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Research on logistics transportation system automation based on AGV泊車機(jī)器人s
Abstract
With the improvement of the degree of production logistics automation and the development of flexible manufacturing systems and three-dimensional warehouse automation, AGV泊車機(jī)器人s (Automated Guided Vehicle system) have been widely put into use as one of the key subsystems of logistics system and flexible manufacturing systems. Path planning problem is one of the basic problems among the application of AGV泊車機(jī)器人s and is of great theoretical and practical importance to the research of path planning problem.
This paper first introduces the structure and system composition of AGV泊車機(jī)器人, comprehends the operating mode and analyzes the working process of the AGV泊車機(jī)器人s. Secondly, based on the construction of electronic map, the paper studies the path planning optimization technology of single AGV泊車機(jī)器人 and improves the Dijkstra algorithm, so as to realize single AGV泊車機(jī)器人 path planning. Then aimed at the collision less path planning problem of more than one AGV泊車機(jī)器人, the paper adopts path planning algorithm combined with time window theory, puts forward the concept of buffer time window and reduces the influence of various factors upon the algorithm in order to keep the stability and continuity of the algorithm during the operation process, as thus realize the collision less path planning of more than one AGV泊車機(jī)器人. Finally, the C programming language code was written and the Dijkstra algorithm operational procedure of single AGV泊車機(jī)器人 path planning in lab was realized.
Keywords: AGV泊車機(jī)器人；path planning；Dijkstra algorithm；Time window method；Buffer time window
目錄
摘要 I
Abstract II
1.緒論 1
1.1 引言 1
1.2 AGV泊車機(jī)器人的歷史與技術(shù) 2
1.2.1 AGV泊車機(jī)器人的發(fā)展歷史 2
1.2.2 現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人的技術(shù)特點 4
1.3 AGV泊車機(jī)器人s在國內(nèi)應(yīng)用與發(fā)展趨勢 5
1.4 AGV泊車機(jī)器人s路徑規(guī)劃歷史和現(xiàn)狀 6
1.5 論文的研究內(nèi)容和意義 7
1.5.1 研究內(nèi)容 7
1.5.2 研究的目的及意義 8
2.AGV泊車機(jī)器人與AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng) 9
2.1 AGV泊車機(jī)器人的種類與結(jié)構(gòu) 9
2.1.1 AGV泊車機(jī)器人的種類 9
2.1.2 AGV泊車機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 10
2.2 AGV泊車機(jī)器人s的總體結(jié)構(gòu) 13
2.2.1 AGV泊車機(jī)器人s的組成 13
2.2.2 地面控制系統(tǒng) 13
2.2.3 通訊系統(tǒng) 14
2.2.4 車載控制系統(tǒng) 14
2.2.5 車載導(dǎo)航系統(tǒng) 15
2.2.6 移載系統(tǒng) 15
2.2.7 充電系統(tǒng) 15
2.3 AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)的工作模式 16
2.3.1 AGV泊車機(jī)器人s的工作特點 16
2.3.2 AGV泊車機(jī)器人s的運行模式 16
2.3.3 AGV泊車機(jī)器人s的工作流程 17
3.單AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)的路徑規(guī)劃 19
3.1 AGV泊車機(jī)器人s的路徑規(guī)劃概述 19
3.1.1 全局路徑規(guī)劃 19
3.1.2 局部路徑規(guī)劃 20
3.2 電子地圖建模方法 20
3.2.1 可視圖法 20
3.2.2 柵格地圖法 21
3.2.3 拓?fù)涞貓D法 22
3.3 基于圖論的路徑規(guī)劃 22
3.3.1 圖的定義 23
3.3.2 基于圖論法的路徑規(guī)劃算法 23
3.3.3 物流綜合實驗室建模 24
3.3.4 基于Dijkstra算法的路徑規(guī)劃 26
3.3.5 路徑分析和算法改進(jìn) 28
4. 多AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)路徑規(guī)劃 29
4.1 多AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問題 29
4.1.1 問題的由來 29
4.1.2 沖突的類型 29
4.1.3 AGV泊車機(jī)器人沖突解決方法 30
4.2 校圖書館某科室環(huán)境建模 31
4.2.1 校圖書館某科室 31
4.2.2 AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)模型設(shè)定 32
4.3 基于時間窗方法的多AGV泊車機(jī)器人s路徑規(guī)劃 33
4.3.1 時間窗方法 33
4.3.2 算法步驟 34
4.3.3 算法實踐與路徑方案 36
4.3.4 算法不足與改進(jìn) 38
5. 單AGV泊車機(jī)器人路徑規(guī)劃C語言模擬 39
總結(jié)與展望 41
致謝 42
主要參考文獻(xiàn) 43
附錄：單AGV泊車機(jī)器人路徑規(guī)劃Dijkstra算法代碼 45
第III頁
1.緒論
1.1 引言
隨著工廠生產(chǎn)和物流自動化的顯著提高，傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)和物料運輸方式發(fā)生了天翻地覆的變化，從20世紀(jì)末，現(xiàn)代制造業(yè)就已經(jīng)邁入自動化、智能化和個性化的嶄新時代。柔性制造系統(tǒng)（FMS，F(xiàn)lexible Manufacture System）和立體化智能倉庫（SW：Stereoscopic Warehouse）等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)在生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)中得到越來越多的廣泛應(yīng)用[1]。我們都知道，生產(chǎn)物流系統(tǒng)技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的重要組成部分，隨著計算機(jī)科學(xué)和自動化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，它已從原來簡單的物料搬運發(fā)展到現(xiàn)代物流自動化系統(tǒng)，物流管理系統(tǒng)也從原來的簡單方式迅速向自動化管理演變，使得物流系統(tǒng)自動化水平得到顯著提高。
