视觉识别导引AGV系统的物流规划分析.doc

1、1视觉识别导引 AGV 系统的物流规划分析摘要：视觉导引 AGV 具有适应性广、灵活性高、控制精确的特点，可显著提升厂内物流效率，节省人力成本，有较好的应用前景。本文介绍了循迹式视觉导引 AGV 的系统组成与导航控制方法，分析了其物流系统方案规划的特点，并介绍了视觉识别 AGV 系统在典型应用场景中的规划方法。针对生产工艺流程特点，对 AGV 及其调度系统的设计过程及需要在工程应用中关注的问题进行了分析与总结。 关键词：循迹式视觉识别、AGV、方案规划 自动导引车（Automated GuidedVehicle，AGV）是一种可以沿规定路线自动行驶.实现自动搬运的运输车辆。作为智能物流系统中的

2、核心设备之一，AGV 通过与其他信息化、智能化装备的联动，可以实现柔性和智能化物料搬运。目前应用中常见的 AGV 导航技术，主要有磁/电磁、激光、视觉、光电、惯性等。 目前存 AGV 应用中以循迹式应用为主，其原理是在地面上或地下铺设色带或电磁带（如磁/电磁、视觉、光电等导航方法） ，AGV 循着色带或电磁带的路径行走。激光式导引则采用激光定位和设定虚拟路径的方式导航。视觉识别系统通过数字摄像头采集地面上色带的图像，经过识别后可以进行循迹式定位和导航，此外该系统也可以通过其他导航图形标记的识别（如二维码或者特定导航图形）实现自动导引。 相对于埋设电磁导线、磁条，或者地面埋设导航磁钉等导引方法而

3、2言，视觉识别方法不但增强了系统的灵活性，并且降低了硬件投入和维护成本；同时也可以避免出现如惯性导航等无路标导航方法存在的误差积累问题。相对于激光导航方法，视觉识别导航的优势在于其低廉的系统硬件成本以及智能扩展特定，只要软件和模式识别功能足够智能，机器人就可以实现多种导航和定位功能。 本文对循迹式视觉识别导航机理与系统组成进行分析，总结其在总图规划时的特点，并针对实际案例进行规划研究，对相关 AGV 的应用有一定借鉴意义。 一、导航系统组成及 控制流程 视觉识别导引 AGV 主要由车身、伺服驱动电机、视觉识别系统、安全传感器、无线通信模块、主控系统、手动操作系统等组成，其与常规AGV 的主要区

4、别在于机内设置了数字图像采集 CCD、视频处理卡和主控计算机。由于实时处理图像的数据量较大，普通的嵌入式 MCU 或 PLC 均不能达到实时处理效能，故采用车载计算机完成图形识别和导航功能。视觉导航系统主要由数字摄像头、图像采集卡、AGV 主控制器、行走驱动系统和执行电机等组成，如图 1 所示。 视觉导航系统工作流程如下：首先由数字摄像头采集地面路标图像，再将彩色空间数字图像信号送入图像采集卡进行预处理，形成二值图像，之后由主控系统进行路径识别，由此确定 AGV 当前位置等地理信息。经过与 AGV 的目标位置的比较，AGV 系统生成运动控制指令，经过驱动器解析后生成驱动信号并驱动行走电机，实现

5、 AGV 的导航控制，系统工作过3程如图 2 所示。 图 3 为摄像头采集的原始图像信号和经过计算机识别后的数字图像信号。视觉导航系统能够精确识别出路径标识及其轮廓，从而能够用于车辆的精准控制。 二、系统组成与调度原理 AGV 柔性搬运系统除了 AGV 本体以外，还包括中央调度系统、自动充电系统、无线网络 AP 及中继器、工位无线呼叫设备、上线下自动控制系统与机构、呼叫数据采集器、机柜、交通指示灯、物流转运车、路径指示胶带等。AGV 系统网络组织结构，如图 4 所示。 当生产线上有物料运输需求时，相应工位上的操作员可以通过无线呼叫器，向中央控制台发送物流需求。中央调度系统确认调度任务需求后，首

