AGV及其控制系统

　　AGV是自动引导运输车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写，是指装备有光学或电磁等自动导引装置，能沿规定路径行驶的自动运输小车，同时还具备安全保护装置、各种移载装置及可编程控制，以电池为主要动力，进行非接触式导引，能够根据给定的起点和终点，在无人干预的情况下，准确安全的驶向目的地，从而完成给定的各种任务。

　　根据不同的使用情况，AGV的结构会有所差别，但通常都包括以下几个部分：

　　1、 车体

　　车体为钢结构件，主要提供支架系统和各种设备的安装平台，要求有一定的强度和刚度，能够支撑满足AGV的机械要求，可以有多种多样的车体形式。

　　2、 导航定位系统

　　导航定位系统相当于AGV的眼睛，导引AGV运行并及时纠错，目前常用的导航方式有电磁感应导航、磁感应导航、激光导航、视觉导航、惯性导航、GPS导航及超声波导航等。

　　3、 运动系统

　　运动系统是车轮、减速机、电机、伺服控制区及调速器组成的一个伺服控制系统，由AGV车载控制系统控制，可以实现速度和位置的精准控制，常见的运动方式有单轮驱动转向式、双轮差动驱动式及四全向轮驱动式，单轮驱动转向式和双轮差动驱动式可以实现AGV的前进、后退及转向，四全向轮驱动式还可以实现AGV的侧向运动。

　　4、 控制系统

　　控制系统是AGV的核心，一般包括上位机控制系统（也即中央控制系统）和下位机控制系统（也即AGV车载控制系统）两部分，上位机控制系统负责任务调度、路径规划及交通控制等，下位机控制系统负责完成AGV的任务执行、运动、导航、传感器、充电及安全等各方面的控制，上位机控制系统和下位机控制系统通过通讯系统连接，相互传递信息。

　　5、 通讯系统

　　通讯系统用于AGV单机与上位机控制系统之间收发信息，一般采用无线通信方式，基于TCP/IP协议进行，需要建立一个工业级的无线局域网。

　　6、 安全系统

　　AGV工作环境中通常会有静止或移动的障碍物，必须充分考虑AGV工作时的可靠性及安全性，不仅要保障AGV自身安全，还要保障现场人员及各类设备的安全，通过在AGV上安装各类的传感器（如红外线或超声波监测装置），一旦发现周围有障碍物时，则应控制AGV减速、停止或绕行，并配合声光报警。

　　7、 电源系统

　　电源系统是AGV的动力系统，给系统运行提供能源，种类有铅酸电池、镍镉电池及锂离子电池等，必须能够实现大电流快速充电，并能自动检测电池情况及时反馈给控制系统。

　　宏钺AGV应用是由一套上位机控制系统和多辆AGV构成，上位机控制系统是AGV系统的中央控制系统，是整个AGV系统的大脑，负责管理电子地图，接受任务并采取一定的调度策略分配任务给空闲的AGV，并进行路径规划，通过通信系统发送任务和路径信息给每个AGV，且引导AGV完成任务，同时还要实现车辆运行状态的实时动态监控，并随时对系统出现的各种情况做出及时的处理。

　　二、上位机控制系统功能模块

　　宏钺AGV系统上位机控制系统是整个系统的核心，即使是相同数量的AGV车辆，在不同的上位机控制系统调度下，系统效率可能大不相同，因此，上位机控制系统在初始设计时就尤为关键，宏钺上位机控制系统必须具备如下特点：

　　1、 兼容性好

　　AGV系统上位机控制系统必须保证同企业其他管理系统的兼容，如生产管理系统、仓库管理系统等，为其他管理系统预设数据接口，提供数据共享，从而实现业务的无缝衔接。

　　2、 适应性强

　　由于客户实际情况的复杂性、多变性，因此，宏钺AGV系统上位机控制系统必须做到功能完善，此外还能够灵活设置，当企业需要调整时，AGV系统上位机控制系统应当能做出相应的调整与之相适应。

　　3、 易于扩展

　　要求AGV系统上位机控制系统不仅能够保证系统自身的升级更新还能实现对不同型号AGV的管理。

　　4、 体验性好

　　宏钺AGV系统上位机控制系统简洁、合理、美观、易于操作，体现人机交互的设计理念。

　　宏钺AGV系统上位机控制系统具有以下核心功能模块：

　　1、 地图管理功能

　　环境地图是后续路径规划的基础，环境地图描述的好坏，直接影响着整个AGV系统能否发挥出应有的效率，且越来越多的定位技术依托于环境地图之上，对AGV定位的精度至关重要。