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示：在整個生產(chǎn)制造過程中，僅僅有20％的成本時間是用于加工和制造，剩余的大部分的80％都用于儲存、裝卸、等待加工和輸送[2]。我國的大多數(shù)制造企業(yè)屬于勞動密集型，也就是主要依靠勞動力來生產(chǎn)制造，然而現(xiàn)在中國勞動力成本在持續(xù)增長，中國廉價勞動力的優(yōu)勢已不復(fù)存在。因此現(xiàn)在多數(shù)企業(yè)對于自動化的要求也是越來越高。在這種情況下，AGV泊車機(jī)器人s（Automated Guided Vehicle system）作為貨物搬運輸送系統(tǒng)，能夠滿足柔性制造系統(tǒng)和立體倉庫的要求，是整個物流自動化和生產(chǎn)自動化最關(guān)鍵的部件之一。
AGV泊車機(jī)器人（Automated Guided Vehicle）一般被稱為自動導(dǎo)引小車[3]，是為了更好地解決物流活動中的智能化、自動化和合理化等問題，從而實現(xiàn)物流系統(tǒng)的時間和空間效益。AGV泊車機(jī)器人作為一種智能化移動機(jī)器人，擁有著包含環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。AGV泊車機(jī)器人集中了傳感器技術(shù)、機(jī)械工程、電子工程、計算機(jī)工程、自動化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。而且AGV泊車機(jī)器人s以其快速、準(zhǔn)確的運輸、便于計算機(jī)管理與調(diào)度、能夠自主導(dǎo)航、自動規(guī)劃路徑和執(zhí)行任務(wù)和更有利于勞動安全保障的實施等優(yōu)點已被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)等各個領(lǐng)域。因此AGV泊車機(jī)器人s是整個物流自動化和生產(chǎn)自動化最關(guān)鍵的部件之一[3]。
隨著現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人性能不斷地提高，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，不僅將在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且將在排險、搜捕、救援、強(qiáng)輻射等危險環(huán)境下得到很好的應(yīng)用，幾乎適合于倉儲、制造、郵政、圖書館、港口、機(jī)場、煙草、醫(yī)藥、食品、化工等各種場合。因此，AGV泊車機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到世界各國的普遍認(rèn)可。
1.2 AGV泊車機(jī)器人的歷史與技術(shù)
1.2.1 AGV泊車機(jī)器人的發(fā)展歷史
根據(jù)美國物流協(xié)會的定義，AGV泊車機(jī)器人是指裝備有電磁或光學(xué)自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛的運輸小車，同時還具有小車編程與停車選擇裝置、安全保護(hù)裝置以及各種移載功能[3]。AGV泊車機(jī)器人是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，與其他物料配送運輸設(shè)備相比，AGV泊車機(jī)器人具有其獨特的先進(jìn)性和優(yōu)越性，由計算機(jī)控制進(jìn)行自主導(dǎo)航，可以自動規(guī)劃路徑和完成任務(wù)等無人化、自動化先進(jìn)技術(shù)；也可完成不適合工作人員進(jìn)入的某些工作場合去完成工作；對那些勞動強(qiáng)度大或者要求工作精度高的工作環(huán)境，AGV泊車機(jī)器人s可以較為完美的完成這些任務(wù)。
1913年，美國福特汽車公司首次將有軌導(dǎo)引的AGV泊車機(jī)器人用于汽車制造生產(chǎn)中的底盤裝配生產(chǎn)線上。這是AGV泊車機(jī)器人第一次出現(xiàn)在制造業(yè)的舞臺上。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，到1953年，世界上真正意義上的第一臺AGV泊車機(jī)器人是由美國Barrett電子公司開發(fā)成功的，它是一種牽引式小車系統(tǒng)，可十分方便地與其他物流系統(tǒng)自動連接，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，極大地提高了裝卸搬運的自動化程度。1954年英國最早研制了電磁感應(yīng)導(dǎo)向的AGV泊車機(jī)器人，基本的導(dǎo)引技術(shù)是靠感應(yīng)埋在地下的導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁頻率。通過一個叫做“地面控制器”的設(shè)備打開或關(guān)閉導(dǎo)線中的頻率，從而指引AGV泊車機(jī)器人沿著預(yù)定的路徑行駛。由于它的顯著特點，迅速得到了應(yīng)用和推廣。
從20世紀(jì)50年代末到60年代初期，計算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用到自動化生產(chǎn)線上，出現(xiàn)了最初的計算機(jī)控制系統(tǒng)。這一時期就有多種類型的AGV泊車機(jī)器人用于工廠和倉庫，1960年歐洲就安裝了各種形式、不同水平的AGV泊車機(jī)器人s220套，使用AGV泊車機(jī)器人1300多臺。20世紀(jì)70年代，由于歐洲的公司對托盤的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)了AGV泊車機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展。70年代中期，由于微處理器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的相結(jié)合發(fā)展，伺服驅(qū)動技術(shù)的成功促進(jìn)了復(fù)雜控制系統(tǒng)的改進(jìn)，并設(shè)計出更為靈活的AGV泊車機(jī)器人。1973年，瑞典的VOLVO汽車公司和Schindler-Dighton公司就聯(lián)合研發(fā)了多種AGV泊車機(jī)器人，并在KALMAR轎車廠的裝配線上大量采用了AGV泊車機(jī)器人進(jìn)行計算機(jī)控制裝配作業(yè)，擴(kuò)大了AGV泊車機(jī)器人的使用范圍。70年代末，歐洲約裝備了520個AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)，共有4800臺小車。其應(yīng)用領(lǐng)域分布為：汽車工業(yè)（57%），柔性制造系統(tǒng)FMS(8%)和柔性裝配系統(tǒng)FAS(44%)。當(dāng)時，歐洲的AGV泊車機(jī)器人的發(fā)展很快，已經(jīng)成為AGV泊車機(jī)器人技術(shù)研發(fā)與運用的中心，為各大企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
20世紀(jì)80年代初，歐洲的技術(shù)就開始向美國轉(zhuǎn)移，此時美國的AGV泊車機(jī)器人生產(chǎn)廠商從1983年的23家劇增至1985年的74家。美國各公司在歐洲技術(shù)的基礎(chǔ)上，將AGV泊車機(jī)器人發(fā)展到更加先進(jìn)的水平。這一時期，無線導(dǎo)引技術(shù)也開始引入到AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)中，而且系統(tǒng)也可以在線自動充電，24小時不間斷運行，充分表現(xiàn)出AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)較好的靈活性、準(zhǔn)確性和可靠性。1984年，美國通用汽車公司完成了它的第一個柔性裝配系統(tǒng)(FAS),從此該公司就成為當(dāng)時AGV泊車機(jī)器人的最大用戶。1986年已達(dá)1407臺，1987年又新增加1662臺。到目前為止,全世界已擁有AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)15000多組，約100000輛AGV泊車機(jī)器人。AGV泊車機(jī)器人的發(fā)展主要依賴于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步。AGV泊車機(jī)器人是替代高吊的人力勞動的高科技產(chǎn)物。
