CN104609086B - 基于路权令牌的四向穿梭车控制系统 - Google Patents
基于路权令牌的四向穿梭车控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种自动化仓储领域的基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，包括：WCS以及设置于四向穿梭车上的通信模块、穿梭车定位模块和车载控制模块，通信模块通过无线方式与WCS相连，接收穿梭车任务报文并输出至车载控制模块，车载控制模块根据任务报文控制穿梭车完成一系列动作，穿梭车定位模块通过读取设置于仓储货架上的地址标签或托盘位光电标记计数确定穿梭车所在位置的坐标信息，并将坐标信息输出至车载控制模块，车载控制模块根据当前四向穿梭车的坐标信息、穿梭车状态信息以及任务进程信息通过通信模块反馈至WCS；本发明通过优化路径规划、车辆调度和交通管控，穿梭车的搬运效率和仓储系统的吞吐率可以得到明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种自动化仓储领域的技术，具体是一种基于路权令牌的四向穿梭车控制系统。
背景技术
传统以叉车为搬运设备的仓储货架系统，都需要给叉车预留进出货架的通道，该通道的宽度需要考虑叉车转弯退出所需的空间，这种通道的空间一般占到整个仓库空间的30％左右，降低了仓库的存储密度。堆垛式仓储货架实现了自动化搬运，但堆垛机必须在两排货架中保留专门堆垛机巷道来架设堆垛机及其轨道，并且一台堆垛机只能在两排货架中运行，大型仓储系统中货架数量很大，堆垛机使用量也大，系统成本高。
穿梭车是一种在立体货架的轨道上行驶的自动化物流搬运小车。主要用于高密度货架式仓储系统，实现无人化搬运，在大量平行布置的储货流道间不需保留专门空间，但增加了连接所有流道口的行车巷道，这种巷道供穿梭车出入各个储存流道之用。根据巷道布局的不同，巷道所占空间约为10％‐20％，仓库空间的利用率仍然得到提高，利于实现高密度的存储。其次，立体穿梭式货架中流道和巷道中均铺有轨道，由于巷道连接所有流道，四向穿梭车可以将货架中的任意一个储位上的货物直接搬运到另一个储位上，不需要借助类似叉车这样的中间转运设备，这样就可以提高仓储系统的搬运效率，特别是在执行移库作业时，效率提高更加明显。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102602643A公开(公告)日2012.07.25，公开了一种高密度自动立体仓储系统，其技术特点是：包括立体仓库、全自动搬运车和仓储智能控制系统，该立体仓库由多层仓库构成，每层仓库内的货物存放在货物托盘上，在每层仓库之间设有升降电梯，在每层仓库的地面上敷设有车辆导引标识，全自动搬运车根据仓储控制命令钻入货物托盘下方托起货物托盘上的货物并按照车辆导引标识行进实现对货物的搬运功能，仓储智能控制系统通过用户操作终端和仓储控制服务器实现货物的存取控制功能。但该现有技术与本发明相比，该公开技术需要采用钢筋混泥土多层货架，在每层货架的地面上铺设车辆导引标识，要求巷道宽度大于搬运车的对角线。其次，该技术中的仓储控制系统未就安全行车、提高搬运效率而采取的控制技术做出描述。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，通过优化路径规划、车辆调度和交通管控，穿梭车的搬运效率和仓储系统的吞吐率可以得到明显提高。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：WCS(Warehouse Control System，仓储控制系统)以及设置于四向穿梭车上的通信模块、穿梭车定位模块和车载控制模块，其中：通信模块通过无线方式与WCS相连，接收穿梭车任务报文并输出至车载控制模块，车载控制模块根据任务报文控制穿梭车完成一系列动作，穿梭车定位模块通过读取设置于仓储货架上的地址标签或托盘位光电标记计数确定穿梭车所在位置的坐标信息，并将坐标信息输出至车载控制模块，车载控制模块根据当前四向穿梭车的坐标信息、穿梭车状态信息以及任务进程信息通过通信模块反馈至WCS。
