基于时效优先的AGV路径规划及其实时自定位技术研究.docx
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基于时效优先的AGV路径规划及其实时自定位技术研究
1、立论依据
课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值
课题来源
与国内某研究所合作项目。
选题依据和背景情况
自动导航车(AutomatedGuidedVehicles,AGV)又名无人搬运车,出现于20世纪50年代,是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备,属于移动式机器人系统,能够沿预先设定的路径行驶,是现代工业自动化物流系统如计算机集成制造系统(CIMS)中的关键设备之一。
AGV具有灵活性、智能化等显著特点,可以方便地重组系统,达到生产过程的柔性化运输。
与传统的人工或半人工的物料输送方式相比,AGV系统减轻了劳动强度,降低了危险性,提高了生产效率,在各行各业均可发挥重要作用。
1954年,美国BarrettElectronics公司研制出来的感应制导式电瓶牵引车就是最早问世的自动导向小车。
六十年代末、七十年初AGVS(AutomatedGuidedVehiclesSystem)在西欧许多国家得到了迅速发展,但应用领域仍局限于仓库内的物品运输。
七十年代中,1974年瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂,采用多台AGVS组成了汽车装配线,从而将AGVS的应用扩展到工业生产领域。
八十年代,美国GeneralMotors开始在汽车生产中大量应用AGVS,从而推动了AGVS在世界各个领域的广泛应用。
在国外,地铁站、车站已广泛应用了AGV,AGV的使用即能解决运输货物混乱的情况,又可提高运输的能力。
同时,AGV应用于机械、电子、纺织、造纸、卷烟、食品等行业,是建设无人化车间、自动化立体仓厍,实现仓储物流自动化管理的最佳选择。
装配作业是AGV应用最广的地方,特别是汽车的装配作业。
在西欧各国,用于汽车装配的AGV占整个AGV数量的57%,德国用于汽车装配的AGV占整个AGV数量的64%。
近年来,电子工业是AGV的新兴用户。
由于生产的多品种、小批量的要求,AGV比传统的带式输送机具有更大的柔性。
在我国,AGVS发展开始于七十年代中期。
八十年代后期至九十年代中期,国内一些科研机构开始对AGVS进行较为系统的开发研究,先后有北京机械工业自动化研究所、北京起重运输机械研究所、沈阳自动化研究所等科研机构进行了AGVS的技术开发,并使所研制出的AGVS投入了实际应用。
例如,北京起重运输机械研究所研制出的轨道式AGVS应用于二汽高层立体仓库;北京机械工业自动化研究所研制出的地下埋线式AGVS应用于北京机床厂的生产车间;沈阳自动化研究所研制出的地下埋线式AGVS在沈阳金杯汽车公司、一汽集团的汽车生产线上得到了应用。
此外,清华大学国家CIMS中心、云南红河、大连华录、春兰等公司分别引进了国外的AGVS用于研究开发或实际生产。
九十年代后期至今,国内AGVS的研究重点转向不同引导方式的AGVS的开发。
1999年,昆明船舶研究所研制出了激光导航AGVS,现已实现了批量生产。
到目前为止,绝大多数商业化AGV均采用电磁导航方式、磁导航方式和激光导航。
研究目的
(1)开发一种经济性好、精度高、定位积累误差小的AGV自定位新技术。
(2)采用基于时效的路径规划方法,降低企业运输环节的时间成本,提高企业效益。
(3)开发界面友好、可靠性高的多车规划调度模拟软件,方便研究工作。
理论意义和实际应用价值
该命题的研究对国内AGV自定位技术和路径规划策略有较大的理论和实际意义。
它将对AGV整个控制系统和路径规划问题行全面深入的分析并进行实际的搭建。
通过本课题的研究,可以用一种经济性好、精度高、积累误差小的AGV自定位新技术代替原有技术,不仅可以提高AGV的自定位精度,减少或消除积累误差并且可以为企业节约成本。
