RFID自動識別技術(shù)在AGV小車中的應(yīng)用研究

鞏杰 趙俊江 鞏坤/文

AGV 是一種以電池為動力的自動導(dǎo)引運輸小車，內(nèi)有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，它能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，是具有安全保護以及移載功能的運輸車。依靠技術(shù)算法、機器人調(diào)度系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)等核心技術(shù)支撐，完成各種揀選、搬運和配送。其可自動充電、自動化程度高，方便、占地面積小，可在生產(chǎn)的各個車間內(nèi)穿梭往復(fù)自如，靈活性大，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電商、快遞、倉儲分揀、汽車、煙草、醫(yī)藥、服裝等各類型的企業(yè)當中。

作為一種無人駕駛工業(yè)搬運車輛，快捷高效、準確定位對AGV 小車運輸系統(tǒng)十分重要。RFID 自動識別技術(shù)是一種非接觸式、非可視化自動識別技術(shù)。利用RFID 識別AGV 小車位置，相對于其他定位方式不僅結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能準確定位，更容易實現(xiàn)。同時，采用車載RFID 讀寫器識別貨物上的RFID 標簽，按照MES 或WMS 管理系統(tǒng)中裝卸貨物的起點和終點信息，AGV 小車按照地圖的最佳軌跡路徑完成運輸任務(wù)。

AGV 一般用于室內(nèi)工作，且為無軌運輸系統(tǒng)。AGV 系統(tǒng)相對于有軌系統(tǒng)主要解決的問題是運輸路徑的定位和運輸貨物的認證識別問題。AGV 的定位導(dǎo)航方式在不同的行業(yè)也有著不同需求，主要有超聲波、Wi-Fi、二維碼、RFID、激光等技術(shù)。在設(shè)計AGV 小車運行軌跡時，預(yù)埋鋪設(shè)RFID 電子標簽，AGV 通過攜帶的RFID 讀寫器識別地面上的RFID電子標簽信息，上傳調(diào)度管理系統(tǒng)FMS確認后沿著軌跡運行。

從AGV 行業(yè)發(fā)展趨勢來看，當前SLAM 激光導(dǎo)航逐步取代其他定位導(dǎo)航技術(shù)，成為AGV 用于定位導(dǎo)航的主流技術(shù)。本文以SLAM 激光導(dǎo)航的AGV應(yīng)用RFID技術(shù)為重點進行研究和探討。

RFID自動識別技術(shù) 在AGV中的應(yīng)用方案設(shè)計

AGV導(dǎo)航設(shè)計

市面上的激光導(dǎo)航AGV 有兩種模式：一種是反光板激光導(dǎo)航，在AGV 行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV 通過發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定當前位置和方向，并通過連續(xù)的三角幾何運算實現(xiàn)其導(dǎo)航。另一種則是激光SLAM 導(dǎo)航小車（無反光板激光導(dǎo)航），通過激光雷達對場景的觀測，實時創(chuàng)建地圖并修正機器人位置，無需二維碼、色帶、磁條等人工布設(shè)標志物，真正實現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境的零改造。通過激光雷達對障礙物的實時檢測，有效規(guī)劃軌跡避開障礙物，提高人機混合場景的適用性和安全性。

本方案選擇AGV 利用SLAM 激光導(dǎo)航定位，自主構(gòu)建環(huán)境地圖，現(xiàn)場無需施工，路線可隨意更改，柔性更高、靈活性更強，同時具有良好的拓展性，使AGV 智能化；還可與ERP、MES、WMS、RFID 等系統(tǒng)對接，打通整套數(shù)據(jù)鏈，廣泛用于工廠、物流、倉儲的自動上下料、智能搬運、移動工位的應(yīng)用。

SLAM 激光導(dǎo)航是指在AGV 上安裝激光掃描儀，利用激光掃描儀采集由自然環(huán)境（墻壁、柱子以及其他固定物體）反射的激光束，來定位其當前的位置和方向，自主感知環(huán)境，自主構(gòu)建環(huán)境輪廓地圖及路徑，實現(xiàn)AGV的精準導(dǎo)航及導(dǎo)引。

