第八章 自动引导小车.ppt

1、第八章 自动引导小车,Automated Guided Vehicle，简称AGV,第一节 概述,AGV是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备,属于移动式机器人系统， 可以按照监控系统下达的指令，根据预先设定的程序，依照车载传感器确定的位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置自动驾驶。 AGV具有灵活性、智能化等显著特点,可以方便地重组系统,达到生产过程的柔性化运输。,第一节 概述,一、分类 1、牵引式AGV 2、托盘式AGV 3、单元载荷式AGV,4、叉车式AGV 5、轻便式AGV 6、专用式AGV 7、悬挂式AGV,第二节 AGV的基本构成,AGV以电池为动力，装备电磁或光学等自动导航装置，

2、能够独立自动寻址，并通过计算机系统控制，完成无人驾驶及作业。因此，AGV具有电动车辆的结构特征。,第二节 AGV的基本构成,AGV的基本构成包括：车体、能源储存装置、转向和驱动系统、安全系统、控制与通信系统、引导系统 。 1、车体 车体包括底盘、车轮、车架、壳体和控制室等，是AGV的运动的主要部件和装配其他装置的主要支撑。,图1所示是一种三轮AGV的结构示意图,主要由底盘车、动力装置和控制系统等组成,采用后轮驱动、前轮转向运行方式。 AGV的底盘车主要包括车架、驱动装置和转向机构。 车架通常为钢结构件,要求具有一定的强度和刚度。,二、能源储存装置,能源储存装置是AGV的动力装置，一般为蓄电池及

3、其充放电控制装置，电池为24V或48V的工业电池,有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍锌蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池等可供选用，需要考虑的因素除了功率、容量(Ah数)、功率重量比、体积等外，最关键的因素是需要考虑充电时间的长短和维护的容易性。,二、能源储存装置,快速充电为大电流充电,一般采用专业的充电装备,AGV本身必须有充电限制装置和安全保护装置。 充电装置在AGV上的布置方式有多种，一般有地面电靴式、壁挂式等,并需要结合AGV的运行状况，综合考虑其在运行状态下，可能产生的短路等因素，从而考虑配置AGV的安全保护装置。,三、转向和驱动系统,驱动装置由车轮、减速器、制动器、电机及调速器等组成，是一

4、个伺服驱动的速度控制系统，驱动系统可由计算机或人工控制，可驱动AGV运行并具有速度控制和制动能力。 根据AGV运行方式的不同，常见的AGV转向机构有铰轴转向式、差速转向式和全轮转向式等形式。通过转向机构，AGV可以实现向前、向后，或能纵向、横向、斜向及回转的全方位运动。,四、安全系统,AGV的安全措施至关重要,必须确保AGV在运行过程中的自身安全,以及现场人员与各类设备的安全。 一般情况下,AGV都采取多级硬件和软件的安全监控措施。如在AGV前端设有非接触式防碰传感器和接触式防碰传感器,AGV顶部安装有醒目的信号灯和声音报警装置,以提醒周围的操作人员。对需要前后双向运行或有侧向移动需要的AGV

5、,则防碰传感器需要在AGV的四面安装。一旦发生故障,AGV自动进行声光报警,同时采用无线通讯方式通知AGV监控系统。,五、控制系统,AGV控制系统通常包括车上控制器和地面(车外)控制器两部分,目前均采用微型计算机,由通信系统联系。通常,由地面(车外)控制器发出控制指令,经通信系统输入车上控制器控制AGV运行。 车上控制器完成AGV的手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制与充电接触器的监控及行车安全监控等。,五、控制系统,地面控制器完成AGV调度、控制指令发出和AGV运行状态信息接收。 控制系统是AGV的核心。AGV的运行、监测及各种智能化控制的实

