面向智能車間的空中物流系統(tǒng)研究與設(shè)計

田學(xué)華，張志毅，賈廣躍，吳向陽，滕 赟，胡祥濤

（1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111； 2. 華中科技大學(xué)無錫研究院，江蘇 無錫 214100）

1 引言

物料搬運是生產(chǎn)過程中必不可少的活動，物流搬運的效率和質(zhì)量直接影響生產(chǎn)效益和生產(chǎn)成本。在現(xiàn)代化制造業(yè)中，物流與倉儲產(chǎn)生的費用占整個物流加工費用的30%～40%，因而智能物流系統(tǒng)成為智能車間、智慧工廠的重要組成部分。目前，在生產(chǎn)車間中，物流運輸設(shè)備主要有AGV（Automated Guided Vehicle，無人搬運車）和RGV（Rail Guided Vehicle，有軌制導(dǎo)車輛）兩種。AGV即自動導(dǎo)引車，是一種以電能作為動力，通過電磁或光學(xué)等非接觸式自動導(dǎo)引裝置，在無人操控的情況下沿著預(yù)定路徑行駛到指定的地點，實現(xiàn)自動移載、搬運等功能的運輸小車。作為一種靈活高效的輸送設(shè)備，AGV在自動化倉儲、智能生產(chǎn)車間和智慧物流系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨廣泛。 RGV又叫有軌穿梭車，是一種軌道托盤搬運小車，由一個運行機構(gòu)和一臺鏈式或輯式輸送機兩部分組成，負責(zé)把貨物分送到指定位置。RGV根據(jù)工作模式的不同可分為直行穿梭車和環(huán)形穿梭車。直行穿梭車又叫往復(fù)式穿梭車，其穿梭車系統(tǒng)簡單、設(shè)備少、輸送快速，但是運輸能力有限。環(huán)形穿梭車由直行穿梭車升級而來，可以同時運行多臺穿梭車，但是在軌道拐彎處穿梭車的平穩(wěn)性難以控制，并且環(huán)形穿梭車對雙軌道加工要求精度高。

AGV無需固定式軌道，RGV則按固定的軌道行駛。相對AGV，RGV以其卓越的性價比占據(jù)物流行業(yè)巨大的市場份額，其主要優(yōu)點表現(xiàn)為速度及加速度快，軌道固定、行走平穩(wěn)、停車位置精確，可靠性高、成本低、便于推廣應(yīng)用。但是，目前市場現(xiàn)有RGV用于智能車間物料配送仍然存在以下不足：

1）目前RGV主要用于重載或中載運輸，尚缺少針對小型便捷式RGV，配合自動化生產(chǎn)線運送小型零部件、電子物料等；

2）目前RGV軌道都是布置在地面，占用地面空間；

3）目前RGV軌道都是環(huán)形或單向往復(fù)，柔性差，而制造車間是多個物流回環(huán)交叉。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種集物料抓取、卷繞升降、自動輸送等多功能于一體的空中穿梭車，該空中穿梭車通過空中軌道行走，節(jié)約了地面空間，采用精確定位、自動抓取、自動接駁、調(diào)度控制等一系列先進技術(shù)，智能化、無人化地實現(xiàn)物料的配送、回收等流轉(zhuǎn)動作，有效地提高了車間物流效率和降低了物流成本。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

本文提出的空中物流系統(tǒng)主要包括空中執(zhí)行系統(tǒng)、地面上下料系統(tǒng)、中央調(diào)度控制系統(tǒng)等，見表1。本方案具有精準定位、高效配送；信息互聯(lián)互通，智能調(diào)度；空中軌道傳輸，集約空間；多功能集成，美觀便捷等 優(yōu)點。

表1 天車物流系統(tǒng)組成

2.2 物流系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

如圖1所示，空中物流系統(tǒng)與MES進行信息交互，通過空中穿梭車自動配送，完成物料配送和尾料回收工作。主要分為以下步驟：

圖1 物流業(yè)務(wù)流程

1）理料人員接收MES或其他上游系統(tǒng)工單備料信息；

2）理料人員在備料區(qū)理料，物料信息識別及物料齊套，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)分解成物料配送任務(wù)，人工觸發(fā)物料配送流程；

