集装箱自动化码头AGV—NS研究

袁理松

【摘 要】集装箱自动化码头AGV-NS技术研究取得了很好的成果，本文针对某一港口开发了AGV-NS以适应自动化码头的工作对精确导航的要求。

【关键词】AGV；AGV-NS；磁钉导航

1 AGV-NS概述

自动导向车AGV[1]是现代物流系统自动化、柔性化及智能化的关键设备，研究AGV的相关技术意义重大。导航系统为AGV核心组成部分，目前常见的AGV导航方式主要有视觉导航、激光导航与磁导航[2]，视觉导航由于易受环境影响其适应性差，激光导航的硬件成本较高，磁导航则不仅控制简单[3]、成本低、且抗干扰能力强，可在各种环境下工作，应用最为广泛[4]。

1.1 视觉导航

在视觉导航技术中，目前应用最普遍的是在AGV上安装CCD摄像头的基于局部视觉的导航方式[5]。摄像机有垂直安装与倾斜安装两种方式[6]。垂直安装方式定位精度比较高，但视野相对较小，若车体摆动幅度过大，路径容易脱离视野。倾斜安装方式由于采集的图像存在倾斜畸变，对其进行校正插值后，精度没有垂直安装方式的高，但能够获得更大视野，另外也能检测前进方向上是否存在障碍物，以便及时停车或进行避障。

1.2 激光导航

激光导航是AGV系统中比较常见的导航方式，也是AGV发展过程中十分重要的一项技术[7]。除了卫星定位系统外，激光导引也是唯一不用地面处理的导引方式。激光导引AGV系统主要由AGV激光扫描器和AGV反射板两部分组成[8]。首先在AGV设备中安装可以接受和发射激光的扫描器，然后将AGV反射板安装在导引区的四周，之后精确测量每块发射板的坐标位置，在AGV系统的存储器中存储每块反射板的信息，根据存储数据进行导引计算。激光导引系统中的指定区域应该设置一定数量的反射板，保证在AGV的工作区域内探测出所有反射信息。

1.3 磁导航

磁导航是指在运行路线上安装磁条，AGV行驶时，依靠磁传感器检测磁场强度的变化，以确定当前AGV与导引带的相对位置，再由控制器纠正其位置偏差，使AGV沿预定路线行驶。

2 集装箱自动化码头AGV-NS需求分析

本文所设计的AGV应用背景为集装箱自动化码头中集装箱的运输，结合青岛港集装箱自动化码头的实际工况，对AGV有以下要求：

（1）能够沿着预定的路径进行自主导航，具有一定导航精度；

（2）能够自主判断位资信息，在不同位置之间完成行驶与停靠，具有一定的定位精度；

（3）能够与上位机实时通信，接收上位机传递的任务信息以及接受远程监督与控制；

（4）具有多级安全保护装置，能够对障碍物进行自主判断；

（5）具有手动/半自动/自动等运行模式；

（6）能够判断自身状态，具有急停、报警等功能；

（7）路径要求变更容易，且AGV能够适应复杂路径；

（8）能够自动判断电池电量信息，在低电状态下能够自主到充电站完成充电动作。

根据以上要求，本文自主研制了一款磁钉导航AGV。

3 集装箱自动化码头AGV-NS

3.1 AGV-NS的实现原理

AGV自动导航系统的任务是实时根据VMS（车辆管理系统）路径指令，检测计算获得AGV的位姿信息，通过导航算法控制AGV沿规划路径自动运行及定位。

位姿信息包括AGV中心的绝对坐标以及AGV的方向角，如图1所示。准确获得位姿信息是AGV自动运行的基础，直接决定了AGV运行的精度和安全性。

导航系统采用天线——磁钉（transponder）系统测量AGV的绝对位置信息。这一系统首先需要在AGV的运行场地中布置磁钉，每一个磁钉都记录着其在堆场坐标系中的绝对坐标。在AGV底盘的前端和后端，对称安装一对检测天线。天线在覆盖磁钉时可以测量磁钉相对于天线的位置，同时读出磁钉在堆场中的绝对位置。这样，当AGV上两块天线能同时检测到磁钉时，就可以直接计算出AGV的位姿。在这一工况下，导航定位的精度完全由天线的检测精度决定，导航系统可获得很高的精度。