　　目前，在机器人学中，对地图的描述主要有拓扑地图法、栅格地图法及直接表示法等，拓扑地图法不仅建模方便，而且有很多成熟的推理和高效的图形搜索算法可直接应用在拓扑地图中，另外，拓扑地图对存储空间和计算时间要求较低，保证了系统的实时性，效率较高，是大多同类系统的首选。

　　在对环境地图进行建模时，务必保证所建造的图形是连通图，只有这样，从任意节点到任意节点都肯定会有路径可达，另外，为了方便地图的存储和提高搜索算法的效率，所建造的地图在能执行所有分配任务的前提下，要尽量简单、科学合理，单向有权图通常是不错的选择。

　　图在计算机中的表示方法有很多，最常用的是邻接矩阵表示法和邻接表表示法，但这两种方法所需要的计算机存储空间和算法时间复杂度相差极大，采用哪种方式取决于该图是稀疏图还是稠密图，而实际中，AGV系统工作环境地图基本都属于稀疏图，所以大都是采用邻接表的结构来存储地图。

　　AutoCAD是Autodesk公司开发的计算机辅助设计软件，现已成为国际上最流行的绘图工具，AutoCAD中有准确的坐标系统，定位精准，且提供了丰富的图形元素，如直线、多线段及圆弧等，因此，可使用AutoCAD来绘制环境地图，即将规划好的周围环境信息和拓扑路径信息在AutoCAD软件中绘制好，然后，在上位机控制系统中，通过软件编程，调用AutoCAD提供的API，可以很方便地把存储AutoCAD文件中的路径信息和环境信息分别提取出来并保存，以备路径规划等功能模块使用，同时在屏幕指定区域将环境地图复现出来。

宏钺调度系统示例：从AutoCAD中导入路径信息和环境信息

　　2、 路径规划功能

　　路径规划问题是机器人学中一个非常重要的方面，具体是指：在有障碍物的工作空间中，如何寻找出一条从给定的起点到终点的最优路径或次优路径，该路径可以使机器人能够安全地、无碰撞地绕开所有障碍物，准确无误的达到目的地。

　　根据对环境信息事先了解情况，路径规划分为全局路径规划和局部路径规划。

　　全局路径规划是根据已知环境信息，依据合理的路径搜索策略，给机器人规划出一条全局最优路径，AGV小车不会经过不必要节点。

局部路径规划是指在未知的环境中，根据机器人传感器感知的信息，包括障碍物的位置、大小和形状信息，为机器人获得一条无碰撞最优路径，保证节点之间路径最短。

　　AGV系统工作环境大都是已知静态环境，其路径规划问题也即是已知环境的全局路径规划问题。

　　路径规划的核心在于路径搜索，搜索主要分为两种：盲目搜索与启发搜索。

　　盲目搜索又叫无信息搜索。是按照预定的控制策略进行搜索，在搜索过程中始终都不改变控制策略，常见的盲目搜索有深度优先搜索法和广度优先搜索法，这两种搜索法虽然都能搜索到路径但是有很大的盲目性，搜索效率较低，且搜索出的路径也不是最优，目前大都采用的是最短路径搜索算法：Dijkstra算法或其改进算法，Dijkstra算法是一种典型的最短路径搜索算法，主要用来解决固定起点的最短路径问题，Dijkstra算法只需运算一次，就可以得到从起点到其他所有节点的最优路径，效率很高。

　　启发搜索是在搜索工程中，对每一个搜索位置进行评估，然后加入与位置相关的启发式信息，用以指导搜索朝着最优方向进行，省略了大量无谓的搜索路径，加速问题的求解过程，找到最优解，大大提高了搜索效率，最典型的启发搜索是A*(A star)算法，A*算法执行过程中引入了一个估价函数，每次搜索时都利用这个估价函数对所有可扩张点进行估价，从而找出最优的可扩展点，再从该点搜索直到找到目标点。

　　通常可以选择Dijkstra算法或其改进算法作为全局路径规划方法，结合采用A*算法作为局部路径规划方法。

　　以上所述是指系统自动路径规划部分，而手动路径规划也是系统一个必不可少的功能，它可以允许操作人员使用鼠标选择节点，根据自己的意愿完成路径规划，并保存起来，供后续任务分配是调用。

宏钺调度系统示例：手动路径规划

　　3、 交通管理功能

　　对于宏钺AGV系统而言，不可能只有一台AGV在工作，通常情况是有多台AGV在环境中共同工作，而多台AGV的运行不可避免的要发生道路共用等冲突问题，因此，交通管理的核心是要解决多台AGV之间碰撞问题和冲突死锁问题。