3）空中穿梭車在取料點抓取物料，根據(jù)配送任務(wù)自動配送到指定下料點，放料；

4）下料點通過人工確認或傳感器反饋物料已接收信息，閉環(huán)該物料配送信息；

5）產(chǎn)線人員人工取料，開始生產(chǎn)活動；

6）產(chǎn)線人員將空的靜電箱放置在回收點，人工觸發(fā)靜電箱回收流程；

7）空中穿梭車根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級（一般來說物料配送任務(wù)優(yōu)先級大于靜電箱回收任務(wù)）在回收點抓取空的靜電箱，自動配送到備料區(qū)靜電箱回收點，放置靜電箱；

8）理料人員接收空的靜電箱，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)需要進行物料配送或放置在緩存區(qū)。

3 空中穿梭車設(shè)計

空中穿梭車也稱天車，是空中物流系統(tǒng)的核心設(shè)備，下面詳細介紹其結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和電控系統(tǒng)設(shè)計方案。

3.1 空中穿梭車結(jié)構(gòu)設(shè)計

空中穿梭車高度集成物料抓取、升降、行走三個物料流轉(zhuǎn)動作，具有靈活、簡便、高效的特點，采用了多重安全防護措施，安全可靠?？罩写┧筌囋诮Y(jié)構(gòu)上分為上下兩部分，采用鋼絲繩卷繞實現(xiàn)升降。上半部分負責(zé)行走、鋼絲繩卷繞升降、充電等功能，下半部分實現(xiàn)物料抓取、放置，如圖2所示。

圖2 空中穿梭車外觀造型

行走機構(gòu)是穿梭車的核心運動機構(gòu)之一，位于空中穿梭車的上部，主要負責(zé)整個小車在軌道上的行走與定位，采用雙電機驅(qū)動，以及激光掃碼和電磁感應(yīng)混合定位方式。卷繞升降機構(gòu)位于智能穿梭車的中部，采用的是滾珠絲桿傳動結(jié)構(gòu)，主要負責(zé)取料機構(gòu)的空中升降。取料機構(gòu)，位于智能穿梭車的底部，采用雙線軌同步帶傳動結(jié)構(gòu)，能夠依據(jù)幾種給定的料箱進行取料和放料操作，并且具有收放定位和觸碰防護功能。

3.2 空中穿梭車電控系統(tǒng)設(shè)計

（1）電機驅(qū)動控制

整個系統(tǒng)總共有四個直流無刷電機（兩個行走電機和兩個升降電機），每個電機需要一個Elmo電機驅(qū)動器。Elmo驅(qū)動器配有RS-232和CAN通信接口，這里選用CAN通信接口，四個電機驅(qū)動器通過CAN總線連接到電控板，一方面減少了系統(tǒng)連線，簡化了控制，另一方面可以加強抗干擾能力。

（2）電量檢測

電控系統(tǒng)通過檢測電池母線電壓來估算電池電量，當電壓低于一定值時，開始報警反饋，并進入到充電區(qū)進行充電。母線電壓是通過精密電阻分壓進行檢測，然后送到電控系統(tǒng)進行AD采樣處理。

（3）行走準確定位

在軌道上原點、充電位、物流站點等停車點，穿梭車需要進行準確定位。在軌道參數(shù)信息已知且穿梭車知道自身位置（根據(jù)激光掃碼）的條件下，穿梭車可以到達任意指定位置，但存在行走輪打滑、振動沖擊、結(jié)構(gòu)變形等帶來的行走誤差，所以需要電磁開關(guān)進行輔助精確停車。停車過程：穿梭車先到達指定停車點之前50 cm的位置（根據(jù)指定的位置計算行走脈沖并設(shè)置為位置模式），然后緩慢運行，電控系統(tǒng)時刻檢測接近開關(guān)的狀態(tài)，當接近開關(guān)導(dǎo)通（接近開關(guān)檢測到金屬片），穿梭車立即停車，讀取激光掃碼位置數(shù)據(jù)，進行位置校準。