在不满足上述工况时，仅通过天线——磁钉系统将不能获得AGV的位姿，需要进行位姿估算才能完成导航定位。位姿估算基于AGV的运动学模型，并综合更多的传感器信息，包括惯性测量传感器（陀螺仪及加速度计）、车轮转速编码器、转向角编码器，进行信息融合后计算出AGV的位姿信息。在这一工况下，估算的误差主要由AGV模型与实际车辆的误差决定，并且估算的误差可能随着时间增长而不断增加。

在AGV实际的运行中，导航系统将在上述两种工况中交替运行，AGV位姿的估算误差也会不断波动，通常导航定位的总体精度由位姿估算算法决定。因此，需要着重优化位姿估算算法的性能，保证导航的误差不超过预定的误差指标。

3.2 AGV-NS的实现方法

在各种工况下，导航系统的定位误差不超过20mm。输出位姿信息的频率不低于20Hz，可以完全满足运动控制系统的需求。

自动导航系统根据AGV位姿信息，可以控制AGV沿指定路径进行运输任务。AGV的基本运行路径包括：直行、斜行、窄转窄转弯（由窄车道转向窄车道）、窄转宽转弯、宽转窄转弯和宽转宽转弯。将上述基本运行方式组合起来，可以形成更复杂的路径，如U型转弯和S型转弯，保证了AGV在堆场中的灵活运行。

3.3 AGV-NS系统构架

自动导航系统由导航检测系统和导航控制系统组成，二者缺一不可。从信息处理的角度，AGV自动导航系统与运动控制系统的构架如图2所示。

导航算法构成了导航控制系统软件部分的主体。可见该算法需要处理三种不同的工况。除前后天线同时检测到磁钉的工况外，都需要采用位姿估算算法进行导航。

位姿估算采用了扩展Kalman滤波器（Extended Kalman Filter， EKF）算法作为核心算法，对各传感器测量值进行信息融合，最终得到位姿估算输出。

4 结论

利用多个传感器信息，进行相互校正。特别是对于IMU中的陀螺仪，采用静态或动态零速修正技术可以显著修正其漂移误差。不同工况进行转换时，对估算算法进行平滑切换，可以防止估算误差突然恶化。预估模型是保证EKF算法性能的关键因素。在预估模型的设计中，充分考虑多种误差因素，使其更好地匹配实际AGV的运行特性。

本文开发的AGV-NS可以很好的满足自动化码头对AGV导航的高要求。

【参考文献】

[1]武启平，金亚萍，任平，等.自动导引车（AGV）关键技术现状及其发展趋势[J].制造业与自动化，2013，35（5）：106-109，121.

[2]姜涌，曹杰，杜亚玲，等.基于各种传感器的自动导引车的制导方式[J].传感器技术，2005，25（8）：1-4.

[3]彭光清，楼佩煌.磁导航 AGV 模糊控制器的研究[J].工业控制计算机，2012，25（9）：43-44.

[4]郑炳坤，赖乙宗，叶峰.磁导航AGV控制系统的设计与实现[J].专题研究，文章编号： 001-9944（2014）03-0006-05.

[5]章植栋.AGV视觉导航技术与路径规划[J].长安大学，013.

[6]喻俊，星，伟良.Mecanum轮的全向运动视觉导引AGV研制[J].机械设计与制造工程，2015，44（9）：35-39.

[7]李乐军，业琼，韦宝秀.关于AGV及其在中国的应用发展探析[J].科技资讯，2007（34）.

[8]张毅，罗元，郑太雄.移动机器人技术及其应用[D].北京：电子工业出版社，2007.

[责任编辑：汤静]