AGV 小車核心部件由PLC 和工控機組成。其中工控機主要負責接收從無線AP 接收的上位機任務(wù)指令，傳遞給PLC，由PLC 將指令轉(zhuǎn)化成邏輯命令分別發(fā)送給相應(yīng)的功能部件，包括電源管理、異常報警、SLAM 激光導(dǎo)航和移載功能等；這些部件在運行過程中，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳遞給PLC，PLC編輯后將數(shù)據(jù)上傳給工控機，工控機通過無線AP上傳到AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS。而讀寫器單獨連接工控機，通過天線識別RFID 電子標簽后，將標簽信息沿著工控機、AP 上傳至FMS 系統(tǒng)和WMS 系統(tǒng)，對AGV 駐留地點、貨位、運輸貨物進行確認，從而保證AGV運行工作的準確性，如圖1所示。

圖1 AGV小車運行信息傳遞示意圖

RFID自動識別技術(shù)應(yīng)用

RFID 自動識別技術(shù)主要是基于電磁波的發(fā)射和接收，完成數(shù)據(jù)交互和信息傳輸。通常RFID 系統(tǒng)中包括RFID 標簽及讀寫器硬件設(shè)備；而RFID 標簽又包括有源標簽和無源標簽，通常有源標簽應(yīng)用于識讀距離在10 米以上的場景，并且工作頻率在2.45-5.8GHZ；無源標簽又分為高頻和超高頻兩類，其中高頻讀取距離通常在50 厘米以內(nèi)，超高頻則讀取距離一般在5米以內(nèi)，根據(jù)需要可進行調(diào)節(jié)。

AGV 采用SLAM 激光技術(shù)，定位導(dǎo)航問題已經(jīng)得到解決。這里采用RFID 自動識別技術(shù)，主要是解決AGV 運行過程中的駐留貨位、貨物托盤識別及特定區(qū)域的識別確認問題。在項目實施過程中，對RFID自動識別技術(shù)的選擇遵循以下幾點要求：

（1）穿透性強，可輕易穿透物體讀取到標簽，不影響讀距；

（2）抗干擾性強，不易受環(huán)境濕度、噪音、油污、電磁場、強震動等因素干擾；

（3）讀卡距離適中且穩(wěn)定，要做到精準停車，AGV 傳感器（即讀卡器）必須有穩(wěn)定合理的讀卡距離；

（4）讀卡速度快，穩(wěn)定讀取標簽速度達20 個/秒以上。

根據(jù)本項目方案需要，選擇符合EPC global UHF Class 1 Gen 2/ ISO 18000-6C ISO 標準協(xié)議無源超高頻RFID 標簽，該類RFID 標簽使用成本低，滿足項目應(yīng)用需求。

與RFID 標簽配套的讀寫器選擇主要遵循幾個原則：

（1）符合EPC global UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C ISO 標準協(xié)議；

（2）固定式，配置線極化天線；

（3）功率在0-30dBm，大小可以調(diào)節(jié)，讀取距離可控；

（4）支持信號無線傳輸；

（5）天線增益≥6dBi；

（6）體積小型化。

基于RFID識別技術(shù)的AGV在四種管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

AGV 是在多個管理系統(tǒng)的協(xié)同配合基礎(chǔ)上完成物料運輸任務(wù)的，伴隨著AGV 的運行過程，RFID自動識別技術(shù)有著不同的應(yīng)用需求。

ERP、MES、WMS 及FMS 四者之間的關(guān)系：ERP是一個企業(yè)的資源計劃管理系統(tǒng)；MES 是生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)，產(chǎn)品訂單的完成依靠MES系統(tǒng)的執(zhí)行完成；WMS 則是庫存管理系統(tǒng)，是對原材料、半成品及產(chǎn)成品的庫存管理。ERP 系統(tǒng)為MES 系統(tǒng)提供包括人力、設(shè)備、公用設(shè)施、資金等資源性數(shù)據(jù)支持；MES系統(tǒng)按照時間節(jié)點向ERP系統(tǒng)上傳生產(chǎn)系統(tǒng)完成的各項指標數(shù)據(jù)；WMS 系統(tǒng)根據(jù)MES 系統(tǒng)提供的原材料采購計劃、半成品、產(chǎn)成品等數(shù)據(jù)建立和更新倉庫管理數(shù)據(jù)，而MES系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品訂單及生產(chǎn)任務(wù)計劃，按照時間要將物料請求發(fā)送給WMS 系統(tǒng)物料配送模塊，生成各類物料運輸指令發(fā)送給AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)（FMS），最終通過FMS具體命令A(yù)GV 完成逐項物料運輸任務(wù)，如圖2 所示（見下頁）。

