面向物流AGV的電子地圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇益超，翁 迅，蘇志遠(yuǎn)，李忠明

（北京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876）

自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)（Automatic Guided Vehicle，AGV），是一種集機(jī)、聲、光、電、計(jì)算機(jī)等技術(shù)為一體的搬運(yùn)設(shè)備[1]，是物流行業(yè)中關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)備。電子地圖作為在物流AGV地面系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)物流AGV的自主作業(yè)起著重要的輔助作用。

在人們?nèi)粘Ｉ钪?，使用的地圖不外乎具有定位和導(dǎo)航功能，物流AGV中的電子地圖也與此類(lèi)似。隨著物流AGV應(yīng)用的不斷發(fā)展，復(fù)雜路徑作業(yè)中的貨物裝卸，起始點(diǎn)、充電位置的選擇，加減速控制等不同功能對(duì)AGV車(chē)在地圖中的定位精度都提出了較高要求；而當(dāng)路徑中具有多條連通線路，或者多AGV運(yùn)行時(shí)，對(duì)最短路徑，最優(yōu)路徑的選擇，以及協(xié)同作業(yè)下的協(xié)同調(diào)度問(wèn)題都是未來(lái)AGV發(fā)展的核心所在；除此之外為了直觀的將地圖展現(xiàn)在用戶(hù)面前，并且提供地圖信息的操作分析功能，而不是僅僅簡(jiǎn)單的將AGV車(chē)輛的坐標(biāo)信息傳入上位機(jī)等問(wèn)題都使得電子地圖系統(tǒng)的引入顯得非常必要。同時(shí)，電子地圖的應(yīng)用為監(jiān)測(cè)人員對(duì)故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除提供了更高的可靠性和信息支持。因此本文將針對(duì)面向物流AGV平臺(tái)的電子地圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探討。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 電子地圖平臺(tái)設(shè)計(jì)

AGV的電子地圖具有自適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性和交互性的特點(diǎn)，自適應(yīng)性是電子地圖對(duì)不同場(chǎng)景的適應(yīng)，可以靈活制作不同類(lèi)型的地圖；實(shí)時(shí)性要求對(duì)AGV車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，從而實(shí)現(xiàn)整體信息更新；可交互性是系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地信息具有一定的分析和反饋能力，從而達(dá)到對(duì)AGV的控制決策。

因此為了更好地適應(yīng)物流場(chǎng)景應(yīng)用，電子地圖系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)就以高效智能化作為目標(biāo)。一個(gè)完整的電子地圖系統(tǒng)功能可歸納為顯示功能、編輯功能、存取功能和路徑規(guī)劃功能。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

對(duì)電子地圖系統(tǒng)平臺(tái)功能需求分析為如下幾點(diǎn)：

顯示功能：定位顯示問(wèn)題是整個(gè)地圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。管理員使用電子地圖時(shí)首先可以對(duì)整個(gè)場(chǎng)地大小進(jìn)行自定義比例的設(shè)置，自主編輯完整地圖，每一段路徑的坐標(biāo)信息，長(zhǎng)度、角度、類(lèi)型及其獨(dú)有的id號(hào)等信息也可以通過(guò)程序界面直觀查看。車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，通過(guò)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)間的通訊，將速度信息和車(chē)輛位置實(shí)時(shí)顯示在地圖中，當(dāng)進(jìn)入特殊路段時(shí)，會(huì)向上位機(jī)反饋當(dāng)前預(yù)警信息，通過(guò)上位機(jī)通過(guò)判斷進(jìn)行運(yùn)動(dòng)決策的優(yōu)化。同時(shí)系統(tǒng)具備一個(gè)模擬運(yùn)行功能，可以自定義速度，姿態(tài)角變化，實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛位置信息。通過(guò)對(duì)AGV車(chē)輛位置的實(shí)時(shí)定位監(jiān)控，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的故障或事故，有效地提高AGV自主運(yùn)行的安全性和可靠性。