AGV泊車機(jī)器人技術(shù)被引入亞洲是日本于1963年，其第一家AGV泊車機(jī)器人工廠于1966年由一家運輸設(shè)備供應(yīng)廠商與美國的Webb公司合資建成。1976年后，日本對AGV泊車機(jī)器人的發(fā)展給予了高度重視，每年增加數(shù)十套AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)，有神鋼電機(jī)、平田電機(jī)、住友重機(jī)等27個主要生產(chǎn)廠商生產(chǎn)幾十種不同類型的AGV泊車機(jī)器人。1981年，日本的AGV泊車機(jī)器人總產(chǎn)值為60億日元，1985年已上升到200億日元，平均每年以20%的速度遞增，1986年，日本累計安裝了2312個AGV泊車機(jī)器人s，擁有5032臺AGV泊車機(jī)器人，到1990年日本擁有AGV泊車機(jī)器人約一萬臺。到1988年，日本AGV泊車機(jī)器人制造廠已達(dá)47家，如大福、Fanuc公司、Murata(村田)公司等，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、運輸業(yè)和商業(yè)上。
我國AGV泊車機(jī)器人的研制和應(yīng)用起步比較晚，原因是人力資源成本低和工廠自動化程度低兩個主要因素導(dǎo)致了國內(nèi)的AGV泊車機(jī)器人研究和應(yīng)用起步以及其發(fā)展均較為緩慢。不過其發(fā)展歷程雖短，但一直以來不斷加大在這一領(lǐng)域的投入，以改變我國AGV泊車機(jī)器人長期依賴進(jìn)口的局面。1976年，北京起重機(jī)械研究所研制出第一臺AGV泊車機(jī)器人，建成第一套AGV泊車機(jī)器人滾珠加工演示系統(tǒng)，隨后又研制出單向運行載重500公斤的AGV泊車機(jī)器人，雙向運行載重500kg、1000kg、2000kg的AGV泊車機(jī)器人，開發(fā)研制了幾套較簡單的AGV泊車機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)。1988年，原郵電部北京郵政科學(xué)技術(shù)研究所研制了郵政樞紐AGV泊車機(jī)器人。1989年，北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所為二汽研制了應(yīng)用在立體化倉庫中的AGV泊車機(jī)器人。90年代，清華大學(xué)國家CIMS工程中心將從國外引進(jìn)的AGV泊車機(jī)器人成功的應(yīng)用于EIMS的實驗研究。1991年起，中科院沈陽自動化研究所和新松機(jī)器人自動化股份研究公司為沈陽金杯汽車廠研制生產(chǎn)了客車6臺AGV泊車機(jī)器人用于汽車裝配線中，可以說這是我國汽車工業(yè)中用得比較成功的例子，并于1996年獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎。1992年，天津理工學(xué)院研制了核電站用光學(xué)導(dǎo)引AGV泊車機(jī)器人。1995年，我國的AGV泊車機(jī)器人技術(shù)出口韓國，標(biāo)志著我國自主研發(fā)的機(jī)器人技術(shù)第一次走向了國際市場。1998年，昆明船舶設(shè)備集團(tuán)公司在紅河卷煙廠研制了多模式激光導(dǎo)引無人自動車22輛。紅河項目于2002年獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎。在國內(nèi)AGV泊車機(jī)器人的技術(shù)來源有兩種模式：一種是引進(jìn)技術(shù)；一種是自有知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。兩種模式目前都涵蓋AGV泊車機(jī)器人的所有技術(shù)，技術(shù)水平并無多大差別。引進(jìn)技術(shù)主要是瑞典NDC的AGV泊車機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)。
20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等高科技的迅速發(fā)展，AGV泊車機(jī)器人的硬件設(shè)備和智能化程度都上了一個新的臺階。微控制器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于AGV泊車機(jī)器人的各個功能模塊，因此AGV泊車機(jī)器人正在往智能化、自動化的方向發(fā)展。一些新的控制方法正在逐漸應(yīng)用到實際生活中，各種機(jī)器人控制領(lǐng)域的新方法和新策略正在開始逐步應(yīng)用到AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)中。AGV泊車機(jī)器人發(fā)展到今天，已經(jīng)深入到社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，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、運輸業(yè)和商業(yè)上。
1.2.2 現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人的技術(shù)特點
AGV泊車機(jī)器人作為聯(lián)系和調(diào)節(jié)物流運輸管理系統(tǒng)使其作業(yè)智能化的必要的搬運裝卸手段，其應(yīng)用范圍和技術(shù)水平得到了迅猛的發(fā)展。在最近的十幾年里，各種新型AGV泊車機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中。
現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人技術(shù)的最顯著特征是其智能化得到了明顯的提高。由于車載計算機(jī)的硬軟件功能日益強(qiáng)大，使AGV泊車機(jī)器人具有從網(wǎng)絡(luò)、無線或紅外信號接受裝置接收調(diào)度中心或客戶的指令、自動導(dǎo)引、自主行駛、優(yōu)化路線、自動作業(yè)、運行管理、車輛調(diào)度、安全避碰、自動充電和自動診斷等功能，實現(xiàn)了AGV泊車機(jī)器人的智能化、信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、敏捷化、節(jié)能化、綠色化?，F(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人是可以24小時不停工作的智能化車輛(只要給與其充足的能源)，就能主動、自序、有節(jié)拍的按最短和最安全的路線去完成任務(wù)。智能化和動力強(qiáng)勁等特點，將使AGV泊車機(jī)器人具有日益廣泛的用途。
現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人設(shè)計的顯著進(jìn)步是其動力源裝置的設(shè)計。由于動力源的功率大小直接影響AGV泊車機(jī)器人的運行功能，而動力源的體積大小將直接影響整車的體積及外觀造型[4]。傳統(tǒng)的AGV泊車機(jī)器人采用鉛酸電池，能量密度小，體積大。近年來，隨著電池能源技術(shù)的快速發(fā)展，電池由原來的高能酸性電池，改用現(xiàn)在的高能堿性電池，以提高電池的環(huán)保性能?，F(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人的快速充電技術(shù)使充電時間：放電時間由原來的1：1提高到1：12，大幅縮短了AGV泊車機(jī)器人的待機(jī)充電的時間。動力電池性能的改進(jìn)與快速充電技術(shù)的使用，使得現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人的動力性能普遍提高，運載能力與行駛特性得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。
由于智能機(jī)器人技術(shù)的引進(jìn)，AGV泊車機(jī)器人的機(jī)器人化就成為了現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人研究的熱點話題[5]。實際上，在智能機(jī)器人的整個發(fā)展歷史過程中，其許多相關(guān)技術(shù)都先后應(yīng)用于AGV泊車機(jī)器人技術(shù)發(fā)展過程中。如智能移動機(jī)器人技術(shù)涉及到的機(jī)器人導(dǎo)航與定位、路徑規(guī)劃、運動控制等，均在AGV泊車機(jī)器人中得到了體現(xiàn)，使得現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人無論是專項技術(shù)，還是綜合性能，均得到了普遍提高，并仍將繼續(xù)提高。由于AGV泊車機(jī)器人的智能化，現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人已不僅僅只是沿固定鋪設(shè)軌道行駛的物流運輸工具，幾乎可以適合于各種物流環(huán)境中。
現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人的還有個顯著特點是無人駕駛。它可以保障系統(tǒng)在不需要人工導(dǎo)航的情況下自動行駛和自動搬運，柔性好、自動化和智能化水平高。AGV泊車機(jī)器人可以根據(jù)倉庫貨位要求和生產(chǎn)工藝流程等做出改變，并且改變鋪設(shè)軌道的成本與傳統(tǒng)的輸送帶或傳送帶相比非常低廉。如果配有移載裝置，AGV泊車機(jī)器人還可以與其他物流設(shè)備自動接口，實現(xiàn)制造生產(chǎn)和物流運輸全過程自動化。此外，現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人還具有清潔生產(chǎn)的特點，AGV泊車機(jī)器人依靠自帶的蓄電池提供動力，運行過程噪聲極低、無污染，可以應(yīng)用在許多要求工作環(huán)境清潔的場所。
