基于RFID技術(shù)自動(dòng)導(dǎo)引車定位和導(dǎo)引設(shè)計(jì)詳解

0 引言

對于物件搬運(yùn)AGV（自動(dòng)導(dǎo)引車），導(dǎo)引和定位是其關(guān)鍵研究部分。常用的導(dǎo)引方式有磁導(dǎo)引［1］、視覺導(dǎo)引［2］、激光導(dǎo)引［3］等，定位方式有二維碼定位［4］、RFID射頻識(shí)別定位［5］、超聲波定位等，其中磁導(dǎo)引磁條鋪設(shè)方便、路徑變更容易，射頻識(shí)別不易污染、對聲光無干擾，因此集成RFID技術(shù)的磁導(dǎo)引AGV在自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)輸中的應(yīng)用廣泛。

針對磁導(dǎo)引中的RFID技術(shù)，已有諸多學(xué)者進(jìn)行研究。顧佳煒等人［6］通過在電子標(biāo)簽中寫入標(biāo)簽編號(hào)和運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)AGV導(dǎo)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(zhuǎn)彎、停車等動(dòng)作。羅雨佳［8］將AGV轉(zhuǎn)彎動(dòng)作模式固定，利用標(biāo)簽信息實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎90°和180°。

上述文獻(xiàn)大多是把動(dòng)作指令寫在電子標(biāo)簽內(nèi)，由于保存的指令信息單一，標(biāo)簽利用率低，當(dāng)實(shí)際路徑復(fù)雜時(shí)需布置更多標(biāo)簽，不利于路徑規(guī)劃和導(dǎo)引。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以解決復(fù)雜路徑下AGV的導(dǎo)引問題為目標(biāo)，提出一種車輛動(dòng)作指令算法，根據(jù)調(diào)度任務(wù)生成動(dòng)作指令并保存在車載控制系統(tǒng)，標(biāo)簽僅作為位置識(shí)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(dǎo)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(shù)量為h，按式（1）對其編號(hào)（圖中小矩形右側(cè)數(shù)字），則工位集合可以表示為G={g1，g2，g3，…，gh}。l表示線路，數(shù)量為n，規(guī)定橫向、縱向線路編號(hào)分別用偶數(shù)、奇數(shù)表示并按式（2）對其編號(hào)（圖中圓圈內(nèi)的數(shù)字），線路集合為L={l1，l2，…，ln}。

基于本文的應(yīng)用場景規(guī)定AGV除了進(jìn)入工位時(shí)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(jìn)工位時(shí)減速行駛。

1.2 電子標(biāo)簽布置方式

1.2.1 工位相關(guān)標(biāo)簽布置

圖2中pi1，pi2，…，pi7表示電子標(biāo)簽位置。圖2（a）為AGV直行從左側(cè)進(jìn)入工位gi，規(guī)定依次在pi3、pi5、pi4、pi7處分別減速、由后退行駛變?yōu)榍斑M(jìn)、前進(jìn)右轉(zhuǎn)、停車。圖2（b）為AGV后退左轉(zhuǎn)出工位，依次在pi7、pi6、pi1處分別后退直行、后退左轉(zhuǎn)、加速。AGV從工位右側(cè)進(jìn)、出和其從左側(cè)進(jìn)、出相似。定義pik是和工位gi相關(guān)的第k個(gè)標(biāo)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(biāo)簽布置

在每條線路兩端各放置兩個(gè)電子標(biāo)簽。Sja表示線路lj上的第a個(gè)標(biāo)簽，a={1，2，3，4}。規(guī)定Sj1、Sj2、Sj3、Sj4在lj上依次沿坐標(biāo)軸正方向布置，Sj1和Sj4之間的線段為線路lj的范圍。車輛在Sj1、Sj4處執(zhí)行轉(zhuǎn)彎指令以進(jìn)入其他線路，在Sj2、Sj3處執(zhí)行加速或減速指令使其進(jìn)入lj時(shí)加速，離開lj時(shí)減速。所有線路上的標(biāo)簽用式（4）所示矩陣S2表示，最終地圖中所有標(biāo)簽的布置情況如圖3所示。

2 動(dòng)作指令算法

首先對標(biāo)簽編碼，然后根據(jù)調(diào)度路徑確定經(jīng)過每個(gè)標(biāo)簽的順序，最后根據(jù)標(biāo)簽排序生成動(dòng)作指令。

2.1 電子標(biāo)簽編碼

電子標(biāo)簽編碼格式如圖4所示，其中x、y表示標(biāo)簽在地圖中的坐標(biāo)，‘pro’表示屬性，即車輛在標(biāo)簽處可執(zhí)行的動(dòng)作指令種類，‘line’表示所在線路，‘sit’表示相關(guān)工位號(hào)。根據(jù)AGV在線路上的行駛方式規(guī)定Sj1、Sj4的‘pro’位為‘01’，表示轉(zhuǎn)彎，Sj2、Sj3的‘pro’位為‘02’表示加減速。Sja的‘line’位為其所在線路編號(hào)j，‘sit’位用零表示。標(biāo)簽pik的‘pro’位根據(jù)AGV進(jìn)出工位方式將其用表1表示，‘line’位為pi1所在的線路編號(hào)，‘sit’位為和其相關(guān)的工位編號(hào)i。