所述的WCS包括：通信单元、穿梭车状态监控模块、任务录入模块、最短路径计算模块、路径优化模块、路权令牌管理模块和任务优化模块，其中：任务录入模块接收操作人员制定的任务，任务录入模块将接收到的任务起点和终点坐标以及作业类型传输给最短路径计算模块，通信单元以无线方式与四向穿梭车的控制模块相连并获取坐标信息、穿梭车状态信息和任务进程信息后输出至穿梭车状态监控模块，并将坐标信息和穿梭车状态信息输出至最短路径计算模块，最短路径计算模块根据任务起点和终点坐标以及穿梭车状态信息计算出最短路径，并输出给路径优化模块，路权令牌管理模块与穿梭车状态监控模块相连并获取穿梭车任务进程信息以更新当前令牌状态，路径优化模块与路权令牌管理模块相连并根据当前令牌状态生成最佳路径并输出至任务优化模块，任务优化模块根据任务类型及任务路径信息对任务分配进行优化，将优化后的任务序列以穿梭车任务报文形式通过无线通信网络发送给穿梭车。
所述的最佳路径通过路径优化模块比对所有可选路径中转弯数最少、可用令牌占比最高的路径作为最佳路径。
技术效果
与现有技术相比，本发明的技术效果包括：
1)通过任务优化和路径优化，使用48V/40Ah车载电池可满足穿梭车工作一个8小时班次。
2)实现立体仓储系统无人化搬运，最大搬运货物重量1500kg，平均搬运速度为1m/s，搬运效率提高显著。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
图2为穿梭式立体货架的平面布局；图中：1为轨道、2为巷道停车位、3为流道托盘位、4为地址标签、5轨道翻边。
图3a为图1中区域A放大示意图，图3b为轨道剖面图；图中：6为流道托盘位光电定位点、7为巷道托盘位光电定位点、8为导向轮挡板。
图4a～图4c为二次提前减速、精准停车过程的示意图。
图5为路权令牌交通管控示意图；图中：9为货梯、10为有货货道、11为无货货道、12为巷道。
图6为交叉布置的防撞光电传感器示意图；图中：15为四向穿梭车、16为光电传感器。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：WCS(Warehouse Control System，仓储控制系统)以及设置于四向穿梭车上的通信模块、穿梭车定位模块和车载控制模块，其中：通信模块通过无线方式与WCS相连，接收穿梭车任务报文并输出至车载控制模块，车载控制模块根据任务报文控制穿梭车完成一系列动作，穿梭车定位模块通过读取设置于仓储货架上的地址标签或托盘位光电标记计数确定穿梭车所在位置的坐标信息，并将坐标信息输出至车载控制模块，车载控制模块将当前四向穿梭车的坐标信息、穿梭车状态信息以及任务进程信息通过通信模块反馈至WCS。
所述的穿梭车任务报文包括：动作指令序列和路径令牌，其中：动作指令序列包含穿梭车为完成WCS的某个任务而实施的一系列动作，路径令牌信息为二进制数，其中每一位对应动作指令序列中的一个托盘位轨道的路权令牌。
所述的动作指令序列的基本格式为：“动作+[动作参数]”，其中：[动作参数]只有前后移动的动作类型是必须的，如“向前或向后+位移量”中位移量是以步数为单位的动作参数，每一步对应一个托盘位；其它动作类型则没有动作参数，如“向左或向右转90度”、“停车”、“读取RFID”、“抬升或降低托盘”等动作指令中均没有动作参数。一个完整的动作指令序列可以是多个“动作+[动作参数]”的组合，如“向前+9步+停车+读取RFID+右转90度+向后+5步+停车+抬升托盘”。
