7全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型,5.控制系統(tǒng)。AGV控制系統(tǒng)包括車上控制器和地面(車外)控制器,均采用微型計(jì)算機(jī),通過通信進(jìn)行聯(lián)系。輸入AGV的控制指令由地面(車外)控制器發(fā)出,存入車上控制器(計(jì)算機(jī));AGV運(yùn)行時(shí),車上控制器通過通信系統(tǒng)從地面站接受指令并報(bào)告自己的狀態(tài)。車上控制器可完成以下監(jiān)控:手動控制、安全裝置啟動、蓄電池狀態(tài)、轉(zhuǎn)向極限、制動器解脫、行走燈光、驅(qū)動和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制與充電接觸器的監(jiān)控等??刂婆_與AGV間可采用定點(diǎn)光導(dǎo)通訊和無線局域網(wǎng)通訊兩種通訊方式。采用無線通訊方式時(shí),控制臺和AGV構(gòu)成無線局域通訊網(wǎng),控制臺和AGV在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持下交換信息。無線通訊要完成AGV的調(diào)度和交通管理。在出庫站和拆箱機(jī)器人處移載站都設(shè)有紅外光通訊系統(tǒng),其主要功能是完成移載任務(wù)的通訊。AGV充電可以采用在線自動快速充電方式,6.移載裝置。AGV用移載裝置來裝卸貨物,即接受和卸下載荷。常見的AGV裝卸方式可分為被動裝卸和主動裝卸兩種。被動裝卸方式的小車自己不具有完整的裝卸功能,而是采用助卸方式,即配合裝卸站或接收物料方的裝卸裝置自動裝卸。常見的助卸裝置有滾柱式臺面[圖9-8(b)]和升降式臺面[圖9-8(a)]兩種。采用滾柱式臺面的環(huán)境要求是站臺必須帶有動力傳動輥道,AGV??吭谡九_邊,AGV上的輥道和站臺上的輥道對接之后同步動作,實(shí)現(xiàn)貨物移送。升降式臺面的升降臺下設(shè)有液壓升降機(jī)構(gòu),高度可以自由調(diào)節(jié)。為了順利移載,AGV必須精確停車才能與站臺自動交換。,圖7-8被動裝卸裝置,主動裝卸方式是指自動小車自己具有裝卸功能。常見的主動裝卸方式有單面推拉式、雙面推拉式、叉車式[圖9-9(a)]和機(jī)器人式[圖9-9(b)]四種。,圖99主動裝卸裝置,7.安全裝置。為確保AGV在運(yùn)行過程中自身安全,現(xiàn)場人員及各類設(shè)備的安全,AGV將采取多級硬件、軟件的安全措施。在AGV的前面設(shè)有紅外光非接觸式防碰傳感器和接觸式防碰傳感器——保險(xiǎn)杠。AGV安裝醒目的信號燈和聲音報(bào)警裝置,以提醒周圍的操作人員。一旦發(fā)生故障,AGV自動進(jìn)行聲光報(bào)警,同時(shí)無線通訊通知AGV監(jiān)控系統(tǒng)。障礙物接觸式緩沖器。障礙物接觸式緩沖器是一種強(qiáng)制停車安全裝置,它產(chǎn)生作用的前提是與其它物體相接觸,使其發(fā)生一定的變形,從而觸動有關(guān)限位裝置,強(qiáng)行使其斷電停車。(2)障礙物接近傳感器。非接觸式檢測裝置是障礙物接觸式緩沖器的輔助裝置,是先于障礙物接觸式緩沖器發(fā)生作用的安全裝置。為了安全,障礙物接近傳感器是一個(gè)多級的接近檢測裝置,在預(yù)定距離內(nèi)檢測障礙物。在一定距離范圍內(nèi),它會使AGV降速行駛,在更近的距離范圍內(nèi),它會使AGV停車,而當(dāng)解除障礙物后,AGV將自動恢復(fù)正常行駛狀態(tài)。障礙物接近傳感器包括激光式,超聲波式,紅外線式等多種類型,如日本產(chǎn)的紅外線傳感器能檢測搬運(yùn)車的前后方向、左右方向的障礙物,也能在二段內(nèi)設(shè)定慢行和停止,也即2m內(nèi)減速、lm內(nèi)停車。發(fā)射的光頻率數(shù)有4種或8種,能防止各搬運(yùn)車間的相互干擾。(3)裝卸移載貨物執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動安全保護(hù)裝置。