6、先搜索系统中 AGV 的工作状态，选择处于空闲状态且距离目标位置最近的 AGV 执行搬运任务。此外，工厂的 MES 系统也可以直接通过无线或总线通信方式向 AGV 调度系统发出物流运输指令，由后者调度系统内的 AGV 进行搬运。系统调度控制过程，如图 5 所示。 三、视觉识别 AGV 总图 规划特点分析 由多台 AGV 组成的柔性搬运系统中，需要对总运输路线进行合理规划，以最大化发挥 AGV 系统的运输能力。工厂生产是一个动态系统，影响其物流的因素众多，因此在总图规划中需要了解工厂内部的物流状态，熟悉 AGV 所涉及的物流路线的大致情况，并针对性地进行系统设计。 1.规划原则 4在实际规划时，

7、首先根据工厂总图确定物料搬运的各工位点、各区段之间的运输量、其他人员车辆的交通状况、地面情况以及各班工人的丁作时间制度等因素，在总图上初步规划出 AGV 运输路线，并确定相关的参数。接着合理的设置缓冲区、取货卸货台、自动充电站、呼叫盒、无线中继器等的位置，构成完整系统。在规划时，需要遵循以下原则： （1）减少路线交叉。这不仅会节省由于交通管制带来的额外硬件投入，也能减少 AGV 由于在路口管制导致的等待时间： （2）减少双向行驶路径。在符合工艺流程要求的前提下，路线应该以单向行驶为主，AGV 能够确保在单向行驶时抵达所有工位点。采用双向路径设置时，需要进行区域锁定控制，以避免 AGV 相向行驶

8、导致碰撞或者线路死锁。 （3）保持线路间运输量平衡：在单向环形路线中常常会出现公用线路的 AGV 数量过多而导致系统总体的运输效率下降。此时在通道空间容许的条件下应该设置复线运输，或者通过涮度系统的合理控制，使公共线路上 AGV 能够合理调度。 2.视觉识别 AGV 系统的规划特点 视觉识别导航 AGV 通过识别铺设于地面的色带进行导航行驶，识别路标可以采用与地面背景色形成反差的纯色带。例如在常见的绿色油漆地面上，采用纯白色带，或者在浅色地面上采用纯黑色带均可以实现视觉识别导航。系统有如下特点： （1）多分支路径识别可靠性高。由于视觉识别路径精度可达到 1mm以内，当两条路径之间的夹角较小的时

9、候仍然可以清晰地识别两条路径，5因此对于 Y 字形路径的识别率和可靠性优于磁条导航和埋线式导航。 （2）线路铺设灵活简便。色带材质柔软，可以铺设成各类曲线形状，施工快速。 （3）施工费用低。由于色带可以采用各类材料实现，如纯色防水胶布、油漆等，铺设成本更低，后期维护也更加方便。 （4）抗碾压性好。色带和油漆对于重载车辆的耐受性更好。路径标志受损后修复工艺简便。 （5）适应钢板地面。重工业工厂车间物流通道中为了保护地面，常常会在地面铺设钢板。由于钢板对于磁传感器的干扰而导致脱轨，这类地面上难以使用磁导航类 AGV。另外在冶金行业中有铁质粉尘的情况下，也会对磁传感器设备形成干扰。而视觉导航系统不受

10、此限制，可以在各类钢板等金属路面及有铁质粉尘存在的环境中铺设路径通行。 四、规划实例 1.在电商物流行业的应用规划 随着我国电商行业的迅猛发展，电商企业对于物流自动化的需求与日俱增，在物流环节采用更加柔性、更加智能的解决方案成为一种趋势。电商仓储物流中心有大量的物流运输需求。而且时效性要求高。目前对于运输量以及路径相对固定的物流，多采用传统的输送线方式进行。电商物流中还存在大量的辅助物流，例如退货暂存等环节，其工艺特点是有一个物流源应对多个并行处理工位。这些环节采用固定式输送线不仅在设备投入上不经济，而且灵活性差，不能应对突发状况以及后期可能的流程改造需求。另外固定式输送难以实现多工位间的负荷

11、自动平衡。6此类工艺条件下采用 AGV 是较好的解决方法。AGV 可以实现工位间的柔性连接，灵活应对可能的工艺流程变化；用户的订单处理系统可以根据各工位的情况实时合理分配工位之间的订单处理量，使系统达到效率最佳状态。 如图 7 所示为某电商物流中心退供暂存区的布局。由 AGV 为退供处理区各工位搬运物料，将满料箱从上料点运送到各工位，再将空料箱从工位运输到下料点。现场有 28 个包装流水线配送点，由于工位位置对称，因此设置 2 个 AGV 上料点、2 个 AGV 下箱点、2 个自动充电点，同时在AGV 下箱点边设置空载周转箱放置区。AGV 小车在 AGV 上料点与包装流水线之间来回运转，将满载