所述的路径令牌信息中任意一位为“0”时，表示该托盘位轨道路权已被其它穿梭车占用，穿梭车行驶到该托盘位前，穿梭车会自动减速停车。待前方托盘位的路权令牌被WCS收回并重新分配给当前的穿梭车后，穿梭车方可启动穿过。
所述的穿梭车状态信息包括：抬升机构高低位置信息、穿梭车车轮的方向(X或Y方向)、障碍物传感器状态(障碍物有或无)、前方托盘检测传感器状态(托盘有或无)等。
所述的任务进程信息是指：四向穿梭车已行走的步数，即经过仓储货架托盘位的个数，如某个搬运任务总的移动步数是10步，当前已完成4步。这个数据不仅可以反映当前任务的完成情况，路径令牌管理还通过这个数据可以动态回收已行驶过路段的路权令牌。
所述的WCS包括：通信单元、穿梭车状态监控模块、任务录入模块、最短路径计算模块、路径优化模块、路权令牌管理模块和任务优化模块，其中：任务录入模块接收操作人员制定的任务，任务录入模块将接受到的任务起点和终点坐标以及作业类型传输给最短路径计算模块，通信单元以无线方式与四向穿梭车的控制模块相连并获取坐标信息、穿梭车状态信息和任务进程信息后输出至穿梭车状态监控模块，并将坐标信息和穿梭车状态信息输出至最短路径计算模块，最短路径计算模块根据任务起点和终点坐标以及穿梭车状态信息计算出最短路径，并输出给路径优化模块，路权令牌管理模块与穿梭车状态监控模块相连并获取穿梭车任务进程信息以更新当前令牌状态，路径优化模块与路权令牌管理模块相连并根据当前令牌状态生成最佳路径并输出至任务优化模块，任务优化模块根据任务类型及任务路径信息对任务分配进行优化，将优化后的任务序列以穿梭车任务报文形式通过无线通信网络发送给穿梭车。
所述的穿梭车定位模块包括：地址标签读写单元和托盘位光电传感器，其中：地址标签读写单元与车载控制模块相连并传输读取到的地址标签内坐标信息，托盘位光电传感器与车载控制模块相连并传输托盘位的检测结果供控制模块进行托盘位计数以及车体对准托盘位的精确停车。
如图2所示，为穿梭式立体货架某一层的平面布局，其中：行车巷道12为环形结构，储货流道10和11分别位于行车巷道12的内部和外部，其中：行车巷道12内部为已有货物的储货流道10，外部的储货流道11上的托盘仍未存货，四向穿梭车可通过行车巷道12到达任意一条并行储货流道。所述的地址标签设置于行车巷道12上的每一个托盘位、行车巷道12两侧的储货流道上的托盘位，以及货物进出货架出入口的货梯位9。
所述的车载控制模块包括：任务进度监控单元、车速控制单元、精准停车控制单元、转向机构控制单元和抬升机构控制单元，其中：任务进度监控单元分别与车速控制单元、精准停车控制单元、转向机构控制单元和抬升机构控制单元相连，将任务进程信息输出给车速控制单元、精准停车控制单元、转向机构控制单元和抬升机构控制单元；当前任务进展到某一动作时，任务进度监控单元向执行该动作的精准停车控制单元、车速控制单元、转向机构控制单元、抬升机构控制单元发出对应的指令，其中：精确停车控制单元在收到停车指令并当穿梭车定位模块检测到托盘位标记时对准该标记实施精准停车，车速控制单元收到加减速指令时控制行走电机加速或减速，转向机构控制单元接收到转向指令时控制转向电机实现车轮原地90°转向，抬升机构控制单元接收到抬升或降低指令时控制抬升电机正向或反向转动带动车体顶部载货平板升降，实现存货或取货。
