面向智能车间的空中物流系统研究与设计

田学华，张志毅，贾广跃，吴向阳，滕 赟，胡祥涛

（1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111； 2. 华中科技大学无锡研究院，江苏 无锡 214100）

1 引言

物料搬运是生产过程中必不可少的活动，物流搬运的效率和质量直接影响生产效益和生产成本。在现代化制造业中，物流与仓储产生的费用占整个物流加工费用的30%～40%，因而智能物流系统成为智能车间、智慧工厂的重要组成部分。目前，在生产车间中，物流运输设备主要有AGV（Automated Guided Vehicle，无人搬运车）和RGV（Rail Guided Vehicle，有轨制导车辆）两种。AGV即自动导引车，是一种以电能作为动力，通过电磁或光学等非接触式自动导引装置，在无人操控的情况下沿着预定路径行驶到指定的地点，实现自动移载、搬运等功能的运输小车。作为一种灵活高效的输送设备，AGV在自动化仓储、智能生产车间和智慧物流系统中的应用日趋广泛。 RGV又叫有轨穿梭车，是一种轨道托盘搬运小车，由一个运行机构和一台链式或辑式输送机两部分组成，负责把货物分送到指定位置。RGV根据工作模式的不同可分为直行穿梭车和环形穿梭车。直行穿梭车又叫往复式穿梭车，其穿梭车系统简单、设备少、输送快速，但是运输能力有限。环形穿梭车由直行穿梭车升级而来，可以同时运行多台穿梭车，但是在轨道拐弯处穿梭车的平稳性难以控制，并且环形穿梭车对双轨道加工要求精度高。

AGV无需固定式轨道，RGV则按固定的轨道行驶。相对AGV，RGV以其卓越的性价比占据物流行业巨大的市场份额，其主要优点表现为速度及加速度快，轨道固定、行走平稳、停车位置精确，可靠性高、成本低、便于推广应用。但是，目前市场现有RGV用于智能车间物料配送仍然存在以下不足：

1）目前RGV主要用于重载或中载运输，尚缺少针对小型便捷式RGV，配合自动化生产线运送小型零部件、电子物料等；

2）目前RGV轨道都是布置在地面，占用地面空间；

3）目前RGV轨道都是环形或单向往复，柔性差，而制造车间是多个物流回环交叉。

针对上述问题，本文设计了一种集物料抓取、卷绕升降、自动输送等多功能于一体的空中穿梭车，该空中穿梭车通过空中轨道行走，节约了地面空间，采用精确定位、自动抓取、自动接驳、调度控制等一系列先进技术，智能化、无人化地实现物料的配送、回收等流转动作，有效地提高了车间物流效率和降低了物流成本。

2 系统总体设计

2.1 系统组成

本文提出的空中物流系统主要包括空中执行系统、地面上下料系统、中央调度控制系统等，见表1。本方案具有精准定位、高效配送；信息互联互通，智能调度；空中轨道传输，集约空间；多功能集成，美观便捷等 优点。

表1 天车物流系统组成

2.2 物流系统业务流程

如图1所示，空中物流系统与MES进行信息交互，通过空中穿梭车自动配送，完成物料配送和尾料回收工作。主要分为以下步骤：

图1 物流业务流程

1）理料人员接收MES或其他上游系统工单备料信息；

2）理料人员在备料区理料，物料信息识别及物料齐套，根据生产任务分解成物料配送任务，人工触发物料配送流程；

3）空中穿梭车在取料点抓取物料，根据配送任务自动配送到指定下料点，放料；

4）下料点通过人工确认或传感器反馈物料已接收信息，闭环该物料配送信息；

5）产线人员人工取料，开始生产活动；

6）产线人员将空的静电箱放置在回收点，人工触发静电箱回收流程；

7）空中穿梭车根据任务优先级（一般来说物料配送任务优先级大于静电箱回收任务）在回收点抓取空的静电箱，自动配送到备料区静电箱回收点，放置静电箱；

8）理料人员接收空的静电箱，根据生产任务需要进行物料配送或放置在缓存区。

3 空中穿梭车设计

空中穿梭车也称天车，是空中物流系统的核心设备，下面详细介绍其结构设计方案和电控系统设计方案。

3.1 空中穿梭车结构设计

空中穿梭车高度集成物料抓取、升降、行走三个物料流转动作，具有灵活、简便、高效的特点，采用了多重安全防护措施，安全可靠。空中穿梭车在结构上分为上下两部分，采用钢丝绳卷绕实现升降。上半部分负责行走、钢丝绳卷绕升降、充电等功能，下半部分实现物料抓取、放置，如图2所示。

