任 楠，謝時軍，李 福，邸建亞

（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和自動化生產(chǎn)的不斷發(fā)展，自動化倉儲系統(tǒng)正逐步取代人工操作，其能夠充分利用存儲空間，并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)機控制，以先入先出為原則，迅速、準(zhǔn)確地處理物料，合理地進(jìn)行庫存管理及數(shù)據(jù)處理，完成產(chǎn)品自動化輸送及出入庫工作。其準(zhǔn)確性、空間利用率和工作效率的大幅提升是企業(yè)進(jìn)入工業(yè)4.0時代智能工廠的關(guān)鍵部分。自動導(dǎo)引運輸車（AGV）作為一種自動化搬運設(shè)備，正根據(jù)不同工作需求逐步適用于自動化倉儲系統(tǒng)中。其能夠在自動化倉儲系統(tǒng)中實現(xiàn)貨物在倉庫中的自動化轉(zhuǎn)運工作，完成由上位系統(tǒng)下發(fā)的入庫、出庫任務(wù)，具有自動化程度高、靈活性強、作業(yè)環(huán)境要求低等優(yōu)勢。

自動化倉儲系統(tǒng)由立體貨架和多種自動化搬運設(shè)備構(gòu)成。自動化搬運設(shè)備主要包括輸送設(shè)備、提升機、堆垛機、穿梭車、子母車等，通過上位控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在設(shè)定好的軌道內(nèi)執(zhí)行物料的轉(zhuǎn)運、入庫、出庫等作業(yè)。自動導(dǎo)引運輸車的引入，填補了系統(tǒng)中無軌搬運方面的缺失。

本文結(jié)合自動化倉儲系統(tǒng)的工作環(huán)境、工作模式及工作需求，對自動導(dǎo)引運輸車進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能上的設(shè)計及優(yōu)化，使其適用于自動化倉儲系統(tǒng)，實現(xiàn)通過自動引導(dǎo)運輸車完成貨物在窄巷道內(nèi)的無軌運輸及出入庫位作業(yè)。

1 自動導(dǎo)引運輸車結(jié)構(gòu)及工作原理

自動引導(dǎo)運輸車主要由車體、導(dǎo)航控制器、激光導(dǎo)航儀、無線通訊模塊、車輛控制器、安全傳感器、支撐腳、載貨臺、貨叉及相應(yīng)附件構(gòu)成（如圖1所示），其中導(dǎo)航控制器（如圖2所示）、無線通訊模塊（如圖3所示）安裝于車體內(nèi)部。

圖1 自動引導(dǎo)運輸車結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 無線通訊模塊

圖3 導(dǎo)航控制器

其工作原理是通過無線通訊模塊實現(xiàn)與上位機的信息交互，接收任務(wù)并反饋執(zhí)行進(jìn)度，激光導(dǎo)航儀進(jìn)行路徑識別，將信息傳輸給導(dǎo)航控制器，進(jìn)而進(jìn)行路徑規(guī)劃，以實現(xiàn)車輛的行走與定位。載貨臺通過油缸驅(qū)動，實現(xiàn)在車體上的上升與下降；貨叉安裝于載貨臺上，通過伸出和收回的動作實現(xiàn)取貨、放貨。車輛控制器能夠?qū)崿F(xiàn)車輛自動與手動模式的切換，以及手動模式下動作命令的輸入。

1.1 導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航控制器和激光導(dǎo)航儀組成，導(dǎo)航控制器負(fù)責(zé)路線規(guī)劃，激光導(dǎo)航儀負(fù)責(zé)位置判斷，二者協(xié)作實現(xiàn)車輛導(dǎo)航。

導(dǎo)航控制器用于自動引導(dǎo)運輸車沿著虛擬的導(dǎo)引軌跡進(jìn)行識別和追蹤，主要包括確定當(dāng)前位置、規(guī)劃路徑及軌跡引導(dǎo)三方面。定位方式包括：通過定位電子標(biāo)簽、GPS或外部系統(tǒng)確定當(dāng)前位置。本文中設(shè)計的自動引導(dǎo)運輸車采用通過定位電子標(biāo)簽的方式進(jìn)行路徑識別，其優(yōu)勢在于可以通過寫入程序文件的方式對運行路線進(jìn)行規(guī)劃，并沿著虛擬軌跡導(dǎo)引追蹤。導(dǎo)航軌跡路線是由被定義的多個連續(xù)的線段所構(gòu)成（如圖4所示），每個線段至少由四個參考支撐點組成。導(dǎo)航控制器利用參考支撐點計算出被定義車輛的虛擬路線。對于每個參考支撐點，都可以定義車輛的行駛速度，導(dǎo)航控制器是線性插值的，因此可以用一條平滑的輪廓線來呈現(xiàn)車輛的運行軌跡。另外還可以對每一個參照支撐點進(jìn)行屬性特征設(shè)置。