AGV的主要功能是解決物料的全自動搬運(yùn),故除了其全自動運(yùn)行功能外,還有移載貨物的裝置。移載裝置的安全保護(hù)裝置包括機(jī)械和電氣兩大類。如位置定位裝置、位置限位裝置、貨物位置檢測裝置、貨物形態(tài)檢測裝置、貨物位置對中結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)自鎖裝置等結(jié)構(gòu)。9.1.4AGV的典型產(chǎn)品,9.2AGV的導(dǎo)引方式AGV的導(dǎo)引方式,所謂AGV導(dǎo)引方式是指決定其運(yùn)行方向和路徑的方式。它不同于前面所說的一般通信。常用的導(dǎo)引方式分兩大類:車外預(yù)定路徑方式和非預(yù)定路徑方式。車外預(yù)定路徑導(dǎo)引方式是指在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)引用的信息媒介物,AGV通過檢測出它的信息而得到導(dǎo)向的導(dǎo)引方式,如電磁導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引(又稱磁性導(dǎo)引)等。非預(yù)定路徑(自由路徑)導(dǎo)引方式其一是指在AGV上儲存著布局上的尺寸坐標(biāo),通過識別車體當(dāng)前方位來自主地決定行駛路徑的導(dǎo)引方式,又稱車上軟件一編程路徑方式;其二是指激光導(dǎo)引。,AGV導(dǎo)引技術(shù)的研究十分活躍,具體體現(xiàn)為:①路徑的設(shè)定更加靈活機(jī)動。②路徑變更簡單易行。③提高對路面或環(huán)境變化的適應(yīng)能力。④精確地實(shí)時(shí)檢測位置和方位值,提高引導(dǎo)性能。⑤賦予感知和回避障礙的性能(智能)。⑥具有人機(jī)對話功能⑦更強(qiáng)的信息通信功能。⑧系統(tǒng)盡量不依賴于中央計(jì)算機(jī)。⑨多輛AGV協(xié)調(diào)工作。為此,需要解決好以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):①高精度且廉價(jià)的位置、方向檢測手段。②信息通信手段。③圖像處理和圖像識別技術(shù)以及自動轉(zhuǎn)換器的實(shí)用化。④系統(tǒng)總體技術(shù)(特別是多輛AGV群控技術(shù))。,9.2.1預(yù)定路徑方式1.車外連續(xù)標(biāo)記(1)電磁導(dǎo)引這是目前AGV采用最廣泛的一種導(dǎo)引方式(見圖9-10)。它需要在地面開槽(約51mm寬,15mm深)埋設(shè)電纜,接通低壓、低頻信號,在電線周圍產(chǎn)生磁場。車上需安裝有兩個(gè)感應(yīng)線圈,并使其分別位于此導(dǎo)引線的兩側(cè)。導(dǎo)向線中電流約為200~300mA,頻率為2kHz~35kHz。,(2)反光帶或磁帶導(dǎo)引1)反射式導(dǎo)向。如圖9-11所示,這種引導(dǎo)方式是在地面上連續(xù)鋪設(shè)一條用發(fā)光材料制作的帶子,或者用發(fā)光涂料涂抹在規(guī)定的運(yùn)行路線上,在車輛的底部裝有檢測反射光傳感器,通過偏差測定裝置到驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機(jī)來不斷調(diào)整車輛前進(jìn)的方向2)磁性式導(dǎo)向。是在地面上連續(xù)鋪設(shè)一條金屬磁帶,而在車輛上裝有磁性傳感器,檢測磁帶的磁場,通過磁場偏差測定控制驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機(jī)來調(diào)整車輛行駛方向。,2.車外間斷標(biāo)志標(biāo)志跟蹤方式中有一種稱為視覺引導(dǎo)法,即在所經(jīng)路徑上斷續(xù)地設(shè)有若干引導(dǎo)標(biāo)志或反射板(也可是玻璃球),小車據(jù)此自動識別和判斷路徑(見圖9-12)。引導(dǎo)的標(biāo)志除條形碼外,還可用圓形、方形、箭頭等圖形,,7.2.2非預(yù)定路徑1.激光導(dǎo)引(1)光掃描導(dǎo)引。