6、现,均需通过控制系统实现。,第三节 AGV的导航技术,AGV的导航是指其决定AGV运行方向和路径的方法。目前常用的AGV导航方式主要有 预定路径方式和非预定路径方式两种。 所谓车外预定路径导航方式是指在行驶的路径上设置导航用的信息媒介物,AGV通过检测其信息而得到导向的导航方式,如电磁导引、光学导引、磁带导引(又称磁性导引)等。,第三节 AGV的导航技术,所谓非预定路径(自由路径)导航方式是指AGV不预先确定行驶路径,AGV根据调度要求,在运行过程中通过方位识别确定行驶路径。如激光导航、坐标或地理信息识别导航、视觉导航、路径规划等。,1、光学与磁性导航方式,光学与磁性导航方式是AGV较早开始使

7、用的导航方式，使用方便。 光学导航方式是在地面上连续铺设一条用发光材料制作的带子，或者用发光涂料涂抹在规定的运行路线上，在AGV的底部左右对称安装有2个检测反射光的传感器。 通过偏差测定来控制驱动与转向电机，达到调整AGV前进方向的目的 。,在地面上连续铺设一条金属磁带，在AGV上安装磁性传感器,检测磁带的磁场，通过磁场偏差测定和控制驱动与转向电机来调整车辆行驶方向，这就是磁性导航方式。,2、电磁感应导航方式,在地面沿预先设定的行驶路径埋设电线,当高频电流流经导线时,导线周围产生电磁场,AGV上左右对称安装有2个电磁感应器,它们所接收的电磁信号的强度差异可以反映AGV偏离路径的程度。,2、电磁

8、感应导航方式,AGV的自动控制系统根据这种偏差来控制车辆的转向,连续的动态闭环控制能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。 这种电磁感应引导式导航方法目前在绝大多数商业化的自动导航车系统(AGVS)上使用,尤其是适用于大中型的AGV。,3、激光导航方式,激光导航方式是在AGV上安装可旋转的激光扫描器B，同时在运行路径沿途的墙壁或支柱上安装有高反光性反射板的激光定位标志A。 AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接受由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机C据此计算出车辆当前的位置以及运动的方向，通过内置的数字地图进行对比来校正方位，从而实现自动运行。,C是车载计算机 B是激光扫描器 D是车载控制

9、面板，可监控AGV的运行状态; E和F是伺服控制器，通过伺服电机控制AGV行走及转向。,激光扫描车体方位计算原理,在AGV运行环境的四周固定地点放置一定数量的直角反射镜，它们的坐标精确值已知并存储在AGV车载控制计算机上.在自动导引小车顶部安装一个激光发射和检测装置,当激光束射进反射镜时,大部分能量被反射，因此能被安装在发射源附近的光敏二极管检测到,同时反射光线与小车前进方向所成的角度也能够确定.,运行中的AGV不断接受3个(或以上)已知位置反射回来的激光束,将相对于小车前进方向的方位角经过几何运算,就可以确定AGV的准确位置和前进方向.,AGV测得从3个已知参考点(R1,R2,R3)反射回的

10、激光束,它们在坐标系x0y中的坐标(x1,y1),(x2,y2)和(x3,y3)已知.,当测得小车前进方向和3个参考点的夹角1,2和3时,则小车坐标(xv,yv)和前进方向可按下面的方法求. 令=1-2,=1-3,圆O12表示经过小车V,R1和R2的圆,圆O13表示经过小车V,R1和R3的圆. 则圆心坐标O12(x12,y12)和O13(x13,y13)为 (x12,y12)=(x1+P1,y1+Q1), (x13,y13)=(x1+P2,y1+Q2),坐标(x1,y1),(x2,y2)和(x3,y3)已知,则可求得L12,L13,1和2的值.其中,L12表示R1和R2之间的距离,L13表示R

11、1和R3之间的距离,1表示L12与x轴之间的夹角,2表示L12与L13间的夹角.,由方程(1)和(2),圆O12和O13可表示为 O12:(xv-x1-P1)2+(yv-y1-Q1)2=P21+Q21,(3) O13:(xv-x1-P2)2+(yv-y1-Q2)2=P22+Q22.(4) 通过解方程(3)和(4),可得到小车的位置为 (xv,yv)=x1+k(Q2-Q1),y1-k(P2-P1), (5),4、视觉导航方式,AGV的视觉导航方式是正在快速发展和成熟的一种新型导航方式。该方式在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境的图像数据库。,4、视觉导航方式,AGV行驶过程中,通过CCD