　　多AGV系统中，常见的有三类冲突类型，即路口冲突、追击冲突和相向冲突，这三类冲突的本质都是时空重叠问题，即在同一时间两辆车在空间内相遇，发生碰撞，如不能有效解决冲突问题，将会导致系统停在冲突的状态无法继续下去，进而形成死锁。

　　多AGV的防冲突方法也有很多，不同的冲突要采用不同的措施，目前，常用的方法有时间窗方法、单向路径法及交通规则法等。

　　时间窗方法就是根据系统交通情况，在双向有向图中为AGV搜索无冲突的最优路径，所谓时间窗，是指某个AGV进入指定路段的时间与驶出指定路段的时间，通过检查各个任务时间窗的交错重叠情况，可以检测各个任务在路径之间的冲突及冲突类型，进而采用等待策略或重新规划策略进行路径调整，使各任务的时间窗没有重叠，从而达到解决冲突的目的，时间窗方法作为预测式防冲突算法，具有冲突检测准确，算法易于实现，对环境变化响应速度快，能进行全局优化等优点，但该算法复杂度随着系统中AGV数量的增加，系统计算量大幅急剧增加，会导致所搜索到的路径变得不够优化，甚至搜索不到合适的路径，因此，只适合环境中AGV数量较少的系统。

　　单向路径法为拓扑图中所有的路段规定了明确的运行方向，从而大大减少了冲突，简化了算法设计，且能容纳大量的AGV，因为只能单向运行，故不会发生相向冲突，很好地解决了死锁问题，对可能发生的路口冲突及追击冲突，只需采用等待策略，即可全部解决，缺点是搜索到的每个AGV运行的路径可能绕了一些弯路，并非是最短路径，会造成一定的系统整体性能损失。

　　交通规则法的原理是采用尽可能全面的规则指导AGV的运动，防止AGV与其他AGV或物体碰撞，在交通规则法中，通常采用等待策略来解决冲突，前提及核心是划分交通管制区及制定优先级原则，以确保在交通管制区，优先级较高的AGV先行通过，交通规则法不能解决死锁冲突，但却可以很好的解决路口冲突。

　　单向路径法结合交通规则法通常是一个不错的选择，适合绝大部分的AGV系统。

　　4、 任务调度功能

　　任务调度功能应该能够自动接受从企业其他管理系统中传递过来的任务信息，也能够随时手动添加任务、删除任务、取消任务或变更任务，并能根据当前有无空闲AGV进行任务分配，任务调度方式通常采用基于优先级的调度方法，对于等待状态的任务按优先级进行排队，然后选择最高优先级的任务进行调度，任务的路径规划方式可以为手动，也可以为自动，可以指定重复次数，可以指定优先级，可以指定或不指定AGV，对于手动路径的任务还需指定路径名称，分配执行的任务有两类，搬运任务和充电任务，充电任务是系统检测到电池电量不足时自动分配给AGV的任务，AGV充电期间不再接受任何任务。

　　5、 通信管理功能

　　通信管理功能是用于建立上位机控制系统与AGV之间的可靠通讯，通常选择使用基于TCP/IP协议的套接字编程，套接字是通信的基础，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元，通信管理功能中大都采用了多线程技术，开辟一个新线程专门用于通信信息的接受。

　　6、 监控及仿真功能

　　图形监控可以全动态实时和直观显示系统中各台AGV的工作位置及运行状态，并以形象的图形和不同颜色加以区分各种状态，一目了然。

　　模拟仿真可以对设计的AGV上位机控制系统的正确性及效果进行调试验证，模拟AGV行走和操作，并在图形监控界面中模拟反馈AGV的当前位置及状态，当发现与预期不符时，可及时调整，效率大为提高。

宏钺调度系统示例：模拟AGV行走

　　三、结束语

　　以上所述，宏钺AGV系统上位机控制系统，其核心功能模块中通常采用的策略和方法，具体到一个真实的客户项目，切不可一概而论，一成不变，否则，做出来的上位机控制系统很可能效率低下，满足不了客户需求，因此，必须做到具体问题具体分析，这就好比裁缝做衣服，量体定做，才能真正合身，只有全面准确地理解和把握了客户项目需求，并在此基础上对AGV系统进行详尽的需求分析，才能制定出对该客户项目来说最合理最有效的策略和方法，也只有这样，才能最终做出令客户满意的AGV系统上位机控制系统，宏钺调度系统正是基于此而设计。