沿著路徑從高處用光束進(jìn)行掃描,計(jì)算機(jī)根據(jù)光信息(掃描角度以及掃描裝置標(biāo)號),精密檢測出AGV現(xiàn)在的位置(圖9-13)。這種方法路徑變換容易,掃描方式最簡單。,(2)信標(biāo)方式(激光導(dǎo)航)。這種方式是在路徑上或沿著路徑設(shè)置多個(gè)標(biāo)記,標(biāo)記本身主動發(fā)出信號提供有關(guān)位置信息。信標(biāo)方式是從現(xiàn)在位置尋找若干個(gè)信標(biāo),然后根據(jù)其方向和有關(guān)信標(biāo)的位置信息,利用三角測量原理計(jì)算出現(xiàn)在的位置。,圖9-14利用激光導(dǎo)航方式的高精度位置檢測原理,標(biāo)記可用再現(xiàn)反射體(直角棱鏡等),掃描射線優(yōu)先采用激光,也可采用紅外線。根據(jù)求得的兩組兩個(gè)再現(xiàn)反射體之間的開度角計(jì)算出現(xiàn)在的位置、方位,這種方法稱為激光導(dǎo)航法。標(biāo)記設(shè)置簡單、廉價(jià),精度也非常好。,圖中參數(shù)的計(jì)算式如下:式中,,代替檢測多個(gè)信標(biāo)方向的方法,是通過從一個(gè)地方的信標(biāo)發(fā)出掃描激光光束,用AGV上若干個(gè)傳感器來檢測的方法(稱為激光信標(biāo)方法)。采取這種方法,在作為移動物體的AGV上設(shè)置的3個(gè)傳感器,如果都接收到激光站(即使是一個(gè))的光就能檢測出位置,即便存在很多AGV,如果某AGV上的3個(gè)傳感器能接收到信標(biāo)發(fā)出的光,這個(gè)AGV就能進(jìn)行高精度的位置檢測。這種位置檢測法是強(qiáng)噪聲檢測法,可作為用于自立分散型群控AGV的高精度位置檢測。,2.?dāng)?shù)字地圖引導(dǎo)把路徑畫在數(shù)字地圖上,作為人與機(jī)器的對話式系統(tǒng),非常容易接近。此外,利用中央計(jì)算機(jī)的指令把路徑的設(shè)定作為串行數(shù)據(jù)給出的方法,對復(fù)雜、交叉路徑多的路線特別有效。是適合于控制復(fù)雜、多種、多量AGV的方法,是使工廠內(nèi)的物流系統(tǒng)高度自動化所必須的。9.2.3智能引導(dǎo)智能引導(dǎo)方式有示教式(初級智能)和路徑規(guī)劃兩種。示教式:當(dāng)AGV沿著示教的路徑行走一次,即記住行走路線。它實(shí)際上還可學(xué)會新的行走路徑,并通知主控計(jì)算機(jī)所學(xué)到的東西。主控計(jì)算機(jī)可通知其他的AGV關(guān)于這條新的路徑的信息。,9.3路徑規(guī)劃AGV智能化的新發(fā)展在于自主回避障礙物并達(dá)到目的地的路徑規(guī)劃。首先,影響路徑規(guī)劃的是AGV的自由度數(shù)和地圖的有無。為了便于理解,以2自由度AGV為例,分別考慮有地圖時(shí)(環(huán)境已知時(shí))和沒有地圖時(shí)(環(huán)境未知時(shí))的路徑動作規(guī)劃。這里,假定AGV只考慮兩個(gè)位置自由度(X、Y軸上的位置),不考慮姿態(tài)方面的一個(gè)自由度(繞中心的回轉(zhuǎn))由于地圖是由AGV和障礙物的模型,所以有地圖時(shí)的路徑規(guī)劃稱為基于模型的路徑規(guī)劃(Model-basedPath-Planning)。基于模型的路徑規(guī)劃稱為離線路徑規(guī)劃。沒有地圖時(shí)的路徑規(guī)劃,AGV用外部傳感器(視覺、超聲波傳感器、光傳感器等)得到一面回避障礙一面到達(dá)目的地的路徑,由此稱為基于傳感器的路徑規(guī)劃(Sensor-basedPath-Planning)。基于傳感器的路徑規(guī)劃又稱為在線路徑規(guī)劃。,基于模型的路徑規(guī)劃首先說明為了快速選擇最佳(最短)路徑,應(yīng)采用怎樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)地圖。最佳(最短)路徑由于接近障礙物,如果有位置誤差,AGV與障礙物碰撞的可能性很高。