0 引言

    對于物件搬運AGV（自動導引車），導引和定位是其關鍵研究部分。常用的導引方式有磁導引^[1]、視覺導引^[2]、激光導引^[3]等，定位方式有二維碼定位^[4]、RFID射頻識別定位^[5]、超聲波定位等，其中磁導引磁條鋪設方便、路徑變更容易，射頻識別不易污染、對聲光無干擾，因此集成RFID技術的磁導引AGV在自動化生產運輸中的應用廣泛。

    針對磁導引中的RFID技術，已有諸多學者進行研究。顧佳煒等人^[6]通過在電子標簽中寫入標簽編號和運動控制參數實現AGV導航。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彎、停車等動作。羅雨佳^[8]將AGV轉彎動作模式固定，利用標簽信息實現轉彎90°和180°。

    上述文獻大多是把動作指令寫在電子標簽內，由于保存的指令信息單一，標簽利用率低，當實際路徑復雜時需布置更多標簽，不利于路徑規劃和導引。本文在前人研究基礎上，以解決復雜路徑下AGV的導引問題為目標，提出一種車輛動作指令算法，根據調度任務生成動作指令并保存在車載控制系統，標簽僅作為位置識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，數量為h，按式(1)對其編號(圖中小矩形右側數字)，則工位集合可以表示為G={g₁，g₂，g₃，…，g_h}。l表示線路，數量為n，規定橫向、縱向線路編號分別用偶數、奇數表示并按式(2)對其編號（圖中圓圈內的數字），線路集合為L={l₁，l₂，…，l_n}。

    基于本文的應用場景規定AGV除了進入工位時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、進工位時減速行駛。

1.2 電子標簽布置方式

1.2.1 工位相關標簽布置

    圖2中p_i1，p_i2，…，p_i7表示電子標簽位置。圖2(a)為AGV直行從左側進入工位g_i，規定依次在p_i3、p_i5、p_i4、p_i7處分別減速、由后退行駛變為前進、前進右轉、停車。圖2(b)為AGV后退左轉出工位，依次在p_i7、p_i6、p_i1處分別后退直行、后退左轉、加速。AGV從工位右側進、出和其從左側進、出相似。定義p_ik是和工位g_i相關的第k個標簽(k∈{1，2，…，7})，按圖2布置，其組成用矩陣S₁表示為：

1.2.2 線路標簽布置

    在每條線路兩端各放置兩個電子標簽。S_ja表示線路l_j上的第a個標簽，a={1，2，3，4}。規定S_j1、S_j2、S_j3、S_j4在l_j上依次沿坐標軸正方向布置，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處執行轉彎指令以進入其他線路，在S_j2、S_j3處執行加速或減速指令使其進入l_j時加速，離開l_j時減速。所有線路上的標簽用式(4)所示矩陣S₂表示，最終地圖中所有標簽的布置情況如圖3所示。

2 動作指令算法

    首先對標簽編碼，然后根據調度路徑確定經過每個標簽的順序，最后根據標簽排序生成動作指令。

2.1 電子標簽編碼

    電子標簽編碼格式如圖4所示，其中x、y表示標簽在地圖中的坐標，‘pro’表示屬性，即車輛在標簽處可執行的動作指令種類，‘line’表示所在線路，‘sit’表示相關工位號。根據AGV在線路上的行駛方式規定S_j1、S_j4的‘pro’位為‘01’，表示轉彎，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j，‘sit’位用零表示。標簽p_ik的‘pro’位根據AGV進出工位方式將其用表1表示，‘line’位為p_i1所在的線路編號，‘sit’位為和其相關的工位編號i。 

2.2 路徑建立與選擇

其中，w表示路徑，數量為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，設第t條路徑所包含的線路數量最大且為n₁，則W為m×n₁階矩陣。對于線路數目不足n₁的，不足部分用0表示，路徑矩陣用式(6)表示：

2.3 調度路徑標簽排序方式

    對任意兩條相連接線路上標簽，第一條和第二條分別用l_u、l_v表示。l_u上的標簽為S_u1、S_u2、S_u3、S_u4，l_v上的標簽為S_v1、S_v2、S_v3、S_v4。r₀表示從l_u到l_v經過的標簽順序。設S_u1坐標為(x₁，y₁)，S_v1坐標為(x₂，y₂)，經過二者坐標比較可推斷出l_u和l_v的相對位置關系：