此外,基于时效的路径规划方法在理论上要考虑各个节点上的AGV停留时间,这意味着不仅要对节点间的路径加权,也要对节点本身加权,而且节点处的权值是有方向性的。
这就意味着要设计一个新的数据结构来表达电子地图,并且要采用一个新的算法来进行路径规划,理论性较强。
采用基于时效的路径规划方法后,时效作为小车路径规划的目标,最大限度地提高了AGVS的运输效率,从而提高企业的生产效率。
二、文献综述
国内外研究现状、发展动态;所阅文献的查阅范围及手段
国内外研究现状、发展动态:
AGV是柔性化、智能化程度极高的输送系统。
它具有不固定占用地面面积、自动化程度高、应用灵活、安全可靠、无人操作、施工简单及维修方便等优点,因而广泛应用于汽车制造业、烟草行业、工程机械行业、机场等物资运输场所。
AGV同时也广泛应用于柔性生产系统(FMS)、柔性搬运系统和自动化仓库中。
AGV是现代物流系统的关键设备,它的设计开发对于提高生产自动化程度和提高生产效率有着重要意义,AGV已成为物流自动化研究的热点之一。
AGV的研制与开发涉及到计算机、自动控制、信息通讯、机械设计和电子技术等多个学科,是集光、机电及计算机于一体的高新技术[1]-[6]。
AGV的导引技术是AGV控制的核心技术,它决定了AGV的导引方式。
AGV导
引方式按导引线路的形式主要分固定路径导引和自由路径导引两大类。
固定路径导引是在行驶的路径上设置导引用的信息媒介物,AGV通过车体上的传感器检测出它的信息而得到导引。
具体的线路可以是电磁感应方式中的导引电缆、机械方式中的轨道、磁导引方式中的磁条及光导引方式中的反光带等。
其主要特点是技术较为成熟,但是前期施工麻烦及小车运行线路的更改相对较为困难。
自由路径导引方式是指AGV上存储着布局上的尺寸坐标,通过识别车体当前方位,自主地决定行驶路径。
自由路径导引方式主要有惯性导引、信标定位、位姿积算及计算机视觉等几种。
其特点是制造成本较高,但小车运行线路的更改非常容易,有较高的柔性,是国内外目前研究的热点[7]-[10]。
国内外对AGV的单车路径规划方法研究较多,绝大部分的研究的优化目标都是基于路径最短,比较流行的算法有图论法、动态路径规划法、人工智能技术-状态空间法、神经网络法、遗传算法等,研究思路基本上都是对各种算法进行模拟并比较,取最短路径为优化目标。
最短路径问题是图论研究中的一个经典算法问题,旨在寻找图(由结点和路径组成的)中两结点之间的最短路径。
算法具体的形式包括:
(1)确定起点的最短路径问题,即已知起始结点,求最短路径的问题。
(2)确定终点的最短路径问题与确定起点的问题相反,该问题是已知终结结点,求最短路径的问题。
在无向图中该问题与确定起点的问题完全等同,在有向图中该问题等同于把所有路径方向反转的确定起点的问题。
(3)确定起点终点的最短路径问题,即已知起点和终点,求两结点之间的最短路径。
(4)全局最短路径问题,即求图中所有的最短路径。
比较成熟的图论法算法有:
Dijkstra算法、A*算法、SPFA算法、Bellman-Ford算法、Floyd-Warshall算法、Johnson算法等。
吉林大学的AGVS研究基地致力于该领域研究多年,已经建立了较为完善的最短路径规划方法[11]-[16]。
随着自动化技术和计算机科学的发展,生产制造的柔性化程度越来越高,物流自动化系统的管理越来越智能化。
在此前提下,人们对单台AGV的研究已不能满足实际的需求,所以由多台AGV组成的物流系统引起了研究人员越来越多的关注,一方面,从应用角度来说看,随着机器人学及其应用的发展,机器人在广泛的领域内得到应用。
另一方面,多AGV、多机器人的研究已经成为机器人研究领域中一个重要的研究方向,多机器人的协调研究成为一个新的问题。
单台AGV不能满足从整体上提高物流自动化系统生产效率的要求,而一个相互协调的多AGV物流系统有着单台AGV系统所无法比拟的优势:
(1)多AGV系统在空间上是分布式的。
即多AGV可以同时工作在工作空间的各个位置,这个特点是完成许多任务的关键,比如搬运物体之类的任务,使用多个AGV完成,即降低单个AGV本体设计的难度,又提高系统的运输效率。
(2)多AGV系统是并行的。
