0 引言

    對(duì)于物件搬運(yùn)AGV（自動(dòng)導(dǎo)引車）,，導(dǎo)引和定位是其關(guān)鍵研究部分。常用的導(dǎo)引方式有磁導(dǎo)引^[1],、視覺導(dǎo)引^[2],、激光導(dǎo)引^[3]等，定位方式有二維碼定位^[4],、RFID射頻識(shí)別定位^[5],、超聲波定位等，其中磁導(dǎo)引磁條鋪設(shè)方便,、路徑變更容易,，射頻識(shí)別不易污染、對(duì)聲光無干擾,，因此集成RFID技術(shù)的磁導(dǎo)引AGV在自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)輸中的應(yīng)用廣泛,。

    針對(duì)磁導(dǎo)引中的RFID技術(shù)，已有諸多學(xué)者進(jìn)行研究,。顧佳煒等人^[6]通過在電子標(biāo)簽中寫入標(biāo)簽編號(hào)和運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)AGV導(dǎo)航,。李季^[7]采用RFID輔助定位并借助橫向磁條的方式完成車輛轉(zhuǎn)彎、停車等動(dòng)作,。羅雨佳^[8]將AGV轉(zhuǎn)彎動(dòng)作模式固定,，利用標(biāo)簽信息實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎90°和180°。

    上述文獻(xiàn)大多是把動(dòng)作指令寫在電子標(biāo)簽內(nèi),，由于保存的指令信息單一,，標(biāo)簽利用率低，當(dāng)實(shí)際路徑復(fù)雜時(shí)需布置更多標(biāo)簽,，不利于路徑規(guī)劃和導(dǎo)引,。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以解決復(fù)雜路徑下AGV的導(dǎo)引問題為目標(biāo),，提出一種車輛動(dòng)作指令算法,，根據(jù)調(diào)度任務(wù)生成動(dòng)作指令并保存在車載控制系統(tǒng)，標(biāo)簽僅作為位置識(shí)別以提高車輛行駛靈活性,。

1 行駛地圖建模

1.1 地圖組成

    地圖由導(dǎo)引磁條,、工位組成，如圖1所示,，二者分別用線條和矩形表示,。g表示工位，數(shù)量為h,，按式(1)對(duì)其編號(hào)(圖中小矩形右側(cè)數(shù)字),，則工位集合可以表示為G={g₁，g₂,，g₃,，…,，g_h}。l表示線路,，數(shù)量為n,，規(guī)定橫向、縱向線路編號(hào)分別用偶數(shù),、奇數(shù)表示并按式(2)對(duì)其編號(hào)（圖中圓圈內(nèi)的數(shù)字）,，線路集合為L(zhǎng)={l₁，l₂,，…,，l_n}。

    基于本文的應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)定AGV除了進(jìn)入工位時(shí)貨叉朝前向前行駛外,，其余情況下均后退行駛,，在線路交叉處,、進(jìn)工位時(shí)減速行駛,。

1.2 電子標(biāo)簽布置方式

1.2.1 工位相關(guān)標(biāo)簽布置

    圖2中p_i1，p_i2,，…,，p_i7表示電子標(biāo)簽位置。圖2(a)為AGV直行從左側(cè)進(jìn)入工位g_i,，規(guī)定依次在p_i3,、p_i5、p_i4,、p_i7處分別減速,、由后退行駛變?yōu)榍斑M(jìn)、前進(jìn)右轉(zhuǎn),、停車,。圖2(b)為AGV后退左轉(zhuǎn)出工位，依次在p_i7,、p_i6,、p_i1處分別后退直行、后退左轉(zhuǎn),、加速,。AGV從工位右側(cè)進(jìn)、出和其從左側(cè)進(jìn),、出相似,。定義p_ik是和工位g_i相關(guān)的第k個(gè)標(biāo)簽(k∈{1，2,，…,，7}),，按圖2布置，其組成用矩陣S₁表示為：

1.2.2 線路標(biāo)簽布置

    在每條線路兩端各放置兩個(gè)電子標(biāo)簽,。S_ja表示線路l_j上的第a個(gè)標(biāo)簽,，a={1，2,，3,，4}。規(guī)定S_j1,、S_j2,、S_j3、S_j4在l_j上依次沿坐標(biāo)軸正方向布置,，S_j1和S_j4之間的線段為線路l_j的范圍,。車輛在S_j1、S_j4處執(zhí)行轉(zhuǎn)彎指令以進(jìn)入其他線路,，在S_j2,、S_j3處執(zhí)行加速或減速指令使其進(jìn)入l_j時(shí)加速，離開l_j時(shí)減速,。所有線路上的標(biāo)簽用式(4)所示矩陣S₂表示,，最終地圖中所有標(biāo)簽的布置情況如圖3所示。

2 動(dòng)作指令算法

    首先對(duì)標(biāo)簽編碼,，然后根據(jù)調(diào)度路徑確定經(jīng)過每個(gè)標(biāo)簽的順序,，最后根據(jù)標(biāo)簽排序生成動(dòng)作指令。

