CN104298195A - 一种多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，旨在提供一种穿梭车调度可靠高效，抗干扰能力强，通信稳定的多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法。该多台穿梭车协同工作系统包括上位计算机、多台穿梭车、设置于每台穿梭车上用于控制穿梭车运行的下位计算机、一台与上位计算机连接用于无线数据通信的上位数传电台以及分别装载于每台穿梭车上与穿梭车上的下位计算机连接用于无线数据通信的下位数传电台；上位计算机采用时间片轮询方式依次与每台穿梭车进行数据通信，实现对多台穿梭车的控制与监控；时间片的长短采用最优时间片自适应算法自动确定；下位计算机采用中断方式响应无线数据通信。

Description

一种多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法

技术领域

本发明涉及自动化物流仓储技术领域，尤其是涉及一种多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法。

背景技术

现代物流技术中，自动化立体仓库可大大提高仓储密度，由于立体仓库中货盘上的货物有时重达数百公斤，货物存取必须依靠自动化机械设备完成，仓库存取设备决定了仓库的存储密度、吞吐速度和自动化水平。目前使用的存取设备主要包括巷道堆垛机和轨道穿梭车，巷道堆垛机需要在存货货架旁边配置专门的行驶巷道，并且每个行驶巷道上的堆垛机存取货物有限，而可转向式穿梭车无需在货架旁设置单独的行驶巷道，可大幅度提高存储密度，逐渐成为了新一代立体仓库自动存取设备发展方向。

穿梭车在自动化立体仓库中承担了货物运送的工作。然而，可转向式穿梭车没有设置单独的行驶巷道，多台穿梭车必须共享公共的行驶巷道。因此，穿梭车如何调度，如何存取货物，则需要上位计算机来进行远程控制，这就引发了上位计算机与多台穿梭车的通信需求。由于可转向式穿梭车需要在立体仓库的三维空间内自由穿梭，只能采用无线通信方式进行数据传输。在无线通信方式下，上位计算机如何与多台穿梭车进行通信，任意一台穿梭车如何排除上位计算机与其它穿梭车的无线通信干扰，并达到最佳的通信可靠性与高效率，就是必须解决的通信技术问题。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种穿梭车调度可靠高效，抗干扰能力强，通信稳定的多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，该多台穿梭车协同工作系统包括上位计算机、多台穿梭车、设置于每台穿梭车上用于控制穿梭车运行的下位计算机、一台与上位计算机连接用于无线数据通信的上位数传电台以及分别装载于每台穿梭车上与穿梭车上的下位计算机连接用于无线数据通信的下位数传电台；

上位计算机采用时间片轮询方式依次与每台穿梭车进行数据通信，实现对多台穿梭车的控制与监控；当时间片轮流到任意一台穿梭车时，首先由上位计算机向穿梭车进行数据传输，穿梭车收到数据后延时一段时间，再从穿梭车向上位计算机进行数据传输，按照该操作流程遍历每一台穿梭车，依次往复循环，完成对多台穿梭车的轮询；

时间片的长短采用最优时间片自适应算法自动确定；时间片描述的是分配给一台设备时间的长短，时间片小于通信消耗时间，导致通信数据冲突；时间片大于通信消耗时间，造成时间浪费；通信消耗时间与时间片相当，达到了时间片最优；时间片自适应算法能够在时间片过短时自动增大时间片，时间片过长时自动减小时间片，最终自寻到最优时间片；

下位计算机采用中断方式响应无线数据通信；穿梭车响应通信数据的具体过程为：对于任意一台穿梭车，如果其搭载的下位数传电台接收到一定数量的字节时，就触发下位计算机的中断事件，下位计算机进入中断，接收并解析通信数据后，进行时间片归属的识别；如果时间片属于自己，则向上位计算机发送反馈数据；如果时间片不属于自己，则立刻跳出中断。