12、摄像机和传感器动态获取车辆周围环境图像信息并与数据库进行比较,从而确定当前位置并对下一步行驶做出决策。 视觉导航方式不需要人为设置任何物理路径,在理论上具有最佳的导航柔性,随着计算机图像采集、储存和处理技术的飞速发展,这种导航方式的实用性越来越强。,昆船AGV应用,典型应用,AGV在休息点-烟丝搬运,新车装配线上的汽车发动机、后桥装配,青岛海尔国际物流中心,昆船AGV解决方案,1、昆船AGV输送集成系统ATIS 昆船ATIS（AGVTransportIntegrationSystem）是建立在软件平台思想上，采用面向对象技术， 适应复杂多变的AGV 运行路径和运行流程， 并可支持多种导引方式（

13、 惯性导引、电磁导引、激光导引等） 的AGV 控制系统。,昆船AGV解决方案,1、昆船AGV输送集成系统ATIS 系统由运行平台和开发平台两大部分组成， 其中运行平台包括地面控制系统、图形监控系统、车辆仿真系统及车载控制系统； 开发平台包括系统定义工具及系统规划工具。ATIS系统为AGV实际应用项目提供了一整套设计、实现、仿真、运行及诊断的解决方案。,系统特点：,结构新颖 - 开发平台可快速描述并构建A G V 项目 - 运行平台可执行和实现已构建的A G V 项目 灵活性强 - 灵活的A G V 路径及装卸站台规划 - 简洁的运输流程定义 - 支持多种导引方式 简单易用 - 图形化的人机界面

14、 - 多种操作模式 - 声、光、色报警,2、系统规划工具路径设计,AGV系统规划工具是提供对组成路径的点、段（ 直线段、S型曲线、U型曲线等曲线段）和导航系统所需磁钉、反射板等数据的可视化设计系统；,2、系统规划工具路径设计,同时提供对各种运行车辆参数的维护， 并根据车辆参数和路径动态规划交通管理模型，并提供可视化的车辆避碰撞路径设计； 系统规划工具提供对A G V 运行路径的复杂多变和持续完善的支持， 可大大缩短AGV 应用项目的部署实施周期。,系统特点,可视化的图形设计 - 任意的图形缩放 - 支持图形的选择、拖放 灵活的路径规划 - 路径点、段图形编辑 - 支持直线段、S型曲线、U型曲线

15、等曲线段 - 支持多种驱动方式 高效的站台规划 - 装卸货站台规划 - 停位站台规划 - 充电站台规划,系统特点,多种导航信息规划 - 磁钉、反射板等导航目标规划 - 多种导引方式系统规划 智能的交通规划 - 动态规划交通模型 - 动态调整交通管理参数 - 自动报告小车碰撞区域 灵活的数据接口 - 支持dwg、dxf等CAD文件格式 - 规划模型数据的导入导出,3、系统定义工具流程设计,AGV系统定义工具是利用特有的AGV Script 语言对地面控制系统的AGV任务运行流程进行程序设计的开发系统。它提供运行流程程序的编辑、编译和调试； 同时动态配置系统功能（ 如车辆管理、任务管理、交通管理、

16、车辆类型、通信接口） 参数。,系统定义工具流程设计,地面程序定义工具提供对AGV 运行流程的复杂多变、持续完善和外围协作设备的多样性配置的支持， 快速定义出满足用户要求地面控制系统。,系统特点,灵活的系统流程设计 - 支持自主的AGV Script语言 - 多达100 条的指令支持 - 图形化的程序编译调试 多样的通信定义 - 上位通信定义 - 小车通信定义 - I/O 通信定义 - 监控通信定义,系统特点,真实的AGV模拟定义 - 仿真速度定义 - 装卸货充电等操作定义 - 起始位置定义 - . 多种系统参数定义 - 任务调度模型参数定义 - 交通管理模型参数定义 - 车辆调度模型参数定义,