12、/空载周转箱运送至相应的位置。在流水线每个工位上都设置了动力辊道，AGV 可与包装流水线辊筒线自动对接并交互，将满载周装箱移至辊筒线上并收回空载周装箱 AGV 小车为自动移载式，设置有两个独立的辊简移载装置，对应两个不同高度的辊道线，一次可以同时搬运两个料箱，成倍提升效率。 系统的工作流程，如图 8。 AGV 作业流程说明如下：（1）AGV 小车在等待区待命，等待调度系统发出运输指令；（2）当 AGV 接收到运输任务后，立即自动巡线运动，按照规划路线行驶至上料点固定位置并自动与输送线对位，向系统发出到位信号；（3）系统发出指令，上料点辊道将满载周转箱自动输送至AGV 车载辊简上；（4）料箱到位

13、后 AGV 车载读卡器读取周转箱相应信息，自动判定该料箱的运送目的位置；（5）AGV 启动自动巡线行走，沿路线行驶到达指定流水线工位点；（6）到位停稳后，AGV 启动辊筒电机，将7满载周转箱移载至包装流水线的辊筒线上；（7）包装流水线启动另一条辊筒线，将空载周转箱移载至 AGV 小车上空载料箱位；（8）AGV 车载传感器监测到料箱到位后，启动自动巡线行走，按照规划路线返回 AGV 下箱点；（9）卸载空料箱后，AGV 返回待命区。 从图 7 中路线布局可以看出，本方案采用多点转弯折回路线。即当AGV 从靠近物料上货点的工位上接收到料箱后，可以就近选择一条最短路径回到 AGV 上料点，而不必绕一个

14、大圈再回到 AGV 上料点，在运输任务量大的情况下，这样的调度方式可以能够节省大量的运输时间。由于包装处理区的线路是多个环状线路的套接，到最远端丁位取货的 AGV 会碾压其行进线路上的横向导航带。视觉识别导航由于采用色带或者地面油漆，厚度小，韧性好，因此路标的抗碾压性好，AGV 行驶通过时车身的颠簸较小，在这类多环模式运输中更加有优势。另外，由于丁位之间比较密集，线路交叉点多，岔道之间的夹角不大，给岔道识别带米难度。由于视觉识别分辨率高，对于 Y 字形岔路的识别可靠性稳定，可保证导航系统的正常运行。 在线路规划中，有两种设计方案，一种是上下两个区域分别使用一个 AGV 上料点，另外一种是两个区

15、域合并使用一个上料点，两种情况的取舍需要对总体效率进行规划后得出。 在 A 方案中，上下分别设置一个上料点。分路线 AGV 完成单个整体流程所运行的路线平均长度约为 73m；AGV 平均稳定行驶速度为35m/min，因此分路线 AGV 完成单个流程耗时约 7335=2.1min。现场节拍为 4 箱/min，在不考虑辊简运输与人工上下料时间情况下，现场需求815s 间隔进行一次运输作业，则分路线所需 ACV 小车数量为2.1x6015=9 辆。因此整体所需 AGV 小车数量为 18 辆。 在 B 方案中，上下区域合并使用一个上料点，整体路线 AGV 完成单个整体流程所运行的路线平均长度约为 16

16、7 米，考虑到区域内可能有人行走，因此 AGV 平均稳定行驶速度为 35m/min，则 AGV 完成单个流程耗时为 16735=4.8min，则此方案所需 AGV 小车数量为 4.8x6015=20 辆。 对比就可以发现，A 方案所需 AGV 数量为 18 辆，较后一种方案减少了 2 辆 AGV，同时 A 方案整体运行系统与 B 方案相比较为简单，交通管制相对降低，可一定程度上减少 AGV 在运行路线上的交通等待时间与单程空跑的占比。因此选用 A 方案是较好选择。实际生产中，存在着人工上下料与辊简运输耗时，同时也存在着交通等待耗时等情况，因此每条路线需配备 1 台备用 AGV；故选用 A 方案

