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作者:何 彤 发布时间:2009-12-09 来源:广东经济管理学院物流教研室高级工程师 繁体版
装卸搬运是物流的主要功能要素之一,在物流系统中发生的频率极高,耗费的费用占物流费用的较大比例,但它的重要性却常常被一些厂家所忽略。统计数字表明美国工业生产过程中装卸搬运费用占成本的20-30%,德国物流企业

装卸搬运是物流的主要功能要素之一,在物流系统中发生的频率极高,耗费的费用占物流费用的较大比例,但它的重要性却常常被一些厂家所忽略。统计数字表明美国工业生产过程中装卸搬运费用占成本的20-30%,德国物流企业物料搬运费用占营业额的1/3,日本的物流搬运费用占国民生产总值的10.73%,我国生产物流中,装卸费用约占加工成本的15.5%。国内外一直在寻求机械化和智能化的搬运技术和装备以降低搬运成本和改善物料搬运的效率,自动搬运越来越受到关注。各种自动化物料搬运系统因而纷纷被采用。在这些物料搬运系统中,自动导向车(automatic guided vehicle,以下简称AGV)是最有柔性且最能满足复杂物料搬运需求的系统。美国储运协会(MHI)对AGV所下的定义为: 一种使用电磁式,光学式或其它的自动导引控制的车辆,可按照控制室下达的指示,自行导引或依原先规划好的路线前进,停止或转弯,定位和装卸货物。也就是说,是一种由计算机程序控制来作自动的路径选择与定位的自动搬运车辆。
发达国家首先在仓储业开始使用AGV,1954年世界上首台AGV在美国的南卡罗来纳州的Mercury Motor Freight公司的仓库内投入运行,用于出入库货物的自动搬运。现在全世界约有2万台各种AGV运行在2,100多个仓库内。AGV可方便地构成自动仓库或全自动物流搬运系统,具有服务面广、运输线路长、灵活多变、投资低、运行费用少、安全可靠及无人操作等特点。在国内随着自动化仓库的建立,AGV的应用也逐渐开始。国内最早使用的案例是上海邮政于1990年开始使用AGV搬运邮件。海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中,由9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统。

工作原理
AGV工作过程为: 当接收到货物搬运指令后,控制器就根据所存储的运行地图和AGV当前位置及行驶方向进行计算、规划分析,选择最佳的行驶路线,自动控制AGV的行驶和转向,到达装载货物位置准确停位后,移载机构动作,完成装货过程。然后AGV起动,驶向目标卸货点,准确停位后,移载机构动作,完成卸货过程,并向控制计算机报告其位置和状态。随之AGV起动,驶向待命区域。接到新的指令后再作下一次搬运。
以激光导向AGV为例; 行驶过程中,车上的激光扫描头不断地扫描周围环境,当扫描到行驶路径周围预先垂直设定好的反射板时,即“看见”了“路标”。只要扫描到三个或三个以上的反射板,即可根据它们的坐标值,以及各块反光板相对于车体纵向轴的方位角,由定位计算机算出AGV当前在全局坐标系中的X、Y坐标,和当前行驶方向与该坐标系X轴的夹角,实现准确定位和定向。AGV通过其车载通信装置与系统控制计算机通信,报告其位置及状态,并接受工作指令。激光导向AGV的基本构成如下图:

AGV的优点
AGV系统已被许多厂家证明为具有高能力的物流输送设备。其应用市场持续扩大,使用的控制技术将更趋近高难度及复杂化,进而要求做到自动导引控制技术及通讯,导引感测技术等方面的突破。AGV具有以下优点:
● 物流搬运系统计算机化,可以与生产管理连线直接交换数据,使得:
1.物流搬运效率最佳化;
2.减少操作人员。无人化作业,将更能确保安全和降低人工费用;
3.能夜间无人化作业,达到 24 小时全天工作的目地;
4.不需依赖熟练技工,物料搬运依然可达到一定水平。
● 对较长距离的轻、中量的货物搬运,专用的传统输送设备投资大,且极占空间,造成工作人员的不便,AGV则可能以较低的成本来完成以上的工作。
● 物品为少量多样化时,AGV的行走路线易于变更,控制系统也较为柔性的优点就更为突出。
● 一旦业务或作业站增加,AGV系统容易扩充,可随时调整至最佳的物流搬运流程,有助于库存控制和作业调度,并且在恶劣的工作区,工作效率仍能保持稳定。
● 管理水准的提高:
1.增加管理效率: 由计算机做实时现场监管,并记录及统计各品种之运输状况;
2.去除人为疏漏所导致的货品损坏。叉车常撞坏墙角或设备。人员将货物送错位置或送错产品种类;
3.获得更清爽的工作场所: 无传送机的阻隔及叉机的废气味,使员工获得更清爽的工作环境;
4.提升公司形象: 搬运自动化将可确保物料供应的准确性,提升公司自动化生产形象,以获得客户信赖,争取更多的业务机会。