    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，r₀={S_u1，S_u2，S_u3，S_u4，S_v4，S_v3，S_v2，S_v1},對應圖5(c)；否則r₀={S_u4，S_u3，S_u2，S_u1，S_v1，S_v2，S_v3，S_v4}，對應圖5(d)。同理可推斷出其余幾種情況下的r0元素排列情況。

    對于路徑w_β，首先根據式(4)選出每段線路上的標簽，然后按照車輛在該路徑上經過每個標簽的順序排列，步驟如下：

    (1)將l_β1、l_β2分別視為第一條、第二條線路，根據坐標關系判斷出兩者位置關系。按照兩條線路標簽排序規則進行排序，并將排序結果放在數組r₁中；

    (2)將l_β2、l_β3分別視為第一條、第二條線路進行排序，將l_β3標簽的排序結果添加在數組r₁中；

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

    根據AGV進出工位的方式刪除r₁中未在l_j1和l_j2上經過的標簽，此時r₁中元素個數用b₁表示。

2.4 動作指令

    動作指令格式如圖6所示，前5位為電子標簽編碼，‘ins’位為AGV在前5位對應的標簽處執行的動作指令,按其功能不同進行編碼，如表2所示。AGV從起始工位gs到目標工位ge過程中，按照出工位、路徑上行駛、進工位的順序行駛，RFID閱讀器持續讀取地面標簽信息并將其傳遞給車載控制系統，通過依次按條件執行指令完成調度任務，條件為當前讀取的標簽信息和要執行指令的標簽編碼位一致。

2.4.1 出工位動作指令

    R₁表示出工位動作指令集合。如果AGV從左側出工位，則在S₁第S行‘pro’位為‘09’、‘08’、‘03’的標簽編碼后分別添加‘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條動作指令。

2.4.2 路徑動作指令

    分別對r₁中b₁個標簽按‘pro’位確定動作指令。R₂表示路徑動作指令集合，圖7為其判斷流程。

2.4.3 進工位動作指令

    R₃表示出工位動作指令集合。AGV從左側進工位，在S1第e行‘pro’位為‘05’、‘07’、‘06’、‘09’的標簽編碼后分別添加‘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。

    每次執行任務的完整指令集合用R表示，則：

3 試驗結果及分析

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

    在VC++6.0中編寫車輛動作指令程序，選取基于ARM架構并集成了RC522射頻識別模塊的模型車作為試驗對象。圖9為鋪設導引線和放置標簽后的實際車輛運行圖。試驗表明，車輛能夠按照預期的目的完成調度任務。圖10為將動作指令寫入標簽內的導引方式，AGV通過執行標簽內指令完成加減速等動作。因地面標簽布置結束后其內部指令信息已確定，所以車輛經過每個標簽時僅能完成某個固定動作，導引方式相對單一,靈活性差。

    選取不同的起始工位和目標工位進行組合，代表不同調度任務，在C++6.0中其每次運算結果如圖11所示，每條動作指令前10位為電子標簽編碼，最后兩位為AGV在該標簽執行的動作。

    由圖11(a)、11(b)可知任務1、2的行駛路線分別為20→22→24，20→22→21→18，AGV均經過了標簽4610012200，任務1中沒有該標簽對應的指令，AGV在此處不執行任何指令，從線路22保持直行狀態進入線路24；任務2中在該標簽對應的指令為461001220002，最后兩位‘02’表示AGV在此處后退右轉，由線路22進入線路21。對比可得： AGV僅在滿足動作指令執行條件的標簽處執行該指令。

    由圖11(c)、11(d)可知任務3、4的行駛路線分別為24→21→16→14，24→21→18，AGV均經過了標簽4722012100，任務3中AGV在該標簽對應的指令為472201210002，最后兩位‘02’表示AGV在此處后退右轉，由線路21進入線路16；任務4中在該標簽對應的指令為472201210001，最后兩位‘01’表示AGV在此處后退左轉，由線路21進入線路18。對比可得：AGV完成不同任務時在同一個標簽處能夠執行不同的指令，增加了行駛靈活性。

4 總結

    本文采取了電子標簽作為位置識別，且動作指令根據具體任務由算法生成并存儲在車載控制系統的方式，使得車輛在執行不同任務過程中經過同一電子標簽時可執行不同的動作指令，彌補了傳統導航方式中行駛路線固定、在標簽處執行指令單一的不足。該方法解決了復雜路徑下車輛的導引問題，提高了行駛靈活性和標簽利用率，具有一定的應用價值。

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作者信息：

牛秦玉，李珍惜，田海波

(西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安710000)