优选的是，所述最优时间片自适应算法具体为：

初始时间片大于最优时间片时：启动系统→连续多次未检测到通信冲突→连续减小时间片直到发生首次通信冲突）→检测到首次通信冲突增大时间片→达到最优时间片；

初始时间片等于最优时间片时：启动系统→连续多次未检测到通信冲突→连续减小时间片直到发生首次通信冲突→检测到首次通信冲突增大时间片→再次达到最优时间片；

初始时间片小于最优时间片时：启动系统→检测到通信冲突→连续增大时间片直到首次未检测到通信冲突→达到最优时间片。

优选的是，时间片通信冲突的判断通过下位设备回传数据串的分析得到，具体为两种情况：一是在任意时间片内，接收并剔除解析出的正确协议帧后，剩下以帧头码开始或以帧尾码结束的残缺数据串；而对于同一次数据串被截断的冲突，会同时产生一个以帧头码开始和以帧尾码结束的残缺数据串，如果这两个残缺数据串能够合并为一个完整协议帧，则判断为通信冲突；二是在分配给某台下位设备的时间片内收到并解析出其它下位设备回传的正确协议帧，则判断为通信冲突。

优选的是，时间片浪费的判断通过是否发生通信冲突得到，具体为：如果尝试减少其时间片后立刻产生通信冲突则未发生时间片浪费，自动恢复到最优时间片；如果在尝试减小时间片后没有检测到通信冲突，则判定为存在时间浪费。

优选的是，上位计算机与穿梭车在其时间片内的数据传输过程为：上位计算机向该穿梭车发送时间片分配指令或其它动作指令；如果该穿梭车收到的是时间片分配指令，意味着该穿梭车向上位计算机进行通信的时机到来，则向穿梭车推送出存在发送队列里的数据帧；如果该穿梭车收到的是某个动作指令，同样意味着该穿梭车向上位计算机进行通信的时机到来，不仅要向穿梭车推送出存在发送队列里的数据帧，接着还要执行收到的动作指令。

优选的是，存在穿梭车发送队列里的数据帧包括动作完成信息、穿梭车状态、运行参数值，穿梭车在任何时刻生成这些信息时都能及时存入发送队列，待时间片轮到自己时再向上位计算机发送。

优选的是，穿梭车识别接收数据的过程为，在穿梭车下位计算机的软件中，无线通信数据解析模块将根据通信协议所定义的设备ID号识别并完成对接收到数据的筛选，仅留下发送给自己的数据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）使用半双工数传电台完成了无线通信组网。半双工数传电台具有成本低、信号传输距离长、稳定性好等特征，通过合理的技术方案设计，达到了以低成本实现多设备双向通信的效果。

（2）最优时间片自适应算法能够将设计师从确定最优时间片的繁琐试验工作中解放出来，其动态自适应调整的机制也保证了寻找并调整到最优时间片的精确性、高效性与实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的示意图。

图2是本发明的时间片轮询流程图。

图3是本发明的最优时间片概念图。

图4是本发明的最优时间片自适应算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，该多台穿梭车协同工作系统包括上位计算机1、多台穿梭车4、设置于每台穿梭车4上用于控制穿梭车运行的下位计算机（图中未示出）、一台与上位计算机1连接用于无线数据通信的上位数传电台2以及分别装载于每台穿梭车4上与穿梭车4上的下位计算机连接用于无线数据通信的下位数传电台3；

上位计算机采用时间片轮询方式依次与每台穿梭车进行数据通信，实现对多台穿梭车的控制与监控；当时间片轮流到任意一台穿梭车时，首先由上位计算机向穿梭车进行数据传输，穿梭车收到数据后延时一段时间，再从穿梭车向上位计算机进行数据传输，按照该操作流程遍历每一台穿梭车，依次往复循环，完成对多台穿梭车的轮询；

时间片的长短采用最优时间片自适应算法自动确定；时间片描述的是分配给一台设备时间的长短，时间片小于通信消耗时间，导致通信数据冲突；时间片大于通信消耗时间，造成时间浪费；通信消耗时间与时间片相当，达到了时间片最优；时间片自适应算法能够在时间片过短时自动增大时间片，时间片过长时自动减小时间片，最终自寻到最优时间片；

下位计算机采用中断方式响应无线数据通信；穿梭车响应通信数据的具体过程为：对于任意一台穿梭车，如果其搭载的下位数传电台接收到一定数量的字节时，就触发下位计算机的中断事件，下位计算机进入中断，接收并解析通信数据后，进行时间片归属的识别；如果时间片属于自己，则向上位计算机发送反馈数据；如果时间片不属于自己，则立刻跳出中断。

