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自动导引小车系统( a g v s ) 路径规划技术研究 摘要 随着生产的发展和自动化程度提高，传统制造业的生产方式发生了深刻的 变化，同时对生产车间物料搬运作业自动化、柔性( 即可调整性) 和准时性提 出了更高的要求，a g v s 的路径规划正是在此背景下发展起来的一个重要研究 领域。本文在对一个生产车间的制造工艺和物流系统分析后，设计了该车间的 平面布局图：抽象出基于后桥机加工车间平面布局的a g v 路径图，利用图论 原理表达a g v 的路径；在研究各种路径规划方法和遗传算法的基本理论基础 上，运用遗传算法来对一个具体的例子进行求解，得出路径规划中的最短路径 最优解。 关键词： a g v s 生产物流路径规划图论遗传算法 r e s e a r c ho np a t h - p l a n n i n go fa g vs y s t e m ( a g v s ) a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f p r o d u c t i o n a n d a u t o m a t i z a t i o n ， t h et r a d “i o n m a n u f a c t u r i n g sw a y h a v e c h a n g e dd e e p l y ， a tt h es a m e t i m e ， t h em a t e r i a l c o n v e y a n c e ss y s t e ms h o u l dm e e tt h o s ed e m a n d so fa u t o m a t i z a t i o n ，n e x i b i l i t y ( a d j u s t a b l e ) a n dj u s ti nt i m e a g v s sp a t hp l a n n i n gh a sb e e nd e v e l o p i n gi n t oa n i m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l du n d e rs u c hb a c k g r o u n d t h ep a p e ra n a l y z e sw o r k s h o p s m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s a n d l o g i s t i c ss y s t e m a n d d e s i g n s t h ew o r ks h o p p l a n ； a b s t r a c t sa g v sp a t hm a pb a s e do nw o r k s h o p sl a y o u t ，u s e s g r a p h i c st h e o r yt o d e s c r i b ea g v sp a t h ；a f t e ra n a l y z e sa l lk i n d so fw a y so fp a t h p l a n n i n g ，g e tt h e s h o r t e s tp a t hf r o mr o u t e p l a n n i n gb yt h ew a y o f a p p l i c a t i o n f o rg a k e yw o r d s ：a g v s ，p r o d u c t i o nl o g i s t i c ，p a t h p l a n n i n g ，g r a p h i c st h e o r y ，g a 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名 摭半茎凑苫 委员： 导师： 歹黝9 易 7 童无证 车雪略 f 黟绸 各枷式乒 黧 铷 插图清单 图1 1a g v 小车 图1 2 各种导引方式所占比例 图2 1a g v 的构成原理图 图2 2a g v 运行控制流程图 图2 3 小车运行流程图一 图3 1a g v s 生产车间布局图 图3 2 导向板布置图 图3 3 图论中的图 图3 4 有向边 图3 5 路径 图3 6 带权重的无向图 图3 7a g v 路径在二维坐标系中表示 图3 8a g v s 的有向图模型示例图 图3 9 工序物流图 图3 1 0 方案评价与决策的流程图 图3 1 1 后桥生产车间平面布置图 图3 1 2 a g v s 车间平面布置图 图3 1 3 导向板布置图 图3 1 4 后桥机加工车间a g v 运行路线的抽象路径图 图4 1 遗传算法原理流程图 图4 2 运行路线抽象路径图 图4 3 基于位置的杂交运算 图4 4 变异运算 图4 51 0 个节点和1 6 条边的简单无向图 图4 6 基于优先权的编码图 图4 7 产生染色体种群 