圖4 導(dǎo)航軌跡路線圖

激光掃描儀通過掃描固定于貨架上的反光板進(jìn)行定位，并將位置信息反饋給導(dǎo)航控制器。在貨架的頂端以每個貨格為單位，各安裝一塊反光板，且均勻分布在巷道兩側(cè)，作為路標(biāo)用于激光掃描定位，反光板分布較為密集，需保證激光頭每次掃描到的反光板數(shù)量大于3，如遇到掃描反光板數(shù)量低于3的情況需立即停止使用車輛，防止因位置出現(xiàn)偏差而引起事故。

激光導(dǎo)航儀安裝在車體頂端，在整個運行路徑范圍內(nèi)，掃描儀頻繁的以較高的測量速率對車身的位置進(jìn)行檢查以確保其可靠性，其測量速率最高可達(dá)18次/秒。同時其定位精度也較高，能夠滿足自動傳輸負(fù)載時所需達(dá)到的要求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

自動引導(dǎo)運輸車（AGV）采用相對獨立的無線局域網(wǎng)與主機進(jìn)行作業(yè)任務(wù)的發(fā)布與任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度的反饋，實現(xiàn)信息的交互。以AGV管理監(jiān)控計算機作為主機，其需要讀取AGV小車的運行狀態(tài)，以及及時讀取到小車的故障和報警，并針對不同的狀況控制AGV小車的具體動作。AGV車輛監(jiān)控系統(tǒng)主要由組態(tài)控制軟件、無線通訊系統(tǒng)及車載PLC三部分組成，其中，通訊系統(tǒng)由無線AP、無線串口服務(wù)器產(chǎn)品構(gòu)成，無線AP安裝于車間的不同區(qū)域，無線串口服務(wù)器安裝在AGV車體內(nèi)部，建立起無線連接。系統(tǒng)具備快速漫游功能，可使無線串口服務(wù)器快速地連接信號強度最佳的無線AP，確保監(jiān)控主機與現(xiàn)場運動中AGV車輛的可靠通訊。主機通過無線局域網(wǎng)與AGV通信，實現(xiàn)信號的實時傳輸。同時，主機作為接口與調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行交互，負(fù)責(zé)接收任務(wù)傳遞給AGV車輛，并將執(zhí)行進(jìn)度反饋給調(diào)度系統(tǒng)。

AGV操作模式分為手動、半自動、自動三種模式。手動模式下AGV車體與AGV管理監(jiān)控計算機脫離，通過車上手動控制器可實現(xiàn)對車體的獨立操縱與控制。半自動模式下AGV車體通過車上控制面板輸入作業(yè)類型和站點地址可實現(xiàn)AGV小車的自動運行。自動狀態(tài)模式下AGV小車完全由AGV管理監(jiān)控計算機進(jìn)行調(diào)度與控制。

1.3 機械結(jié)構(gòu)

1.3.1 車輛地面行走

車輛的行走是以車輛整體為單元，進(jìn)行基于地面的平面運動。AGV車體采用鋼結(jié)構(gòu)搭建，輪子安裝在車體下面，采用三輪式設(shè)計，一個主動輪放置在前，其既是舵輪又是行走驅(qū)動輪，兩個從動輪放置在后方，構(gòu)成穩(wěn)定的等腰三角形結(jié)構(gòu)（如圖5所示），實現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向的功能。主動輪裝有兩個驅(qū)動電機，分別為直線行走驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向角度控制電機。兩個電機通過車體PLC控制實現(xiàn)相應(yīng)功能。

圖5 局域網(wǎng)連接模式簡圖

此外，為保證車輛在行進(jìn)到達(dá)指定位置后停止后，進(jìn)行后續(xù)動作時能夠保證車體的穩(wěn)定性，在車體底部主動輪位置設(shè)計有兩個支撐腳，其安裝位置為主動輪的兩側(cè)對稱布置（如圖6中所示），其采用油缸進(jìn)行驅(qū)動以實現(xiàn)豎直方向的直線運動，支撐腳撐起后，兩個支撐腳配合兩個從動輪構(gòu)成穩(wěn)定的四點支撐，防止停準(zhǔn)后載貨臺運動可能導(dǎo)致的水平方向竄動。