2.1 電子標(biāo)簽編碼

    電子標(biāo)簽編碼格式如圖4所示,，其中x,、y表示標(biāo)簽在地圖中的坐標(biāo)，‘pro’表示屬性,，即車輛在標(biāo)簽處可執(zhí)行的動(dòng)作指令種類,，‘line’表示所在線路，‘sit’表示相關(guān)工位號(hào),。根據(jù)AGV在線路上的行駛方式規(guī)定S_j1,、S_j4的‘pro’位為‘01’，表示轉(zhuǎn)彎,，S_j2,、S_j3的‘pro’位為‘02’表示加減速。S_ja的‘line’位為其所在線路編號(hào)j,，‘sit’位用零表示,。標(biāo)簽p_ik的‘pro’位根據(jù)AGV進(jìn)出工位方式將其用表1表示，‘line’位為p_i1所在的線路編號(hào),，‘sit’位為和其相關(guān)的工位編號(hào)i,。 

2.2 路徑建立與選擇

其中,，w表示路徑，數(shù)量為m(m≥m₀),，則所有路徑組成的矩陣可表示為W=[w₁,，w₂，…,，w_m]^T,。l_tx表示路徑w_t的第x條線路，其中w_t={l_t1,，l_t2,，…，l_tx,，…},，t∈{1，2,，…,，m}，l_tx∈L,，設(shè)第t條路徑所包含的線路數(shù)量最大且為n₁,，則W為m×n₁階矩陣。對(duì)于線路數(shù)目不足n₁的,，不足部分用0表示，路徑矩陣用式(6)表示：

2.3 調(diào)度路徑標(biāo)簽排序方式

    對(duì)任意兩條相連接線路上標(biāo)簽,，第一條和第二條分別用l_u,、l_v表示。l_u上的標(biāo)簽為S_u1,、S_u2,、S_u3、S_u4,，l_v上的標(biāo)簽為S_v1,、S_v2、S_v3,、S_v4,。r₀表示從l_u到l_v經(jīng)過的標(biāo)簽順序。設(shè)S_u1坐標(biāo)為(x₁,，y₁),，S_v1坐標(biāo)為(x₂，y₂),，經(jīng)過二者坐標(biāo)比較可推斷出l_u和l_v的相對(duì)位置關(guān)系：

    第一種情況：x₁>x₂,，y₁>y₂,，如圖5(a)、圖5(b)所示,，r₀={S_u4,，S_u3，S_u2,，S_u1,，S_v4，S_v3,，S_v2,，S_v1}。

    第二種情況：x₁>x₂,，y₁<y₂,，如果l_u為奇數(shù)，r₀={S_u1,，S_u2,，S_u3，S_u4,，S_v4,，S_v3，S_v2,，S_v1},對(duì)應(yīng)圖5(c),；否則r₀={S_u4，S_u3,，S_u2,，S_u1，S_v1,，S_v2,，S_v3，S_v4},，對(duì)應(yīng)圖5(d),。同理可推斷出其余幾種情況下的r0元素排列情況。

    對(duì)于路徑w_β,，首先根據(jù)式(4)選出每段線路上的標(biāo)簽,，然后按照車輛在該路徑上經(jīng)過每個(gè)標(biāo)簽的順序排列，步驟如下：

    (1)將l_β1,、l_β2分別視為第一條,、第二條線路，根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系判斷出兩者位置關(guān)系。按照兩條線路標(biāo)簽排序規(guī)則進(jìn)行排序,，并將排序結(jié)果放在數(shù)組r₁中,；

    (2)將l_β2、l_β3分別視為第一條,、第二條線路進(jìn)行排序,，將l_β3標(biāo)簽的排序結(jié)果添加在數(shù)組r₁中；

    (3)依次對(duì)線路l_β3,、l_β4,，l_β4、l_β5,，…,，按照類似步驟(2)的方式排列標(biāo)簽。

    根據(jù)AGV進(jìn)出工位的方式刪除r₁中未在l_j1和l_j2上經(jīng)過的標(biāo)簽,，此時(shí)r₁中元素個(gè)數(shù)用b₁表示,。

2.4 動(dòng)作指令

    動(dòng)作指令格式如圖6所示，前5位為電子標(biāo)簽編碼,，‘ins’位為AGV在前5位對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽處執(zhí)行的動(dòng)作指令,按其功能不同進(jìn)行編碼,，如表2所示。AGV從起始工位gs到目標(biāo)工位ge過程中,，按照出工位,、路徑上行駛、進(jìn)工位的順序行駛,，RFID閱讀器持續(xù)讀取地面標(biāo)簽信息并將其傳遞給車載控制系統(tǒng),，通過依次按條件執(zhí)行指令完成調(diào)度任務(wù)，條件為當(dāng)前讀取的標(biāo)簽信息和要執(zhí)行指令的標(biāo)簽編碼位一致,。