图4 _ 8 计算适配值 图4 9 计算选择概率 图4 1 0 交叉运算结果 图4 1 1 变异运算结果 图4 1 2 运算结果 图4 1 3 最佳行走路径图 互l、kr丸-扣卫hn掣3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5；j三一三享三兰；兰 表格清单 表1 1 导向技术性能综合评价 表3 1 物料分类及物流量一览表 表4 1 遗传算法术语的说明 7 3 1 3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒胆王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名名缦签字瞰舸年6 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金星王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文搜查阗和借阅。本人授 权金目匹些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：奎匆蔓 签字日期：口蚌占月j 一日 签字日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 弋b 致谢 值此论文完成之际，我首先要感谢我的导师朱华炳副教授! 在研究生期间， 导师不仅在理论研究上耐心地给予指导，并为我提供了许多实践的机会，让我 学习了许多书本之外的知识，朱老师无论是在学习上，还是在生活中都给予了 我悉心指导和热情帮助，为我研究生期间的学习打下了深厚的基础：我所取得 每一份成绩都是和导师的辛勤工作分不开的。在此我由衷地感谢朱老师在做学 问和做人方面对我的教诲。 衷心感谢刘志峰教授、桂贵生教授、陈无畏教授、宋守许副教授，在课题 研究中指导我研究问题的方法，对我的工作给予了大力的支持，为本论文的顺 利完成打下了坚实的基础。 衷心感谢江淮汽车集团合肥车桥有限公司的唐自玉副总、陈修玉高工在课 题研究和实践方面给予的指导。 另外，工业工程教研室的王芸凤同学和机电教研室的范仁杰、马世典、闰 真才、程翔宇、吕冬梅、李付军、柳欣、余成益、金鑫、周文广等同学的无私 帮助，在此一并表示诚挚的谢意。 最后，谨以此文献给我的家人。 作者：李红英 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 随着生产的发展和自动化程度的提高，传统制造业的生产方式发生了深刻 的变化，可以说，现代制造业已经迈入自动化、智能化、个性化的崭新阶段。 为了节约成本，缩短生产周期和提高企业的经济效益，柔性生产系统( f m s ) 和工厂自动化等先进的生产方式逐渐发展起来。生产物流系统技术是先进制造 技术中的重要组成部分，随着计算机科学和自动化技术的发展，它已从以前简 单的物料搬运发展到物流自动化系统，物流管理系统也从原有的简单方式迅速 向自动化管理演变，使得物流系统自动化水平更高，其主要标志是自动化物流 设备，如自动导引车( a g v a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c i e ) 。生产物流系统所要解决 的问题是物流活动的机械化、自动化和合理化，以实现物流系统的时间和空间 效益。传统生产物流设备不利于现代制造业的发展，其设备落后，搬运效率低 下是影响整体生产效益提高的主要因素；现代化的物流设备是生产物流系统现 代化的基础，主要采用快速、高效、自动化的物流设备，其中自动导引运输车 ( a g v ) 以其快速、准确的运输、运输路径柔性化、便于计算机管理与调度、 实现无人化操作、更有利于劳动安全保障的实施等优点已被广泛应用于制造业， 因此对于a g v 的研究已成为现代生产物流系统的热点之一。 工厂自动化和柔性制造系统采用的主要设备是机器人、自动化立体仓库、 无人搬运车、物料分检识别系统，此外还有输送辊道、传送带、悬挂链、地链 小车、升降机、带真空吸盘的移载装置以及平衡吊、叉车和工位缓冲站等等。 其中无人搬运车以a g v 为标志，它综合应用了传感器信号处理、计算机、自 动控制、通讯和机械等多个学科的技术，是现代物流系统中的关键设备。a g v 在工业、农业、医学和人类生活中的各方面显示了越来越多的应用前景，因而 逐渐也成为国际机器人界的热门研究领域【2 】。 1 1 自动导引小车系统( a g v s ) 概述 a g v 是自动导引小车( a u t o m a t e d g u i d e d v e h i c l e ) 的英文缩写。根据美国 物流协会定义，a g v 是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引 路径行驶，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能的运输 小车。