圖6 車輪及支撐腳布局示意圖

1.3.2 載貨臺和貨叉

相對于車輛整體基于地面的平面運動，載貨臺和貨叉則負(fù)責(zé)在車輛停止時，實現(xiàn)基于車體的取貨、放貨動作。載貨臺的升降由油缸驅(qū)動，油缸采用對稱的布置方式固定于車體上，其伸出和收回的長度決定載貨臺上升和下降的高度，因此通過對油缸油路的控制即可實現(xiàn)載貨臺升降高度的控制，但尤其要注重的是兩油缸的同步性。同時，車體上還裝有拉繩位移傳感器，其拉繩端固定于載貨臺上，通過其對載貨臺的升降位移進(jìn)行測量，進(jìn)而反饋給上位系統(tǒng)以確認(rèn)載貨臺高度。

貨叉選用定制化的齒輪齒條式伸縮貨叉，可根據(jù)所需叉取的托盤大小及伸縮極限距離進(jìn)行相應(yīng)定制。本文中選用三節(jié)式齒輪齒條伸縮式貨叉，是由前叉、中間叉、固定叉以及導(dǎo)向滾子等構(gòu)成的貨叉伸縮機構(gòu)。固定叉安裝在載貨臺上，中間叉可在齒輪、齒條的驅(qū)動下，從中間叉的中點，向外移動大約自身長度的一半。前叉可從中點叉的中點向外伸出比自身稍長的長度。

1.4 充電系統(tǒng)

AGV的充電模式為自動充電，采用VAHLE充電裝置，電池的充放比為2:8。其自動充電功能是指：當(dāng)車輛一定閑置時間內(nèi)未接到入庫或出庫任務(wù)，或電量低于某一設(shè)定值時，車輛自行行走到充電工位進(jìn)行充電的設(shè)置。從而確保車輛在工作時不會由于電量過低而導(dǎo)致拋錨。閑置時間和低電量值可根據(jù)車輛的實際應(yīng)用情況進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。

2 倉儲系統(tǒng)中自動導(dǎo)引運輸車的應(yīng)用

2.1 貨架及輸送設(shè)備

自動導(dǎo)引運輸車作為托盤貨物搬運的執(zhí)行設(shè)備，需要與倉儲系統(tǒng)中的其他設(shè)備、設(shè)施相關(guān)聯(lián)，配合構(gòu)成相對完善的物流系統(tǒng)，從而執(zhí)行生產(chǎn)方要求其實現(xiàn)的功能。

本文中所設(shè)計的以自動引導(dǎo)運輸車為核心的物流系統(tǒng)，與其配合的設(shè)備、設(shè)施包括鏈條式輸送機和橫梁式貨架。輸送機負(fù)責(zé)將托盤貨物由生產(chǎn)車間輸送到AGV固定的取貨工位，和將AGV取出的托盤貨物輸送到發(fā)貨車間，而貨架則負(fù)責(zé)托盤貨物的存儲。輸送機和貨架構(gòu)成了AGV進(jìn)行托盤貨物搬運的基礎(chǔ)，其設(shè)計原則是在實現(xiàn)相應(yīng)功能的基礎(chǔ)上，參照倉庫空間條件進(jìn)行合理布局，從而實現(xiàn)有效空間的最大化利用。

在本方案中，貨架以兩列為一組，其中間位置作為巷道供AGV行走（如圖7所示），每組貨架的一端設(shè)置兩個單向輸送機作為托盤貨物的接收口，功能分別是將托盤貨物輸送給AGV和將AGV取出的托盤貨物發(fā)送走。貨架的另一端作為空白區(qū)域，可供AGV車輛實現(xiàn)換巷道動作。貨架采用橫梁式結(jié)構(gòu)，結(jié)合作業(yè)環(huán)境空間條件和托盤貨物碼放高度，將其層數(shù)定義為四，其中下三層為低貨位，頂層為高貨位（如圖8所示），滿足使用需求。

圖7 輸送機與貨架布局示意圖

通過輸送機、貨架和AGV的配合工作，可以完整實現(xiàn)托盤貨物的存儲流程。以此作為貨物存儲的功能單元，結(jié)合作業(yè)空間對其進(jìn)行規(guī)劃，并加入輸送設(shè)備進(jìn)行連接，可滿足不同規(guī)模的使用需求。同時，由于AGV車輛可實現(xiàn)靈活換巷道作業(yè)，可從效率需求方面出發(fā)確定AGV車輛數(shù)量，在滿足效率的基礎(chǔ)上對成本進(jìn)行控制。

2.2 工作方式

AGV車體的行進(jìn)方式包括前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，前進(jìn)和后退是在兩列貨架間的巷道中與貨架平行進(jìn)行的，每列貨位作為一個站點，停車定位誤差控制在±30mm以內(nèi)，在巷道內(nèi)，AGV車體只有前進(jìn)和后退兩個動作，在車體停準(zhǔn)后通過載貨臺和貨叉的配合動作完成取貨、放貨動作。轉(zhuǎn)向則用于AGV車體換巷道作業(yè)，需要換巷道時車體先開出所在巷道，然后按照所規(guī)劃的曲線路徑，完成轉(zhuǎn)彎動作并回正車頭，進(jìn)入到另一巷道之中。