由于現(xiàn)代AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)在應(yīng)用上的靈活性和準(zhǔn)確性得到很大地提高，許多先進(jìn)的導(dǎo)引方式的引入，使得AGV泊車機(jī)器人小車的導(dǎo)引方式更加多樣化從而形成了一個新的產(chǎn)業(yè)，主要可以概括為兩種發(fā)展模式：第一種是全自動AGV泊車機(jī)器人技術(shù)，這類技術(shù)追求AGV泊車機(jī)器人的自動化，幾乎完全不需要人工的干預(yù)，其路徑規(guī)劃和生產(chǎn)流程復(fù)雜多變，基本能夠運用在所有的物流領(lǐng)域，在歐美國家應(yīng)用廣泛。這些AGV泊車機(jī)器人的功能完善、技術(shù)先進(jìn)，采用模塊化設(shè)計，已經(jīng)形成了一套生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，但是此類AGV泊車機(jī)器人價格昂貴，降低了它的市場占有率；第二種是簡易型AGV泊車機(jī)器人,該技術(shù)可以實現(xiàn)AGV泊車機(jī)器人s的最佳性價比，讓用戶可以在較短的時間內(nèi)收回成本，日本在這方面技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，因此這類AGV泊車機(jī)器人在日本企業(yè)得到了廣泛使用。
圖1-1 簡易型自動導(dǎo)引小車（AGV泊車機(jī)器人） 圖1-2 電磁式自動導(dǎo)引小車（AGV泊車機(jī)器人）
圖1-3 汽車制造現(xiàn)場的AGV泊車機(jī)器人 圖1-4 倉庫運輸系統(tǒng)的AGV泊車機(jī)器人
1.3 AGV泊車機(jī)器人s在國內(nèi)應(yīng)用與發(fā)展趨勢
在中國, 隨著計算機(jī)硬件技術(shù)、并行分析與處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及軟件開發(fā)環(huán)境等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展, 為AGV泊車機(jī)器人s的研究與應(yīng)用提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。近年來，隨著工廠物流自動化、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)技術(shù)的逐步發(fā)展，以及柔性制造系統(tǒng)和自動化立體倉庫的廣泛應(yīng)用，對生產(chǎn)線運行、物流系統(tǒng)的柔性要求越來越高。在這種良好的背景環(huán)境下，AGV泊車機(jī)器人s將會在國內(nèi)得到一個很好的發(fā)展機(jī)會。
近年來，隨著國內(nèi)人力資源成本的不斷上漲，全國各地制造產(chǎn)業(yè)都出現(xiàn)了嚴(yán)重的用工荒現(xiàn)象，生產(chǎn)自動化和物流運輸自動化的需求日益迫切。2013年6月18日，廣東省召開了全國首屆“中國AGV泊車機(jī)器人應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”。2014年4月3日廣州市政府常務(wù)會議審議通過了《廣州市推動工業(yè)機(jī)器人及智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實施意見》，將大力推動廣州市工業(yè)AGV泊車機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，所以AGV泊車機(jī)器人行業(yè)將迎來一輪快速發(fā)展的黃金時期。
中國對AGV泊車機(jī)器人s的研究主要集中在電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、電池能源技術(shù)、車輛制造技術(shù)、導(dǎo)引導(dǎo)航技術(shù)、自動控制技術(shù)、通訊技術(shù)和移載技術(shù)等方面，如表1-1,給出了上述技術(shù)在中國的研究成熟度，表1-2給出了各種導(dǎo)引導(dǎo)航技術(shù)在中國的研究的成熟度、專利、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。
表1-1 AGV泊車機(jī)器人技術(shù)在中國的研究成熟度
技術(shù)名稱
成熟度
技術(shù)名稱
成熟度
電機(jī)驅(qū)動技術(shù)
成熟
自動控制技術(shù)
相對成熟
電池能源技術(shù)
相對成熟
通訊技術(shù)
相對成熟
車輛制造技術(shù)
成熟
移載技術(shù)
成熟
導(dǎo)引導(dǎo)航技術(shù)
相對成熟
表1-2 各種導(dǎo)引導(dǎo)航技術(shù)的比較
技術(shù)名稱
成熟度
技術(shù)難度
成本
專利
應(yīng)用現(xiàn)狀
先進(jìn)性
應(yīng)用前景
電磁導(dǎo)引
成熟
中
低
無
較廣
一般
較好
激光導(dǎo)引
較成熟
高
高
有
廣
較先進(jìn)
好
超聲導(dǎo)引
較成熟
高
高
未知
少
一般
一般
視覺導(dǎo)引
不成熟
高
高
有
少
較先進(jìn)
很好
慣性導(dǎo)引
成熟
中
低
無
廣
一般
好
GPS導(dǎo)引
較成熟
高
高
無
少
一般
一般
AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)大大減輕了勞動強(qiáng)度和危險性，提高了工作效率，在制造、家電、鋼鐵、化工、紡織、卷煙等行業(yè)都已經(jīng)發(fā)揮重要作用。國內(nèi)AGV泊車機(jī)器人應(yīng)用需求現(xiàn)已不僅僅局限于傳統(tǒng)制造行業(yè)，在醫(yī)藥、港口、服務(wù)業(yè)等行業(yè)的需求也在日益擴(kuò)大。尤其是在要求高度自動化的民航、郵政等行業(yè)，要求高度清潔的醫(yī)藥、食品加工等行業(yè)，還有核材料、感光材料等特種行業(yè)都有著廣闊的應(yīng)用前景[6]。
1.4 AGV泊車機(jī)器人s路徑規(guī)劃歷史和現(xiàn)狀
路徑規(guī)劃是指，在具有障礙物的環(huán)境中，按照一定的評價標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu)路徑。AGV泊車機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)給定的起點和終點選擇一條最佳的行走路徑[6]。
國內(nèi)外許多學(xué)者都對路徑規(guī)劃有過深入研究并在這一領(lǐng)域取得了很大的成就。根據(jù)對現(xiàn)場環(huán)境建模方式的不同，傳統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃方法主要有：自由空間法、圖搜索法、柵格法、人工勢場法等。LING QIU和WEN-JING HSU綜述了AGV泊車機(jī)器人的路徑規(guī)劃和調(diào)度的算法,對于全局環(huán)境相關(guān)信息完全已知的全局路徑規(guī)劃的研究一般分為兩個研究方向，即傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法和人工智能規(guī)劃方法。
AGV泊車機(jī)器人與移動機(jī)器人在運行方式上有極大相似之處，所以可以認(rèn)為對移動機(jī)器人路徑規(guī)劃算法和對AGV泊車機(jī)器人的路徑規(guī)劃算法是相同的。隨著國內(nèi)外學(xué)者對人工智能的研究，逐漸提出了多種智能規(guī)劃方法，其中應(yīng)用較為廣泛的主要有：蟻群算法、A*算法、Dijkstra算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和模糊控制方法[7]。
周明等提出了利用遺傳算法對在連續(xù)空間中運行的AGV泊車機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃的方法，該方法首先需要建立環(huán)境模型，調(diào)用算法搜索從起始點到目標(biāo)點的多條路徑，在此基礎(chǔ)之上利用遺傳算法對已搜索到的路徑逐步優(yōu)化、不斷比較從而得到最優(yōu)路徑[8]。莊曉東等提出一種基于模糊概念的動態(tài)環(huán)境模型，在此模型的基礎(chǔ)上通過構(gòu)造二維隸屬度函數(shù)，對路徑進(jìn)行模糊評價從而得到最優(yōu)路徑，此算法主要應(yīng)用在動態(tài)路徑規(guī)劃環(huán)境中[9]。
