AGV 二次定位系统的实践应用

沈 阳，鲁 毅，张雁明

（红云红河（烟草）集团有限责任公司红河卷烟厂，云南弥勒 652300）

0 引言

AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引小车）作为现代化物流生产线的重要组成部分，以其智能、柔性的运输功能在各行业广泛使用。AGV 导引模式多种多样，装卸货模式也各有不同，本文主要介绍激光导引推挽式AGV 二次定位系统的改造。通过二次定位改造，旨在提升使用推挽式AGV 进行装卸货时的准确性，降低故障频次，为AGV 路径规划提供新的思路。

1 AGV 系统组成

红河卷烟厂（以下简称卷烟厂）物流部辅料库AGV 系统由14 台AGV 组成，其中，12 台单叉推挽式AGV，2 台牵引式AGV，是一个由地面控制系统和车载控制系统组成的整体。

地面控制系统即上位系统，负责对AGV 实施命令下达。例如，充电指令、站台装卸货指令等都由上位系统进行调配。操作人员也可以通过上位系统监控界面，实时查看AGV 的运行状态和故障信息，以便人工迅速解决故障。

车载控制系统即AGV 车体本身，其中，ACC70 模块为AGV车载控制的核心，功能与其他工业设备常见的PLC 类似，是一种模块化的可编程控制器。使用NDC 公司特有的NPL 编程语言编写程序，完成AGV 单机逻辑控制。同时，AGV 在运行时会保持与上位计算机的通信，很多运行中的判断条件由上位系统提供。

2 AGV 路径导航原理

卷烟厂辅料库使用的AGV 为激光导引式AGV，如图1 所示。激光导引方式是在AGV 行驶路径与作业区域的周围安装位置精确的激光反射板，AGV 通过扫描头（Laser Scanner）发射激光束，同时接收由反射板反射的激光束，对光线信号进行处理。通过连续的三角几何运算，与车载路径程序内保存的反射板坐标数据进行估算比对。结合AGV 自身的运动控制系统返回的参数，确定其当前的位置坐标和运动方向，实现对AGV运动的导引。

图1 AGV 激光导引的扫描方式示意

系统作业时，计算机通过无线电通信系统自动将任务分配给离任务作业点最近的AGV 小车。AGV 小车根据作业指令，按预先制定的路径自动驶向作业点进行作业。在行驶过程中，AGV利用激光头对周围反射板进行扫描，同时计算扫描结果，导航并修正自身的偏差，从而保证行走和定位的精度。

AGV 定位是经车载ACC70 模块中的导航卡，通过计算激光扫描头反馈的光线信息，确定AGV 在作业区域大坐标系内的精确坐标。根据设备资料，小车在走行中会结合自身的速度及方向，对接下来一个周期内的光线夹角变化进行连续的“呆板估算”，简要原理见图2。

图2 AGV 导航原理示意

在理想环境中，仅需要3 条反射光线构成3 个连续的夹角即可完成定位。而在实际情况中，由于无法准确得知第一条光线对应的反射板是否正确，也无法保证无错误光线。因此，至少需要4 条连续的正确光线才能构成3 个连续的夹角，以供小车进行计算。

3 二次定位思想的提出

3.1 卷烟厂AGV 运行现状

卷烟厂辅料库使用WW511 型推挽式AGV，随着长期使用，辅料库在用的12 台推挽式AGV 在作业过程中故障频发。1 周内辅料库AGV 故障类型比例情况如图3 所示，可见，AGV 在日常使用过程中主要故障是装卸货故障，占故障总数的85%。推挽式AGV 在作业过程中需要配套装卸货站台，由于站台位置固定，因此对AGV 的走行与定位要求很高。当推挽式AGV 的货叉与站台错位超过±3 mm 时，货物托盘会刮擦甚至撞击站台，正常的装卸货动作会受到阻碍。经过现场实地查看，发现导致AGV 装卸货故障的原因，正是由于车体与站台无法对齐，造成装卸货时托盘卡阻。

图3 1 周内辅料库AGV 故障类型比例情况

很多情况下AGV 与站台不能正常对齐，最主要原因是导航环境过差，导致AGV 在站台处停止位置不够精确。影响导航环境的最主要因素是反射板。由于车间内部各区域设备布局复杂，在AGV 运行至某些特定位置时，车间内部玻璃表面、设备的反光表面等都会产生干扰光线。AGV 接收到干扰光线后，很可能将错误光线与正确反射板相对应。这种错误对应使得导航程序的下一个周期计算结果与估算结果相悖，从而走偏甚至丢失导航。同时，AGV 运行过程中，部分反射板在特定角度会被障碍物遮挡，这也会使可供定位的反射板数量减少，导致AGV 无法进行定位计算，如图4 所示。