編輯功能：一個(gè)完整的電子地圖系統(tǒng)，不單單要適應(yīng)某一種特定的場(chǎng)地信息，靈活自主的編輯功能，極大地豐富地圖的應(yīng)用，加強(qiáng)了電子地圖的健壯性。通過(guò)對(duì)企業(yè)中AGV使用場(chǎng)地的實(shí)地考察可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下場(chǎng)地信息可以分為直線路段、曲線路段、工位路段、起始路段和彎道路段等。故系統(tǒng)靈活地運(yùn)用這些基本模型來(lái)實(shí)現(xiàn)地圖的自適應(yīng)性。通過(guò)程序的預(yù)先輸入將完整的地圖信息展現(xiàn)在管理員面前。

存取功能：為實(shí)現(xiàn)地圖信息的簡(jiǎn)單備份，系統(tǒng)設(shè)計(jì)文本文件存取功能。通常情況下，一個(gè)完整的系統(tǒng)不僅要具備前臺(tái)界面與管理員的交互功能，同樣，后臺(tái)分析能力也是系統(tǒng)需要拓展的。對(duì)地圖信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的文件文本存儲(chǔ)只能將地圖信息以二進(jìn)制信息進(jìn)行保存，不能直觀顯示地圖數(shù)據(jù)，從而無(wú)法對(duì)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行更有效的分析利用，故系統(tǒng)加入數(shù)據(jù)庫(kù)存取功能。通過(guò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)基本功能，即地圖信息的存儲(chǔ)、讀取、增加和修改，為后續(xù)開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。

路徑規(guī)劃功能：最短路徑問(wèn)題是最優(yōu)化問(wèn)題研究領(lǐng)域中一個(gè)最基本的最重要并被廣泛研究過(guò)的話題之一[2]。最短路徑問(wèn)題不僅可以直接應(yīng)用于解決實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中的眾多問(wèn)題，而且也經(jīng)常被作為一個(gè)基本方法和工具，用來(lái)解決其他的最優(yōu)化問(wèn)題以及預(yù)測(cè)和決策問(wèn)題。通過(guò)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)的分析，系統(tǒng)添加自主的路徑選擇功能，使電子地圖具備更強(qiáng)大的智能性，并且對(duì)路徑信息進(jìn)行極大的利用，路徑選擇功能遵循的法則是最短路徑選擇，將采用經(jīng)典算法Dijkstra算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2 電子地圖平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.1 主要功能模塊

通過(guò)功能分析，電子地圖系統(tǒng)中定義的主要模塊如下：編輯模塊、存取模塊、最短路徑規(guī)劃模塊和預(yù)警模塊等，系統(tǒng)平臺(tái)采用VS2008和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2.2 模塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（1）編輯模塊。程序中設(shè)計(jì)地圖路段信息模型的基類(lèi)為CMapPath，其派生類(lèi)為CMapPathLine，CMapPathArc，CMapPath－Work，CMapPathBegEnd，CMapPathCorner分別代表直線路段類(lèi)、曲線路段類(lèi)、工位路段類(lèi)、起始點(diǎn)路段類(lèi)和彎道路段等基本模型。

各個(gè)類(lèi)中主要成員變量為路段的類(lèi)型，全局id號(hào)以及工位id號(hào)，起始點(diǎn)坐標(biāo)值，長(zhǎng)度，曲線路段的半徑和樣式等。通過(guò)這些成員變量在界面中直觀顯示當(dāng)前路徑的坐標(biāo)、工位號(hào)和選擇框等信息。

派生類(lèi)實(shí)現(xiàn)基類(lèi)的Draw（）接口，并且在其Draw（）函數(shù)中實(shí)現(xiàn)地圖繪制部分的核心代碼。程序通過(guò)OnBnClicked－PathAdd（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)信息輸入，ComputeLength（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)信息計(jì)算。計(jì)算結(jié)果將通過(guò)對(duì)話框類(lèi)中函數(shù)SetPathInfo（POINT point）進(jìn)行展示?？蛻?hù)端界面如圖2所示，界面左邊為不同路段的輸入部分，右端為路段信息顯示部分。