目前國內(nèi)外學(xué)者在多AGV泊車機(jī)器人s的路徑規(guī)劃和整體調(diào)度方面也做了很多研究，使用的路徑規(guī)劃方法主要包括優(yōu)先級法、交通規(guī)則法、速度調(diào)整法和幾何路徑調(diào)整法等。速度調(diào)節(jié)法是通過改變AGV泊車機(jī)器人的運行速度來實現(xiàn)多個AGV泊車機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)以避免發(fā)生碰撞；幾何路徑調(diào)整法是當(dāng)路徑規(guī)劃發(fā)生沖突的時候通過重新搜索路徑避免AGV泊車機(jī)器人之間發(fā)生碰撞。
劉國棟對多AGV泊車機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)提出了一種兩階段動態(tài)路徑規(guī)劃策略[10]。Kim和Tanchoco提出一種基于Dijkstra的最短路徑算法。FISHER提出拉格朗日松弛啟發(fā)式算法來解決基于時間窗的路徑規(guī)劃問題。Bennexitz等通過動態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)先級順序方法優(yōu)化得到行駛路徑[11]。
1.5 論文的研究內(nèi)容和意義
1.5.1 研究內(nèi)容
本論文根據(jù)學(xué)校物流綜合實驗室和圖書館某科室的布局提出AGV泊車機(jī)器人s的路徑規(guī)劃問題。從而解決AGV泊車機(jī)器人s路徑規(guī)劃問題中可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)行路徑規(guī)劃算法和優(yōu)化方法的研究。本文主要研究內(nèi)容如下：
（1）介紹AGV泊車機(jī)器人與AGV泊車機(jī)器人s的整體結(jié)構(gòu)和組成系統(tǒng)，了解AGV泊車機(jī)器人s的工作模式和工作流程，從而體現(xiàn)出AGV泊車機(jī)器人s路徑規(guī)劃問題在整個物流運輸系統(tǒng)的重要性。
（2）針對物流綜合實驗室和圖書館某科室的工作環(huán)境和布局，基于圖論法創(chuàng)建與現(xiàn)實環(huán)境對應(yīng)的電子地圖。根據(jù)電子地圖作出AGV泊車機(jī)器人s運行路徑圖。
（3）分析學(xué)校物流綜合實驗室的物流特性，利用研發(fā)式搜索算法和Dijkstra算法進(jìn)行單AGV泊車機(jī)器人路徑規(guī)劃，再考慮實際情況和其他因素，對Dijkstra算法進(jìn)行改進(jìn)，得出優(yōu)化后的AGV泊車機(jī)器人的行走路徑圖和解決方法。
（4）對于多AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問題，我們主要研究的是如何解決系統(tǒng)中沖突和死鎖等問題。根據(jù)圖書館某科室借還書物流系統(tǒng)運用AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)實現(xiàn)物流自動化，基于時間窗方法和Dijkstra算法相結(jié)合的方法，來進(jìn)行多AGV泊車機(jī)器人的路徑規(guī)劃。
（5）編寫了C語言代碼，實現(xiàn)了實驗室單AGV泊車機(jī)器人路徑規(guī)劃Dijkstra算法運行程序。進(jìn)一步驗證了算法的可行性。
技術(shù)路線方案如下：
和意義
確定研究方向、目的
圖書館借閱書籍，購買書籍
學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識
收集相關(guān)文獻(xiàn)資料
訪問數(shù)據(jù)庫收集相關(guān)文獻(xiàn)資料
請教導(dǎo)師
AGV泊車機(jī)器人s的材料
整理有關(guān)AGV泊車機(jī)器人與
AGV泊車機(jī)器人
AGV泊車機(jī)器人s
優(yōu)化路徑圖
Dijkstra算法，作出
對比兩種算法，選擇
物流綜合實驗室建模
作物流路徑圖
學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃需要
A*算法和Dijkstra算法
化路徑運行圖
作出單AGV泊車機(jī)器人優(yōu)
對Dijkstra算法進(jìn)行改進(jìn)
得出最終的物流路徑優(yōu)化方案
考慮綜合因素
Dijkstra算法
提出多AGV泊車機(jī)器人問題
時間窗方法
尋找解決方案
圖書館某科室建模
作物流路徑圖
總結(jié)分析
提出不足
提出解決方法
得出最終路徑規(guī)劃方法
多AGV泊車機(jī)器人路徑規(guī)劃方法
作出路徑規(guī)劃圖
圖1-5 論文技術(shù)路線圖
1.5.2 研究的目的及意義
本文研究的目的是基于國內(nèi)企業(yè)物流運輸系統(tǒng)改革與國內(nèi)AGV泊車機(jī)器人技術(shù)的興起這一背景，在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，以學(xué)校的物流綜合實驗室和圖書館某科室為例，對AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)路徑搜索及其優(yōu)化進(jìn)行研究，從而研究出AGV泊車機(jī)器人s路徑規(guī)劃問題中尋找最優(yōu)或次優(yōu)路徑的辦法，使其運用到實際應(yīng)用當(dāng)中去，實現(xiàn)智能化倉庫AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)智能化和自動化。
2.AGV泊車機(jī)器人與AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)
2.1 AGV泊車機(jī)器人的種類與結(jié)構(gòu)
2.1.1 AGV泊車機(jī)器人的種類
AGV泊車機(jī)器人從發(fā)明至今已經(jīng)有60多年的歷史，在這漫長的歷史長河之中，隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其種類和形式也變得多種多樣。按不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以有不同的分類方法。主要有以下幾種分類方式：
根據(jù)小車運行時有無固定軌道劃分，可以分為有軌式AGV泊車機(jī)器人和無軌 式AGV泊車機(jī)器人。有軌式AGV泊車機(jī)器人是需要運行的線路上鋪設(shè)軌道，AGV泊車機(jī)器人小車只能沿著固定的軌道運行，導(dǎo)引技術(shù)較為簡單，但鋪設(shè)軌道與更改軌道的工作量大，使得AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)靈活性差，是早期經(jīng)常采用的一種技術(shù)，但現(xiàn)在不少對技術(shù)要求較低的工作環(huán)境還在普遍使用；無軌式AGV泊車機(jī)器人沒有軌道，將顯示環(huán)境中的路徑通過坐標(biāo)或拓?fù)涞男问酱鎯Φ诫娮佑嬎銠C(jī)中，通過坐標(biāo)數(shù)據(jù)交換的方式得到AGV泊車機(jī)器人在現(xiàn)實環(huán)境中的位置并與虛擬路徑進(jìn)行對應(yīng)，所以系統(tǒng)具有良好的柔性。因此近年來無軌式AGV泊車機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛。但受技術(shù)限制，無軌式AGV泊車機(jī)器人仍存在諸多技術(shù)問題。
根據(jù)小車運行時智能程度劃分，可以分為智能型AGV泊車機(jī)器人和普通型AGV泊車機(jī)器人兩種：智能型AGV泊車機(jī)器人是將全部運行路線和線路信息存儲在每臺AGV泊車機(jī)器人的車載控制系統(tǒng)中，當(dāng)小車得到指令確定了起始點和目標(biāo)點后就可以自動搜索并選擇最優(yōu)路徑到達(dá)指定目標(biāo)點完成指定的運輸或裝卸任務(wù)，對于由50臺以內(nèi)AGV泊車機(jī)器人構(gòu)成的系統(tǒng)多數(shù)采用這種控制方式工作。隨著系統(tǒng)中AGV泊車機(jī)器人的數(shù)量增加，交通管理和發(fā)生碰撞的策略就會越來越困難；普通型AGV泊車機(jī)器人小車的車載控制系統(tǒng)一般比較簡單，僅僅通過傳感器收集小車的位置和姿態(tài)信息，控制小車的運行速度和方向，各AGV泊車機(jī)器人之間不相互通訊，只是每隔一段時間與地面控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。其本身的所有功能路線規(guī)劃和區(qū)段控制都由地面控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，其地面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括地圖建模、路徑規(guī)劃、車輛管理、實時監(jiān)控等一系列功能。此類AGV泊車機(jī)器人一般用來組成最多大約200臺小車的AGV泊車機(jī)器人s。
根據(jù)小車運行時導(dǎo)引方式劃分，AGV泊車機(jī)器人可以分為慣性導(dǎo)引、電磁導(dǎo)引、光/化學(xué)/磁感應(yīng)式導(dǎo)引、紅外線導(dǎo)引、激光導(dǎo)引、直接坐標(biāo)導(dǎo)引、信標(biāo)導(dǎo)引、視覺導(dǎo)引等方式。下面介紹主要的幾種導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人：