图2 空中穿梭车外观造型

行走机构是穿梭车的核心运动机构之一，位于空中穿梭车的上部，主要负责整个小车在轨道上的行走与定位，采用双电机驱动，以及激光扫码和电磁感应混合定位方式。卷绕升降机构位于智能穿梭车的中部，采用的是滚珠丝杆传动结构，主要负责取料机构的空中升降。取料机构，位于智能穿梭车的底部，采用双线轨同步带传动结构，能够依据几种给定的料箱进行取料和放料操作，并且具有收放定位和触碰防护功能。

3.2 空中穿梭车电控系统设计

（1）电机驱动控制

整个系统总共有四个直流无刷电机（两个行走电机和两个升降电机），每个电机需要一个Elmo电机驱动器。Elmo驱动器配有RS-232和CAN通信接口，这里选用CAN通信接口，四个电机驱动器通过CAN总线连接到电控板，一方面减少了系统连线，简化了控制，另一方面可以加强抗干扰能力。

（2）电量检测

电控系统通过检测电池母线电压来估算电池电量，当电压低于一定值时，开始报警反馈，并进入到充电区进行充电。母线电压是通过精密电阻分压进行检测，然后送到电控系统进行AD采样处理。

（3）行走准确定位

在轨道上原点、充电位、物流站点等停车点，穿梭车需要进行准确定位。在轨道参数信息已知且穿梭车知道自身位置（根据激光扫码）的条件下，穿梭车可以到达任意指定位置，但存在行走轮打滑、振动冲击、结构变形等带来的行走误差，所以需要电磁开关进行辅助精确停车。停车过程：穿梭车先到达指定停车点之前50 cm的位置（根据指定的位置计算行走脉冲并设置为位置模式），然后缓慢运行，电控系统时刻检测接近开关的状态，当接近开关导通（接近开关检测到金属片），穿梭车立即停车，读取激光扫码位置数据，进行位置校准。

（4）升降限位

在正常情况下只需精确控制升降电机位移（电机脉冲数）即可，但是考虑到异常断电情况，升降机构在上电时无法判断自身位置，所以需要进行标定处理。在上电时如果没有检测到限位点，则进行升降操作，直到检测到限位点，然后进行位置清零。

（5）轨道安全检测

穿梭车在轨道运行过程中，遇到停在轨道上的其他小车，需要停止运行并保持一定的安全距离。在穿梭车前端安装超声波测距传感器，电控系统实时检测超声波信号，判断运行轨道前方是否有障碍物。如果检测到有障碍物（检测间距小于某个值，如500 mm），则控制穿梭车保持一定距离（如300 mm）停车，然后进行报警反馈。当障碍物消失或者与其间距变大时，穿梭车可自主运行或者由调度系统调度运行。

（6）指令调度及状态反馈

电控系统留有无线通信接口，以便于调度系统和无线遥控终端来进行指令调度及状态查询。无线通信使用串口转WIFI模块，该模块将安装在电控板上。WIFI模块基于通用串行接口的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网3个接口之间的任意转换。

（7）车体故障报警

电控系统实时检测车体状态信息，如电机状态、轨道安全状态、电池电量等，如果有故障信息，则车体可进行声光报警，声光报警采用有源蜂鸣器及红色 LED灯。

4 中央调度控制系统设计

调度控制是智能车间物流有效运转的关键，要求实现：生产管理系统的无缝对接、配送资源高效分配和运用、生产调度任务的实时动态优化以及全过程跟踪管控。本文设计了空中物流系统调度策略，详细介绍如下。