图4 错误光线产生原理

综上，影响AGV 精确定位的因素就是导航环境的复杂性，但是因车间内部设备布局与建筑环境难以改变。为最大限度提升AGV 作业效率，降低定位不准导致的装卸货故障，决定尝试利用AGV 控制功能中的“柔性段（Variable Segment）”功能。辅以适当方式，提高WW511 型推挽式AGV 在站台处的定位精度，使得AGV 在站台处进行“二次定位”。

3.2 二次定位功能解析

AGV 的路径由点和段组成，AGV 通过Layout 绘制好的路径运行。AGV 的运行路径遵循点到点的模式，两点之间的路径称为“段”（Segment），长度固定。AGV 必须走行至某段的终点坐标，自身的导航系统才会判定为该段结束，进而执行其他命令。“柔性段”（Variable Segment）顾名思义，段的长度可变。这种功能允许AGV 在满足其他判定条件时，在到达该段的预设终点坐标之前提前结束该段路径，执行下一步动作。

如上所述，卷烟厂AGV 系统随着使用时间的推移，设备产生自然老化。而且车间内的导航环境已经跟随设备迁移发生了很大改变，导致AGV 在站台处定位不够精确，进而频繁产生装卸货故障。而全面优化甚至重置导航环境，又会带来极大工作量。

为此需要借助“柔性段”功能，在激光导引的基础上进一步提升AGV 定位精度。由此产生“二次定位”的概念，即通过加入新的验证机制，在AGV 运行至装卸货位置时定位更加准确，将AGV 与站台之间的位置误差控制在±3 mm 以内。

3.3 改造价值分析

推挽式AGV 的优势是能够在狭小空间范围内进行装卸货作业，节约空间，在卷烟厂生产场地有限的情况下能够有效提升设备作业效率。

本次二次定位系统改造主要涉及的辅料库AGV 系统为NDC 7 系统。目前，NDC 7 系统与最新的NDC 8 系统相比，虽然通信效率、可扩展性和简洁化程度都有所不及，但是NDC 7系统以其特殊的NPL 编程语言，保障了AGV 单机车体作业时的高效和稳定。因此，在工业控制领域，NDC 7 系统仍旧保持强大生命力。

4 二次定位改造实施

4.1 选择验证机制

在柔性段功能中，NDC 公司提供了多种段的结束方式（图5）。最常见的是使AGV 在运行中，通过走行电机编码器计算实际的走行距离并与设定值进行比对，以精确控制AGV 在最终段（Last Segment）的停止位置。但是这种方式基于AGV 在路径段的起点处能够精确定位的前提，对AGV 自身的激光定位准确度要求较高，不适用于卷烟厂目前导航环境非常复杂的情况。为此，决定使用外部信号触发段结束指令的方式。

图5 柔性段帮助文档

通过分析车型结构与装卸货过程，最终选用镜反射式光电检测作为检测站台到位工具。在AGV 左右两侧安装光电检测，在站台上粘贴反射片，如图6 所示。

图6 硬件改造

当AGV 对齐站台时，侧面光电检测照射到站台上的反射片，给予ACC70 一个外部信号。当AGV 检测到该信号时，即认为对齐站台。站台上反射片的粘贴位置需要通过操作AGV 进行反复调整，确保当光电检测被触发时，AGV 与站台刚好对齐，如图7 所示。

图7 保证反射片粘贴位置正确

4.2 修改路径模式

AGV 路径设定使用NDC 开发的Layout 软件，界面如图8所示，其内部集成多种AGV 路径规划功能。在NDC 7 系统中，Layout 作为功能模块被集成在DOS 下的AutoCAD（R）软件中，路径地图被保存为.dwg 文件，使用Layout 中的功能块则可以导出与AGV 相关的功能配置文件。

图8 Layout 软件界面

由于添加了柔性段，导致路径中段的数目倍增，会影响AGV 作业分配。原因是AGV 在NDC 7 系统下计算AGV 与作业点的距离是对所有路径段上点的数量来进行比较的，即使各段长度很短，系统也会认为AGV 位置过远。由于添加新的坐标点来定义柔性段，点的数量也成倍增长，因此需要优化原AGV行进路线，在保证功能的前提下大幅减少路径段的数量。