（1）電磁感應(yīng)導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人
電磁感應(yīng)導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人一般都會在地面下沿預(yù)先設(shè)定的行駛路線埋設(shè)電線，當(dāng)高頻電流流經(jīng)電線時，電線周圍就會產(chǎn)生電磁場，小車上左右對稱安裝了兩個電磁感應(yīng)器，它們所接收的電磁信號的強(qiáng)度差異就可以改變AGV泊車機(jī)器人偏離路徑的程度。AGV泊車機(jī)器人的導(dǎo)航導(dǎo)引系統(tǒng)根據(jù)這種信號來控制車輛的轉(zhuǎn)向，連續(xù)的動態(tài)閉環(huán)控制可以保證AGV泊車機(jī)器人對預(yù)定路徑的穩(wěn)定自動跟蹤。這種電磁感應(yīng)導(dǎo)引式方法在目前絕大多數(shù)商業(yè)化的AGV泊車機(jī)器人s上都有使用，尤其是大中型的AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)。
（2）激光導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人
激光導(dǎo)引技術(shù)是上個世紀(jì)90年代開始采用的，該種AGV泊車機(jī)器人的車身上安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器，在小車運行路徑的墻壁或支柱上都安裝有具有高反光性的激光定位裝置，AGV泊車機(jī)器人利用激光掃描器發(fā)射激光束，然后通過由四周定位裝置反射回來的激光束，車載控制系統(tǒng)就能計算出小車當(dāng)前所處的位置，通過和系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字地圖進(jìn)行對比來路徑規(guī)劃，從而實現(xiàn)自主導(dǎo)航、自動行駛。目前，該種導(dǎo)引方式的應(yīng)用越來越普遍，并且依據(jù)同樣的導(dǎo)引原理，可將激光導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人變成紅外線導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人和超聲波導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人。
（3）視覺導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人
視覺導(dǎo)引式AGV泊車機(jī)器人是正在快速發(fā)展和成熟的AGV泊車機(jī)器人，該種AGV泊車機(jī)器人上裝有CCD攝像機(jī)和傳感器，在車載計算機(jī)中設(shè)置有AGV泊車機(jī)器人行駛路徑周圍環(huán)境圖像數(shù)據(jù)庫[12]。AGV泊車機(jī)器人運行過程中，攝像機(jī)動態(tài)獲取小車周圍環(huán)境圖像信息并與地面控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，從而確定AGV泊車機(jī)器人所處位置并對下一步行駛做出規(guī)劃。這種導(dǎo)引方式由于不需要人為設(shè)置任何物理路徑，因此在理論上具有最佳的導(dǎo)引柔性。隨著計算機(jī)圖像采集、儲存和處理技術(shù)的快速發(fā)展，該種導(dǎo)引方式的實用性越來越強(qiáng)。
2.1.2 AGV泊車機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
AGV泊車機(jī)器人主要是由機(jī)械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)組成。其中機(jī)械系統(tǒng)由車身、車輪、驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置、移載系統(tǒng)等構(gòu)成，保證了小車的承載能力和運行性能；動力系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、移載電機(jī)、蓄電池和充電裝置等裝置構(gòu)成，為AGV泊車機(jī)器人的正常運轉(zhuǎn)提供動力來源；車載控制系統(tǒng)由人機(jī)界面、信息傳輸及處理系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)等構(gòu)成，確保了小車的正確安全智能地按照預(yù)定路徑正確運行；通訊系統(tǒng)就是負(fù)責(zé)AGV泊車機(jī)器人與主控機(jī)之間進(jìn)行雙向傳輸信息的系統(tǒng)。
機(jī)械系統(tǒng)
A
G
V
動力系統(tǒng)
車載控制系統(tǒng)
通訊系統(tǒng)
圖 2-1 AGV泊車機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
（一）機(jī)械系統(tǒng)
（1）車身
車身主要為鋼材結(jié)構(gòu),是AGV泊車機(jī)器人最基礎(chǔ)的部分，是整個AGV泊車機(jī)器人的“脊柱”。車身一般由底盤架和結(jié)構(gòu)架兩個部分構(gòu)成，其中底盤架為立體型框架結(jié)構(gòu)，用于安裝驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、移載系統(tǒng)、機(jī)械防撞裝置、各種電機(jī)、蓄電池等；而結(jié)構(gòu)架則用于安裝各種控制設(shè)備和通訊設(shè)備。為了便于安裝和維修，通常底盤架和結(jié)構(gòu)架之間采用可拆卸的方式聯(lián)接。
（2）車輪
車輪是整個AGV泊車機(jī)器人的“腳”，外層一般使用樹脂橡膠材料做成，具有強(qiáng)度高、耐磨損、穩(wěn)定性高、擁有一定的彈性等優(yōu)點，適合于AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)的使用。
（3）驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
AGV泊車機(jī)器人的驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括行進(jìn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是整個AGV泊車機(jī)器人的“四肢”。他的性能直接影響到AGV泊車機(jī)器人的運動性能，并在一定程度上影響到自動導(dǎo)航系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能。根據(jù)不同需求AGV泊車機(jī)器人可采用雙輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向和雙輪驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向方式，我們需要根據(jù)實際需求選擇合適的驅(qū)動方式。AGV泊車機(jī)器人的驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如下：
1-連接板；2-螺栓；3-驅(qū)動電機(jī)；4-轉(zhuǎn)向減速電機(jī)；5-轉(zhuǎn)向齒輪副；6-減速直齒輪副；
7-減速（轉(zhuǎn)向）錐齒輪副；8-減速箱箱體；9-行星齒輪副；10-行走輪。
圖2-2 驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
（4）安全防護(hù)裝置
AGV泊車機(jī)器人作為自動化機(jī)器人的一種，安全措施至關(guān)重要。車身上必須安裝障礙物接近報警裝置，是為了避免AGV泊車機(jī)器人小車碰撞，確保整個運行過程中的人身安全和財產(chǎn)安全。同時也必須安裝障礙物接觸式緩沖器，這種裝置一般同時安裝在AGV泊車機(jī)器人車身的前后方，緩沖器的材質(zhì)具有一定的柔軟性，保證發(fā)生故障時不會造成太大的損失。
（5）移載系統(tǒng)
將貨物自動裝到AGV泊車機(jī)器人載貨臺上或從AGV泊車機(jī)器人載貨臺上取下貨物并放置到指定位置的過程叫做移載。根據(jù)不同的工作環(huán)境，AGV泊車機(jī)器人可以裝備不同的移載裝置，如：叉車式、牽引式、輥道式等。
（二）動力系統(tǒng)
（1）電機(jī)
電機(jī)是給AGV泊車機(jī)器人運行過程中提供動力的，AGV泊車機(jī)器人主要需要驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)和移載電機(jī)。目前比較常用的AGV泊車機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)有：直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)。其中由于直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)效率低、體積大等原因，現(xiàn)在AGV泊車機(jī)器人基本很少使用。隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)是最有希望成為AGV泊車機(jī)器人電機(jī)的主流發(fā)展方向。