2.2 路徑建立與選擇

其中，w表示路徑，數(shù)量為m（m≥m0），則所有路徑組成的矩陣可表示為W=［w1，w2，…，wm］T。ltx表示路徑wt的第x條線路，其中wt={lt1，lt2，…，ltx，…}，t∈{1，2，…，m}，ltx∈L，設(shè)第t條路徑所包含的線路數(shù)量最大且為n1，則W為m×n1階矩陣。對于線路數(shù)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(diào)度路徑標(biāo)簽排序方式

對任意兩條相連接線路上標(biāo)簽，第一條和第二條分別用lu、lv表示。lu上的標(biāo)簽為Su1、Su2、Su3、Su4，lv上的標(biāo)簽為Sv1、Sv2、Sv3、Sv4。r0表示從lu到lv經(jīng)過的標(biāo)簽順序。設(shè)Su1坐標(biāo)為（x1，y1），Sv1坐標(biāo)為（x2，y2），經(jīng)過二者坐標(biāo)比較可推斷出lu和lv的相對位置關(guān)系：

第一種情況：x1》x2，y1》y2，如圖5（a）、圖5（b）所示，r0={Su4，Su3，Su2，Su1，Sv4，Sv3，Sv2，Sv1}。

第二種情況：x1》x2，y1《y2，如果lu為奇數(shù)，r0={Su1，Su2，Su3，Su4，Sv4，Sv3，Sv2，Sv1}，對應(yīng)圖5（c）；否則r0={Su4，Su3，Su2，Su1，Sv1，Sv2，Sv3，Sv4}，對應(yīng)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wβ，首先根據(jù)式（4）選出每段線路上的標(biāo)簽，然后按照車輛在該路徑上經(jīng)過每個(gè)標(biāo)簽的順序排列，步驟如下：

（1）將lβ1、lβ2分別視為第一條、第二條線路，根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系判斷出兩者位置關(guān)系。按照兩條線路標(biāo)簽排序規(guī)則進(jìn)行排序，并將排序結(jié)果放在數(shù)組r1中；

（2）將lβ2、lβ3分別視為第一條、第二條線路進(jìn)行排序，將lβ3標(biāo)簽的排序結(jié)果添加在數(shù)組r1中；

（3）依次對線路lβ3、lβ4，lβ4、lβ5，…，jsj3-t6-s1.gif按照類似步驟（2）的方式排列標(biāo)簽。

根據(jù)AGV進(jìn)出工位的方式刪除r1中未在lj1和lj2上經(jīng)過的標(biāo)簽，此時(shí)r1中元素個(gè)數(shù)用b1表示。

2.4 動(dòng)作指令

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

2.4.1 出工位動(dòng)作指令

R1表示出工位動(dòng)作指令集合。如果AGV從左側(cè)出工位，則在S1第S行‘pro’位為‘09’、‘08’、‘03’的標(biāo)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(biāo)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(dòng)作指令。

2.4.2 路徑動(dòng)作指令

分別對r1中b1個(gè)標(biāo)簽按‘pro’位確定動(dòng)作指令。R2表示路徑動(dòng)作指令集合，圖7為其判斷流程。

2.4.3 進(jìn)工位動(dòng)作指令

R3表示出工位動(dòng)作指令集合。AGV從左側(cè)進(jìn)工位，在S1第e行‘pro’位為‘05’、‘07’、‘06’、‘09’的標(biāo)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(biāo)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(zhí)行任務(wù)的完整指令集合用R表示，則：

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

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

在VC++6.0中編寫車輛動(dòng)作指令程序，選取基于ARM架構(gòu)并集成了RC522射頻識(shí)別模塊的模型車作為試驗(yàn)對象。圖9為鋪設(shè)導(dǎo)引線和放置標(biāo)簽后的實(shí)際車輛運(yùn)行圖。試驗(yàn)表明，車輛能夠按照預(yù)期的目的完成調(diào)度任務(wù)。圖10為將動(dòng)作指令寫入標(biāo)簽內(nèi)的導(dǎo)引方式，AGV通過執(zhí)行標(biāo)簽內(nèi)指令完成加減速等動(dòng)作。因地面標(biāo)簽布置結(jié)束后其內(nèi)部指令信息已確定，所以車輛經(jīng)過每個(gè)標(biāo)簽時(shí)僅能完成某個(gè)固定動(dòng)作，導(dǎo)引方式相對單一，靈活性差。

選取不同的起始工位和目標(biāo)工位進(jìn)行組合，代表不同調(diào)度任務(wù)，在C++6.0中其每次運(yùn)算結(jié)果如圖11所示，每條動(dòng)作指令前10位為電子標(biāo)簽編碼，最后兩位為AGV在該標(biāo)簽執(zhí)行的動(dòng)作。

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

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

4 總結(jié)

本文采取了電子標(biāo)簽作為位置識(shí)別，且動(dòng)作指令根據(jù)具體任務(wù)由算法生成并存儲(chǔ)在車載控制系統(tǒng)的方式，使得車輛在執(zhí)行不同任務(wù)過程中經(jīng)過同一電子標(biāo)簽時(shí)可執(zhí)行不同的動(dòng)作指令，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)導(dǎo)航方式中行駛路線固定、在標(biāo)簽處執(zhí)行指令單一的不足。該方法解決了復(fù)雜路徑下車輛的導(dǎo)引問題，提高了行駛靈活性和標(biāo)簽利用率，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。