AGV的移动规划
随着自动仓库研究的深入发展,AGV在具有仓库环境里的移动规划引起了人们很大的兴趣。它直接决定AGV的运行效率。在一定的货架摆放格式下AGV如何选择最佳移动路线及停放位置是我们面临的主要问题; 现今的AGV在畅通通道的速度通常都能达到1米/秒以上,但在转角时相遇避让以及在准确进入存取货位置时却耗时长久,经常造成堵塞。因此,如何找到AGV进入存取位置的优化路线是当前AGV领域的研究重点。
由于车辆轮胎与地面之间存在不可积的速度约束,即不完整约束,这使得AGV的移动规划存在很大的困难。根据Brokett的稳定性充分条件,不完整车辆系统是可控的,但是它不能通过光滑状态反馈使系统稳定到某一点上。数学规划方法把AGV的调度过程描述成一个在满足约束的解集搜索最优解的过程。其中车辆的不完整约束是作为移动规划所必须充分考虑的一个因素。
由于在AGV系统中不完整约束限制了车辆的转向,使其只能在与后轮轴垂直的方向上向前与向后移动,另外由于方向转角的限制使得车辆存在最小的转弯半径。因此不完整约束的存在,使得AGV无法运用普通的状态反馈方法使系统精确定位到某一点上。本文采用目前较为成熟的时变反馈控制的移动定位控制方法来对AGV的路线规划进行规划分析。
● AGV的移动规划分析
车辆移动规划可分为三种情况: 1)系统满足各种约束的情况下,寻求最佳路径; 2)给定参考路径,寻求满足动态性能的最佳路径; 3)路径跟踪,根据给定的参考路径选择控制器,达到路径的渐近跟踪。
目前在车辆的移动规划中的算法都依赖于不同的环境中的约束条件。如果系统的约束条件可以用系统的广义坐标矢量的等式或不等式所描述,则系统的约束是完整的,可以运用传统的几何方法进行规划。如果系统存在不可积速度约束,即不完整约束,则系统的约束不可能转化为广义坐标的等式或不等式形式,这时移动规划将变得非常困难。例如,在库房内将车辆停到邻近的两货架之间,因为车辆不可能侧向移动停到货架间,传统的直接驶入的方法已不再适用。但运用不完整规划法,通过相对复杂的驱动和转向,车辆则可以停到两货架之间。(参见图2)。现在的我们面临的问题是虽然能够做到精确定位,但耗时太长影响工作效率。
一般情况下,车辆的移动规划主要是防止车辆与环境中的障碍物相撞。而在实际车辆的移动规划中,在防撞的前提下必须考虑各种约束的影响,诸如动力学约束、动态约束以及不确定性约束。影响规划的各种不确定性因素还有控制误差、传感器误差和模型的误差等。
时间状态空间作为移动规划的一种基本方法,它由系统的状态和系统状态的时间导数形成。在时间状态空间中系统的不完整约束和障碍物可以看成是系统的禁止区域,这样时间状态空间的移动规划可以归结为寻找一条避开禁止区域的移动轨线。同时,所规划的轨线还必须满足系统的其它约束,诸如AGV的转向加速度不可能是无穷大,还有车辆的转弯半径不能小于一定的值。为了简化时间状态空间移动规划的复杂性可以采用分两步互补的规划方法: 1)规划一条轨线使其可以避开静止的障碍物; 2)进行速度规划使其可以避开移动的障碍物。在速度规划阶段主要是规划系统的速度约束和移动障碍物的规划。
在许多的移动规划中,规划路径是由许多线段和与线段相切的具有最小半径的圆弧组成,如此规划的原因是路径最短。在运行中这是很不符合实际的,其根本缺点是规划的路径在线段和圆弧的过渡点不连续。因为车辆的运行方向和曲线的切线方向相同,如果车辆要精确跟踪所规划的路径,则车辆必须在每一个路径的不连续点停下来调整其方向转角。因此必须使规划的路径在每一个过渡点连续,同时满足曲线的曲率具有上界。如此规划的路径在局部是最优的,然而全局不是最优的。
在现实世界中,上述AGV移动规划所做的假设都很难得以满足。AGV必须确定其在空间的位置来实现其移动规划。车辆的定位是靠安装在车辆上的一套设备检测周围的环境的标志(如障碍物或传感器等),然后与预先知道的目标地图进行匹配计算下一步的控制策略。
● 基于Baldi方案的运动规划
Baldi根据不完整运动规划设计了一套规划程序; 用来规划车辆的自动定位移动。把规划空间划分为许多网格,根据网格来确定车辆和障碍物的位置,在规划过程中车辆首先定位可能相遇的障碍物,确定危险点,根据环境信息,在满足自动车辆的约束条件下进行规划。Baldi方案的步骤是首先根据对象选择车辆模型,明确其体积尺寸、转弯半径和重心位置; 接着确定障碍物(如货架)在平面上的位置形状。最后确定算法; 包括TGM、TGM1、IEM、IEM1和RND算法。
采用Baldi方案模拟进行不同算法的规划,效果较好的两种是TGM/IEM算法。选择的车辆模型最小转弯半径为50个象素,重心位于车辆中心。在平面上设置3排障碍物,使车辆最终停靠在中间的两障碍物之间。算法选用TGM时规划结果如图2所示。
车辆模型选择、障碍物设置和停车要求相同,但算法选用IEM,其规划结果如图3所示。
从规划结果可以看出,采用TGM算法在仓库货架间移动定位时要比IEM算法速度更快,定位时来回移动的次数较少。
由于AGV属于高成本投入,高度自动化的设备,必须结合全自动化的仓库设施一同使用,并且在仓库布局规划初期就必须考虑。而且目前由于移动路线的规划以及避免碰撞的规避等待等问题,运动速度不高,精确定位所需时间较长,因而目前在全世界范围内AGV的使用没有达到人们预期的高工作效率。即使在日本、欧美等发达国家目前也只是在高人工费用的地域保持一定的AGV的使用,2005年2月至3月笔者到日本进行物流研修时特别关注了这一问题。按照日本索尼公司和住友公司的资料,目前AGV的使用甚至有下降的趋势。部分AGV已经封存起来等待路线规划等问题的解决,准备在工作效率能有实质性大幅度提高之后再重新投入使用。

仓储AGV移动路线规划
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