AGV導(dǎo)航方式在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用研究

李朋　范文明　石飛

摘 要：為提高車鉤緩沖裝置（以下簡稱“鉤緩”）配送效率，解放勞動力，降低人工成本，引入AGV系統(tǒng)作為配送手段，針對鉤緩車間情況，研究了適合鉤緩車間應(yīng)用的AGV導(dǎo)航方式。

關(guān)鍵詞：鉤緩；配送；AGV；慣性導(dǎo)航；導(dǎo)航系統(tǒng)

中圖分類號：F253 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

鉤緩是車輛最基本的部件之一，用于連接列車中各車輛，使各車輛彼此之間保持一定距離，并能傳遞、緩和列車在運(yùn)行過程中或調(diào)車時所產(chǎn)生的縱向力和沖擊力。

為保證列車行駛安全，每隔一段時間要對鉤緩進(jìn)行檢修，檢修過程需要先將鉤緩的配件進(jìn)行分解，再將這些配件從檢修線分別配送至各自的檢修工位。鉤緩配件本身種類多、數(shù)量大、且重量較重，由于目前在車間內(nèi)依舊是依靠人工推行的方式進(jìn)行配送的方式為主，因此來往運(yùn)送次數(shù)頻繁、勞動強(qiáng)度大且工作效率較低。

AGV作為一種新型、高效、準(zhǔn)確、靈活、快速、智能的物料搬運(yùn)手段，具有無需人工參與、單次負(fù)載量大、可以隨著生產(chǎn)工藝流程的調(diào)整而及時調(diào)整相應(yīng)的搬運(yùn)路線等特點(diǎn)，能夠大大提高企業(yè)的生產(chǎn)柔性和競爭力，在制造行業(yè)、電子行業(yè)、汽車行業(yè)、物流行業(yè)、煙草行業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過對鉤緩的性質(zhì)以及鉤緩配送環(huán)境等方面進(jìn)行研究，將AGV系統(tǒng)引入了鉤緩配送過程，相對于傳統(tǒng)的配送手段，采用AGV系統(tǒng)有利于提高鉤緩配送效率，解放勞動力，降低企業(yè)的用工成本，助力企業(yè)智能升級。AGV系統(tǒng)中，導(dǎo)航系統(tǒng)是連接各個部分的核心，本文從導(dǎo)航方式的選取、導(dǎo)航系統(tǒng)的組成和搭建以及導(dǎo)航原理等方面著手進(jìn)行闡述。

1.導(dǎo)航方式選擇

AGV是導(dǎo)航系統(tǒng)、上位機(jī)控制系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)的集成。其中，導(dǎo)航系統(tǒng)是AGV產(chǎn)品的核心，為AGV提供系統(tǒng)絕對或相對位置及航向。隨著AGV技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)階段已有多種不同類型的導(dǎo)航技術(shù)。不同的導(dǎo)航方式擁有各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及不同的與之相適應(yīng)的應(yīng)用場景。現(xiàn)有的AGV導(dǎo)航方式有電磁引導(dǎo)、磁帶引導(dǎo)、光學(xué)引導(dǎo)、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航及GPS導(dǎo)航等，其中以磁帶導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航這3種導(dǎo)航方式應(yīng)用范圍較廣、技術(shù)較為成熟，結(jié)合導(dǎo)航方式自身特點(diǎn)、鉤緩車間的實際情況以及投入的成本等多方面因素，對3種導(dǎo)航方式逐一進(jìn)行了分析，擇優(yōu)選擇。

1.1 磁帶導(dǎo)航方式

磁帶導(dǎo)航方式是在路面上貼磁帶，通過磁帶感應(yīng)信號實現(xiàn)導(dǎo)引，定位精確，導(dǎo)航靈活性比較好，改變或擴(kuò)充路徑較容易，而且磁帶鋪設(shè)簡單易行、成本低、精度較高。其不足之處在于磁帶易受磨損，影響導(dǎo)引效果。由于鉤緩車間內(nèi)人員、叉車設(shè)備往來較密集，極易對鋪設(shè)在地面的磁帶造成損傷，因此不適合采用磁帶導(dǎo)航方式。