建立材料及產(chǎn)品庫存數(shù)據(jù)。在WMS 倉儲管理系統(tǒng)中，從原材料、半成品到產(chǎn)成品分類建立倉儲管理子系統(tǒng)，在每個子系統(tǒng)中，對原材料、半成品和產(chǎn)成品根據(jù)產(chǎn)品及型號進行詳細分類，在每個貨位上設(shè)置RFID 電子標簽，據(jù)此建立貨位或貨區(qū)的材料及產(chǎn)品庫存型號及數(shù)量。

AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS 與倉儲管理系統(tǒng)WMS 建立物料配送數(shù)據(jù)接口。MES 系統(tǒng)進行生產(chǎn)調(diào)度時，產(chǎn)生的物料配送信息發(fā)送到WMS 倉儲管理系統(tǒng)，WMS 將生成的物料運輸任務(wù)命令傳遞給調(diào)度管理系統(tǒng)FMS，該系統(tǒng)立即響應(yīng)，產(chǎn)生一條物料配送指令，根據(jù)指令的類型，系統(tǒng)給出物料配送的起點和終點，系統(tǒng)中根據(jù)地圖信息給出最優(yōu)路線圖和就近調(diào)度安排AGV小車執(zhí)行物料運輸任務(wù)。

AGV 通過RFID 自動識別確認每次的物料運輸任務(wù)。AGV 在調(diào)度管理系統(tǒng)中都有自己的編號，空閑狀態(tài)下各個AGV 都會分布在專用等待區(qū)或停車區(qū)進行充電等待任務(wù)指令。AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS 根據(jù)倉儲管理系統(tǒng)WMS 的物料運輸指令，進行計算和判斷物料運輸?shù)某霭l(fā)點和終點，據(jù)此形成物料運輸指令，就近分配給等待區(qū)的AGV，并確定運輸?shù)能囕v及數(shù)量，AGV 啟動按照系統(tǒng)線路，到達物料運輸起點，識讀貨區(qū)RFID 電子標簽，上傳數(shù)據(jù)，確認貨區(qū)正確后，完成自動裝貨；按照物料運輸指令規(guī)劃的線路，將貨物運輸?shù)浇K點，并有AGV 識別卸貨區(qū)的RFID 電子標簽，上傳位置信息，確認正確后，自動完成卸貨，完成一次物料運輸任務(wù)，小車自動返回等待區(qū)固定位置，并識別地面RFID 標簽上傳數(shù)據(jù)，系統(tǒng)記錄AGV的位置信息。

圖2 AGV小車運行邏輯命令

RFID在AGV作業(yè) 運行中的應(yīng)用模式設(shè)計

AGV 的使用范圍越來越廣泛，不同的行業(yè)對AGV 的運行環(huán)境和應(yīng)用模式設(shè)計有著不同的要求，本文主要以生產(chǎn)制造業(yè)為主進行了應(yīng)用研究和模式設(shè)計。

AGV運行環(huán)境的搭建

ERP、MES、WMS 及FSM 系統(tǒng)基于計算機操作系統(tǒng)安裝搭建完畢，數(shù)據(jù)接口連通后，AGV 在作業(yè)運行之前，首先利用SLAM 激光定位導(dǎo)航技術(shù)沿著規(guī)劃路徑進行掃描建立運行軌跡地圖（MAP），并且把地圖信息上傳至AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS。其次，基于RFID 射頻識別技術(shù)特點，將地點信息的編碼分類編寫后，寫入RFID 電子標簽芯片，并將這些電子標簽制作成RFID 地標，預(yù)埋到準確位置。AGV 除了建立路徑軌跡地圖外，還需要對駐留地點、倉庫貨位、作業(yè)機臺、原材料、半成品以及產(chǎn)成品各個區(qū)域的具體地點RFID 電子標簽地標進行識別和確認，如圖3所示（見下頁）。

基于定位導(dǎo)航技術(shù)建立的運行軌跡地圖和各個區(qū)域地點RFID 地標識別，在AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)FMS中，可實時查看到每臺AGV的運行位置和實時狀態(tài)，如圖4所示（見下頁）。

圖3 AGV小車運行路徑示意圖

AGV 通過車載AP 無線通信系統(tǒng)，與上位機進行無線通信，報告自己的運行位置和工作狀態(tài)，執(zhí)行AGV調(diào)度管理系統(tǒng)FMS的指令，把工作節(jié)拍和工作量及時傳遞給AGV調(diào)度管理系統(tǒng)FMS。