某些任务可以进一步分解成若干个子任务,并且这些任务相互独立,可以同时处理。
此时,多AGV较单个AGV相比有着明显的优势。
(3)多AGV系统的容错能力强。
多AGV系统中的AGV个体的功能可以相互重叠或者完全相同,所以,当单个AGV出现故障时,很容易通过任务的重新分配来弥补该故障引起的系统性能下降,提高了系统的柔性、鲁棒性、容错性和可靠性,避免系统因某台AGV出现故障而引起整个系统的瘫痪[17]-[22]。
对于多车协调控制,要分为离散事件建模和多AGV路径规划两个部分。
离散事件建模的主要研究方法有:
排队网络法、极大代数法、扰动分析法、活动循环图等。
在AGV系统离散事件的建模方面,最为广泛的研究方法是Petri网理论,该理论是德国科学家C.A.Petri先生在其博士学位论文“用自由动机通信”中首次建立。
经过三十多年的发展,Petri网理论日臻完善,已具有多种分析方法和严密的数学基础,并在自动控制和计算机科学等领域得到了广泛的应用。
在多车协调控制方面,如何避免冲突时研究的主要内容,主要研究方向是交通规则法和优先权法[23]-[25]。
在自定位技术方面,专门针对AGV的研究比较少。
国内外有些学者提出基于无线传感网络的AGV精确定价技术。
该类定位算法一般被分为两类:
基于测距算法(Rang-based)和无需测距算法(Rang-Free)。
第一类主要包括:
到达时间测距法、达到时间差测距发(TDOA)、到达角度测距法和接收信号强度测距法数算法等。
在TDOA定位系统中,发射节点发送两种不同速率的信号,接收节点通过接收到的两种信号的时间差及它们的速度计算出到发射节点的距离。
该定位方法定位精度高,尤其适合于进行室内、高精度的定位。
这类典型系统有ActiveBat系统和Cricket系统。
国外曾有学者研究利用GPS进行AGVS的定位,但是该方法的定位精度要受到卫星定位精度的限制。
在AGV控制算法上,就目前来看,应用最多的是PID控制,因为只需通过调节比例系数、积分时间常数和微分时间常数三个参数,就可使系统控制指标满足控制的要求。
当控制对象模型比较清楚时,针对系统特性,采用PID控制算法并合理选择PID参数,可以获得比较理想的控制效果。
随着现代控制理论的发展,将PID控制与输出反馈或状态反馈控制等控制技术相结合,往往也能够得到更好的控制效果。
随着模糊控制技术和神经网络控制技术的不断发展和成熟,将模糊控制应用在自动导引车运动控制上的例子今年来也屡见不鲜。
伴随着智能控制技术的发展,人们开始研究将神经网络、专家系统、学习算法及遗传算法等控制技术应用于自动导引车运动控制之中,但是一般仅限于研究和试验的水平,真正在工业中实际应用的不多。
但任何一种控制方法都有其特定的应用条件和环境,在还没有建立一种统一的控制论及控制方法之前,探讨若干种控制方法的复合控制,对工程实际应用更有现实意义[26]-[30]。
所阅文献的查阅范围及手段:
所阅文献主要涉及以下几个方面:
(1)数据结构和电子地图
(2)AGV引导方式和系统控制(3)图论及其算法相关(4)路径规划的先进算法(5)车辆调度模型以及算法的优化(6)自定位技术相关。
查阅手段主要包括图书馆图书文献借阅,以及通过互联网在论文数据库中下载。
以下是参阅的文献总汇:
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三、研究内容
1.学术构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术
学术构思与思路
本课题主要针对AGV的自定位技术和基于时效的路径规划进行研究。
可以先搭建AGV的行走路径和主体控制系统,首先使小车能行动起来。
在此基础上,可以针对磁导航方式的硬件特点,比如利用其站点地标及安装在车轮上的旋转编码器,来研究实现实其时在线自定位的方法。
每个AGV小车均搭载一个PLC,通过内部外部传感器获取外部环境信息,并将信息通过无线以太网传递给中央控制室。
在获得了小车返回的环境信息后,通过与事先建立好的站点地图相比较,就可以获知小车当前处于站点地图中的位置,实现小车的自定位。