其中，时间片及最优时间片的概念如下：

时间片描述的是分配给一台设备时间的长短，如图2中所标示的时间片t。如果时间片过短，则会导致不同设备与上位计算机通信数据的传输在时间上产生重合而发生通信冲突；如果时间片过长，又会导致轮询周期的增大而降低上位计算机与穿梭车交互的实时性。因此，如何找到一个尽量短而又不发生不同设备之间通信冲突的时间片就成了使用时间片轮询方式进行无线通信组网的关键，而具备这个特点的时间片就叫做最优时间片。

最优时间片的概念图如图3所示。在图3-a中，时间片小于通信消耗时间，因此在1号穿梭车通信尚未结束时又开始了2号穿梭车的无线数据传输，导致通信数据冲突；在图3-c中，时间片大于通信消耗时间，虽然没有发生通信冲突，但是浪费了时间，不能达到最好的实时性。在图3-b中，通信消耗时间与时间片相当，既没有发生通信冲突也没有浪费时间，达到了时间片最优。

其中，时间时间片轮询方式如图2所示：

在上位计算机轮询机制的控制下，依次向各台穿梭车分配时间片，各台穿梭车在各自的时间片内与上位计算机完成双向数据传输。由于使用的数传电台是半双工工作模式，对于n号穿梭车，在其时间片内的数据传输过程为：上位计算机向n号穿梭车发送时间片分配指令或其它动作指令。如果n号穿梭车收到的是时间片分配指令，意味着n号穿梭车向上位计算机进行通信的时机到来，则向穿梭车推送出存在发送队列里的数据帧；如果n号穿梭车收到的是某个动作指令，同样意味着n号穿梭车向上位计算机进行通信的时机到来，不仅要向穿梭车推送出存在发送队列里的数据帧，接着还要执行收到的动作指令。存在穿梭车发送队列里的数据帧包括动作完成信息、穿梭车状态、运行参数值，穿梭车在任何时刻生成这些信息时都能及时存入发送队列，待时间片轮到自己时再向上位计算机发送。在时间片t内，完成上位计算机与n号穿梭车双向的数据传输，时间片t结束后，则进入下一个相同长短的时间片t，进行上位计算机与下一台穿梭车的双向的数据传输，依次循环，形成多台穿梭车通信的时间片轮询机制。

由于数传电台采用广播方式向其它数传电台传输数据，因此任意一台数传电台发送数据时，其它数传电台都能收到数据。对于任意一台穿梭车来说，需要识别出发送给自己的数据，过滤其它数据。在穿梭车下位控制计算机的软件中，无线通信数据解析模块将根据通信协议所定义的设备ID号识别并完成对接收到数据的筛选，仅留下发送给自己的数据。

其中，穿梭车响应通信数据的具体过程如下：

穿梭车响应通信数据的具体过程为：对于任意一台穿梭车，如果其搭载的数传电台接收到一定数量的字节时，就触发下位控制计算机的中断事件，下位控制计算机进入中断，接收并解析通信数据后，进行时间片归属的识别。如果时间片属于自己，则向上位计算机发送反馈数据（包含穿梭车状态、动作完成情况等信息）；如果时间片不属于自己，则立刻跳出中断。

其中，通信冲突判断的自动检测方法如下：

通信冲突指的是对于任意一台下位计算机，在不属于自己的时间片内与上位计算机发生数据传输，从而埋下与其它设备在通信上造成时间重合的隐患。在穿梭车无线通信系统中，通过在属于不同设备的时间片内检测穿梭车回传信息的情况，即可检测通信冲突。穿梭车与上位计算机之间使用具有固定帧头与帧尾的定长协议帧搭载数据，通常情况下，多条协议帧会首尾相连形成一个完整的数据串进行传输。通过大量实验与数据分析，通信冲突有以下几种情况：

a、当时间片小幅过小时，第n台下位计算机（穿梭车）回传的数据串A被截断为A1、A2两部分，其中A1部分在第n台的时间片内收到，而A2部分则在第n+1台设备的时间片内收到；

b、当时间片大幅过小时，第n台下位计算机（穿梭车）回传的数据串A在第n台下位计算机的时间片内完全没有收到，而在第n+1台设备的时间片内接收到了完整的数据串A；

c、当时间片极端过小时，第n台下位计算机（穿梭车）回传的数据串A在第n+a及第n+a+1(a≥1)个时间片内被截断为A1、A2两部分，或者在第n+b（b≥2）个时间片内收到完整的数据串A。