17、4、地面控制系统,AGV地面控制系统是ATIS 地面系统的核心， 它根据上位系统下达的任务， 统筹调度AGV 完成任务， 并统一指挥AGV 的交通， 避免相互碰撞， 同时自动管理AGV 充电， 并完成和外围设备的通信。 系统由命令管理模块、车辆管理模块、交通管理模块、通讯管理模块、路径管理模块和 I/O管理模块等组成。,系统特点,灵活的任务管理 - 多优先级任务调度 - 支持先来先服务、最近优先、整体优化等调度模型 - 先进的虚拟机技术，提供对用户程序的高效运行 高效的车辆调度 - 最短路径优先的车辆分配及重分配原则 - 多级、多模式的停位调度 - 自动的推动式调度,系统特点,智能的交通管理

18、- 多优先级的路径分配 - 实时的死锁检测和解决 多样的通信管理 - 多协议通信管理 - 动态的通信配置 强大可集成性 - 支持多种IO设备 - 支持多种PLC,5、地面监控系统,AGV地面监控系统可以实时监控AGV 系统的运行情况， 是地面控制系统的人机操作界面。 操作人员可随时监视AGV 的运行状态， 如行走、停车、装卸货等， 并可直观地看出各台AGV的运行区域。 在AGV 运行出现意外故障时， 可人工取消当前命令， 并解决系统出现的问题。,系统特点,可视化的图形监控 - 支持2D及3D模式监控（用户可选） - 自定义背景、图层颜色 - 自定义小车外形及各状态下的颜色 - 任意的图形缩放

19、动态的任务监控 - 任务启动、取消、查询 - 局部数据区动态维护 - 全局数据区动态维护 实时的车辆监控 - 小车信息浏览 - 车辆动态维护 - 路径交通监控,系统特点,外围的设备监控 - I/O读写 - PLC读写 - 条码读写 仿真监控 - 充放电模拟 - 装卸货模拟 - 行走模拟 灵活的事件定义 - 事件定义 - 事件浏览 - 事件处理,第四节 AGV控制系统,AGV控制系统采用计算机集中控制和分散控制两种方案。 两种控制系统按控制功能均可分为:系统管理，交通管理和车辆控制(包括车上控制和车外控制)三种主要功能。这些功能如何组合决定了控制系统是集中控制还是分散控制。,1.主计算机 主计算

20、机主要负责编制生产日程计划，指挥物料输送系统中AGV，AS/RS,输送机和机器人的生产活动，以便能够按生产计划安排,准时把物料从AS/RS中取出并送到加工/组装工位。 主计算机还负责维持一定量库存,保持数据库记录,生成管理报告作为生产决策依据。,2.系统管理控制器,在AGV集中控制系统中,系统管理控制器和交通控制器一起安装在控制中心,组成AGV地面管理系统(简称VSM)。 在VSM中系统管理控制器的主要任务是向上与主计算机通讯,接受主计算机下达的物料搬运任务,向下与交通控制器通讯,负责系统中车辆调度。,2.系统管理控制器,此外系统管理控制器还负责把空闲车集存在特定区,监控车辆蓄电池自动充电,监

21、控系统中出现的问题,维持物料系统中的材料库存以及系统关闭后重新启动等。 系统管理控制器通常采用个人计算机。,3.交通控制器,交通控制器是AGVS车辆交通管理的核心。交通控制器贮存着系统中关于AGV的全部运行路线和运行时间表等信息。当交通控制器收到由系统管理控制器传来的一个指派任务后,负责为指派车辆选择一条路径和运行时间表,使被指派的车与其它车不发生干涉,并把这条路径的导航指令传给被指派车。,3.交通控制器,被指派车在行驶中,一面不断向交通控制器报告它的位置,一面和指派位置比较,直到到达指派目的地。同时车辆监控着它到达每个区的时间和速度以便准时到达。 交通控制器的另一个任务是负责路径上交叉路口和