a g v 是现代物流系统的关键装备，它能够沿规定的导向路径行驶在某 位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置自动完成货物的卸载，并具有 安全保护以及各种移载功能的全自动运输装置，图1 1 是一种激光导引式的a g v 小车。a g v 以电池为动力，采用非接触的导引方式，可根据实际需要，配备不 同的移载机构。完成相应的操作任务。与其它物料输送设备相比，a g v 有较好 的适应性和灵活性，不仅可应用于车间、码头、机场、医院、商店，作为物品 的转运工具，也可以用在流水线上，作为工序间可移动的装配台。尤其适用于 工作人员不宜进入的场合，如对人体有害的环境；劳动强度要求太高：对工作 精度有一定要求，完全靠手工或仅借助于简单机械装置是难以完成的场合。 a g v s 是自动导引车系统( a g vs y s t e m ) ，它由若干辆沿导引路径行驶，独立 运行的a g v 组成。a g v s 在计算机的交 通管制下有条不紊地运行，并通过物流 系统软件而集成于整个工厂的生产监 控与管理系统中【1 1 。a g v s 对于工作环 境具有较好的适应性，可充分利用工作 环境空间，且系统安装和小车运行线路 更改相对而言都是比较容易。a g v 可以 是以长距离和相同路径为特征的传统 仓库系统的一部分，它是除了固定路线 的传送带和高空物料传输设备以外的 另一种选择。a g v s 的运用是一项复杂 的系统工程，一般每一个a g v s 包括 多台a g v 设备，随着工厂生产自动化 程度的不断提高以及f m s 的推广应 用，a g v 技术以其灵活性、高效性和 高柔性己被公认为物料搬运的理想解 决方法“。a g v s 的开发研究已经 有较长历史，虽然它并不是针对柔性制 造系统而开发的，但由于具有灵活的物 图1 1a g v 小车 f i g 1 1a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e 料搬运能力，因此已成为现代生产物流系统中重要的物料搬运工具。 1 2a g v s 的发展与现状 a g v 从产生到现在己经有5 0 多年的历史。最早的a g v 是在五十年代初美 国的b a r r e n 电子公司开发成功的，它是一种牵引式小车系统，但是由于当时技 术和经济的限制，使得a g v 发展速度极为缓慢。 1 2 1a g v 的发展过程 在五十年代初产生的第一代a g v 是能沿着预定路线运行，并进行简单路 线选择的无人驾驶牵引小车。其控制器采用真空电子管，体积较大且功能受到 限制，实质上只是简单动力化的拖车或载货车，性能较差。随着微电子技术的 发展，晶体管开始应用于a g v 控制系统，提高了a g v 的使用范围和系统的可 靠性，使a g v 控制系统所占空间大大减小。 六十年代及七十年代早期，集成电路电子技术应用于a g v 控制系统，不 但控制器的体积减小了很多，而且运算功能也得到了增强。这一发展促进了 a g v 的自动化及控制性能的提高，使控制系统复杂的a g v 开发有了现实可行 性。 七十年代，随着集成电路电子技术和计算机技术的发展，计算机的应用领 域越来越广阔。计算机控制的a g v 逐渐发展起来。计算机通过与系统中各小 车进行远距离通讯来指导a g v 完成路径识别、货物装载等动作。通过主控机， a g v 还可以很方便地与其它自动化系统相结合，促进整个工厂系统的自动化 和智能化程度。 八十年代以来，随着诗算枧技术的进一步发展，微处理器开始普遍应用于 a g v 领域。一般的a g v 上都装有多个微处理器，分别来控制小车总体及系统 各模块，从而使小车的智能化程度得到了进一步的提高。通过主控机可控制整 个a g v 系统的运行，而车载微机接收主控机发送的指令，控制小车各子系统 的具体动作，存储于小块芯片中的控制程序为小车提供了复杂的控制功能，可 以使小车具有很高的智能化，同时也省去了许多复杂的硬件控制电路。此外一 些先进的控制功能也变得易于实现，如各小车的实时通讯、所有小车位置任务 情况和状态的连续监视等。 a g v 发展到今天，其硬件速度和智能化程度都上了一个新的台阶，对硬件 有很高要求，要能处理大量数据和图像，导引式a g v 随之产生，通过对图像处 理，a g v 可以实现路径识别、避碰、精确导向等。随着a g v 自动化和智能化程 度的提高，a g v 已经深入到社会生产生活的各个领域。 1 2 2 国内外的a g v 发展状况 虽然a g v 技术首先出现于美国，但却是在欧洲迅速得到发展和推广应用， 并成为制造和装配作业过程中一种流行的物料搬运设备。由于其高效、灵活性， a g v s 在各工业先进国家获得了广泛的应用，瑞典于1 9 6 9 年首次在物流系统中 采用了a g v ，到1 9 8 5 年为止，共有1 2 5 0 台a g v 在7 5 条a g v s 中工作。1 9 8 3 年， 全欧洲有3 6 0 条a g v s 共3 9 0 0 台a g v 在工作，在1 9 8 5 年所生产的a g v 总台数超过 了1 0 0 0 0 台。1 9 8 5 年美国拥有2 1 0 0 条a g v s 共8 1 9 9 台a g v ，共有3 0 多家a g v 生产 厂家。