下面要說明的是,為防止碰撞,除了最佳性以外更重視安全性的方法,即為了選擇離障礙物足夠遠(yuǎn)的安全路徑,應(yīng)采用怎樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)地圖。這里由于采用一種OR表?;趥鞲衅鞯穆窂揭?guī)劃AGV用傳感器一面檢測障礙物一面進(jìn)行回避并最終到達(dá)目的地的路徑規(guī)劃算法,即使存在位置誤差,AGV也不會迷失確定的路徑,而最終到達(dá)目的地附近。,7.3.1路徑規(guī)劃的模型1.幾何模型AGV有2個(gè)位置自由度(X、Y軸上的位置)和1個(gè)姿態(tài)自由度(繞中心的旋轉(zhuǎn))。這里,取可全方位移動的AGV為例加以說明。由于AGV能全方位移動,所以可忽略AGV的方向(姿態(tài)的自由度)。這樣,就能用以最大回轉(zhuǎn)長度為半徑的圓表示AGV。在此基礎(chǔ)上,可以把障礙物的幾何尺寸徑向擴(kuò)張一個(gè)AGV圓的半徑,同時(shí)把AGV縮成一個(gè)點(diǎn)(圖9-16)。由此,在存在擴(kuò)張了的障礙物的地圖(XY平面)上,可以規(guī)劃成為幾何點(diǎn)的AGV的路徑。,2.?dāng)?shù)學(xué)模型首先,說明基于模型的路徑規(guī)劃。為了快速選取路徑,用所謂圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型(俗稱“地圖”)。所謂圖就是用弧連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)意味著AGV的位置,弧意味著兩個(gè)位置間的移動(圖9-17)。將移動的幾何距離、工作量或時(shí)間加權(quán)折算得出兩個(gè)位置間移動的模型費(fèi)用,把模型費(fèi)用希望值作為費(fèi)用賦于該兩個(gè)位置間的弧上。,當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)間移動的工作量不變時(shí),弧上賦于的費(fèi)用可以直接用幾何距離標(biāo)記。弧記憶進(jìn)入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn),總是回到原來的地方(程序上稱為“指針返回”)。而且,如果能在兩個(gè)方向移動則用無向弧,只能單方向移動的用有向弧。,5,8,7,9.3.2基于模型的路徑規(guī)劃這里介紹兩個(gè)典型的圖。一個(gè)是管理從起始節(jié)點(diǎn)ns到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng的最短路徑的切線圖(TangentialGraph),另一個(gè)是連接這些節(jié)點(diǎn)的安全路徑,即管理盡量離開障礙物路徑的Voronoi圖(VoronoiGraph)。無論哪一種圖都是由節(jié)點(diǎn)和弧構(gòu)成的,用節(jié)點(diǎn)表示起始點(diǎn)、經(jīng)過點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn);用無向弧表示其間的路徑,其上附加有作為費(fèi)用的歐幾里得距離。最后,無論哪個(gè)圖,都是用算法A選出任意路徑,用算法A*選出最佳(滿足)路徑。1.切線圖切線圖用障礙物的切線表示弧。由此可選擇從起始節(jié)點(diǎn)ns到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng的最佳(最短)路徑。即切線圖是把障礙物邊界切線化得到的。從起始節(jié)點(diǎn)ns開始,過兩相鄰節(jié)點(diǎn)向障礙物邊界作切線,每兩條切線的交點(diǎn)形成輔助節(jié)點(diǎn)。由主節(jié)點(diǎn)(起始點(diǎn)、經(jīng)過點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn))、輔助節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間連線組成了切線圖。