于是，通信冲突的检测可总结为两种情况：

a、在任意时间片内，接收并剔除解析出的正确协议帧后，剩下以帧头码开始或以帧尾码结束的残缺数据串。而对于同一次数据串被截断的冲突，会同时产生一个以帧头码开始和以帧尾码结束的残缺数据串，如果这两个残缺数据串能够合并为一个完整协议帧，那说明发生了协议帧截断现象。如有下位计算机上传的数据串：

【帧头码 设备码 ××××× 检验码 帧尾码 帧头码 设备码 ××××× 检验码 帧尾码 帧头码 设备码 ××××× 检验码 帧尾码 帧头码 设备码 ××××× 检验码 帧尾码】

在上例数据串中，有4帧正确的协议帧，×××××表示定长的若干数据码，假设第4帧协议帧由于时间片过小被截断，则产生：

A1【帧头码 设备码 ××××× 检验码 帧尾码 帧头码 设备码 ××××× 检验码 帧尾码 帧头码 设备码 ××××× 检验码 帧尾码 帧头码 设备码 ××】

A2【××× 检验码 帧尾码】

两个被截断的数据串，对于数据串A1，剔除解析出的3个正确协议帧之后，剩下残帧片段【帧头码 设备码 ××】，而对于数据串A2，剔除解析出的正确协议帧后（由于数据串A2中不存在正确的协议帧，相当于没有要剔除的部分），剩下残帧片段【××× 检验码 帧尾码】。

两段残帧经合并后，经检测为完整的一帧协议帧，即可判定正确的协议帧被截断，发生了通信冲突。

b、在分配给某台下位计算机的时间片内收到并解析出其它下位计算机回传的正确协议帧。如在2号穿梭车的时间片内，虽然解析出正确的协议帧，但发现其设备码为1号穿梭车，即可判定发生通信冲突。

其中，时间浪费判断的自动检测方法如下：

通过对下位计算机回传数据串的分析，可得到通信冲突的自动检测方案。然而，对于图3-c所示的时间浪费，则没有办法再通过下位计算机回传数据串的情况进行判定，因为只要通信没有冲突，那么无论是否产生时间浪费，下位计算机回传的数据串都是完整、正确地被接收与解析。

假设初始时间片小于下位计算机与上位计算机之间一次通信交互的时间消耗，那么经过通信冲突检测自动增加时间片后，会逐步接近并达到最优时间片（实际上会在增长步长的范围内小幅超过最优时间片），而达到最优时间片后，理论上不会再发生通信冲突，即最优时间片将会稳定地持续下去，直到偶然的意外或巧合导致通信冲突的误判从而再次增大时间片。假设初始时间片大于下位计算机与上位计算机之间一次通信交互的时间消耗，那么从一开始就不会发生通信冲突，初始的时间片将稳定地持续下去。

因此，在长时间没有检测出通信冲突的情况下，时间片的状态有两种情况：一是恰好达到了最优时间片（实际上会在增长步长的范围内小幅超过最优时间片），二是超过了最优时间片，而只有第二种情况存在时间浪费。对于第一种情况，如果尝试减少其时间片，则会立刻产生通信冲突从而自动恢复到最优时间片，而对于第二种情况，如果尝试减少其时间片，在没有小于最优时间片时将不会触发增加时间片的动作，于是系统将以减小后的时间片继续工作。因此，如果在尝试减小时间片后没有检测到通信冲突，则判定为存在时间浪费。于是，可以得到一个消除时间浪费的方法：尝试减小时间片。

其中，最优时间片自适应算法如下：

如图4所示，根据自适应调整的设想，在不同的初始时间片的情况下，时间片的变化规律应如下：

初始时间片大于最优时间片时：启动系统→连续多次未检测到通信冲突（如：设为10次）→连续减小时间片直到发生首次通信冲突（需要多次减小才冲突）→检测到首次通信冲突增大时间片→达到最优时间片。

初始时间片等于最优时间片时：启动系统→连续多次未检测到通信冲突（如：设为10次）→连续减小时间片直到发生首次通信冲突（只需一次减小就冲突）→检测到首次通信冲突增大时间片→再次达到最优时间片。

