陳 展，公建寧，劉 洋，康照奇

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044；2.機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著數(shù)字化車間和現(xiàn)代化智能輸送系統(tǒng)的自動(dòng)化、集成化和智能化的不斷提高，自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated guided vehicles，AGV）系統(tǒng)在汽車家電制造、倉儲(chǔ)物流電商等領(lǐng)域，在提高物料運(yùn)輸效率的同時(shí)，有效降低了物料的運(yùn)輸成本，其產(chǎn)品、技術(shù)及解決方案具有日益廣泛的應(yīng)用場景。

1 簡介

AGV控制系統(tǒng)可分為集中控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)，而相比于AGV分布式控制系統(tǒng)，前者系統(tǒng)中的AGV能夠通過上位機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)工廠模型中的規(guī)劃路徑行駛，在車輛調(diào)度、路徑優(yōu)化等方面更為成熟和穩(wěn)定。工業(yè)應(yīng)用中的AGV項(xiàng)目方案，考慮實(shí)際需求一般采用集中式控制系統(tǒng)，而集中式的AGV控制系統(tǒng)主要包括中央調(diào)度控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)兩部分。中央調(diào)度控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、路徑規(guī)劃和交通管理，車載控制器負(fù)責(zé)完成下發(fā)任務(wù)的執(zhí)行、導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)和充電安全等方面的控制[1]。AGV系統(tǒng)完成作業(yè)離不開兩個(gè)控制系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行，而通訊系統(tǒng)在AGV車載控制系統(tǒng)和中央調(diào)度控制系統(tǒng)之間的信息收發(fā)過程中起著不可或缺的重要作用。

本文的主要內(nèi)容包括：

1）基于802.11g標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的WLAN技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)完整傳輸速率高的無線局域網(wǎng)絡(luò)，完成AGV與調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用層軟件所在的上位機(jī)通過TCP/IP的收發(fā)通訊。

2）完整定義中央控制系統(tǒng)與各AGV的車載控制系統(tǒng)的雙向通信協(xié)議內(nèi)容，包括：AGV上下線、訂單任務(wù)下發(fā)、移動(dòng)指示燈光、AGV電量速度、AGV位置姿態(tài)和手動(dòng)控制轉(zhuǎn)換。

3）針對AGV的集中式控制系統(tǒng)通訊壓力大的問題，分析上位機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)，增設(shè)AGV車載通訊適配器的通訊模塊。

2 方法

AGV集中控制系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)如圖1所示，在AGV的集中式控制系統(tǒng)中，中央調(diào)度控制系統(tǒng)與各AGV進(jìn)行雙向通信，各AGV之間不互相通信[2]。

圖1 通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 通訊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的無線通信方式有無線局域網(wǎng)（WLAN）、Zigbee、藍(lán)牙（Bluetooth）、紅外（Ir DA）技術(shù)和超寬帶（UWB）技術(shù)等。設(shè)計(jì)方案為提升AGV系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性，并考慮AGV系統(tǒng)干擾源多、系統(tǒng)需要遠(yuǎn)程通訊的工作環(huán)境要求，整理比對了各頻段協(xié)議的傳輸最大速率、覆蓋范圍和應(yīng)用價(jià)格，如表1所示[3]。

表1 協(xié)議對比結(jié)果

根據(jù)分析，方案設(shè)計(jì)選擇基于802.11g標(biāo)準(zhǔn)的WLAN技術(shù)來完成AGV通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架設(shè)，傳輸速率較大，有效工作距離遠(yuǎn)超Zigbee和藍(lán)牙，且IEEE802.11g與IEEE802.11bWi-Fi系統(tǒng)具有良好的兼容性，適用于功率較大的AGV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

WLAN的通信傳輸協(xié)議包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP（Transmission Control Protocol）為用戶提供了一種面向連接且基于字節(jié)流的通信連接；UDP（User Datagram Protocol）提供的是面向非連接的數(shù)據(jù)傳輸，與TCP協(xié)議不同的是，可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)而不需要雙方首先建立連接。UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)不受連接限制，因而具備更高的通信效率，但不可避免地降低了UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的可靠性[4]。在上位機(jī)和AGV小車正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，要求雙方先建立可靠的連接。綜合考慮AGV系統(tǒng)通訊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和工作環(huán)境需求，通訊方案選擇更為成熟的TCP傳輸協(xié)議搭建系統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡(luò)。

WLAN的組網(wǎng)方式靈活，常用的WLAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有IBSS和ESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

IBSS（Independent Basic Service Set，獨(dú)立基本服務(wù)集）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連接方式中，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)，該結(jié)構(gòu)下各個(gè)AGV互相之間都可通過無線網(wǎng)卡進(jìn)行相互之間通信，但存在AGV間信道共用問題，適合AGV分布式控制系統(tǒng)；ESS（Extent Service Set，拓展服務(wù)集）網(wǎng)絡(luò)包含多個(gè)無線AP，連入網(wǎng)絡(luò)的AGV在進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的同時(shí)，還支持AP間對頻率和空間的重利用，該結(jié)構(gòu)能夠充分適用于AGV集中控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊需求[5]。