所述的动作包括精确停车动作，如图4a～图4c所示，由于载货的穿梭车在高速行驶时突然刹车会导致货物倾翻，所以本系统中穿梭车的停车过程也必须保证平稳性。一次平稳精确的停车过程可以概括为“二次提前减速，对准停车”。图4a中穿梭车已到达托盘位Xn，车载光电位置传感器X1和X2发出的光线也已对准该托盘位标记即轨道翻边的两个外延，如下一个托盘位Xn+1就是一个停车位，则穿梭车控制器内车速控制单元会将车速从额定车速降低50％，继续前行；当只有车载X1位置光电检测到下一个托盘位轨道翻边外延时，穿梭车再减速至额定车速的10％并低速前进，直到X1和X2位置光电都检测到轨道翻边外延，车载精确停车控制单元立即发出停车指令，实现平稳精确停车，停车位置误差小于5mm。
所述的路权令牌管理模块包括：路权令牌状态记录单元、路权令牌回收单元和路权令牌分配单元，其中：路权令牌状态记录单元与路径优化模块相连并传输当前的令牌状态，路权令牌回收单元与穿梭车状态监控模块相连，通过分析穿梭车任务进程信息回收已行驶过的路段的令牌并更新路权令牌状态记录，路权令牌分配单元与路径优化模块相连并传输当前最新的令牌状态。
所述的任务优化模块包括：路径比对单元和出入库作业管理单元，其中：路径比对单元与出入库作业单元相连，在出库作业单元和入库作业单元中寻找作业路径相近的出库和入库作业并配对，并将优化后的任务序列以穿梭车任务报文形式通过无线通信网络发送给穿梭车；这样的一对入库和出库作业就被分配给附近空闲的同一穿梭车先后完成，出入库作业经过这样的优化可以减少穿梭车的空驶率，提高搬运效率。
如图5所示，为路权令牌交通管控示意图。路权令牌交通管控的设计可以有效避免因多车路径重叠而导致撞车事故的发生。WCS根据穿梭车的行驶路径制定对应该路径的路径令牌，如果路径令牌中有些托盘位的令牌为空，则表示该路径中有些托盘位轨道当前不能使用，已有其它穿梭车占用该托盘位轨道的路权。在行进到未取得令牌的托盘位前，穿梭车需要停车等待，直到前方轨道的令牌被释放回WCS，并由WCS回收并将回收到的令牌赋予到当前穿梭车的路径令牌中。这种令牌交通管控设计可以有效避免两车在重叠路段出现相撞的可能。为了减少穿梭车对令牌的占用时间，WCS和车载控制器需要动态管理路权令牌。一旦穿梭车行驶过某托盘位，则穿梭车载控制器会向WCS发出释放该段轨道路权令牌的报文，而不必等本次任务全部完成后一次性释放所有路径令牌。这样的优点是，其它穿梭车能更快获得所需的令牌，这样可以减少穿梭车等待路权令牌的时间，提高搬运效率。
举例：图5中，有两部穿梭车D1和D2分别执行各自的任务，任务路径分别用标有车号D1和D2的圆形令牌依次标出，从图中可以看出，两车的路径中在下方水平巷道有8个网格出现重叠。当前该8小格路段的令牌都标有车号”D1”，表示这部分路段的令牌为D1穿梭车占用，待D1使用完这部分路段后WCS会依次收回路权令牌，重新分配给穿梭车D2。
图6所示为车载防撞传感器布置示意图。在四向穿梭车的每个侧面板的两端都对称安装有探测范围为1000mm的漫反射型光电传感器，如图6所示，每个侧面的两个传感器发射的光线水平向前，并在车身前600mm左右形成交叉，可探测行进前方约800mm的范围是否有障碍物，如其它穿梭车或散落的货物。如果发现有障碍物，车载控制器立即发出停车指令。
Claims (8)
1.一种基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，其特征在于，包括：WCS以及设置于四向穿梭车上的通信模块、穿梭车定位模块和车载控制模块，其中：通信模块通过无线方式与WCS相连，接收穿梭车任务报文并输出至车载控制模块，车载控制模块根据任务报文控制穿梭车完成一系列动作，穿梭车定位模块通过读取设置于仓储货架上的地址标签或托盘位光电标记确定穿梭车所在位置的坐标，并将坐标信息输出至车载控制模块，车载控制模块将当前四向穿梭车的坐标信息、穿梭车状态信息以及任务进程信息通过通信模块反馈至WCS；
所述的穿梭车任务报文包括：动作指令序列和路径令牌，其中：动作指令序列包含穿梭车为完成WCS的某个任务而实施的一系列动作，路径令牌信息为二进制数，其中每一位对应动作指令序列中的一个托盘位轨道的路权令牌；