日本在1 9 6 3 年首次引进一台a g v ，1 9 7 6 年以后每年增加数十条a g v s ， 目前已有神钢电机、平田电机、住友重机等2 7 个主要生产厂，生产几十种不同 类型的a g v 。1 9 8 1 年销售量达6 0 亿日元，1 9 8 4 年增加到1 5 0 亿日元，1 9 8 5 年上 升到2 0 0 亿日元，并且平均每年以2 0 的速度递增，a g v 在经济发达国家起到了 重要的作用n “”。 我国a g v 的研制起步较晚，并且由于国内的许多工厂自动化程度不高，大 量的物料搬运任务仍然由人工借助简单的机械装置来完成，其次是受到国内市 场需求的影响，因而a g v 的发展十分缓慢。我国研制a g v 的单位不多，所采用 的技术也主要是以电磁导引为主，研究单位主要是沈阳机器人研究所和以清华 大学为代表的一些高等院校：昆明船舶公司研发的激光导引a g v 是目前国内比 较先进的a g v 小车。 发达国家的发展经历说明了生产过程自动化是工业发展的必经之路，采用 a g v s 可以大大提高企业的生产自动化和智能化，可以大幅度缩短生产周期， 提高企业的效益，增加企业的竞争力。我国的工业生产自动化水平低，生产率 低，技术落后。为了提高竞争力，国内许多厂家正积极地进行生产过程自动化 的改造。对于在工业自动化生产过程中起着纽带作用的a g v ，国内已有越来越 多的需求，但限于国内a g v 发展水平，多数先进的a g v s 系统只能依靠进口， 因此，为适应生产过程自动化的发展，研制和开发具有自主知识产权的a g v 是 很有必要，也很有意义的。 1 3a g v 的特点和类型划分 1 _ 3 1a g v 的特点 由于a g v 是采用先进控制技术的现代物流设备，具有灵活性、高效性和智 能化的a g v 具有如下的应用特点： ( 1 ) 便于和机器人自动输送线自动化仓库加工中心配合作业。 ( 2 ) 可以较方便地实现物流系统的扩展。 ( 3 ) 可以和立体仓库配合使用实现对物流的一体化控制。 ( 4 ) 可重组性使生产线的设备具有很大的灵活性，便于系统的重新布置 和实现功能调整。 ( 5 ) 具有较高的安全性，a g v 可实现自动避障和离线待命等保证生产 线的连续运转。 ( 6 ) 相对于流永线轨道等固定的物料输送线具有较大的交叉能力。 ( 7 ) 自动识别路径选择优化路径可以灵活及时地运输物料，提高了设备 的利用率。 ( 8 ) 采用微机控制，系统精度高，可构成高精度的动态跟踪系统。 ( 9 ) 使用直流电源装置，低噪音、无污染，改善了作业环境。 由于a o v 具有的这些特点，使a g v s 成为许多制造企业提高生产效率和系 统智能化水平的重要手段，在重型机械及部分非制造业中业也有应用。 智能化的a g v 因其自身的特点和诸多优势，不仅可广泛应用于自动化程度 较高的工业与非工业的物料搬运、仓储物流中，而且还将逐渐应用于医疗、卫 生、图书馆、机场、宾馆、卷烟厂、印刷等各种场合。一般来说，主要应用范 4 围有如下几个方面：柔性装配系统、自动化立体仓库、柔性加工系统；在车站、 机场、邮局的物品分捡系统中作为运输工具；用在办公室、医院、宾馆的a g v ； 机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸、报业、印刷等行业的物料输送 【s 】。 1 3 2a g v 的类型划分 划分a g v 类型有很多种方法，根据小车运行时有无固定轨道，a g v 可分为 两种形式：有轨式a g v 小车，沿固定的轨道运行，导引技术相对简单，但铺设 轨道的工作量大，a g v 系统灵活性差，是早期经常采用的一种技术，在现代 a g v s 中使用极少；无轨式a g v ，由于没有轨道，a g v 系统具有良好的柔性， 可以根据系统的需要，重新设定运行路径，因此近年来得到广泛应用。但受技 术限制，无轨a g v 系统仍存在诸多技术难题。 根据自主程度划分，a g v 可分为智能型和普通型两种：智能型a g v ，每台 小车的控制系统中存有全部运行线路和线路区段控制的信息，小车只需知道目 的地和到达目的地后要完成的工作任务，就可以自动选择最优线路完成指定的 任务，对于由3 0 台以内a g v 构成的系统多数采用这种控制方式工作，当台数太 多时，交通管理和避碰就成为很大的问题；普通型a g v 小车的控制系统一般比 较简单，其本身的所有功能路线规划和区段控制都由主控机进行控制，因而此 类系统的主控机必须有很强的处理能力。小车每隔一段距离通过地面通讯站与 主控机交换数据，小车在通讯站之间的误动作无法及时通知主控机，当主控机 出现故障时，小车只能终止工作，此类a g v 一般用来组成包含5 0 到2 0 0 台小车 的a o v s 。 按照导引方式划分，a g v 可以分为：直接坐标导引、信标导引、惯性导引、 电磁导引、光，化学磁感应式导引、红外线导引、激光导引、视觉导引等方式 的a g v i 9 1 。 直接坐标式a g v ：用定位块将a g v 的行驶区域分成若干坐标小块，通过计 数实现导引。其优点是可以方便实现路径的修改，导引的可靠性好，对环境无 特别要求。