22、道岔合流部的交通管理,避免撞车。,4.车上控制器,近年来AGV车上控制器普遍采用单片微型计算机,它的主要任务是控制AGV导向、启动、停车、运行车速、选择路径、安全监控、避免碰撞和交通干涉、与交通控制器通讯、与其它物料搬运设备,如运输机、AS/RS和机器人等接口。,一种方案,是车上控制器完全不具备导航能力,这种情况要求交通控制器在对AGV指派任务时,还必须向被指派的车传送详细的导航指令。 导航指令,是按交通控制器为被指派的车所选择的路径而编制的导航控制软件,由它控制AGV的运行方向(前进/后退)和在道岔分流部选择导引频率,使AGV沿指派路径驶向目的地。,另一种方案,是车上控制器完全具备导航能力,

23、在车上控制器内部存贮器中存贮着关于AGV全部行车路径的导航指令。交通控制器在对AGV指派任务时,不需要向AGV提供导航指令,车上控制器能为自己选择一条通往目的地的路径和提供导航控制,使其到达目的地。 该方案的优点,是可以把AGV对交通控制器的依赖性减少到最低程度。,AGV集中控制系统的优点:,(1)集中控制系统可与AGV连续通讯,监控AGVS中所有车辆的生产活动。 (2)采用无线电数字通讯,可以减少大量在地板上切槽和敷线工作,现场施工量少。 (3)系统扩展比较容易,只需增设新的线路和修改导航控制程序。,AGV集中控制系统的缺点:,(1)采用无线电通讯,受通讯速度和通讯方式影响,使系统中的车数受

24、到限制。 (2)如果VSM采用一台计算机(中央计算机)集中控制,中央计算机需要及时处理大量信息,所以中央计算机必须具有较高的运算速度和足够大的内存空间。对于较大的AGVS,中央计算机往往需要采用小型计算机,小型计算机不仅价格昂贵,而且一般用户很难掌握。,AGV集中控制系统的缺点:,(1)采用无线电通讯,受通讯速度和通讯方式影响,使系统中的车数受到限制。 (2)如果VSM采用一台计算机(中央计算机)集中控制,中央计算机需要及时处理大量信息,所以中央计算机必须具有较高的运算速度和足够大的内存空间。对于较大的AGVS,中央计算机往往需要采用小型计算机,小型计算机不仅价格昂贵,而且一般用户很难掌握。,

25、AGV集中控制系统的缺点:,(3)采用计算机集中控制,一旦中央计算机出了问题将导致整个系统停产。为避免出现这样的事故,在系统设计上可采用冗余设计,增加一台备用机,但这将增加工程投资。,二、AGV分散控制系统,AGV分散控制系统采用递阶分级控制的结构形式,它把一个大的AGVS分解为若干独立的小系统,分别由子控制器控制,每个子控制器负责一个分系统的交通管理。系统管理控制器负责系统管理,并且负责协调各子控制器的活动。,每个子控制器各自负责一个分系统的交通管理,它贮存着这个系统中关于AGV所有行车路径的“内部地图”。子控制器通过I/O接口和通讯接口与系统管理控制器、其它子控制器和外围设备相接。 子控制

26、器通过敷设在地板内的感应通讯回路与AGV通讯。通讯不是连续的,而是沿导引路线每隔一定距离设一个通讯点AGV只有在通讯点才能与感应通讯回路耦合与子控制器进行通讯。,AGV一面在两个通讯点间运行一面计时,并在到达通讯点时向子控制器报告,子控制器跟踪车辆的运行,如果车辆在两个通讯点间的运行时间超过了预定的时间,子控制器立即向系统操作者报告出现了问题,并且封闭这段路线直到问题被纠正为止。,主计算机把物料搬运任务传送给系统管理控制器,由系统管理控制器负责车辆调度,决定把任务指派给哪辆车,然后把这个指派信息传给相应的子控制器。 子控制器负责为指派车选择路径,并通过感应通讯回路把任务和导航信息传给被指派车。

