基于RFID阵列的无轨AGV系统的研究与设计

0 引言

自动导航小车(Automatic Guided Vehicle,AGV)系统是属于工业机器人的分支之一,小车一般使用电池进行驱动,在一定的运行环境中可自主运行;在物流企业、柔性制造车间、自动化仓储等领域应用日益广泛,是制造业智能化的重要组成部分。

目前,AGV的导引技术可分为有轨导引和无轨导引两大类型,有轨导引需要小车运行的路径上铺设磁条或色块等导引物;曾祥苹等利用模糊控制策略研究提高磁导引AGV路径跟踪精度及系统鲁棒性;任或等使用改进的免模型深度强化学习算法设计了路径跟踪控制器,在建立磁导航AGV离散时域的运动学和动力学模型的基础上,将路径跟踪问题建模为连续状态与动作空间的马尔可夫决策过程,优化了控制规则;罗奎等基于HMC1021设计了磁导引AGV控制系统;沈忧等使用磁阻传感芯片HMC1021组成线阵的测量方案,研究一种磁导引AGV传感器,并提出减小误差的方法和改进方案;郑炳坤等提出一种基于CAN总线的控制系统,其硬件架构以嵌入式工控机为核心,实现由模糊自整定PD调节器来改良磁导航AGV的动态跟踪行为。综上,有轨AGV小车运行在固定路径上,对AGV小车路径的控制相对方便,定位较准确,可实现厘米级的定位,是目前AGV主要的导引方式,但存在路径一旦铺设就难以变更,轨道铺设成本高等不足。

无轨导引主要有激光导引、超声波导引、视觉导引、惯性导引等,激光导引、超声波导引技术采用信号传输距离与时间的关系的测距原理,存在受环境的影响大、定位误差大等不足,市场应用还不广泛。随着中央处理器处理能力的提高,视觉导引越来越多被应用到AGV和机器人领域,浙江大学李月华等针对工业场景对自动导引车(AGV)高定位精度的要求,提出一种改进的视觉同时定位与地图创建(VS-LAM)算法,取得不错的效果;南京航空航天大学武星等针对复杂光照条件下视觉导引AGV的路径提取问题,提出一种基于光照色彩模型的自适应图像照度分区阀值分割方法,提高对导引路径的识别率,但视觉导引方式依然存在对复杂环境和光线处理困难等不足。北京航空航天大学吴鹏等针对在没有外部信号的室内环境下的自动导引车定位问题,提出一种将惯性导航与里程计相结合的算法,有效提升了位置估计的准确性与稳定性,具有显著效果;季冉鸣等提出了一种基于磁传感器、低精度惯导系统、编码器的机器人导航控制方法,该算法在工程上易于实现,提高了机器人导航的实时性和定位精度。但惯性导引方式在复杂环境下的累计误差问题依然难以解决。

本文研究针对目前市场上自动导航小车(AGV)应用中存在的不足,提出一种基于RFID阵列的无轨自动导航小车(AGV)系统。该系统将通过构建RFID阵列的方式实现对AGV的定位,并以此为基础,实现AGV运行路线动态规划和无轨运行控制,降低AGV运行门坎,提高AGV运行的灵活性。

1 系统设计原理及实现

无论是有轨AGV还是无轨的AGV,要使AGV在特定的环境中能自主运行,AGV定位是关键,传统的有轨AGV利用轨道将二维定位模式简化为一维定位,通过计算AGV在轨道上运行的相对距离即可实现定位,激光导引、超声波导引、红外线导引的无轨AGV采用三角测距法实现定位。本文研究采用运行环境标识的方法进行定位,即对AGV的运行场地进行标识,将AGV的运行场地划分为大小相等的规则小块,每一块设定唯一的编号,建立编号与位置的关系(即地图),AGV运行在其上时,通过获取场地上的编号,在地图上查到对应的位置,从而实现定位,在此基础上实现AGV在指定路径上的自主运行。

环境标识定位法应用的关键因素为场地编号的表示、获取、实现成本等,采用科学合理、性价比高的方案尤为重要。一般而言,AGV的运行都是在特定的环境中,如工厂车间、物流现场等相对固定的场所,其特点是场地范围有限,场地上货物、车辆、人员流动较大。本文研究设计一种利用RFID阵列的实现AGV定位的方案,将RFID作为场地标识,利用其性价比高、获取编号稳定性高、可靠性好、响应快等优点,设计一种低门坎、灵活性高的AGV系统。其原理是:在AGV运行的环境中,通过将RFID电子标签规则嵌入到运行环境的地板上,构成RFID阵列地板,然后在上位机上构建和存储小车运行环境地板的RFID阵列地图,小车通过读取所经过地板的RFID电子标签的ID号并由上位机通过地图进行计算,从而实现小车的定位和姿态获取,以此为基础,实现小车运行的动态路径规划、运行控制等。