2.4.1 出工位動(dòng)作指令

    R₁表示出工位動(dòng)作指令集合,。如果AGV從左側(cè)出工位，則在S₁第S行‘pro’位為‘09’,、‘08’、‘03’的標(biāo)簽編碼后分別添加‘00’,、‘01’和‘05’,，否則在S₁第S行‘pro’位為‘09’、‘08’,、‘07’的標(biāo)簽編碼后分別添加‘00’,、‘02’和‘05’，并依次作為R₁中第1,、2,、3條動(dòng)作指令。

2.4.2 路徑動(dòng)作指令

    分別對(duì)r₁中b₁個(gè)標(biāo)簽按‘pro’位確定動(dòng)作指令,。R₂表示路徑動(dòng)作指令集合,，圖7為其判斷流程,。

2.4.3 進(jìn)工位動(dòng)作指令

    R₃表示出工位動(dòng)作指令集合。AGV從左側(cè)進(jìn)工位,，在S1第e行‘pro’位為‘05’,、‘07’、‘06’,、‘09’的標(biāo)簽編碼后分別添加‘06’,、‘07’、‘04’,、‘08’,；否則在該行‘pro’位為‘05’、‘03’,、‘04’,、‘09’的標(biāo)簽編碼后分別添加‘06’、 07’,、‘03’,、‘08’，并依次作為R3中第1,、2,、3、4條指令,。

    每次執(zhí)行任務(wù)的完整指令集合用R表示,，則：

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

    在圖7中選擇工位12、13,、17,、18進(jìn)行試驗(yàn)。標(biāo)簽編碼如圖8所示,，前兩位為x坐標(biāo),，第3~4位為y坐標(biāo)，第5~6位表示屬性,，第7~8位為其所在線路編號(hào),，最后兩位為和其相關(guān)工位編號(hào)。

    在VC++6.0中編寫車輛動(dòng)作指令程序,，選取基于ARM架構(gòu)并集成了RC522射頻識(shí)別模塊的模型車作為試驗(yàn)對(duì)象,。圖9為鋪設(shè)導(dǎo)引線和放置標(biāo)簽后的實(shí)際車輛運(yùn)行圖。試驗(yàn)表明,，車輛能夠按照預(yù)期的目的完成調(diào)度任務(wù),。圖10為將動(dòng)作指令寫入標(biāo)簽內(nèi)的導(dǎo)引方式，AGV通過執(zhí)行標(biāo)簽內(nèi)指令完成加減速等動(dòng)作。因地面標(biāo)簽布置結(jié)束后其內(nèi)部指令信息已確定,，所以車輛經(jīng)過每個(gè)標(biāo)簽時(shí)僅能完成某個(gè)固定動(dòng)作,，導(dǎo)引方式相對(duì)單一,靈活性差。

    選取不同的起始工位和目標(biāo)工位進(jìn)行組合,，代表不同調(diào)度任務(wù),，在C++6.0中其每次運(yùn)算結(jié)果如圖11所示，每條動(dòng)作指令前10位為電子標(biāo)簽編碼,，最后兩位為AGV在該標(biāo)簽執(zhí)行的動(dòng)作,。

    由圖11(a)、11(b)可知任務(wù)1,、2的行駛路線分別為20→22→24,，20→22→21→18，AGV均經(jīng)過了標(biāo)簽4610012200,，任務(wù)1中沒有該標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的指令,，AGV在此處不執(zhí)行任何指令，從線路22保持直行狀態(tài)進(jìn)入線路24,；任務(wù)2中在該標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的指令為461001220002,，最后兩位‘02’表示AGV在此處后退右轉(zhuǎn)，由線路22進(jìn)入線路21,。對(duì)比可得： AGV僅在滿足動(dòng)作指令執(zhí)行條件的標(biāo)簽處執(zhí)行該指令,。

    由圖11(c)、11(d)可知任務(wù)3,、4的行駛路線分別為24→21→16→14,，24→21→18，AGV均經(jīng)過了標(biāo)簽4722012100,，任務(wù)3中AGV在該標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的指令為472201210002,，最后兩位‘02’表示AGV在此處后退右轉(zhuǎn)，由線路21進(jìn)入線路16,；任務(wù)4中在該標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的指令為472201210001,，最后兩位‘01’表示AGV在此處后退左轉(zhuǎn)，由線路21進(jìn)入線路18,。對(duì)比可得：AGV完成不同任務(wù)時(shí)在同一個(gè)標(biāo)簽處能夠執(zhí)行不同的指令,，增加了行駛靈活性。

4 總結(jié)

    本文采取了電子標(biāo)簽作為位置識(shí)別,，且動(dòng)作指令根據(jù)具體任務(wù)由算法生成并存儲(chǔ)在車載控制系統(tǒng)的方式，使得車輛在執(zhí)行不同任務(wù)過程中經(jīng)過同一電子標(biāo)簽時(shí)可執(zhí)行不同的動(dòng)作指令,，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)導(dǎo)航方式中行駛路線固定,、在標(biāo)簽處執(zhí)行指令單一的不足。該方法解決了復(fù)雜路徑下車輛的導(dǎo)引問題，提高了行駛靈活性和標(biāo)簽利用率,，具有一定的應(yīng)用價(jià)值,。

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作者信息：

牛秦玉，李珍惜,，田海波

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,，陜西 西安710000)