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AGV技術探討

人氣:發表時間:2018-6-27 10:01:44 【

1 緒論

1.1 研究背景與意義

在產品生產制造過程中,搬運、存儲、裝卸等物流環節占據了大部分時間,這無疑增加了企業人力成本,降低生產效率。隨著勞動力成本的不斷上升,眾多發達國家企業早已開始向現代制造業方向轉變,在產品生產、物流運輸、存儲等方面發生了翻天覆地的變化:利用計算機、通信網絡、人工智能技術,將智能管理、自動化系統等先進技術應用于制造業各個環節,企業生產效率得到普遍提高,取得了顯著的成果。

由于我國豐富的勞動力資源,長期以來勞動密集型企業占據了很大一部分比重,其自動化水平低,人工成本高,給企業發展帶來很大弊端,為改變這一現狀,越來越多的企業生產線開始采用AGV(Automated Guided Vehicle,自主導航車輛)系統作業,對比其它搬運方式,AGV系統融合了環境監控、任務調度、行為控制等多功能于一體,具有高效可靠、自動安全、續航能力強的特點,是自動化生產系統中必不可少的環節。

在AGV系統中,AGV車輛負責完成具體任務,而AGV監控系統作為控制中樞,對車間內各AGV起著狀態監控、任務調度、沖突管理等功能,在整個系統中起著關鍵作用。另外在復雜行駛環境下,對AGV的路徑規劃、沖突管理等功能也決定著整個系統是否高效、有序。因此,對AGV監控系統進行研究具有一定的實際應用價值。

1.2 AGV系統定義與特點

AGV是具有光學/電磁傳感器等引導裝置,能夠沿著預定的路徑自動行駛,完成相關生產任務的車輛。

AGV最顯著的特點是自動化水平高,通過接受調度中心發送的任務指令,在不需要人為導航的情況下,能沿著最優路徑將貨物運抵目的地。同時,AGV也不斷監控自身狀態,如電池電量、故障信息、障礙物等,一旦發現異常,及時通知調度中心。

相比于傳統的輸送帶,AGV軌道的鋪設成本更加低廉,占地面積幾乎為零,并且可以根據生產線、倉庫站點做出相應調整,使整個系統具有一定的靈活性。

此外由于普遍采用蓄電池作為動力裝置,AGV行駛過程中噪音極低,綠色無污染,只要能及時充電便能長期工作。

1.3 AGV監控系統實例

AGV監控系統以對車輛進行任務調度為核心,還包括眾多子系統。以佳順智能公司的AGV系統為例,共包含AGV中央管理,AGV交通管理,AGV點料與調度等子系統,各子系統簡要介紹如下:

(1)AGV中央管理系統

AGV中央管理系統.JPG

圖1-1 AGV中央管理系統

如圖1-1,AGV中央管理系統能夠實時顯示AGV位置、狀態等信息,通過對不同AGV分別設置行駛參數,提高系統靈活性。

(2)AGV交通管制系統

AGV交通管制系統.JPG

圖1-2 AGV交通管制系統

如圖1-2,在復雜行駛路線下,需要對AGV行駛路線進行更深一步的規劃,通過制定類似紅綠燈的交通管制程序來避免車輛發生沖突、擁堵,最大限度提高整個系統的工作效率。

(3)AGV叫料系統

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圖1-3 AGV叫料系統

如圖1-3,在運輸較為繁忙的工位可以通過該系統對多種物料進行點料,從而實現點對點的運輸方式,使整個系統更加人性高效。

1.4 課題主要工作

由于實驗條件有限,本論文主要對單AGV監控系統進行研究,工作內容如下:

(1)根據實際地圖,選擇合適算法,編寫單AGV最短路徑規劃程序;

(2)通過無線數傳模塊采集AGV速度、電量、位置等信息;

(3)編寫VB上位機程序,設計AGV路徑生成、狀態監控、任務分配、記錄查詢等模塊;