AGV運行狀態(tài)管理與控制

AGV通常有如下三種狀態(tài)：

AGV 待命狀態(tài) AGV 處于待命狀態(tài)時，按照FMS 系統(tǒng)的要求，AGV ?？渴窃谙到y(tǒng)規(guī)定的不同停車等待區(qū)進行充電或處于待命狀態(tài)。停車等待區(qū)設(shè)有多個充電樁位供AGV小車?？刻峁┏潆姺?wù)。

AGV 執(zhí)行物料運輸狀態(tài) 當FSM 系統(tǒng)接收到WMS 系統(tǒng)的物流命令后，通過算法確定最優(yōu)路徑及最近的AGV；通過無線AP 發(fā)送派車命令后，AGV上的無線AP 接收到命令，根據(jù)系統(tǒng)命令規(guī)定的物料運輸任務(wù)到達物料運輸起點，小車RFID讀寫器系統(tǒng)自動識別RFID 電子標簽，通過無線AP 上傳電子標簽信息至WMS 系統(tǒng)進行核驗，核驗無誤后，小車PLC驅(qū)動移載功能的“裝貨”，將貨物托起后，沿著系統(tǒng)指定的最優(yōu)線路將貨物運輸?shù)轿锪线\輸指令規(guī)定的終點，AGV 上的RFID 讀寫器自動讀取RFID 電子標簽，上傳位置信息，系統(tǒng)核驗確認后，小車PLC 再次啟動移載功能的“卸貨”，將貨物放置在固定位置。AGV 不論是到達物料運輸起點，還是到達物料運輸終點，都要通過RFID 讀寫器讀取RFID 電子標簽進行識別確認，如果識別RFID 電子標簽后，位置信息與物料運輸指令不符，AGV 會自動報警并上傳物料運輸失敗的數(shù)據(jù)信息，請求管理人員到場提供援助。AGV 每次完成一項物料運輸?shù)闹噶詈螅瑫鶕?jù)系統(tǒng)規(guī)劃線路和位置，回到AGV 等待區(qū)自動充電并等待任務(wù)指令。

圖4 AGV小車運行區(qū)位圖

暫停使用狀態(tài) AGV 出現(xiàn)故障或者需要更新時，管理人員需根據(jù)AGV 的運行狀況給出判斷，并在FMS 系統(tǒng)中對AGV 按照編號做出維?；蚋鼡Q的狀態(tài)判斷，暫停使用。

RFID自動識別技術(shù) 在AGV運行中的應(yīng)用優(yōu)勢

RFID 自動識別技術(shù)在AGV 運行中的不同位置發(fā)揮著不同的作用，具體應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在：

高效路徑規(guī)劃：路徑規(guī)劃實施優(yōu)化決策，合理交通管制，避免死鎖、堵塞。

智能任務(wù)分配：系統(tǒng)化智能任務(wù)分配算法，保證AGV小車高效協(xié)同，效率提升。

數(shù)據(jù)可視與管理：AGV 運維數(shù)據(jù)實施追蹤管理，支持數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出，服務(wù)整體流程優(yōu)化。

多個系統(tǒng)協(xié)同：多元系統(tǒng)平臺聯(lián)動，數(shù)據(jù)交互精準，為AGV小車運行提供保障和支持。

隨著智能制造的崛起，現(xiàn)代化的制造生產(chǎn)模式已是大趨勢。其中自動化生產(chǎn)與柔性化生產(chǎn)成為制造型企業(yè)兩大發(fā)展方向。而如何打通生產(chǎn)與物流的自動化銜接，如何適應(yīng)高頻次的產(chǎn)線變化，則成為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重中之重。結(jié)合RFID 自動識別技術(shù)的激光SLAM 導(dǎo)航AGV 小車與FSM 調(diào)度系統(tǒng)，創(chuàng)新性提出了符合多行業(yè)跨場景的柔性工業(yè)物流解決方案，幫助企業(yè)實現(xiàn)原料出庫—線邊倉上下料—產(chǎn)線在制品流轉(zhuǎn)—成品入庫全程物流自動化，同時實施追蹤記錄生產(chǎn)與物流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化，在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級高質(zhì)量發(fā)展的大背景下，為企業(yè)實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)奠定基礎(chǔ)。