4.1 空中穿梭车运行逻辑

为便于理解，本文设计一环形物流轨道，包括3台穿梭车共轨运行，如图3所示。其中R为激光扫码信号点，S为接近开关感应位置，C为穿梭车位置，轨道长度尺寸等参数已知。

图3 空中物流系统示意图

3台空中穿梭车默认停在S1~S2之间，逆时针单向循环行走。每台空中穿梭车接到任务后，会经历启动、运行和停机三个过程，每个过程如下：

（1）启动过程

调度系统发送启动指令，停车区小车依次开始缓慢运行，当R2检测到C3后，C3小车在S2点停车校准，调度系统发送指令告诉小车所在位置点（取料点S2），C3记录车体位置，然后调度系统开始调度C3。等C3离开后，C2、C1小车依次前进补位，等待调度系统进行 调度。

在启动时，小车位置有可能不确定，所以启动后小车遇到第一个停车点时，不管其在哪个停车点，都需要通过激光扫码确定位置进行校准操作，调度系统再把该位置信息发送给小车，小车就可以根据调度指令自主在轨道上运行。

（2）运行过程

调度系统发出指令调度小车到指定点，小车运行进入到指定停车位置点后，发送准备就绪信号，调度系统根据小车的位置来发送取料或者卸料指令。小车在运行过程中遇到轨道障碍时进行停车报警，然后上传自身报警信息，障碍消除时，解除自身报警信息，等待调度系统进行调度（或自主进行运行）。

（3）停机过程

调度系统发出停止指令后，小车运行到停车区间，依次等间距停在轨道上待机等待。

4.2 智能调度策略

对空中穿梭车进行智能调度，以实现均衡化物流配送。在空中物流系统工作原理的基础上，本文将Dijkstra算法、时间窗算法嵌入到遗传算法中，获取最佳任务分配方案和规划路径，实现多台空中穿梭车无冲突运行，以及配送时间最小化。

智能调度的基本任务：设在物流系统中有n台空中穿梭车、m个待执行任务，有若干个工作站点和物料仓库站点，通过分配运输任务、空中穿梭车数量及其工作任务，在满足运行路径、运行时间、车辆性能等约束条件的前提下，以最大配送时间的最小化作为优化目标，目标函数可以表示为

式中，T为第i辆空中穿梭车完成其被分配的全部任务的结束时间；t为第i辆空中穿梭车执行第j号任务所需时间。

在空中环形轨道运行中，穿梭车防碰撞成为路径规划的核心问题。空中穿梭车行驶存在的冲突主要分为两种类型，即赶超冲突、路口冲突，如图4所示。

图4 RGV调度中冲突的类型

解决上述冲突的方法包括

1）路径铺设法。通过设置主副车道，并设置若干避碰规则。该算法简单稳定，但不具备通用性。

2）交通规则法。根据系统需求确定空中穿梭车任务优先级，利用全局规则指导空中穿梭车运动，采用等待策略解决路口冲突问题。

3）单向图方法。对拓扑中的所有路段规定运行方向，其效率取决于电子路径规划是否合理，搜索出的路径可能会存在转弯频繁的现象。

4）重新规划路径法。将冲突路段设置为不可用，从空中穿梭车当前位置的下一节点重新规划路径，以避免冲突。

5）预测式避碰。预先规划好空中穿梭车的最优路径，预测空中穿梭车之间路径是否会发生冲突，通过冲突检测和冲突消除方法优化系统运行。

考虑到本项目运行环境的特殊性，拟采用两阶段调度策略，第一阶段，离线生成路径库；第二阶段，基于时间窗算法完成在线路径规划，实现避碰。离线阶段生成路径库，利用图论中单车路径规划方法，采用Dijkstra算法求取最短路径。基于Dijkstra算法生成包含最短路径和次短路径的最短路径库，有效避免随机生成解质量不高的现象。在线阶段的路径规划结合了交通规则法、预测式避碰方法，控制系统中各节点、路段上穿梭车的通过时间。采用遗传算法，综合考虑运行时间、停车次数、等待时间等因素，优化路径选择方案，解决多车系统调度问题。

5 结论

本文基于智能车间多品种小批量的生产特点，提出了一种空中物流模式，设计了一种空中穿梭车，包括运动机构、电控系统和调度策略。空中穿梭车的特点是集物料抓取、卷绕升降、自动输送等多功能于一体，解决了传统AGV物流模式占用地面空间、运行障碍多、配送效率低等问题，实现智能车间多品种变批量物流需求。