（2）電池
電源系統(tǒng)是AGV泊車機(jī)器人的動力來源。由于在自動化程度較高的場合AGV泊車機(jī)器人的連續(xù)運行時間較長，甚至達(dá)到24小時不間斷工作，這就需要AGV泊車機(jī)器人所配備的蓄電池必須滿足以下要求：結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)阻低、可靠性高、容量高、工作壽命長和出色的低溫工作性能，還有就是大電流快速充電和充放電能力強(qiáng)。目前國內(nèi)的AGV泊車機(jī)器人市場上，存在以下幾種類型的電池：AGV泊車機(jī)器人小車鎳鎘蓄電池、AGV泊車機(jī)器人小車鎳氫蓄電池、AGV泊車機(jī)器人小車鋰電池和AGV泊車機(jī)器人小車鉛酸蓄電池。
（3）充電裝置
AGV泊車機(jī)器人的充電裝置具有很好的絕緣保護(hù)效果，無需人工幫助，可以很好的與插座實現(xiàn)無縫無接觸地高效快速充電，且裝有短路自動報警裝置，可以很好的保護(hù)AGV泊車機(jī)器人。
（三）車載控制系統(tǒng)
（1）人機(jī)界面
人機(jī)界面用于對AGV泊車機(jī)器人進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)各種運行狀態(tài)，并在脫機(jī)狀態(tài)下提供手動駕駛功能[13]。根據(jù)需求，顯示AGV泊車機(jī)器人當(dāng)前的運行狀態(tài)信息。另外，人機(jī)界面還有電池控制燈、充電指示燈、聲光報警裝置等各種輔助裝置，用于輔助監(jiān)控AGV泊車機(jī)器人的運行。
（2）信息傳輸與處理系統(tǒng)
信息傳輸與處理系統(tǒng)是整個AGV泊車機(jī)器人的“大腦”，是小車行駛和進(jìn)行作業(yè)的直接控制中樞。主要對AGV泊車機(jī)器人上的導(dǎo)航定位系統(tǒng)、驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置和移栽系統(tǒng)等進(jìn)行控制實現(xiàn)AGV泊車機(jī)器人的自動化運行，并與中央控制系統(tǒng)實時通訊、聯(lián)絡(luò)、接受其指令，完成中央控制系統(tǒng)發(fā)送的任務(wù)。
（3）導(dǎo)航定位系統(tǒng)
導(dǎo)航定位系統(tǒng)相當(dāng)于AGV泊車機(jī)器人的“眼睛”，用于AGV泊車機(jī)器人運動過程中的定位。導(dǎo)航定位系統(tǒng)在AGV泊車機(jī)器人實現(xiàn)無人駕駛中起到了絕對至關(guān)重要的作用，它實現(xiàn)了對單臺AGV泊車機(jī)器人的定位，為后續(xù)的任務(wù)分配和路徑規(guī)劃等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前常用的導(dǎo)航方式是電磁感應(yīng)導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。
（四）通訊系統(tǒng)
AGV泊車機(jī)器人的通訊系統(tǒng)主要用來與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，是整個AGV泊車機(jī)器人的“耳朵”和“嘴巴”。通過通信，AGV泊車機(jī)器人接收系統(tǒng)發(fā)送的任務(wù)信息、路徑信息以及各種命令信息。并不斷把自己的位置和狀態(tài)報告給系統(tǒng)，是系統(tǒng)能監(jiān)控所有的AGV泊車機(jī)器人的運行狀態(tài)。因此通訊系統(tǒng)對AGV泊車機(jī)器人來說是必不可少的。
2.2 AGV泊車機(jī)器人s的總體結(jié)構(gòu)
2.2.1 AGV泊車機(jī)器人s的組成
曾有外國專家對AGV泊車機(jī)器人s需要解決的主要三個問題做了一個十分恰當(dāng)?shù)谋扔鳎旱谝皇俏以谀睦铮╓here am I），第二是我要去哪里（Where am I going），第三是我如何才能到那里去（How can I get there）。以上三個問題總結(jié)歸納起來，就是AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)中三個最主要的系統(tǒng)：AGV泊車機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)（Navigation），AGV泊車機(jī)器人地面系統(tǒng)中的路徑規(guī)劃（Layout designing）和AGV泊車機(jī)器人車載系統(tǒng)中的導(dǎo)引控制（Guidance）[14]。
AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)基本上是由地面控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)、移載系統(tǒng)和充電系統(tǒng)等組成。
AGV泊車機(jī)器人的系統(tǒng)運行流程為：先由地面控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場物料運輸需求和AGV泊車機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)分配并對AGV泊車機(jī)器人的運行路徑進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后通過通訊系統(tǒng)將地面控制系統(tǒng)發(fā)出的指令傳達(dá)給車載控制系統(tǒng)，再通過車載控制系統(tǒng)調(diào)用導(dǎo)航系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行小車的定位和按照預(yù)定路徑移動，最后在到達(dá)指定位置后調(diào)用移載系統(tǒng)完成貨物的裝卸任務(wù)。
車載導(dǎo)航系統(tǒng)
移載系統(tǒng)
通訊系統(tǒng)
地面控制系統(tǒng)
貨物
車載控制系統(tǒng)
路徑
起點O
終點Q
充電系統(tǒng)
圖2-3 AGV泊車機(jī)器人s運行示意圖
2.2.2 地面控制系統(tǒng)
地面控制系統(tǒng)在整個AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)中是核心地位，其主要功能是根據(jù)用戶提供的任務(wù)指令給空閑的AGV泊車機(jī)器人下達(dá)任務(wù)，統(tǒng)籌調(diào)度所有AGV泊車機(jī)器人并規(guī)劃運行線路，避免AGV泊車機(jī)器人發(fā)生相互沖突的情況，從而順利完成工作任務(wù)，同時還需要自動管理車輛充電任務(wù)。主要由以下幾個模塊組成：
（1）任務(wù)管理：根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的請求或者客戶所安排的任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的重要程度和當(dāng)前小車分配情況對各項任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級分配。
（2）車輛管理：根據(jù)任務(wù)管理模塊中任務(wù)優(yōu)先級順序，分配空閑的AGV泊車機(jī)器人去執(zhí)行任務(wù)，調(diào)用路徑規(guī)劃算法搜索AGV泊車機(jī)器人的最短路徑同時根據(jù)無沖突路徑優(yōu)化原則選擇最優(yōu)路徑并下達(dá)運行指令，在AGV泊車機(jī)器人電量不足（無法完成后續(xù)任務(wù)）的情況下下達(dá)充電命令；負(fù)責(zé)AGV泊車機(jī)器人當(dāng)前運行狀態(tài)信息搜集，并向路徑管理模塊發(fā)出確認(rèn)信息檢測車輛即將到達(dá)的下一路段是否可以進(jìn)入，同時把確認(rèn)后的信息通過通訊系統(tǒng)發(fā)送給AGV泊車機(jī)器人使得小車能按預(yù)定線路運行。
（3）路徑管理：根據(jù)車輛的實際尺寸大小和運行情況，使用時間窗方法避免小車由于等待而產(chǎn)生死鎖的情況發(fā)生以及解決由于出現(xiàn)突發(fā)情況而使系統(tǒng)局部路徑發(fā)生變化從而產(chǎn)生死鎖情況，保障系統(tǒng)中所有AGV泊車機(jī)器人能正常運行。
（4）通訊管理：負(fù)責(zé)地面控制系統(tǒng)與AGV泊車機(jī)器人單機(jī)之間的數(shù)據(jù)信息交換，包括任務(wù)的分配與運行指令的傳達(dá)、車輛位置的確定、突發(fā)情況的上報等。
（5）實時監(jiān)控：通過通訊系統(tǒng)與AGV泊車機(jī)器人交換數(shù)據(jù)信息以得到車輛的具體信息并通過圖像形式在電腦中實時顯示出來。
2.2.3 通訊系統(tǒng)
AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)中可能有多臺AGV泊車機(jī)器人同時工作，為了能夠和其它AGV泊車機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，同時也為了能夠?qū)?dāng)前狀態(tài)信息報告給地面控制系統(tǒng)，因此通訊系統(tǒng)對AGV泊車機(jī)器人s來說是非常重要的。AGV泊車機(jī)器人s通訊系統(tǒng)的主要功能就是負(fù)責(zé)AGV泊車機(jī)器人與地面控制系統(tǒng)之間雙向通訊、任務(wù)分配、交通管理、確定AGV泊車機(jī)器人小車位置和狀態(tài)以及載荷情況的信息。AGV泊車機(jī)器人通過無線Modem與地面控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，使整個AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成了一個無線局域網(wǎng)，地面控制系統(tǒng)通過通訊來確定各AGV泊車機(jī)器人的工作狀態(tài)和空間位置，便于進(jìn)行AGV泊車機(jī)器人路徑規(guī)劃，當(dāng)工作環(huán)境中干擾因素較多時，通訊系統(tǒng)就必須具有較高可靠性，否則會引發(fā)AGV泊車機(jī)器人s運行錯誤，從而影響工作效率。當(dāng)工廠環(huán)境比較寬闊時，系統(tǒng)中就必須安裝中繼設(shè)備，使無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個AGV泊車機(jī)器人工作區(qū)域。
2.2.4 車載控制系統(tǒng)
車載控制系統(tǒng)又被稱為AGV泊車機(jī)器人單機(jī)控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)在收到地面控制系統(tǒng)下達(dá)的運行指令后，完成AGV泊車機(jī)器人的導(dǎo)航、導(dǎo)引、路徑選擇、車輛驅(qū)動以及貨物的裝卸操作等任務(wù)[15]。是整個AGV泊車機(jī)器人最重要的組成部分。
（1）導(dǎo)航（Navigation）：AGV泊車機(jī)器人通過安裝在車體上的導(dǎo)航傳感器測量并計算出當(dāng)前車輛在整個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和AGV泊車機(jī)器人的姿態(tài)，并選擇AGV泊車機(jī)器人的行走路徑。
（2）導(dǎo)引（Guidance）：AGV泊車機(jī)器人根據(jù)現(xiàn)在的位置和姿態(tài)信息，結(jié)合算法搜索到的最優(yōu)路徑來計算小車運行過程中所需達(dá)到的速度值和轉(zhuǎn)向角度值。
（3）路徑選擇：此項任務(wù)在普通型的AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)中只能由地面控制系統(tǒng)完成，在智能型AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)中，車載控制系統(tǒng)也可以根據(jù)任務(wù)所給出的起始點和目標(biāo)點的信息結(jié)合小車當(dāng)前的位置信息搜索小車所有可運行的路徑并且比較選擇最優(yōu)路徑。
（4）車輛驅(qū)動：AGV泊車機(jī)器人根據(jù)導(dǎo)引導(dǎo)航系統(tǒng)計算出的結(jié)果和最終選擇的最優(yōu)路徑等信息，通過控制器和驅(qū)動器控制電機(jī)運轉(zhuǎn)實現(xiàn)車輛運行。
2.2.5 車載導(dǎo)航系統(tǒng)
車載導(dǎo)航系統(tǒng)在AGV泊車機(jī)器人實現(xiàn)無人駕駛中起到了絕對至關(guān)重要的作用，它實現(xiàn)了對單臺AGV泊車機(jī)器人的定位，為后續(xù)的任務(wù)分配和路徑規(guī)劃等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。綜合系統(tǒng)對定位精度的要求，并考慮到電磁導(dǎo)引技術(shù)是目前AGV泊車機(jī)器人導(dǎo)引技術(shù)中先進(jìn)并且通用的成熟技術(shù)，選用電磁導(dǎo)引技術(shù)。電磁導(dǎo)引技術(shù)擁有維護(hù)成本低、可持續(xù)性高、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點，非常適合室內(nèi)AGV泊車機(jī)器人導(dǎo)航。
電磁導(dǎo)引是目前的AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)主要采用的方法。它需在AGV泊車機(jī)器人小車要運行的路線下面埋設(shè)專門電纜線，其中通以一定頻率的交變電流形成交變電磁場，同時在AGV泊車機(jī)器人車身上設(shè)置一對電磁傳感器（感應(yīng)線圈），利用電磁感應(yīng)原理，通過感應(yīng)電磁感應(yīng)信號的強(qiáng)弱，引導(dǎo)AGV泊車機(jī)器人沿著路線行駛。該方法可靠性高、成本低，但對地面的平整度要求髙，運行路徑改變困難。
2.2.6 移載系統(tǒng)
通常的AGV泊車機(jī)器人，它的物料裝卸裝置一般能根據(jù)任務(wù)中目標(biāo)點的坐標(biāo)去完成水平方向的移載，或者垂直方向的移載。本文研究的AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)中，AGV泊車機(jī)器人采用的是水平和垂直相結(jié)合的移載方式，再加上AGV泊車機(jī)器人的前后移動就可以實現(xiàn)AGV泊車機(jī)器人的三維的立體輸送。此種輸送方式可以滿足許多復(fù)雜的運行環(huán)境，具有較高的實用價值。移載裝置的豎直方向的升降采用液壓機(jī)構(gòu)，其豎直方向誤差精度可達(dá)2毫米，足以滿足一般物流搬運場合的需要，水平方向的移載裝置采用輸送機(jī)構(gòu)可以方便地實現(xiàn)物料的搬運[16]。
2.2.7 充電系統(tǒng)
對于智能化高的AGV泊車機(jī)器人來說，當(dāng)電力不足時，會自動報告并請求充電，由地面控制中心指揮，駛向指定充電區(qū)域，車載充電連接器與地面充電系統(tǒng)自動連接并實施充電，不需要人員進(jìn)行電池的更換。充電完成后AGV泊車機(jī)器人自動脫離充電系統(tǒng)，駛向工作區(qū)或待命區(qū)投入正常運行。其特點是整個充電過程全部實現(xiàn)自動化、智能化。
AGV泊車機(jī)器人一般是以蓄電池為動力源的，具有噪音低、污染小等許多優(yōu)點。性能優(yōu)良的蓄電池可以有效減小AGV泊車機(jī)器人的外形尺寸和自重，對AGV泊車機(jī)器人的工作時間也有著直接的影響，蓄電池特性對AGV泊車機(jī)器人s的系統(tǒng)設(shè)計的影響很大。
2.3 AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)的工作模式
2.3.1 AGV泊車機(jī)器人s的工作特點
AGV泊車機(jī)器人是采用先進(jìn)控制技術(shù)的現(xiàn)代物流設(shè)備，AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)的控制是通過物流上位調(diào)度系統(tǒng)、AGV泊車機(jī)器人地面控制系統(tǒng)及AGV泊車機(jī)器人車載控制系統(tǒng)三者之間的相互協(xié)調(diào)完成的。作為自動運載機(jī)器人的一種運用，具有靈活性、高效性和智能性等特點。以下為AGV泊車機(jī)器人s的工作特點：?
（1）它是自動移動的輸送機(jī)，不固定占用地面空間，改變運行路徑比較容易。可以較方便地實現(xiàn)物流系統(tǒng)的擴(kuò)展，可重組性使生產(chǎn)線的設(shè)備具有很大的靈活性，便于系統(tǒng)的重新布置和實現(xiàn)功能調(diào)整。?
（2）AGV泊車機(jī)器人系統(tǒng)通過局域網(wǎng)協(xié)議與管理系統(tǒng)相連，可以建設(shè)無人智能化車間、自動化倉庫，實現(xiàn)物流自動化的最佳選擇。便于和機(jī)器人自動輸送線、自動化加工中心配合作業(yè)，可以和立體倉庫配合使用實現(xiàn)對物流的一體化控制。?
（3）AGV泊車機(jī)器人s主要用于各類型生產(chǎn)企業(yè)，為其進(jìn)行物料和產(chǎn)品的搬送、裝配及裝配牽引、物料運輸或替代往復(fù)不斷的中間人力物流等。具有較高的安全性，AGV泊車機(jī)器人可實現(xiàn)自動避障和離線待命等保證生產(chǎn)線的連續(xù)運轉(zhuǎn)，相對于流水線軌道等固定的物料輸送線具有較大的交叉能力。
（4）自動識別路徑和選擇優(yōu)化路徑可以靈活及時的運輸物料，提高了設(shè)備的利用率。采用計算機(jī)控制，系統(tǒng)精度高，可構(gòu)成高精度的動態(tài)跟蹤系統(tǒng)。使用直流電源裝置，低噪音、無污染，改善了作業(yè)環(huán)境。
由于降低成本的壓力一直貫穿于整個制造業(yè)和物流運輸