(4)對多AGV路徑規劃系統進行一定研究。

2 AGV關鍵技術理論

2.1導引技術

在自動化日益完善的目前,市場上有形形色色的AGV工作于各個行業各個領域。對于AGV智能化的研究一直以來都是國內企業所專注的重點。而AGV的導引技術在目前市場上較為成熟。目前所采用的導航形式有很多,比如電磁導引、激光導引、光學導引、視覺導引、慣性導引、光學導引和磁帶導引[1]。根據實際需求和運行環境限制,選用不同的導引方式具有不同的效果,相比于光電傳感器和視覺傳感器的白色導航方式,磁導航可靠性更高,不受環境光和地面條件的影響;相比激光導航方式,磁導航系統簡單、實現容易、成本低廉。本項目所使用AGV由于是室內室外通用AGV,為了維護方便,便于管理和維護,選擇采用磁條導引的方式。

磁條導引技術在目前市場應用較廣,因為磁條導引路徑規劃容易實現,可以根據需求隨意變更路線,對于后期維護相對來說較為容易,而所采用的控制系統也較易實現。磁條導引是AGV驅動單元或者車身上安裝的磁導航傳感器運行在磁條的上方檢測磁條的磁場強度,通過PID模糊控制來為AGV小車指引行駛方向。

磁導引技術是一種基于磁敏傳感器來識別車體偏差而進行位姿調整的導引方式[1]磁導引系統主要包括磁導航傳感器和磁條。以磁條為例子來說明磁導航技術的原理。。

磁條鋪設或者固定于地面上,當磁導航傳感器位于磁條上方時,每個探測點上的磁場傳感器能夠將其所在位置的磁場強度轉變為電信號,并且把該電信號傳送到磁導航的控制芯片中,控制系統中,會通過數據處理來檢測到AGV小車磁導航傳感器下方的磁場強度,根據控制系統采集信號及信息反饋來確定磁條相對于傳感器的位置。當磁導航傳感器探測點偏離中間磁條位置時,會反饋信號給控制系統,通過一系列信號處理和傳遞來調整驅動輪兩邊的轉速,保證AGV小車能夠根據磁條的鋪設進行尋跡運行。

磁導航技術實現示意圖.JPG

圖1 磁導航技術實現示意圖

如圖1所示的16位磁導航傳感器技術實現示意圖,磁條會在周圍產生磁場,越靠近磁條磁場強度也就越大。磁導航傳感器正上方四個探測點所在位置的磁場最大,其它探測點所在位置的磁場強度相對也就較弱,特別是遠離磁條的探測點所在位置的磁場強度幾乎為零。磁導航傳感器由此獲得磁條的磁場分布,從而確定磁條在磁導航傳感器的第幾個點下方。AGV小車控制系統也會根據這個信息,確定本身的行進方向是否偏離預定航線,如果偏離預定航線,偏左或者偏右時,通過PID模糊控制進行兩輪轉速調整來達到小車進行左轉或者右轉,不斷的微調整來達到小車沿著所鋪設的磁條進行運行。

2.2控制系統技術

AGV控制系統是AGV小車中最為重要的部分。控制系統的好壞直接影響到小車運行的穩定性、靈敏性和可靠性。控制系統的穩定實現,對于AGV實現多種功能提供了強大的后盾基礎。控制系統主要分為地面控制系統和車載控制系統,而地面控制系統主要包括車輛調度、路徑管理、交通管理和自動充電。車載系統主要包括導航實現、貨物裝卸、驅動行走和避障安全。地面控制系統和車載控制系統相互協調來完成AGV小車的各種功能。

各模塊功能在AGV小車的功能實現中都具有關鍵性作用。小車的運行除了應具有合理的結構外,更應該具有完善的控制系統來實現小車與上位機的交互,來實現人機交互,完成本身所賦予的命令。針對系統中各模塊具有以下特性:

(1)車輛調度

車輛調度是AGV管理中的關鍵技術模塊,它會根據收到的信號請求,以時間和行走路徑為原則,為請求信號的工位安排一個在最短時間和路徑執行搬運功能的AGV小車,除了車輛的調度安排,車輛調度在車間AGV工作協調方面具有很大的作用,能夠在最短的時間內為工位車輛需求做出分配調度,提高工作效率的同時實現全程AGV自動化搬運。