為了提高無線網(wǎng)絡(luò)連接的安全性和穩(wěn)定性，預(yù)先分配路由器的IP地址范圍，設(shè)置系統(tǒng)通訊的地址池，對接入該無線網(wǎng)絡(luò)的AGV分配靜態(tài)的IP地址，將AGV對應(yīng)的MAC

地址與固定的IP地址綁定，方便上位機(jī)的服務(wù)器根據(jù)IP地址識別登記相應(yīng)的AGV[6]。

2.2 通訊內(nèi)容定義

在工業(yè)環(huán)境現(xiàn)場，AGV機(jī)器人主要通過自動(dòng)出入裝卸站、工作臺(tái)和貨架等定義單元，完成物料入庫、出庫等操作的搬運(yùn)輸送，可以充分適應(yīng)工作時(shí)間長、搬運(yùn)量大等要求[7]。中央調(diào)度控制系統(tǒng)和AGV車載控制系統(tǒng)的具體通訊流程如下：

1）建立連接：上位機(jī)調(diào)度控制系統(tǒng)接受MES系統(tǒng)響應(yīng)后，通過通訊系統(tǒng)的與空閑狀態(tài)的AGV建立訂單聯(lián)系，并檢驗(yàn)該AGV是否可以處理對應(yīng)訂單。

2）訂單命令：AGV可以處理對應(yīng)訂單，上位機(jī)開始逐段下發(fā)移動(dòng)指令，AGV回復(fù)確認(rèn)數(shù)據(jù)。為提高AGV行駛狀態(tài)的流暢性，運(yùn)行在下發(fā)行駛路段的同時(shí)，提前下發(fā)預(yù)分配線段。

3）信息更新：AGV通過無線網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)發(fā)送當(dāng)前位置和狀態(tài)，上位機(jī)將所接收的數(shù)據(jù)更新存儲(chǔ)，釋放路徑資源。

4）心跳包：AGV定時(shí)發(fā)送小車位置及狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用以檢測AGV與上位機(jī)的穩(wěn)定通信，防止系統(tǒng)連接掉線[8]。

5）訂單回復(fù)：AGV主動(dòng)上報(bào)已經(jīng)到達(dá)訂單目的地，完成裝貨、卸貨或充電的操作指令。

6）訂單結(jié)束：上位機(jī)回復(fù)AGV完成訂單的主動(dòng)回復(fù)，繼續(xù)下發(fā)訂單或?qū)⒃揂GV泊車。

通訊系統(tǒng)傳輸收發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，定義在協(xié)議報(bào)文的數(shù)據(jù)包中，車載通訊系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為上行，上位機(jī)向車載通訊系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)為下行。協(xié)議以定長字節(jié)數(shù)組數(shù)據(jù)包形式發(fā)送。

報(bào)頭占用1個(gè)字節(jié)，OxAA判斷為該段數(shù)據(jù)包報(bào)文的起點(diǎn)。主要是防止因接收錯(cuò)誤報(bào)文導(dǎo)致的系統(tǒng)錯(cuò)誤問題，方便在傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)的識別匹配。

功能碼占用1個(gè)字節(jié)，定義如表2所示。

表2 功能碼

依據(jù)不同的功能碼，車載控制系統(tǒng)會(huì)對協(xié)議報(bào)文進(jìn)行相對應(yīng)的解析與處理。

AGV車號ID段占用高低位2個(gè)字節(jié)，用于上位機(jī)判別數(shù)據(jù)包的來源AGV，并將要下發(fā)的數(shù)據(jù)精確地送達(dá)指定AGV；

AGV位置占用高低位2個(gè)字節(jié)，用于上位機(jī)控制系統(tǒng)車載控制系統(tǒng)相互對標(biāo)，并為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)提供可靠依據(jù)。

AGV電量占用高低位2個(gè)字節(jié)，用于中央調(diào)度控制系統(tǒng)評估任務(wù)訂單的下發(fā)和及時(shí)為蓄能不足的AGV下發(fā)自動(dòng)充電指令，以維持系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

AGV是否可以處理下發(fā)訂單的狀態(tài)回復(fù)占用1個(gè)字節(jié)，用以二次確認(rèn)AGV的狀態(tài)，避免訂單的無效下發(fā)。

動(dòng)作指令段占用1個(gè)字節(jié)，包含的定義動(dòng)作指令如表3所示。

表3 動(dòng)作指令表

AGV路徑線段的下發(fā)占用4個(gè)字節(jié)，用于下發(fā)下一目的點(diǎn)對應(yīng)的前后兩條路徑線段。提前發(fā)出的第二條路徑線段用以保證AGV運(yùn)行狀態(tài)的流暢度。指令依據(jù)中央調(diào)度系統(tǒng)路徑資源分配機(jī)制，依次分段下發(fā)，且每次都需要上行確認(rèn)，以期及時(shí)釋放路徑資源。直到完成該訂單所規(guī)劃的包含路徑為止。