,首先把對應(yīng)起始點(diǎn)S和目標(biāo)點(diǎn)G的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)ns和ng標(biāo)注在新的切線圖上,然后用算法A*選出最佳(最短)路徑P,最后,使點(diǎn)AGV沿著路徑P進(jìn)行PTP(Point-To-Point)控制和CP(ContinuousPath)控制,把AGV引導(dǎo)到目的地。,,如果在這種控制過程中產(chǎn)生位置誤差,機(jī)器人碰撞障礙物的可能性會較高,因?yàn)锳GV幾乎接近障礙物行走,2.Voronoi圖Voronoi圖可用弧表示距兩個(gè)以上障礙物和墻壁表面等距離的點(diǎn)陣,用節(jié)點(diǎn)表示它們的交叉位置。首先把對應(yīng)起始點(diǎn)S和目標(biāo)點(diǎn)G的起始節(jié)點(diǎn)ns和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng標(biāo)注在圖上,然后用搜索算法A*選出安全路徑P,最后,使點(diǎn)AGV沿著路徑P進(jìn)行PTP控制和CP控制,把AGV引導(dǎo)到目的地。由于選擇的是安全路徑,所以,即使產(chǎn)生位置誤差,AGV也能夠在離障礙物足夠遠(yuǎn)的路徑上走行,,3.搜索算法A*(A)這里要介紹的是,把前面所說的切線圖和Voronoi圖作為搜索圖G,選出從起始節(jié)點(diǎn)ns到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng的最佳(或滿足)路徑的算法A*(或選出任意路徑的算法A)。算法A*(或A)一面計(jì)算節(jié)點(diǎn)n的費(fèi)用f(n),一面搜索圖G。費(fèi)用f(n)是從起始節(jié)點(diǎn)ns經(jīng)由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng的最小費(fèi)用(最短距離)的估價(jià)函數(shù)。可用下式計(jì)算:f(n)=g(n)+h(n)式中,g(n)是起始節(jié)點(diǎn)ns和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n之間的現(xiàn)時(shí)點(diǎn)上的最小費(fèi)用(最短距離);而h(n)是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng之間的最小費(fèi)用h*(n)的估計(jì)值,稱為啟發(fā)式函值。OPEN是管理以后擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的明細(xì)表,所有節(jié)點(diǎn)按費(fèi)用f(n)遞增順序排列,CLOSED是管理已擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的明細(xì)表。通常A*(或A)等搜索算法,從節(jié)點(diǎn)n擴(kuò)展的所有節(jié)點(diǎn)n’中,把必要的節(jié)點(diǎn)同費(fèi)用f(n’)都標(biāo)注OPEN上(參看算法的第⑤步),這個(gè)操作稱為“擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)n”。,算法A*(A)的程序流程說明:①把起始節(jié)點(diǎn)ns代入OPEN。②如果OPEN是空表,由于路徑不存在,所以算法終止。③從OPEN取出先頭(費(fèi)用f最小)的節(jié)點(diǎn)n,并把它移到CLOSED。④如果節(jié)點(diǎn)n是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng,則順次返回到來自的節(jié)點(diǎn)上(程序上是追尋(返回)指針)。然后,若是到達(dá)起始節(jié)點(diǎn)ns,則終止算法,得到一個(gè)路徑。