(2)路徑管理

路徑管理是指AGV小車在運行時行走的路線分配。在同一個廠區,具有多個工位點,所鋪設的磁條路徑也是交叉分布。在某個工位點發出調用AGV小車的命令的時候,路徑管理系統會就近調用距離近暫時沒有新指令的AGV小車前往行使運輸功能,在運行路線上會有多個站點來協調AGV順利到達指定地點。路徑管理系統使AGV小車在錯綜復雜的路線上運行的有條不紊。

(3)交通管理

交通管理是指對于AGV小車運行及調度的統籌規劃管理。根據AGV搬運物料后尺寸的大小,為AGV相互避讓提供可行性方案。同時對于AGV小車的調度進行統一管理,對于AGV行走的路徑進行分配處理,避免車輛等待情況的出現,對于AGV小車的使用進行合理的分配。在車間生產中,保證AGV運輸在有需求時有車可用,合理的擴大AGV小車利用率。

(4)自動充電

在自動化的時代,效率是每個企業所追求的。AGV作為以電池為動力電源的運輸工具,使用時耗電是不可避免的。及時充電才可以使AGC小車及時的投入到工作中。自動充電是AGV自動化的重要標志。在AGV小車運行過程中,當電量低于15%時,會傳導一個信號給控制系統,控制系統接到信號會發送AGV以最短路線運行自充電區域。在進入充電區域后,在RFID站點卡信號的指引下停到制定區域,自動充電樁為AGV小車進行充電,充電完成后,AGV小車再次投入到生產中,循環使用。

(5)導航實現

AGV通過自身裝備的導航器件測量并計算出自身運行的軌跡。磁導航傳感器是根據磁條所產生的磁場來確定AGV是否偏移運行路線,通過導航系統來實現自身在默認路線的行駛。導航系統的實現,使AGV小車能夠實現一車對多工位的功能,尋跡運行是AGV導航的時時表現。

(6)貨物裝卸

貨物裝卸是多功能AGV的一大特點,多功能AGV具有自動裝卸功能,當AGV小車運行到目標點,AGV會伸出掛鉤來牽引物料小車運輸到指令所指定的點位。而自動卸載AGV在托運貨物運行到指定目標點后,會根據指令和滾筒或起升機械結構來把貨物卸載。自動裝卸系統在節省人力方面有很大幫忙,減少人力資源的投入,同時也減少了貨物因人力野蠻操作導致的損壞。

(7)驅動行走

車輛驅動行走是AGV最為基本的功能,作為基礎驅動系統,AGV會根據相應指令進行前進、后退、加速、減速、轉彎等操作。

(8)避障安全

避障系統是安全生產必不可少的。作為具有預見性能的系統,會在運行過程中預見將要發生的事故,從而采取制動措施,避免貨物及人員傷害。在車間生產不可避免會有人員走動,在AGV小車上裝有全方位的避障傳感器,檢測距離根據需求有0.5米至幾米不等,當有障礙物或者人員出現在傳感器檢測區域時,AGV的避障系統會發出報警會采取緊急制動。

2.3驅動單元結構技術

驅動單元是為整個AGV小車提供動力輸入的模塊。主要包括提供動力的電機,控制器,相應的傳動機構。作為基礎模塊在AGV小車中同樣處于相當重要的地位。

在市場上存在各種各樣的AGV驅動單元,相當多的驅動單元已經批量化生產,部分驅動單元完全可以采購直接使用。但大多驅動單元與車體剛性連接,在運行中容易出現驅動力不足和擺動的問題。后期出現了剪刀式驅動單元相對使以上問題得到改觀,但中間所使用的彈簧雖然在一定程度上起到減震作用,但主要應用在四輪機構的前端,當背負相對較重的貨物時,彈簧壓縮,會導致載物臺不平使貨物滑落,增加相應的風險。

對于AGV相關導航技術及控制系統技術研究較多,但對于驅動單元研究的卻較少涉及,驅動單元類型在市場上也較匱乏。驅動單元作為AGV的重要組成部分,應該具有相應的技術提升。獨特結構來適應市場需求才可以更好的為自動化建設貢獻能力。

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