上下行指令及響應(yīng)幀格式如表4和表5所示。

表4 下行報(bào)文

表5 上行報(bào)文

報(bào)文校驗(yàn)段占用兩字節(jié)，用于校驗(yàn)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中準(zhǔn)確性，判斷是否存在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。報(bào)文協(xié)議采用CRC校驗(yàn)，以提高系統(tǒng)通信的可靠性[9]。

報(bào)尾占用1個(gè)字節(jié)，OxBB判斷為該段數(shù)據(jù)包報(bào)文的終點(diǎn)。

2.3 通訊適配器

上位機(jī)調(diào)度控制系統(tǒng)基于開源組織架構(gòu)open TCS，針對AGV的集中式控制系統(tǒng)通訊壓力大的問題，分析上位機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)，用Java編程語言編寫通訊適配器，完成對系統(tǒng)通訊模塊的集成開發(fā)。

軟件框架如圖2所示。

圖2 軟件框架圖

openTCS支持的通訊適配器，主要實(shí)現(xiàn)于特定的自動(dòng)導(dǎo)引車、非連續(xù)的運(yùn)輸機(jī)等的通信協(xié)議，作為內(nèi)核和執(zhí)行設(shè)備之間的中介。AGV通訊通訊器的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）創(chuàng)建子類Vehicle CommAdapter：繼承BasicVehicleCommAdapter實(shí)現(xiàn)命令隊(duì)列管理；在派生類中realvehicle的抽象方法；調(diào)用comm適配器模型上的相應(yīng)方法setVehiclePosition()和commandExecuted()等，當(dāng)受控AGV報(bào)告狀態(tài)和訂單作業(yè)時(shí)，反饋內(nèi)核kernel。

2）創(chuàng)建VehicleCommAdapterFactory工廠類，依次為實(shí)例化VehicleCommAdapter給定的AGV對象。

3）為通訊適配器創(chuàng)建Guice模塊KernelInjectionModule。注冊并綁定VehicleCommAdapterFactory，以用于openTCS的java.util.ServiceLoader服務(wù)項(xiàng)在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)查找Guice模塊。

4）在CommProtocol類中，定義協(xié)議基本內(nèi)容和觸發(fā)機(jī)制。

5）啟動(dòng)上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)open TCS的內(nèi)核之前，將通訊適配器的JAR文件及其他資源放在內(nèi)核kernel應(yīng)用程序安裝目錄的子目錄中。保證kernel.bat的啟動(dòng)腳本在應(yīng)用程序的類路徑中包含該目錄中的所有JAR文件，啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)，可以自動(dòng)搜索找到滿足要求的通訊適配器。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括一臺(tái)上位機(jī)PC，兩臺(tái)自然導(dǎo)航方式AGV，一臺(tái)無線路由器等。

利用Gradle構(gòu)建工具，編譯生成內(nèi)核、內(nèi)核控制中心和執(zhí)行軟件，依次啟動(dòng)kernel.bat、kernelcontrolcenter.bat和plantoverview.bat的啟動(dòng)腳本，上線測試AGV，并在內(nèi)核控制中心加載real vehicle的通訊適配器，如圖3所示。

圖3 通訊適配器

AGV基本配置參數(shù)如表6所示。

表6 AGV配置參數(shù)

無線路由器選用TL-WDR5620千兆易展版，部分規(guī)格參數(shù)如表7所示。

表7 路由器規(guī)格參數(shù)

通訊系統(tǒng)基于上位機(jī)調(diào)度管理軟件openTCS，設(shè)計(jì)滿足激光導(dǎo)航、磁導(dǎo)航和自然導(dǎo)航等導(dǎo)航方式AGV移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行過程，在實(shí)驗(yàn)室研究的自然導(dǎo)航AGV的基礎(chǔ)上，進(jìn)行AGV通訊系統(tǒng)的現(xiàn)場測試，驗(yàn)證本文研究方案的可行性，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測試

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，中央調(diào)度控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)在工作運(yùn)行時(shí)能夠滿足正常有效通訊，AGV系統(tǒng)能夠依需完成訂單作業(yè)。

4 結(jié)語

隨著企業(yè)智能制造的不斷改造和升級，AGV等移動(dòng)機(jī)器人扮演著相當(dāng)重要的角色，隨著5G時(shí)代和工業(yè)4.0的發(fā)展到來，AGV的模塊化設(shè)計(jì)研究，可以有效縮短開發(fā)周期，更能適應(yīng)各種使用需求，本文的通訊系統(tǒng)方案就是采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，能夠根據(jù)具體的使用要求，組合AGV的其余功能模塊，開發(fā)設(shè)計(jì)不同系列的物流解決方案[10]。