17、，所需 ACV 小车整体数量为18+2=20 辆。 系统还设置了周转箱的自动识别系统，实现完全自动化的周转箱识别和柔性搬运。在每个动力辊床上配置读卡器，在 AGV 上配置一个读卡器，同时在周装箱的规定位置配置一个识别卡。人工将满载周转箱放置在动力辊床上后，辊床读卡器读取识别卡，人工根据系统提供的工位点信息通过识别卡在线配置界面修改识别卡相应信息；满载周转箱通过动力辊筒加载到车载辊筒上，车载读卡器读取识别卡，根据卡内相应信息与既定规则自动判定 AGV 运送位置。 2.在冶金环境中的应用规划 钢铁冶金生产中，对于工序间物流自动化的需求正在逐年上升。高炉是钢铁生产中的重要设备，在高炉铁口放完铁水后，

18、泥炮机通过液压9缸将炮泥注入铁口中，将铁口堵住。在冶炼期间，需要定时为高炉泥炮机补充炮泥。在传统作业方式下常采用人工驾驶叉车进行炮泥运输。但是高炉周围有高温、噪音、含铁粉尘等不利条件，人员劳动环境恶劣，采用 AGV 自动补充炮泥则可以有效解决上述问题。图 9 为某钢铁生产企业高炉炮泥的运输线路布置图。 炮泥运输需求如 F：（1）炮泥框架周转区至炮泥框架存放区之间的满料托盘移载；（2）炮泥框架存放区至炮泥上线点的物料搬运上线及空托盘回收，实现炮泥的移载、上线、空托盘回收等环节的自动化物流。 炮泥托盘周转区、满托盘存放区、空框架存放区等区域设置托盘的光电检测装置。为了代替人工叉车运输，AGV 也采

19、用叉车式，负载形式为叉举式，最大负载规格为 1200kg，最大举升高度 1700mm。 AGV 采用的导航技术需要符合现场工况的特殊要求： （1）现场存在大量的含铁粉尘，不仅对设备正常运行造成影响，也对各类磁传感器形成干扰。 （2）叉车自重加上炮泥重量超过 2 吨，会对沿线铺设的导航线路造成碾压，易损坏线路。 （3）南于现场条件限制，地面不能开挖作业，因此不能采用预埋式导航技术。 （4）由于未来应用数量大，宜采用经济型导航技术。 由于上述条件限制，采用视觉识别导航 AGV 是较为合适的方案：首先是地面无需开挖，施工周期快；另外视觉系统不受含铁粉尘十扰，满足环境使用要求；叉车式 AGV 由于其自

20、身结构特点，在叉取及摆放托盘10环节会产生很多交叉分支路径，且岔路口的两条线路交汇处夹角较小，普通导航方式容易脱轨。而视觉导引则可满足 Y 型分岔路精确识别需求。系统工作流程如图 10 所示：（1）当接收到上料点的任务信号后，AGV 运行到炮泥托盘存放区，叉取一个满托盘并运输至线边上料点，精准摆放在规定位置上，等待线边机器人取料。满托盘的物料被取空后，AGV把空托盘运输至空托盘存放区，并根据上料机器人反馈的信号，决定是否进行下一个满托盘的上线输送。 （2）当完成一次炮泥填装后，调度系统根据炮泥框架存放区两个暂存点的物料数量变化，指令 AGV 行驶至炮泥框架周转区，依据检测系统的反馈结果依次把四

21、列周转区的满托盘输送至存放区，根据存放区的检测反馈结果，分别补足 2 个摆放货架的满托盘物料。 （3）如果一个满托盘的炮泥在一次装填过程中没有被取尽，AGV 会根据上料机器人反馈结果将其运回满料存放区。 （4）物料上线及补料移载完毕后，小车回到充电站按照预设的充电时间进行充电，等待 AGV小车上料点的下一次呼叫命令。 五、总结 视觉识别导航具有应用灵活、适应性好、成本低、耐重载、导航精度高等优点，在各类自动化物流领域都可应用，是极有发展潜力的 AGV导航技术。尤其是精确识别分支路径、数字摄像头适应不同材质地面以及路标对重载环境的良好适应性，特别适合于重工制造业和各类物流中心的自动化物流系统。随着视觉导航系统硬件成本的不断下降，以及导航技术的不断发展，视觉导引 AGV 在物流系统中的应用将越来越广泛。