缺点是地面测量装置安装复杂，工作量大，导引精度较低。 信标导引式a g v ：在工作环境内的若干确定位置处分别设置信标，a g v 通 过车体上安装的测量装置，测知小车与各个信标之间的位置关系( 如距离或角 度等) ，同样可以推算出自身位置。在这种方式下，小车的定位误差只跟车体 与各个信标的相对位置有关，而与小车所行驶过的距离无关，对位置计算和超 声信标定位的数据进行融合，可提高a 0 v 位置估算精度。 惯性导引式a g v ：在a g v 上装有陀螺仪，根据陀螺仪的偏差进行导引，其 主要优点是技术先进，准确性、高灵活性，便于组合和兼容，适用领域广。缺 点是成本较高、维护保养等后续问题较难解决，地面也需磁性块作辅助定位。 电磁导引式a g v ：它是较早应用于无轨a g v 的导引方法，其技术已十分成 熟。目前的无轨a g v 主要采用这种方法，它需在a g v 要行走的路线下面埋设专 门电缆线，利用低频导引线形成的交变电磁场及安装在a g v 上的感应线圈等装 置实现导引。该方法可靠性高、成本低、对环境要求不严格、维修保养容易。 但路径改变困难，适用于室内室外短距离物料搬运。国内上海大众汽车集团、 安徽奇瑞汽车集团、上海金山石化总厂涤纶车间、秦山核电站核废料仓库使用 的a g v ，以及中科院沈阳自动化研究所为沈阳金杯汽车制造厂研制的a g v 采用 的都是这种方法。 光化学磁感应式a g v ：这类方式的基本原理和方法同电磁感应相似，所 不同的只是地面上设置的信号源，以及小车上相应的偏差检测传感器与电磁感 应方式楣比，这类方法需要解决的一个重要问题是自动分岔，对于电磁感应方 式a g v 在岔道处只需选择不同频率的信号就能识别不同运行线路。而对于光 化学磁感应方式，由于不同线路上的导引信号是等同的，因此不能用类似方法 进行分岔。对于反光带导向，采用了推测航行法，a g v 在分岔弯道上脱离自动 导向系统的控制，以固定导向角运行一定时间，待小车驶入被选择的线路后再 接入导向控制系统。上海铁道大学机械工程系开发的行李包裹自动分检a g v ， 即采用了反光带进行导向。 红外线导引式a g v ；红外法测距与测角很早就应用于工业部门，但用在 a g v 上的时间还很短。其主要特点是在a 0 v 行走空间的特定位置处布置一批红 外光的反射镜面，利用入射光束与反射光束提供的夹角信息以及入射光束与反 射光束的时间差信息等计算a g v 的位置，实现导引。该方法成本高、对环境 要求严格、传感器及反射装置的安装十分复杂且计算也很复杂仅适用于室内小 型a g v 的长路线搬运。 激光导引式a g v ：激光导引是在九十年代中期开始采用的先进导引方式， 与红外线导引方式的原理相似，不需进行地面处理，在a g v 上装备可发射和接 收激光的扫描器，导引区域的四周按要求布置足够的反射板，a g v 的p l c 中存 储各块反射扳的数据及行走路径数据，并将激光扫描器的信号转化为驱动a g v 的命令【3 1 。 视觉导引式a g v ：即图像识别导引，其原理是通过摄像机或超声波扫描仪 生成a g v 周围场景的图像，或对a g v 行驶的环境做特定标记的识别，与计算机 系统中存储的环境地图进行比较判断，实现a g v 的智能行驶。这是一种大有潜 力的技术，但需要对制造车间环境做一些特殊处理，由视觉系统识别一些固定 特征，从而实现对a g v 的导引。该方法可靠性高、施工时间短、线路变更容易， 但成本高【叭。 以上八种自动导向技术的综合参数比较结果如表1 1 所示，各种导引方式所 占的比例如图1 2 。这几种导引技术各有特点，没有哪种导向技术在各个性能 6 指标上都占优势，因此实际应用时应该根据具体的应用环境选取特定的导引方 式，或者综合使用两种或两种以上的导向技术取长补短以达到较好的综合效果。 图1 2 各种导引方式所占比例 f i g 1 2t h ep r o p o r t i o no fg u i d e l i n ew a y s 表卜1 导向技术性能指标综合评价 r a b1 一lt h eg e n e r a le s “m a t ef o rp e r f o r m a n c eo f g u i d e dt e c h n o i o g y 特点方式直接坐标信标惯性电磁感光化学红外激光视觉 应磁 运行范围一般中等中等良优优优良 精度 差中等一般良优 中等 优优 灵活性良优 优 中等良优优优 可靠性优一般中等优中等良良一般 可控性一般差差优差差中等一般 小车费用中等中等差良中等差差著 地面费用差一般优中等优优 筹 良 1 4 本文的研究内容 a g v 的出现已经有几十年的历史，但是在中国的起步较晚，且发展水平不 高。加入w t 0 后，各个企业面临着国内外的激烈竞争，为了提高企业的竞争 能力，必须采取一些先进的生产设施来提高企业的现代化水平。a g v 应用在制 造业中，可以提高企业的自动化程度，它的应用越来越广泛，通过与其它物流 设备结合，可以建立一种具有先进技术水平的无人搬运系统。 