1.2 激光導(dǎo)航方式

激光導(dǎo)航方式是通過發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定車體當(dāng)前的位置和方向，具有導(dǎo)航速度塊、行駛路徑靈活的優(yōu)點(diǎn)。然而，激光導(dǎo)航建設(shè)成本高、系統(tǒng)維護(hù)較為復(fù)雜，而且對環(huán)境要求較高，對地面、可見光、能見度等都有苛刻的要求，適用性不佳，不適用在鉤緩車間環(huán)境內(nèi)使用。

1.3 慣性導(dǎo)航方式

慣性導(dǎo)航根據(jù)自身測量信息進(jìn)行連續(xù)定位，不受外界環(huán)境干擾，對環(huán)境的改造小、路徑靈活性強(qiáng)，且具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、后期維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。在室內(nèi)室外應(yīng)用前景廣泛。

通過對以上3個方案進(jìn)行綜合比較，最終決定選擇慣性導(dǎo)航做為鉤緩配送AGV的主要導(dǎo)航方式，同時，為解決慣性導(dǎo)航過程中存在累計誤差的問題，融合了地面磁釘系統(tǒng)，即消除了導(dǎo)航系統(tǒng)累積誤差，也為系統(tǒng)提供更高的導(dǎo)航精度。

2.導(dǎo)航系統(tǒng)組成及功能

AGV導(dǎo)航系統(tǒng)由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及地面磁釘系統(tǒng)組成，其中，慣性導(dǎo)航是AGV系統(tǒng)的主要導(dǎo)航方式，地面磁釘系統(tǒng)是矯正慣性導(dǎo)航產(chǎn)生的積累誤差的手段。

2.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由陀螺儀和編碼器組成，通過對運(yùn)動過程中采集的加速度、角速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算獲得AGV車體的當(dāng)前位置，從而控制AGV車體在預(yù)定路徑上行走。陀螺儀是主要的導(dǎo)航元件，但由于陀螺儀易受噪聲干擾，為改善陀螺儀導(dǎo)航的不穩(wěn)定性，在慣導(dǎo)系統(tǒng)中增加了編碼器，以提高導(dǎo)航過程的準(zhǔn)確度，使AGV車體能夠更接近預(yù)定的路徑，行駛至指定位置。

慣性導(dǎo)航過程中會產(chǎn)生誤差，該誤差是在加速度、角速度的積分運(yùn)算過程中產(chǎn)生的，并隨著行駛時間及路徑的增加而累積，目前，已有利用卡爾曼濾波算法、磁力計等限制累積誤差的手段出現(xiàn)，但依舊無法從根源上消除慣性導(dǎo)航的累計誤差，隨著時間的推移，累計誤差依舊不容忽視。累計誤差的存在是限制慣性導(dǎo)航方式應(yīng)用的一大重要因素。本文通過采用地面磁釘系統(tǒng)，來矯正慣導(dǎo)過程中的誤差、消除累計誤差。

2.2地面磁釘系統(tǒng)

地面磁釘系統(tǒng)是矯正慣性導(dǎo)航誤差的重要手段，同時從根源上解決了慣導(dǎo)過程中產(chǎn)生累計誤差的問題。地面磁釘系統(tǒng)包括磁尺傳感器和磁釘，磁尺傳感器通過相應(yīng)的固定機(jī)構(gòu)安裝設(shè)置在AGV車體上。磁尺傳感器檢測經(jīng)過傳感器下方的磁釘在磁尺上的位置。AGV通過讀取磁釘在磁尺的位置來確定自身在絕對坐標(biāo)中的位置和方向。