初始时间片小于最优时间片时：启动系统→检测到通信冲突→连续增大时间片直到首次未检测到通信冲突→达到最优时间片。

经过实际的测试，达到最优时间片后，发生偶然因素导致通信冲突误判的频率约为30分钟一次，于是将时间片稳定后再次尝试减小时间片的周期定为30分钟。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，其特征在于：多台穿梭车协同工作系统包括上位计算机、多台穿梭车、设置于每台穿梭车上用于控制穿梭车运行的下位计算机、一台与上位计算机连接用于无线数据通信的上位数传电台以及分别装载于每台穿梭车上与穿梭车上的下位计算机连接用于无线数据通信的下位数传电台；

上位计算机采用时间片轮询方式依次与每台穿梭车进行数据通信，实现对多台穿梭车的控制与监控；当时间片轮流到任意一台穿梭车时，首先由上位计算机向穿梭车进行数据传输，穿梭车收到数据后延时一段时间，再从穿梭车向上位计算机进行数据传输，按照该操作流程遍历每一台穿梭车，依次往复循环，完成对多台穿梭车的轮询；

时间片的长短采用最优时间片自适应算法自动确定；时间片描述的是分配给一台设备时间的长短，时间片小于通信消耗时间，导致通信数据冲突；时间片大于通信消耗时间，造成时间浪费；通信消耗时间与时间片相当，达到了时间片最优；时间片自适应算法能够在时间片过短时自动增大时间片，时间片过长时自动减小时间片，最终自寻到最优时间片；

下位计算机采用中断方式响应无线数据通信；穿梭车响应通信数据的具体过程为：对于任意一台穿梭车，如果其搭载的下位数传电台接收到一定数量的字节时，就触发下位计算机的中断事件，下位计算机进入中断，接收并解析通信数据后，进行时间片归属的识别；如果时间片属于自己，则向上位计算机发送反馈数据；如果时间片不属于自己，则立刻跳出中断。

2.根据权利要求1所述多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，其特征在于：所述最优时间片自适应算法具体为：

初始时间片大于最优时间片时：启动系统→连续多次未检测到通信冲突→连续减小时间片直到发生首次通信冲突）→检测到首次通信冲突增大时间片→达到最优时间片；

初始时间片等于最优时间片时：启动系统→连续多次未检测到通信冲突→连续减小时间片直到发生首次通信冲突→检测到首次通信冲突增大时间片→再次达到最优时间片；

初始时间片小于最优时间片时：启动系统→检测到通信冲突→连续增大时间片直到首次未检测到通信冲突→达到最优时间片。

3.根据权利要求1所述多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，其特征在于：时间片通信冲突的判断通过下位设备回传数据串的分析得到，具体为两种情况：一是在任意时间片内，接收并剔除解析出的正确协议帧后，剩下以帧头码开始或以帧尾码结束的残缺数据串；而对于同一次数据串被截断的冲突，会同时产生一个以帧头码开始和以帧尾码结束的残缺数据串，如果这两个残缺数据串能够合并为一个完整协议帧，则判断为通信冲突；二是在分配给某台下位设备的时间片内收到并解析出其它下位设备回传的正确协议帧，则判断为通信冲突。

4.根据权利要求1所述多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，其特征在于：时间片浪费的判断通过是否发生通信冲突得到，具体为：如果尝试减少其时间片后立刻产生通信冲突则未发生时间片浪费，自动恢复到最优时间片；如果在尝试减小时间片后没有检测到通信冲突，则判定为存在时间浪费。

5.根据权利要求1所述多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，其特征在于：上位计算机与穿梭车在其时间片内的数据传输过程为：上位计算机向该穿梭车发送时间片分配指令或其它动作指令；如果该穿梭车收到的是时间片分配指令，意味着该穿梭车向上位计算机进行通信的时机到来，则向穿梭车推送出存在发送队列里的数据帧；如果该穿梭车收到的是某个动作指令，同样意味着该穿梭车向上位计算机进行通信的时机到来，不仅要向穿梭车推送出存在发送队列里的数据帧，接着还要执行收到的动作指令。

6.根据权利要求5所述多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，其特征在于：存在穿梭车发送队列里的数据帧包括动作完成信息、穿梭车状态、运行参数值，穿梭车在任何时刻生成这些信息时都能及时存入发送队列，待时间片轮到自己时再向上位计算机发送。

7.根据权利要求1所述多台穿梭车协同工作系统的无线通信组网方法，其特征在于：穿梭车识别接收数据的过程为，在穿梭车下位计算机的软件中，无线通信数据解析模块将根据通信协议所定义的设备ID号识别并完成对接收到数据的筛选，仅留下发送给自己的数据。