（4）升降限位

在正常情況下只需精確控制升降電機位移（電機脈沖數(shù)）即可，但是考慮到異常斷電情況，升降機構(gòu)在上電時無法判斷自身位置，所以需要進行標定處理。在上電時如果沒有檢測到限位點，則進行升降操作，直到檢測到限位點，然后進行位置清零。

（5）軌道安全檢測

穿梭車在軌道運行過程中，遇到停在軌道上的其他小車，需要停止運行并保持一定的安全距離。在穿梭車前端安裝超聲波測距傳感器，電控系統(tǒng)實時檢測超聲波信號，判斷運行軌道前方是否有障礙物。如果檢測到有障礙物（檢測間距小于某個值，如500 mm），則控制穿梭車保持一定距離（如300 mm）停車，然后進行報警反饋。當障礙物消失或者與其間距變大時，穿梭車可自主運行或者由調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度運行。

（6）指令調(diào)度及狀態(tài)反饋

電控系統(tǒng)留有無線通信接口，以便于調(diào)度系統(tǒng)和無線遙控終端來進行指令調(diào)度及狀態(tài)查詢。無線通信使用串口轉(zhuǎn)WIFI模塊，該模塊將安裝在電控板上。WIFI模塊基于通用串行接口的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)3個接口之間的任意轉(zhuǎn)換。

（7）車體故障報警

電控系統(tǒng)實時檢測車體狀態(tài)信息，如電機狀態(tài)、軌道安全狀態(tài)、電池電量等，如果有故障信息，則車體可進行聲光報警，聲光報警采用有源蜂鳴器及紅色 LED燈。

4 中央調(diào)度控制系統(tǒng)設(shè)計

調(diào)度控制是智能車間物流有效運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，要求實現(xiàn)：生產(chǎn)管理系統(tǒng)的無縫對接、配送資源高效分配和運用、生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)的實時動態(tài)優(yōu)化以及全過程跟蹤管控。本文設(shè)計了空中物流系統(tǒng)調(diào)度策略，詳細介紹如下。

4.1 空中穿梭車運行邏輯

為便于理解，本文設(shè)計一環(huán)形物流軌道，包括3臺穿梭車共軌運行，如圖3所示。其中R為激光掃碼信號點，S為接近開關(guān)感應(yīng)位置，C為穿梭車位置，軌道長度尺寸等參數(shù)已知。

圖3 空中物流系統(tǒng)示意圖

3臺空中穿梭車默認停在S1~S2之間，逆時針單向循環(huán)行走。每臺空中穿梭車接到任務(wù)后，會經(jīng)歷啟動、運行和停機三個過程，每個過程如下：

（1）啟動過程

調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送啟動指令，停車區(qū)小車依次開始緩慢運行，當R2檢測到C3后，C3小車在S2點停車校準，調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送指令告訴小車所在位置點（取料點S2），C3記錄車體位置，然后調(diào)度系統(tǒng)開始調(diào)度C3。等C3離開后，C2、C1小車依次前進補位，等待調(diào)度系統(tǒng)進行 調(diào)度。

在啟動時，小車位置有可能不確定，所以啟動后小車遇到第一個停車點時，不管其在哪個停車點，都需要通過激光掃碼確定位置進行校準操作，調(diào)度系統(tǒng)再把該位置信息發(fā)送給小車，小車就可以根據(jù)調(diào)度指令自主在軌道上運行。

（2）運行過程

調(diào)度系統(tǒng)發(fā)出指令調(diào)度小車到指定點，小車運行進入到指定停車位置點后，發(fā)送準備就緒信號，調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)小車的位置來發(fā)送取料或者卸料指令。小車在運行過程中遇到軌道障礙時進行停車報警，然后上傳自身報警信息，障礙消除時，解除自身報警信息，等待調(diào)度系統(tǒng)進行調(diào)度（或自主進行運行）。