圖2 終端界面

（2）存取模塊。本模塊功能有兩部分，一是實(shí)現(xiàn)對(duì)繪制完成的地圖進(jìn)行靈活的文本文件存取。程序中將文件后綴名字定義為.lma，該功能通過(guò)VC連續(xù)存儲(chǔ)（serialize）機(jī)制實(shí)現(xiàn)。程序利用MFC提供的CArchive類(lèi)實(shí)現(xiàn)，將整個(gè)路段信息以二進(jìn)制碼的形式保存在文本文件中，方便簡(jiǎn)單靈活的地圖文件保存和加載。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)據(jù)分析的前提，故在文本存取功能基礎(chǔ)上，模塊添加數(shù)據(jù)庫(kù)存取功能。程序通過(guò)MySQL C API的方式進(jìn)行存取。

為實(shí)現(xiàn)地圖信息與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，共設(shè)計(jì)5張表，分別為完整地圖信息表，地圖比例表，工位點(diǎn)信息表，工位點(diǎn)連接信息表，工位連接信息擴(kuò)展表，其中地圖比例表與其他4張表無(wú)關(guān)聯(lián)關(guān)系，獨(dú)立存儲(chǔ)地圖場(chǎng)地的比例信息。讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，只需通過(guò)地圖完整信息表以及地圖比例表進(jìn)行地圖的重繪，而最優(yōu)路徑選擇模塊則通過(guò)工位點(diǎn)信息表和工位點(diǎn)連接信息表進(jìn)行最優(yōu)路徑的選擇。其中工位點(diǎn)信息表設(shè)計(jì)如圖3，字段pot_x和字段pot_y分別代表工位點(diǎn)的x、y坐標(biāo)，字段pot_style代表的是工位點(diǎn)的類(lèi)型包括“工位”、“起點(diǎn)”、“終點(diǎn)”，字段pot_id代表的是各個(gè)工位的id號(hào)碼，其余工位點(diǎn)連接信息表中工位號(hào)碼相對(duì)應(yīng)。

工位點(diǎn)連接信息表如圖4，字段A，B分別代表的是兩點(diǎn)的工位號(hào)碼，字段AB代表兩點(diǎn)間是否直接相連，字段AB_len代表兩點(diǎn)間長(zhǎng)度，字段AB_type代表連接類(lèi)型，是曲線連接還是直線連接，字段map_store_id是連接線段在全局存儲(chǔ)中的唯一標(biāo)識(shí)id號(hào)，與整體路段表中的id號(hào)相對(duì)應(yīng)。

圖3 工位點(diǎn)信息表

圖4 工位點(diǎn)連接信息表

數(shù)據(jù)庫(kù)功能實(shí)現(xiàn)地圖的完整存儲(chǔ)，以及地圖的完整讀取和重繪。同樣賦予管理員權(quán)限的用戶(hù)可以直接選擇通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)錄入進(jìn)行地圖信息輸入，而不需要從終端界面進(jìn)行繪制。

（3）最短路徑規(guī)劃模塊。為方便控制決策中選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)工位點(diǎn)信息表，工位點(diǎn)連接信息表分析，以Dijkstra矩陣算法實(shí)現(xiàn)最短路徑選擇。

文中的電子地圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了路徑規(guī)劃的基本功能，可進(jìn)行最短路徑長(zhǎng)度計(jì)算，通過(guò)工位點(diǎn)的記錄等。迪科斯徹算法主要用于計(jì)算圖中一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑[3]，被認(rèn)為是解決非負(fù)權(quán)值圖中兩點(diǎn)間最短路徑搜索最合適的算法之一。程序中算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