本论文主要研究基于生产车间布局的a g v s 的路径规划方法，产生一个最优 的a g v s 任务集，达到实现最优的a g v s 物流路径的选择，整个论文工作包括一 下几个部分： ( 1 ) 介绍了a g v 及a g v s 的组成部分和a g v 在生产物流系统中作用。 ( 2 ) 针对后桥零部件的加工工艺特点、零件的种类、生产过程中物料的配 送方式，对后桥生产车间的布局进行了研究和设计，利用a u t o c a d 对其生产车间 布局进行平面设计。重点分析机加工车间的物流特性，设计机加工车间的平面 布置图和a g v 行走路径规划，抽象出a g v s 的行走路径图。 ( 3 ) 根据平面布置中各节点( 工作点) 的位置，分析了a g v 完成工作任务 时将遇到的三种情况下，根据a g v s 的调度规则和假设，产生一个最佳的工作任 务集和有效的a g v 路径。 ( 4 ) 利用遗传算法，针对抽象的物流路径进行优化计算，实现最优的a g v s 物流路径的选择并通过有向图的方式表示出来 1 5 本章小结 中国加入w t o 后，企业面临着越来越激烈的竞争。为了提高企业的竞争能 力许多企业争相应用先进的生产设备，自动导引车是现代物流系统中的关键设 备之一，因其具有较高的灵活性和适应性，正得到日益广泛的重视和应用，但 是目前国内的a g v 研究和应用水平都不高。本文以激光导引式小车系统为对象 来研究a g v s 路径规划的算法来解决最短路径问题。 在本章中首先介绍了a g v 的定义、发展历史和国内外a g v 的发展状况。阐 述了a g v 作为现代化物流设备的一些应用特点和应用领域，接着对a g v 的特点 进行了说明，对a g v 导引技术进行了简单的对比和总结，说明了各自的简单原 理和优缺点，最后概括介绍了本文要研究的内容。 第二章a g v s 的总体构成和运行原理 a o v 的各个组成部分是a g v 的基础，而a g v 小车的运行主要是由中央控制 器来控制的。它的主要任务是控制a g v 的启动、停车、导向、运行调速、选择 路径、安全监控、避免碰撞、与主控机通讯、与其它设备配合装卸物料等，分 析a g v 小车的运行流程是研究路径规划的前提。 目前，激光导引式a g v 是现代物流系统中普遍采用的导引方式，它是集光、 机、电和计算机于一体的高新技术。根据其导引原理，a g v 可在导引区内精确 定位，并可根据用户的需求随意改动其运行路径，从而充分发挥a g v 的利用率， 提高用户生产效率。本章简要阐述激光导引a g v 的机械结构、导引、控制原理 和小车的运行流程原理。 2 1a g v s 的总体构成 a g v s 是由主控系统、多台a g v 和外围设备组成的物流系统。主控系统利 用主控机等来管理和调度各a g v ，并协调a g v 间的工作状况，提高系统工作效 率以尽量少的a g v 完成物料搬运任务。主控系统的主要功能有：a g v 运行与调 度控制、状态跟踪、屏幕显示数据、无线通讯联系、测控a g v 的位置、方向、 速度等。小型a g v s 应用系统的主控系统主要由一台主控微机组成，其负责监 视与控制整个系统，主控机利用通讯系统与车载机交换信息，根据具体的物料 搬运任务进行规划，并给各台a g v 分配任务，同时收集各小车发回的信息，以 监视系统的工作情况，并进行相应的交通管理。主控机还与更上一级控制系统， 如车间级控制系统进行通讯，接收物料搬运任务并报告a g v s 的工作情况等。 外围设备主要包括自动充电站、物料装卸装置、信标等，主要用来配合a g v 完成物料的装卸以及保障a g v 系统的运行。a g v s 系统的可靠运行离不开外围 设备的保障，自动充电站是重要的一个外围设备，当a g v 需要补充电力时，会 自动报告并请求充电，由地面控制中心指挥驶向指定充电区位，车载充电连接 器与地面充电系统自动连接，并实施充电，充电完成后a g v 自动脱离充电系统， 驶入待命区投入正常运行。自动充电站具有智能化和快速充电的功能，它能自 动控制充放电的时间和电流的大小，接受主控机的控制，并向主控机报告状态。 快速充放电的电流非常大，可以几分钟就完成电池的充电，对提高a g v s 系统 的效率具有非常重要的作用。在a g v s 中，还必须配备与a g v 上移载机构配套 的物料装卸装置，以配合a g v 完成自动物料装卸。 a 0 v 是a g v s 中的最重要的组成部分，其主要结构按照功能可分为控制系 统、驱动导向系统、通讯系统、车体移载系统、电池装置、安全系统和一些辅 助机构等。a g v 的构成原理如图2 1 所示： 2 1 1 控制系统 图2 1a g v 的构成原理图 f i 9 2 ，1a g v ss t r u c t u r ea n dw o r k i n gt h e o r y a g v 的控制系统主要包括车载机以及配套的一些接口，控制系统是整个 a g v 的“大脑”，通过激光方式来引导小车并判断a g v 状态，确定a g v 位置决 定a g v 工作目标和实施控制，与主控机保持实时通信、联络、接受其指令，可 以说控制系统是小车行驶和进行作业的真接控制中枢。 2 1 2 驱动导向系统 a g v 的驱动导向系统包括行进系统和转向系统，是整个a g v 的“四肢”。 