（3）停機過程

調(diào)度系統(tǒng)發(fā)出停止指令后，小車運行到停車區(qū)間，依次等間距停在軌道上待機等待。

4.2 智能調(diào)度策略

對空中穿梭車進行智能調(diào)度，以實現(xiàn)均衡化物流配送。在空中物流系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，本文將Dijkstra算法、時間窗算法嵌入到遺傳算法中，獲取最佳任務(wù)分配方案和規(guī)劃路徑，實現(xiàn)多臺空中穿梭車無沖突運行，以及配送時間最小化。

智能調(diào)度的基本任務(wù)：設(shè)在物流系統(tǒng)中有n臺空中穿梭車、m個待執(zhí)行任務(wù)，有若干個工作站點和物料倉庫站點，通過分配運輸任務(wù)、空中穿梭車數(shù)量及其工作任務(wù)，在滿足運行路徑、運行時間、車輛性能等約束條件的前提下，以最大配送時間的最小化作為優(yōu)化目標，目標函數(shù)可以表示為

式中，T為第i輛空中穿梭車完成其被分配的全部任務(wù)的結(jié)束時間；t為第i輛空中穿梭車執(zhí)行第j號任務(wù)所需時間。

在空中環(huán)形軌道運行中，穿梭車防碰撞成為路徑規(guī)劃的核心問題?？罩写┧筌囆旭偞嬖诘臎_突主要分為兩種類型，即趕超沖突、路口沖突，如圖4所示。

圖4 RGV調(diào)度中沖突的類型

解決上述沖突的方法包括

1）路徑鋪設(shè)法。通過設(shè)置主副車道，并設(shè)置若干避碰規(guī)則。該算法簡單穩(wěn)定，但不具備通用性。

2）交通規(guī)則法。根據(jù)系統(tǒng)需求確定空中穿梭車任務(wù)優(yōu)先級，利用全局規(guī)則指導(dǎo)空中穿梭車運動，采用等待策略解決路口沖突問題。

3）單向圖方法。對拓撲中的所有路段規(guī)定運行方向，其效率取決于電子路徑規(guī)劃是否合理，搜索出的路徑可能會存在轉(zhuǎn)彎頻繁的現(xiàn)象。

4）重新規(guī)劃路徑法。將沖突路段設(shè)置為不可用，從空中穿梭車當前位置的下一節(jié)點重新規(guī)劃路徑，以避免沖突。

5）預(yù)測式避碰。預(yù)先規(guī)劃好空中穿梭車的最優(yōu)路徑，預(yù)測空中穿梭車之間路徑是否會發(fā)生沖突，通過沖突檢測和沖突消除方法優(yōu)化系統(tǒng)運行。

考慮到本項目運行環(huán)境的特殊性，擬采用兩階段調(diào)度策略，第一階段，離線生成路徑庫；第二階段，基于時間窗算法完成在線路徑規(guī)劃，實現(xiàn)避碰。離線階段生成路徑庫，利用圖論中單車路徑規(guī)劃方法，采用Dijkstra算法求取最短路徑?；贒ijkstra算法生成包含最短路徑和次短路徑的最短路徑庫，有效避免隨機生成解質(zhì)量不高的現(xiàn)象。在線階段的路徑規(guī)劃結(jié)合了交通規(guī)則法、預(yù)測式避碰方法，控制系統(tǒng)中各節(jié)點、路段上穿梭車的通過時間。采用遺傳算法，綜合考慮運行時間、停車次數(shù)、等待時間等因素，優(yōu)化路徑選擇方案，解決多車系統(tǒng)調(diào)度問題。

5 結(jié)論

本文基于智能車間多品種小批量的生產(chǎn)特點，提出了一種空中物流模式，設(shè)計了一種空中穿梭車，包括運動機構(gòu)、電控系統(tǒng)和調(diào)度策略。空中穿梭車的特點是集物料抓取、卷繞升降、自動輸送等多功能于一體，解決了傳統(tǒng)AGV物流模式占用地面空間、運行障礙多、配送效率低等問題，實現(xiàn)智能車間多品種變批量物流需求。