①初始時(shí)，S只包含源點(diǎn)，U包含除v外的其他頂點(diǎn)，U中頂點(diǎn)u距離為邊上的權(quán)（若v與u有邊）或∞ (若u不是v的出邊鄰接點(diǎn)）。

②從U中選取一個(gè)距離v最小的頂點(diǎn)k，把k，加入S中（該選定的距離就是v到k的最短路徑長(zhǎng)度）。

③以k為新考慮的中間點(diǎn)，修改U中各頂點(diǎn)的距離；若從源點(diǎn)v到頂點(diǎn)u（u U）的距離（經(jīng)過(guò)頂點(diǎn)k）比原來(lái)距離（不經(jīng)過(guò)頂點(diǎn)k）短，則修改頂點(diǎn)u的距離值，修改后的距離值為頂點(diǎn)k的距離加上邊上的權(quán)。

④重復(fù)步驟（2）和（3）直到所有頂點(diǎn)都包含在S中。

如圖5所示，在查找最短路徑界面中輸入工位點(diǎn)3到工位點(diǎn)7時(shí)，地圖界面會(huì)自動(dòng)選擇相關(guān)路線，并且將最短路徑長(zhǎng)度，路徑工位線路順序完整展示給用戶(hù)，其結(jié)果與實(shí)際完全符合。

（4）預(yù)警模塊。AGV運(yùn)行時(shí)擁有一個(gè)閾值速度。通常當(dāng)AGV行駛到例如停止標(biāo)志時(shí)，傳感器反饋的結(jié)果所產(chǎn)生的感應(yīng)時(shí)間內(nèi)因?yàn)閼T性的原因?qū)е翧GV無(wú)法瞬間完成停止，會(huì)產(chǎn)生誤差或功能損耗等，因此進(jìn)行預(yù)先的提示就是必要的。電子地圖包含完整的地圖信息，當(dāng)其對(duì)AGV進(jìn)行實(shí)時(shí)定位時(shí)可有效地對(duì)當(dāng)前位置及下一位置信息進(jìn)行反饋。程序設(shè)計(jì)中添加接口設(shè)置，通過(guò)函數(shù)InPut－PathAction（double lenth）提前輸入距離反應(yīng)變量，該變量可以根據(jù)不同型號(hào)的AGV車(chē)輛，進(jìn)行相關(guān)設(shè)定。當(dāng)AGV車(chē)輛在地圖中運(yùn)行到距離某工位點(diǎn)達(dá)到該變量值時(shí)，預(yù)警模塊會(huì)通過(guò)自定義函數(shù)Retroaction（）反饋給控制系統(tǒng)預(yù)警信息，以及即將到達(dá)工位點(diǎn)的工位信息，從而運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可通過(guò)預(yù)警信息進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。

圖5 最短路徑選擇結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)及未來(lái)研究

本文通過(guò)物流AGV電子地圖系統(tǒng)的搭建，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各模塊的基本實(shí)現(xiàn)原理，并且通過(guò)Dijkstra算法實(shí)現(xiàn)單AGV運(yùn)行中的路徑規(guī)劃功能。目前該電子地圖對(duì)于多AGV應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，尤其對(duì)多AGV在同時(shí)同區(qū)域內(nèi)協(xié)同作業(yè)時(shí)，運(yùn)行死鎖等問(wèn)題的解決方案進(jìn)行深入實(shí)現(xiàn)。

[1]Kaloutsakis G,Tsourveloudis N.Spanoudakis P.Design and development of an automated guided vehicle[J].Industrial Technology,2003(2):990-993.

[2]B.V.Cherkassky,A.V.Goldberg,T.Radzik.Shortest Paths Algorithms:Theory and Experimental Evaluation[J].Math Prog,1996,73:129-174.

[3]潘崢嶸，陳曉宇，郭凱,等.基于電子地圖和Dijkstra算法路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪科學(xué)，2010,35(4):169-171.