⑤如果不是這樣,擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)n,把指針從其子孫節(jié)點(diǎn)n’返回到節(jié)點(diǎn)n(記住從哪來的)。然后,對所有的子孫節(jié)點(diǎn)n’做以下工作:,節(jié)點(diǎn)n’如果不在OPEN或CLOSED表中,則它就是新的搜索節(jié)點(diǎn)。因此,首先計(jì)算估計(jì)值h(n’)(從節(jié)點(diǎn)n’到節(jié)點(diǎn)ng的最短距離的估計(jì)值).其次,計(jì)算評價(jià)值f(n’)=g(n’)+h(n’)(這里g(n’)=g(n)+c(n、n’),g(ns)=0,c(n、n’)是連接節(jié)點(diǎn)n和n’弧的費(fèi)用)。然后,把節(jié)點(diǎn)n’同估計(jì)值f(n’)都代入OPEN。若節(jié)點(diǎn)n’存在于OPEN或CLOSED表中,則它就是已被搜索的節(jié)點(diǎn)。于是,把指針換到帶來最小值g(n’)的路徑上(變更來自的地方)。然后,在這個(gè)指針發(fā)生替換時(shí),若節(jié)點(diǎn)n’存在于CLOSED中,則把它返回到OPEN后,再計(jì)算值f(n’)=g(n’)+h(n’)。⑥返回到②,估計(jì)值h比真值h*小或相等時(shí),上述的算法變?yōu)锳*,可選出從起始節(jié)點(diǎn)ns到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng的最佳路徑(總計(jì)費(fèi)用最小的路徑)。若估計(jì)值h比真值大,h*算法則變?yōu)锳,可選出從起始節(jié)點(diǎn)ns到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ng的滿足要求的路徑(總計(jì)費(fèi)用不是最小的路徑)。因此,機(jī)器人的路徑規(guī)劃多用從當(dāng)前地點(diǎn)(,,)到目的地(,)的平方范數(shù)定義估計(jì)值。這個(gè)估計(jì)值h常常比h*小,成為算法A*,用它可選擇最佳路徑。,圖9-20的搜索圖G存在估計(jì)值h(在節(jié)點(diǎn)上用括號給出)比真值h*大的節(jié)點(diǎn)。例如,節(jié)點(diǎn)A和H的估計(jì)值h是8和4,但到達(dá)目的地的最小真值是7和2。由于這個(gè)費(fèi)用評價(jià)過大,存在于最短路徑上的節(jié)點(diǎn)H等可以忽略,算法錯(cuò)過了費(fèi)用8的最佳路徑,最終得到費(fèi)用9的滿足要求的路徑。,,B(8),起始節(jié)點(diǎn)S被代入OPEN[圖9-21(a)],子節(jié)點(diǎn)A和B被代人OPEN[圖9-21(b)]。起始節(jié)點(diǎn)S擴(kuò)展后移到CLOSED,由于節(jié)點(diǎn)A、B的評價(jià)值分別為10、8,所以選中擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)B。B的子節(jié)點(diǎn)D、E、F,評價(jià)值分別為9、8、10,全都代人OPEN,擴(kuò)展后節(jié)點(diǎn)B被移到CLOSED[圖9-21(c)]。節(jié)點(diǎn)E評價(jià)值最小,選中擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)E。E的子節(jié)點(diǎn)H同評價(jià)值10都代入OPEN,擴(kuò)展后節(jié)點(diǎn)E被移到CLOSED。OPEN中當(dāng)前評價(jià)值最小的子節(jié)點(diǎn)是D,所以選中節(jié)點(diǎn)D。D的子節(jié)點(diǎn)H被再次搜索,節(jié)點(diǎn)D被移到CLOSED。注意到節(jié)點(diǎn)H的值g,由于過去的費(fèi)用6(經(jīng)由節(jié)點(diǎn)E、B返回到節(jié)點(diǎn)S)比新的費(fèi)用7(經(jīng)由節(jié)點(diǎn)D、B返回到S)小,所以不更換指針[圖9-21(d)]。