它的性能直接影响到车体运动性能，并在一定程度上影响到自动导向系统的动 态调节性能。常用的驱动系统有三轮底盘、单前轮驱动转向；三轮底盘、双后 轮差速驱动转向；四轮或六轮底盘、中间两轮差速驱动转向等结构形式。在 自动导向系统的控制下，a g v 能沿着规定的导引线路运行，完成装卸料、充 电等任务，从而完成物料的搬运【l 。 2 1 3 通讯系统 a g v 通讯是通过无线m o d e m 进行的，是整个a g v 的“耳朵”和“嘴巴”。 1 0 a g v s 中有多台小车同时工作，为了能够和其它各小车协调工作，同时能够将 自身当前的状态报告主控机，因此通讯系统对a g v 来说是必不可少的。小车通 讯系统的主要功能就是负责小车与主控机之间双向通讯、任务分派、交通管理、 确定a g v 小车位置、状态及载荷情况的信息。a g v 小车通过无线m o d e m 与主控 机进行通讯，方便可靠，使整个a g v s 系统构成了个无线局域网，主控机通 过通讯来确定各a g v 的工作状况和空间位置，便于优化小车调度，当车间中干 扰源较多时通讯系统必须有较高可靠性，否则会引发a g v s 误动作造成系统阻 塞，从而影响生产效率l 川l l “。 2 1 4 车体系统 车体系统包括底盘、车架、壳体和控制室等，是整个a g v 的“躯体”。a g v 底盘的结构决定了a g v 驱动和转向方式，并限定了车体的主要运动特性和动力 特性。设计良好的底盘其控制参数相差不多，一致性很好，系统调试简单方便。 车架必须根据承载重量、所载货物形状、移载机构以及工厂布置状况等进行设 计，以适应a g v s 的需要，控制室用于放置整个a g v 的控制系统和电源变换装 置等，还具有屏蔽作用。 2 1 5 移载机构 通常的a g v ，它的物料装卸装置一般能完成水平方向移载，或者垂直方向 的移载。本文研究的a g v 系统中，a g v 采用水平和垂直相结合的移载方式，即 可垂直移动又可水平移动，再加上a g v 行走机构的前后移动可以实现三维的立 体输送。此种输送方式可以满足复杂应用环境的要求，具有较高的使用价值， 移载机构的竖直方向的升降采用液压机构，其竖直方向误差精度可达2 毫米，足 以满足一般物流搬运场合的需要，水平方向的移载采用托滚输送机构可以方便 地实现物料的搬运。 。 2 l 6 动力系统 a g v 是以蓄电池为动力源的，具有噪音低、污染小等许多优点。性能优良 的蓄电池系统可以有效减小a g v 的外形尺寸和自重，对a g v 的工作时间也有着 直接的影响，蓄电池特性对a g v s 系统设计的影响很大。对于智能化高的a g v 来说，当电力不足时，a g v 能判断且自动行驶到指定位置的充电站进行自动充 电，不需要人员进行电池的更换，使系统具有很高的智能化。目前国内外厂家 采用的蓄电池，主要分铅酸蓄电池和镉镍蓄电池两大类，铅酸蓄电池充放电率 低，适合慢充慢放。而镉镍蓄电池充放电率较高，适应快充快放。般认为使 用铅酸电池的a g v 其充电站数量与a g v 数量基本相等，采用镉镍电池的a g v 可 视充放电比例大小决定其充电台位数量，使用快速充电电池的充电台位数至少 可比a g v 数量少一半，在设计a g v s 时应根据具体的需要选择蓄电池的种类。 2 1 7 安全系统 同其它自动化设备一样，安全装置是a g v 最重要的组成部分之一。现代化 的生产环境之中，人与各种机械设施处于同一环境中，a g v 作为一种运动中的 动作功能机械，其安全保障功能尤为重要。安全装置可以防止设备在运行中出 错，除了保护a g v 自身安全、维护a g v 功能的顺利完成外，还在最大可能的范 围内保护人员和运行环境设施的安全。a g v s 中是多台小车同时工作的，需避 免由于小车相互之间发生碰撞，而造成设备的损伤以及物流路线瘫痪，影响正 常生产。 在a g v 中采取的安全措施有：在a g v 车头部分设有障碍物检测装置，可以 设定减速距离和停车距离；a g v 的车头部分还设有防碰保险杠，保险杠在产生 一定的变形后将报警，并让a g v 停止运动；在车体上多处设有急停开关，任何 时刻按下这一急停开关会立即停止动作；a g v 能发出醒目的闪光信号和足够强 度的声音信号，以提醒周围的操作人员注意，当小车在运输过程中，如控制中 心发生断电或操作失误而产生断电，小车能够检测到有无控制信号，并实现自 动停车，防止a g v 偏离线路撞坏周围设施造成财产损失。 2 1 8 其它辅助机构 除了上述的各机构外，一个典型的a g v 还具有显示屏、方式选择开关、电 流表、传感器支架和车体覆盖件等辅助机构。显示屏可以显示a g v 的速度、所 选线路、当前任务、故障显示等，可以让用户对a g v 的状况有个清晰的了解： 电流表可以显示驱动或者转向系统的负荷状况；电量表可以显示电池组的容量 和电量使用情况，并以此来确定是否需要充电；根据车体外观造型，合理布置 操作面板、转向灯和急停按钮等部件的位置。车体覆盖件采用不同的金属或非 金属材料制成。这些辅助装置连同其他的装置一起构成了结构完整功能完善的 a g v 系统。 