27、,AGV到达每个通讯点都把它的状态信息(包括到达位置)通过感应回路传给子控制器； 子控制器跟踪AGV的运行,直到它完成任务或离开由该子控制器控制下的分系统,该子控制器随即把离开信息传送给新的子控制器。,AGVS分散控制的优点:,(1)采用物理上分散的结构,实现真正的分散控制。在现场就地安装子控制器,不但节省电缆,同时减少了传输线的信号干扰。 (2)因为每个子控制器控制一个分系统,所以在整个系统安装调试时,可按系统划分独立进行。最后把子控制器连到系统管理控制器上进行统调。这使系统安装调试比较容易。,(3)系统扩展容易,便于用户分期投资,逐步扩展。 (4)交通控制完全在子控制器级完成,与系统管理控

28、制器脱开,即使系统管理控制器出现问题,在子控制器控制下,系统中的车辆仍能继续运行。在系统管理控制器恢复后,整个系统可重新回到正常运行。此外许多子控制器意味着决策是在下层进行的,提高了系统的反应速度。,(5)由于分散控制系统许多系统决策是在子控制器作出的,系统管理控制器只决定AGV的最终目的地,所以和集中控制相比,分散控制系统可用较小的中央计算机,当前趋势是采用个人计算机。 (6)和集中控制系统相比分散控制系统更适于控制较大数量的车。,AGV分散控制系统的缺点:,(1)子站与AGV通讯是通过敷设于地板中的感应回路实现的,在大的系统中,有许多感应回路需要大量地切割地板,把回路连到子站。这种附加的地

29、板切割和电线敷设将显著增加系统造价。,AGV分散控制系统的缺点:,(2)分散控制没有实时能力,车辆只能在特殊点上才与交通控制器通讯,有时会发生与车辆失去通讯的情况。 (3)更改一个分散控制系统涉及面更多,子站要修改,内部地图要更新,导向线要重新敷设,通讯回路要增加并用电线连到正确的子控制器上。,激光引导系统,1系统的工作原理,系统作业时，计算机通过无线电通讯系统自动将任务分配给离任务作业点最近的（由路径规划中段上下车行走时间确定）AGV小车。 AGV小车根据作业指令预先制定的路径自动驶向作业点进行作业，在行驶过程中AGV利用激光头对周围反射板的扫描和计算来导航并修正自身的偏差，从而保证行走和定

30、位的精度。,AGV小车与上位计算机通过无线电通讯系统进行联系，AGV小车随时将自身的状态和任务的完成情况上报并显示在图形监控系统上。 管理和控制系统会自动对AGV小车的运行进行交通管理，如果在某些路段由于车辆过于集中而形成交通堵塞，管理和控制系统也能够自行处理。,当AGV小车电池的电量不足时会自动请求充电，由管理和控制系统发出充电指令，AGV小车自动行驶至充电站进行充电。充电的开始和结束信号由信号采集系统采集后上报管理控制系统进行控制。,2 系统功能,2.1 调度管理 （1）任务管理：对上位调度计算机下达的任务根据时间先后和任务优先级进行调度。 （2）车辆管理：根据当时AGV的位置和状态，选择距目标点最近（含各路段加权值计算结果）的空闲小车执行任务。 （3）交通管理：对管辖内的所有AGV能实时控制和管理。AGV严格遵循规划路径行驶，彼此独立行驶和作业，能相互让车。,2.2 通讯传输,（1）通过网络与上位调度计算机保持联系，接受任务调度，报告执行结果。 （2）通过无线电与各AGV保持通讯联系，指挥车辆作业。 （3）通过无线电通讯直接修改或更新每辆AGV的控制程序。 （4）具有远程网络通讯传输功能。,2.3 控制管理,（1）检查车辆执行命令的过程。 （2）查询车辆状态。 （3）查询车车辆交通信息，各