本文研究的AGV系统包括如下部分:RFID阵列地板、上位机及地图、小车及运行控制系统、无线通信网络、电子罗盘等,系统结构如图1所示。
基于RFID阵列的无轨AGV系统的研究与设计
1.1 RFID阵列地板

RFID阵列地板由按一定规则嵌入RFID电子标签的地板砖拼接而成。RFID电子标签按N×N(如10cm×10cm、15cm×15cm、20cm×20cm等)的方式进行排列,N值即为理论上的定位最大误差;N越小,小车的定位精度越高,但成本就越高,一般应用取15cm或20cm即可。为了便于施工,将RFID阵列地板预先按一定规格(如30cm×30cm、45cm×45cm、60cm×60cm等)制作成RFID阵列地板砖,小车的运行环境用上述地板砖进行铺设。地板砖的材料为非金属的硬质材料,如木材、玻璃、混凝土、工程塑料等,如图2所示。
基于RFID阵列的无轨AGV系统的研究与设计
1.2上位机

上位机可由PC机或工控机担任。上位机安装无线通信网络收发终端,存储AGV当前运行环境相对应的RFID阵列地板的地图,建立基于该地图的路径规划、多AGV间的防撞控制系统。上位机通过上述地图和系统,根据工作任务的要求通过无线通信网络向AGV发出控制指令,指挥AGV的运行。

1.3 AGV本体及其运行控制系统

AGV包括中央控制系统、运行驱动模块、RFID读卡模块阵列、传感器模块、电池、小车本体。如图3所示,主要模块说明如下:

①中央控制系统由嵌入式CPU(如MSP430、ARM等)组成,CPU至少有2个串行通信串口,2个8位的并行通信口及相应的外围器件。

②运行驱动模块为直流电机的驱动电路,根据小车的载质量和所驱动的直流电机选择不同功率的模块。

③RFID读卡模块只需读取RFID阵列地板中RFID卡的ID号,选用频率为13.56MHz、读卡距离为5~10cm、读卡时间小于0.2s的读卡模块,一般安装在车首。

④无线通信收发模块组成小车与上位机的通信网络,负责传输小车发给上位机的RFID卡的ID号和上位机传输到小车的运行控制信息,信息量不大,但要求实时性好,可靠性高。传输距离视运行环境而定,可选择无线串口模块或WIFI网络模块。

⑤传感器模块主要进行小车的防撞、障碍物的检测,由超声波测距模块组成。

⑥小车本体是小车控制系统和载重物的载体,采用直流电机驱动,三轮或四轮的方式。

⑦电子罗盘:获得小车当前的运行方向。本系统选用HMC5883L数字指南针。

③无线通信网络:由小车和上位机的无线通信收发模块和通信协议组成。本系统选用E32-TTL-100无线串口模块。
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1.4 AGV运行场地及地图

按预先确定的规则生产RFID阵列地板砖,然后将该地板砖铺设成RFID阵列地板,该地板为小车的运行场地。上位机建立AGV运行场地地图,在上位机上将用RFID阵列地板砖铺设而成的运行场地映射成二维地图,RFID读卡器读取运行场地中预先嵌入的RFID卡ID号,按(X,Y,ID)三元组的方式登记到上述地图相应的位置中。根据场地的实际情况在地图上划分小车运行区、货物存放区、小车停泊区等。

2 AGV运行控制及路线规划

用户通过上位机实现对AGV运行的监视、控制及路线规划。用户首先在上位机上建立AGV运行环境的地图,建立上位机与AGV的信息传输通道,AGV实时将当前运行的状态信息、所读取地RFID的ID号传输至上位机,上位机依据AGV当前的位置、运行状态和预设的运行路线生成AGV运行的控制命令,并发送给AGV,从而控制AGV的运行。由此可见,AGV上位机监控系统是AGV的中央决策系统,其主要完成AGV运行环境的建立与管理、AGV运行状态监视、AGV运行路径的规划、运行控制决策等工作,其功能结构如图4所示。

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