卷烟厂辅料库供料系统中，对应的装卸货站台多达200 余个。但是在本次改造中，无需对所有站台进行重新定位与测量，仅需要对原有站台处路径段进行改造升级。

设计思路：为预防AGV 在站台处没有触发光电检测，将原来与站台对齐的坐标点往前移动一段距离，使得AGV 可以行走更多距离来触发光电检测，对齐站台。这样就实现了使用站台实际位置作为段的终点的目的，从而保证AGV 在站台处的精确定位。若未检测到反射片，AGV 将会一直走行至新站台坐标点。由于光电管在此处并未检测到站台上的反射片，AGV 将会停止装卸货动作，向上位系统返回故障信息，在原地停留等待人工处理。实际路径修改流程如图9 所示，需要定义新的坐标点，将原先的段分为两个新的段，将新的点到移动后原坐标点的段定义为柔性段，如图10 所示。柔性段功能开启后，还需要将原来段属性全部复制过来，使得该新增的柔性段在其他功能上与原段无异，即使作为通过段也能被导航卡正常规划。同时，在图11 所示的标签页中，对已经改造的路径起止点，定义完全相同的功能与前后继关系，保证AGV 在该柔性段上的其他作业过程正常。

图9 实际路径修改流程

图10 开启路径的柔性段功能

图11 站台点功能复制

4.3 程序修改

在NDC 7 系统程序平台中，AGV 单机程序由BASE 7文件夹下的多个子文件组成，如图12 所示。从图中可以看出，.a70、.sys、.c7 和.cwy 分别对应多个AGV 开发程序：.a70 对应ACC70 编程文件，.sys 对应路径程序Layout 应用文件，.c7 为总编译器需求文件，.cwy 对应CWAY，是上位系统监控软件的地图配置文件。其中，.a70 文件可以使用计算机的ACC70.exe 软件进行编辑，修改AGV 的控制逻辑程序。在本次改造中，需要对AGV 的部分动作与逻辑判定程序进行升级，增加适当的功能来配合柔性段的使用。同时，更新AGV 的路径与程序后，还需要升级相应的.c7 与.cwy 文件来更新上位系统。

图12 NDC7 系统下文件构成

在ACC70 程序中，首先添加路径的属性变量（Attribute Symbles）flex_left、flex_right（图13）。在路径规划中，改写路径的功能属性，使得小车在行进至该段时将此变量置位，作为开启二次定位功能的前提条件之一。同时在图14 所示标签页中，对路径设定相关的PLC Attr，以改造该段路径的功能。

图13 添加属性变量

图14 修改路径属性

由于添加了左右2 个光电检测开关，因此需要定义新的外部输入信号。将光电检测的信号接入AGV 控制模块ACC70 的I/O 点，在ACC70 程序中定义新的输入变量名称，如图15 所示。

图15 I/O 点定义

定义A1、A2 两个输入端子为左右光电开关输入量，命名为flex_l、flex_r，分别对应左侧和右侧的光电开关。当光电开关检测到站台上的反射片时，该变量将被置位，用于下一步的逻辑判定。为此，在ACC70 PLC 中编写柔性段停止作业程序，使AGV在满足对齐站台的各条件时，置位“Arrived”变量，结束柔性段，发出AGV 到位信号。

图16 中，“onlastseg”变量即为AGV 在走行中行进至最后段时的标志变量，由上位系统给出。结合添加的路径属性变量，所有判断条件均要在装卸货路径的柔性段才能启用，因此不必担心AGV 小车在运行过程照射到其他站台反射片，导致光电检测误触发。同时，在图17 所示的菜单中，修改AGV 原有的装卸货控制程序，新增光电检测判定。保证AGV 在装卸货过程中保持与站台的对齐，避免个别AGV 在停车或作业过程中产生轻微位移，导致装卸货故障。最后，在全局变量中新增需要的各标志位变量和中间变量，保证程序能够正常编译，如图18 所示。

图16 柔性段逻辑程序编写

图17 装卸货程序修改

图18 全局变量添加

4.4 车体硬件保养优化

由于AGV 车体之间存在差异性老化，例如，编码器比例值变化、抱闸制动性能不同等，即使AGV 处于导航环境良好的区域，也会出现丢失导航的情况。对于这些基础问题，对AGV 所有硬件进行维护，包括调整抱闸间隙、修正各编码器比例值等。同时通过校准反射板坐标、增加反射板等手段，提高导航环境的可靠性，排除硬件给AGV 定位带来的干扰因素。

5 效果验证

通过二次定位系统改造，修改AGV 路径系统及车载控制程序。使得AGV 装卸货时能够摆脱坐标点的定位要求，柔性实现装卸货功能。改造后1 周内辅料库AGV 故障类型比例情况如图19 所示，可见，辅料库AGV 在二次定位改造后，站台定位的准确性得到极大提升，AGV 故障率明显降低。

图19 改造后1 周内辅料库AGV 故障类型比例情况

6 总结

AGV 作为科技自动化的前沿产品，在各行各业都有着广泛运用，其制导模式也多种多样。为更好向用户提供便利，AGV 也经历着不断改进，但是都离不开路径的规划。无规矩不成方圆，良好的路径规划能够提供优质服务。二次定位实质是对路径规划的一次升华，在有限的资源条件下，以最小投入解决最大问题，为以后AGV 路径的规划提供有利参考。