AGV在自動狀態(tài)下，其作業(yè)類型可分為托盤貨物的入庫、出庫作業(yè)（如圖9所示）。入庫作業(yè)是以托盤貨物到達(dá)入庫點并將信號傳遞給上位機為起始點；上位機接到信號后向AGV車輛發(fā)出調(diào)度指令，AGV開始執(zhí)行取貨作業(yè)；取到貨物后，對貨物高度進(jìn)行判斷并將信息反饋給上位機，上位機根據(jù)貨物高度進(jìn)行貨位分配，AGV執(zhí)行放貨作業(yè)；完成后，上位機將托盤條碼信息和貨位信息綁定反饋給WMS系統(tǒng)；其中若判斷為高貨，而此巷道并沒有高貨位，則直接放到出庫站臺流入緩存線進(jìn)行入庫點再分配。當(dāng)有出庫需求時，由上位機接受出庫任務(wù)，將任務(wù)發(fā)送給所在巷道的AGV，AGV進(jìn)行取貨作業(yè)并將取到的托盤貨物放置到出庫站臺，同時將出庫完成的數(shù)據(jù)信息傳輸給WMS系統(tǒng)進(jìn)行庫存信息更新，后由輸送機輸送到裝車發(fā)貨區(qū)完成出庫作業(yè)。

圖9 自動導(dǎo)引運輸車工作流程圖

2.3 計算機信息系統(tǒng)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由托盤輸送系統(tǒng)、AG V 存取系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、計算機信息系統(tǒng)組成，其中計算機信息系統(tǒng)是其核心的管理系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)，包括倉庫管理系統(tǒng)（WMS）和倉庫控制系統(tǒng)（WCS）兩部分。其硬件結(jié)構(gòu)采用客戶機/服務(wù)器模式，通過以太網(wǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式進(jìn)行通訊。

倉庫管理系統(tǒng)（WMS）是通過入庫管理、出庫管理、庫存管理等功能，綜合批次管理、物料對應(yīng)、庫存盤點、之間管理、虛倉管理和即時庫存管理等功能綜合運用的管理系統(tǒng)，有效控制并跟蹤倉庫業(yè)務(wù)的物流和成本管理全過程，實現(xiàn)完善的企業(yè)倉儲信息管理。該系統(tǒng)可以獨立執(zhí)行庫存操作，與其他系統(tǒng)的單據(jù)和憑證等結(jié)合使用，可提供更為完整全面的企業(yè)業(yè)務(wù)流程和財務(wù)管理信息。WMS能夠提高整體系統(tǒng)的信息化和自動化程度，降低操作的復(fù)雜性，并對物流傳輸過程實施全程快速的信息跟蹤和信息反饋，保證系統(tǒng)信息的實時性和信息的準(zhǔn)確性。以WMS作為基礎(chǔ)對AGV在自動倉儲系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行管理，實現(xiàn)出庫、入庫指令的接收，入庫流水賬、庫存賬、單據(jù)賬務(wù)等相關(guān)信息的管理工作。

倉庫控制系統(tǒng)（WCS）的主要功能是對出入倉庫的物流信息動態(tài)管理和AGV的調(diào)度，及時、準(zhǔn)確的完成產(chǎn)品的出入庫，同時對物流信息進(jìn)行記錄并反饋給WMS進(jìn)行管理。WCS需要對出入庫作業(yè)進(jìn)行最佳分配、調(diào)度和監(jiān)控，對出入庫輸送機和AGV等各種設(shè)備的運行轉(zhuǎn)臺進(jìn)行動態(tài)顯示及在線監(jiān)控。其具有良好的擴充性和開放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在服務(wù)器上實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)與信息資源管理共享。

3 結(jié)論

自動導(dǎo)引運輸車作為一種可定制化結(jié)構(gòu)設(shè)計和編程控制的設(shè)備，具有無軌、運行路線可編輯、車輛可替代性等特點；其配合輸送設(shè)備、貨架等構(gòu)成適用環(huán)境廣泛的緊密排布型倉型系統(tǒng)；在靈活性、效率、應(yīng)用范圍等方面具有一定的優(yōu)勢；并且結(jié)合計算機信息系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化調(diào)度和信息管理。

本文介紹了自動導(dǎo)引運輸車的結(jié)構(gòu)、工作原理及控制方式，為自動化倉儲系統(tǒng)中設(shè)備、設(shè)施的應(yīng)用提供了新思路。