指針仍在E。由于當(dāng)前OPEN上存在評價(jià)值f都為10的三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、H、F,此時(shí)須對這三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、H、F都分別向下擴(kuò)展。,用中斷連接節(jié)點(diǎn)A,擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)C同評價(jià)值8都代人OPEN,節(jié)點(diǎn)A被移到CLOSED。然后,C的兩個(gè)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)I、H中,選中值f最小的節(jié)點(diǎn)I(實(shí)際上,ACH路徑在先已經(jīng)被否定),節(jié)點(diǎn)I同評價(jià)值10都代人OPEN,節(jié)點(diǎn)C同評價(jià)值8都被移到CLOSED。節(jié)點(diǎn)I的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)即為目標(biāo),OPEN保持節(jié)點(diǎn)H的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)即為目標(biāo),OPEN保持節(jié)點(diǎn)F的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)即為目標(biāo),OPEN保持當(dāng)前OPEN上三個(gè)節(jié)點(diǎn)I、H、F的評價(jià)值都為10,其后的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)都是目標(biāo)G。計(jì)算分別經(jīng)三個(gè)節(jié)點(diǎn)F、H、I到目標(biāo)G的評價(jià)值,經(jīng)節(jié)點(diǎn)F到目標(biāo)G的評價(jià)值最小。所以用中斷連接擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)F,節(jié)點(diǎn)G連同評價(jià)值9都代人OPEN,節(jié)點(diǎn)F移到CLOSED[圖9-21(e)]。,在圖9-22的搜索圖G上,所有節(jié)點(diǎn)的估計(jì)值h(在節(jié)點(diǎn)上用括號給出)常常比真值h*小或相等。,,,起始節(jié)點(diǎn)S被代入OPEN,子節(jié)點(diǎn)A、B連同評價(jià)值f6、8被代人OPEN,起始節(jié)點(diǎn)S擴(kuò)展后移到CLOSED。由于節(jié)點(diǎn)A、B的評價(jià)值f分別為6、8,所以節(jié)點(diǎn)A擴(kuò)展子節(jié)點(diǎn)C、D后移到CLOSED,節(jié)點(diǎn)B、C、D連同各自的評價(jià)值8、8、9都代入OPEN。用中斷連接擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)B,節(jié)點(diǎn)B擴(kuò)展子節(jié)點(diǎn)E、F。子節(jié)點(diǎn)E、F連同評價(jià)值8、9都代入OPEN,節(jié)點(diǎn)B擴(kuò)展后代入CLOSED。再次搜索節(jié)點(diǎn)D。這時(shí),如果注意到節(jié)點(diǎn)D的值g,由于新的費(fèi)用值4(經(jīng)由節(jié)點(diǎn)B返回到節(jié)點(diǎn)S)比過去的費(fèi)用5(經(jīng)由節(jié)點(diǎn)A返回到節(jié)點(diǎn)S)小,所以要更換指針,重新計(jì)算的評價(jià)值f變?yōu)?[圖9-23(a)]。