磁釘安裝在地面上，如圖1所示，地面每隔一定距離放置磁釘，磁釘在地面的位置是確定的。安裝在地面的磁釘包括地標(biāo)磁釘和輔助磁釘。磁釘中寫入了當(dāng)前被安裝位置的地址信息。地標(biāo)磁釘在小車非上線的節(jié)點(diǎn)單獨(dú)使用，該類磁釘用作停車、校正節(jié)點(diǎn)、校正距離誤差和角度誤差。在小車上線位置需要同時安裝輔助磁釘、地標(biāo)磁釘，兩種磁釘一起用作小車自動上線的初始定位。AGV車體行駛過程中，每經(jīng)過一個磁釘，由磁尺傳感器檢測磁釘?shù)南鄬ξ恢茫创裴斣诖懦叩奈恢玫杰圀w中心的最小距離）以及通過讀取磁釘中被寫入的絕對位置信息，來獲取AGV車體當(dāng)前的絕對坐標(biāo)信息。

3.導(dǎo)航實現(xiàn)方式

3.1 慣導(dǎo)行走

AGV車體在一對磁釘之間，采用慣性導(dǎo)航的方式行走。慣導(dǎo)行走時，陀螺儀和編碼器測量當(dāng)前的角速度、加速度，通過導(dǎo)航算法積分計算出車體的當(dāng)前位置，從而使車體按照預(yù)先設(shè)定的路徑行駛。然而，由于慣性導(dǎo)航算法存在的積分誤差，會導(dǎo)致實際的行駛路線與預(yù)設(shè)路線有所偏移，并且路線偏移誤差會并隨著運(yùn)動距離和時間的增加而累積。為避免上述情況發(fā)生，采取了誤差校準(zhǔn)的手段，誤差校準(zhǔn)的原理在3.2小節(jié)和3.3小節(jié)中闡述。

3.2 誤差標(biāo)定

磁尺傳感器在通過磁釘時，會讀取磁釘在磁尺上的相對位置以及寫入磁釘內(nèi)部的絕對位置信息。由于慣性導(dǎo)航行走過程中導(dǎo)致的累計誤差，相鄰兩個磁釘在磁尺上的相對位置會有所不同。以AGV行駛的路線中依次經(jīng)過的一對磁釘1#和2#磁釘為例，磁尺傳感器通過對寫入1#和2#磁釘?shù)奈恢眯畔⑦M(jìn)行讀取，讀取出1#和2#磁釘在絕對坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為（x1，y1）、（x2，y2），得出1#和2#磁釘之間距離L，如圖2所示，1#和2#磁釘之間的連接線即預(yù)先設(shè)定的行駛路線。AGV從路線的一側(cè)駛向磁釘，磁尺傳感器經(jīng)過1#磁釘時，檢測到磁釘?shù)南鄬ξ恢檬莇1，傳感器經(jīng)過2#磁釘時，檢測到的磁釘?shù)南鄬ξ恢檬莇2。如圖2所示，磁釘?shù)南鄬ξ恢眉创裴斣诖懦呱系奈恢门cAGV車體中心之間的距離，AGV車體中心線為車體的實際行駛路線。車體實際行駛路線與預(yù)先設(shè)定行駛路線之間的夾角：Δθ=arcsin（（d2-d1）/L）。Δθ即車體通過慣性導(dǎo)航方式在1#和2#磁釘之間行駛時產(chǎn)生的偏移角。

3.3 誤差矯正

AGV經(jīng)過一對磁釘，就會計算出Δθ，在后續(xù)的調(diào)整過程中將Δθ消除，從而矯正了慣性導(dǎo)航過程中產(chǎn)生的位置偏移誤差，對車體進(jìn)行了路徑糾正。如此循環(huán)，每經(jīng)過一對磁釘，便進(jìn)行相應(yīng)的消除，從而避免了慣性導(dǎo)航累積誤差的產(chǎn)生。

結(jié)語

本文研究的基于慣性導(dǎo)航的AGV導(dǎo)航方式，通過采用地面磁釘系統(tǒng)進(jìn)行位姿調(diào)整，具有導(dǎo)航精度高、成本低且易于改造、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。目前，已將采用該導(dǎo)航方式的AGV系統(tǒng)應(yīng)用于鉤緩車間的運(yùn)輸過程中，應(yīng)用效果達(dá)到預(yù)期要求。后期，將逐漸擴(kuò)展該種導(dǎo)航方式的AGV系統(tǒng)的應(yīng)用，推廣至鐵路行業(yè)各物流配送需求車間。

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