研究过程要考虑自定位的实时性和精确性。
实现精确的自定位是进行单车路径规划的基础。
站点地图中保留着各节点和路径的权值,通过一定的算法,预期可以实现获得一条路径,使小车到达目标点的时间最短,即时效优先。
实现对单车的路径规划,是进行多车协调调度的基础。
在多车协调调度中,主要的研究重点是如何避免车辆间的冲突,比如两车行走路线共线或者两车共同争夺同一交叉点之类的问题。
最后是模拟软件的编制,所有的路径规划结果,都要在该软件上进行模拟,并将结果与预期比较,以评价新算法的正确性。
在软件上模拟正确的算法最后要在实际的AGV控制系统中运用并进行最终的验证。
主要研究内容
本项目采用的是磁条引导方式,这意味着小车行走路线是离线规划好的。
AGV要解决下面四个关键问题:
(1)如何设计数据结构并建立电子地图,以反映路线节点(工位点、交叉点、转弯点)的位置及其之间的拓补关系。
(2)如何通过内部、外部传感器定位小车在地图中的位置,即自定位问题。
(3)如何根据电子地图以及小车自定位信息来确定小车的行动路线,以满足拟定的优化条件,即路径规划问题。
(4)如何产生合适的驱动控制信号使小车运动在预定轨迹上,即运动控制问题。
本项目是和国内某研究所合作的,最终任务是完成实际AGV车体的控制系统以及中央控制器的路径规划系统,使其能按预定的目标轨迹行动,满足一定的优化目的。
本项目中,上面四个问题都要解决,但本论文中将重点研究第
(2)和第(3)个问题,即AGV的自定位问题和路径规划问题。
拟解决的关键技术
(1)如何建立节点处带有权值,并且该权值有方向性的电子地图。
(2)如何改进现有的算法,使其适合基于时效的路径规划计算。
(3)如何利用AGV内、外部传感器以及无线传感技术实现AGV单车自定位。
(4)如何制定基于时效的调度规则,完成多车协调调度,解决冲突。
2.拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析
研究方法
本课题拟采用理论研究与研究结果验证的实践过程相结合、经验总结法以及应用比较法等方法。
一方面,要对路径规划问题中的各种算法进行对比,考虑它们的优点和不足之处,同时又要对其进行改进,使之适合基于时效的规划问题。
在解决多车协调控制的问题上,还要充分考虑路径中的冲突情况,因此研究过程中一定要顾全到解决方案的可行性和难度。
在自定位技术的研究中,要充分了解各种硬件设备的属性,结合数学知识实现预期目标。
利用丰富的互联网和学校图书馆资源,结合近年来发展起来的新的数学方法和先进算法,来展开本课题的研究。
另一方面,研究结果的验证必须以理论研究的成果为前提,充分硬件设备,实现整个理论在实际AGV系统中的应用。
技术路线与实施方案
可行性分析
(1)与研究所合作,提供研究基地,有良好的硬件设施。
(2)所需应用软件均可获得。
(3)前人有许多科研成果和资料,可以参考、借鉴。
(4)图书馆的丰富资源可以提供理论支持。
(5)有各位老师的指导。
四、研究基础
1.所需实验手段、研究条件和实验条件
主要包括:
(1)硬件条件:
磁导航轨道、各种传感器、PLC、无线以太网等
(2)软件条件
良好的网络用于查阅国内外资料;
有关系统软件和应用软件;
2.所需经费,包含经费来源、开支预算(工程设备、材料须填写名称、规格、数量)
经费来源:
研究生培养经费
开支预算:
(1)文献资料费
(2)计算机费用,及其他设备费用
(3)论文打印、装订费
(4)论文答辩费
五、工作计划
序号
阶段及内容
工作量估计
(时数)
起讫日期
阶段成果形式
1
2
3
4
5
6
7
8
9
收集课题相关理论资料,结合已有研究和试验,寻找研究内容。
布置AGV磁导航轨道,搭建硬件设备和基本控制系统
开发AGV的实时在线自定位技术
研究数据结构,建立站点电子地图
研究基于时效的单车路径规划算法
研究多车协调调度方案,解决各类冲突
发开仿真软件进行仿真
在AGV系统中运用所得算法和方案进行实际验证
对所研究的自定位技术、路径规划算法和调度方案进行优缺点进行评
20
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