2 2a g v 小车的运行原理 a g v 小车要完成的工作任务主要是由车载机控制的，因此在对a g v 的路径 规划之前分析a g v 小车的运行流程是研究基础。 1 2 2 2 1a g v 小车的工作原理 对于每一个a g v 小车，要求在计算机控制下能够自动地沿着在装有激光导 向板的路径方向运行，完成指定的装载或卸载任务。 运行过程中，a g v 首先必须获得任务指令即目的工位的激光导向板的标号， 作为运行的终点位置，同时还需得到当前 位置，作为起始位置( 若配有机械手的话， 还需要得到装运对象的信息，例如装运工 件的标志或形状、数量等) 【l ”。 起点、终点位置获得后，车载机调用 路径规划算法计算出最佳的行走路径并存 储路径上所要依次经过的站点位置。a g v 如何根据起点和终点位置找到相应的最佳 路径问题，就是本文所研究的重点内容。 完成路径规划后，a g v 不断查询已存 入车载计算机的工作路线信息，确定参考 位置，再与传感器检验到的实际位置相比 较，实现运行导引。 最后，由运动控制运算器给出驱动电 动机或导向电动机的调节量，实现闭环控 制。运行中a g v 每经过一个工位，地址激 光导向板都给出相应的信息，到达终点后 害国 熏囱 图2 2 g v 运行控制流程图 f i g 置2 f l o wc h 甜to fa g vf i c t i o n a ip r i n c i p l e 调用定位程序实现准确停车对位。图2 2 为a g v 小车运行控制流程图。 2 2 2a g v 小车的运行流程 图2 3 为小车在实际应用中的运行过程流程图。为增强适应性，对a g v 小 车的运行设置两个控制部分：自动控制和手动控制。 在一个“运行控制周期”内，a g v 小车自检后，首先判断自身的在线，离 线状态，并相应的选择自动，手动控制模式。a g v 沿导引线运行时，主控机监 控其所在位置，成为在线状态。小车处于离线状态时，需通过手动控制使小车 进入在线状态后方可选用自动控制模式。a g v 从离线状态进入在线状态时，必 须从指定的位置进入。地面上可在相应的位置以醒目的标记进行标识。可通过 手持操作器操纵a g v 进入该位置，并确保小车处于在线状态( 主控机可以检 测到小车的位置并显示出来) ，才能切换到自动运行模式，同时a g v 车载计 算机也进行相应的校核。 图2 3 小车运行流程图 f 培2 3t h ef 1 0 wc h a r to f h i c 】ew o r k h 培 手动模式设有前进、后退、左转、右转、紧急停车5 种操作，主要用于小 车的非正常工作状态，如小车发生故障需离线维修或小车冲出运行线路等。 a g v 小车在手动操作的模式下，操作工人可单独控制小车上每一个机构的动 作。若a g v 小车在运行过程中发生故障，则操作工人把a g v 小车切换到手动 操作模式。通过手持控制器把a g v 运行到指定位置进行维修。在此过程中， 如果a g v 仍可沿导引线运行，在主控机的屏幕上仍能显示该a g v 小车的正确 位置，并可以再切换回自动运行模式。如果a g v 小车处于离线运行状态，则 主控机不显示该a g v 小车的实际位置。同时，维修过程结束后，该a g v 小车 必须在指定位置重新投入运行。 自动控制模式下，等待调度的a g v 小车若检测到电量不足。则向主控机 发出“充电”请求，主控机下达“充电”指令。若电量充足，主控机下达“装 载”指令。在接收到主控机下达的指令后，a g v 小车以指定位置为终点，同时 以检测到的当前位置为起点作路径规划。运行过程中，小车每经过一个地址反 光板，车裁机对是否达到目的工位做出判断。非目的工位时，小车继续运行； 若为目的工位，小车根据接收到的反光板信号减速，并完成准确对位后停止， 然后启动移载机构，执行装载动作。 小车装载后，停在原位置，向主控机发出“卸载”任务请求，得到任务指 令后，以同样的方式完成卸载任务，然后自动返回指定位置等待调度。 运行时，主控机通过区段控制实现系统的交通管理。小车每进入一个区段， 首先询问此区段是否空闲。若已被占用，小车需停车等待。同一区段在同一时 间内只能允许一辆小车通过。在位于道路汇合的区段内，为避免车辆冲突，先 发出询问的小车将首先得到该区段的使用权。 此外，运行过程中可能发生的随机事件： ( 1 ) 故障 小车发生的故障有软件故障和硬件故障。由车体检测传感器监测到的车体 电气和机械故障，传感器故障等。小车一旦发生故障，可由手动控制使小车处 于“离线”状态后再进行检修，以免交通阻塞阻碍其它小车的运行。 ( 2 ) 障碍 由车体上的传感器系统检测运行前方的障碍物。若障碍物距离较远，小车 减速行驶；当小车慢速行走一段路程后，障碍物消失，则小车加速，若障碍物 仍存在，则小车停止并等待，直到障碍物消失。对于突然出现的障碍物，小车 因来不及减速而发生碰撞，则启动防撞装置，同时发出碰撞报警信号。 2 3 本章小结 激光导引a g v s 系统是集光、机、电、信息技术为一体自动化搬运车辆。 它是一项高技术的系统工程，涉及到的领域有无线标识、模拟仿真、图像识别、 通讯、数据库系统、数据采集、实时监控、激光定位、激光导引技术等。