仍然用中斷連接擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)C,節(jié)點(diǎn)C擴(kuò)展子節(jié)點(diǎn)I、H。子節(jié)點(diǎn)I、H連同評價(jià)值10、9都代入OPEN,節(jié)點(diǎn)C移到CLOSED[圖9-23(b)],,當(dāng)前OPEN上五個(gè)節(jié)點(diǎn)I、H、D、E、F。所以選中評價(jià)值f最小的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)E。然后,把節(jié)點(diǎn)E代入CLOSED,再次搜索節(jié)點(diǎn)H。這時(shí),注意到節(jié)點(diǎn)H的值g,比起過去的費(fèi)用7(經(jīng)由節(jié)點(diǎn)C,A返回節(jié)點(diǎn)S)來新的費(fèi)用6(經(jīng)由節(jié)點(diǎn)E、B返回到節(jié)點(diǎn)S)要小,所以更換指針,重新計(jì)算H的評價(jià)值f為8[圖9-23(c)]當(dāng)前OPEN上擴(kuò)展值f最小的節(jié)點(diǎn)H,其后的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)是目標(biāo)G,節(jié)點(diǎn)G以評價(jià)值8代人OPEN,節(jié)點(diǎn)H代入CLOSED最后,節(jié)點(diǎn)G如果選擇作為值f最小的節(jié)點(diǎn),則把指針返回到節(jié)點(diǎn)H、E、B、S,最終得到費(fèi)用8的最短路徑。這里,由于節(jié)點(diǎn)H的估計(jì)值h與真值h*相比過小,所以這個(gè)最佳路徑上的節(jié)點(diǎn)必須調(diào)整。,4.AGV的路徑規(guī)劃實(shí)例Dijkstra最短路徑確定法。圖9-24中的節(jié)點(diǎn)1~5是AGV運(yùn)行路線上的岔口,6~18是貨物裝卸點(diǎn),6是系統(tǒng)的入口,9、15、16是系統(tǒng)的出口,19是AGV停車處。在圖9-24(b)中,將AGV可能的運(yùn)行方向用箭頭進(jìn)行了表示。,,(1)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)1~5是找出6~18貨物裝卸點(diǎn)間最短距離的關(guān)鍵點(diǎn),故先只考慮系統(tǒng)中的各岔口即節(jié)點(diǎn)l~5間的最短路徑。為此,將相應(yīng)箭頭所表示的距離填人下面的距離矩陣。因節(jié)點(diǎn)1、3之間無直接連接的箭頭,但兩者之間可通過16、18連在一起,所以C1,3=C1,16+C16,18+Cl8,3=84。C3,4=∞表示所連兩點(diǎn)間無直接聯(lián)系,之間的聯(lián)系要通過岔口節(jié)點(diǎn)。由此得到系統(tǒng)的距離矩陣(表9-2)。,表9-2距離矩陣,,(2)搜索過程最短路徑法首先要求找到搜索的起始點(diǎn)i,起始點(diǎn)i必須是通過一個(gè)單箭頭就能和其余節(jié)點(diǎn)相連最多的節(jié)點(diǎn)。很顯然,圖9-24(b)中的節(jié)點(diǎn)1符合這個(gè)要求,將此節(jié)點(diǎn)作為第一層。在找出由該i點(diǎn)出發(fā)的最短距離Ci,k后,令di,k=Ci,k再以k節(jié)點(diǎn)作為第2次搜索的起點(diǎn)。根據(jù)距離矩陣中與k節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的行,計(jì)算由起始點(diǎn)出發(fā),經(jīng)此k點(diǎn)到其余節(jié)點(diǎn)的最短距離,若到節(jié)點(diǎn)j的距離最短,則計(jì)算di,k+Ck,j若di,k+Ck,j>Ci,j再取ij路徑的j點(diǎn)作為第3次搜索的起點(diǎn)。重復(fù)上面搜索過程(將j替換k)若di,k+Ck,j- 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