所述的任务进程信息是指：四向穿梭车已行走的步数，即经过仓储货架托盘位的个数。
2.根据权利要求1所述的基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，其特征是，所述的WCS包括：通信单元、穿梭车状态监控模块、任务录入模块、最短路径计算模块、路径优化模块、路权令牌管理模块和任务优化模块，其中：任务录入模块接收操作人员制定的任务，任务录入模块将接收到的任务起点和终点坐标以及作业类型传输给最短路径计算模块，通信单元以无线方式与四向穿梭车的控制模块相连并获取坐标信息、穿梭车状态信息和任务进程信息后输出至穿梭车状态监控模块，并将坐标信息和穿梭车状态信息输出至最短路径计算模块，最短路径计算模块根据任务起点和终点坐标以及穿梭车状态信息计算出最短路径，并输出给路径优化模块，路权令牌管理模块与穿梭车状态监控模块相连并获取穿梭车任务进程信息以更新当前令牌状态，路径优化模块与路权令牌管理模块相连并根据当前令牌状态生成最佳路径并输出至任务优化模块，任务优化模块根据任务类型及任务路径信息对任务分配进行优化，将优化后的任务序列以穿梭车任务报文形式通过无线通信网络发送给穿梭车。
3.根据权利要求2所述的基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，其特征是，所述的最佳路径通过路径优化模块比对所有可选路径中转弯数最少、可用令牌占比最高的路径作为最佳路径。
4.根据权利要求1所述的基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，其特征是，所述的穿梭车定位模块包括：地址标签读写单元和托盘位光电传感器，其中：地址标签读写单元与车载控制模块相连并传输读取到的地址标签内坐标信息，托盘位光电传感器与车载控制模块相连并传输托盘位的检测结果供控制模块进行托盘位计数以及车体对准托盘位的精确停车；
所述的地址标签设置于行车巷道上的每一个托盘位、行车巷道两侧的储货流道上的托盘位，以及货物进出货架出入口的货梯位。
5.根据权利要求1所述的基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，其特征是，所述的车载控制模块包括：任务进度监控单元、车速控制单元、精准停车控制单元、转向机构控制单元和抬升机构控制单元，其中：任务进度监控单元分别与车速控制单元、精准停车控制单元、转向机构控制单元和抬升机构控制单元相连，将任务进程信息输出给车速控制单元、精准停车控制单元、转向机构控制单元和抬升机构控制单元；当前任务进展到某一动作时，任务进度监控单元向执行该动作的精准停车控制单元、车速控制单元、转向机构控制单元、抬升机构控制单元发出对应的指令，其中：精确停车控制单元在收到停车指令并当穿梭车定位模块检测到托盘位标记时对准该标记实施精准停车，车速控制单元收到加减速指令时控制行走电机加速或减速，转向机构控制单元接收到转向指令时控制转向电机实现车轮原地90°转向，抬升机构控制单元接收到抬升或降低指令时控制抬升电机正向或反向转动带动车体顶部载货平板升降，实现存货或取货。
6.根据权利要求2所述的基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，其特征是，所述的路权令牌管理模块包括：路权令牌状态记录单元、路权令牌回收单元和路权令牌分配单元，其中：路权令牌状态记录单元与路径优化模块相连并传输当前的令牌状态，路权令牌回收单元与穿梭车状态监控模块相连，通过分析穿梭车任务进程信息回收已行驶过的路段的令牌并更新路权令牌状态记录，路权令牌分配单元与路径优化模块相连并传输当前最新的令牌状态。
7.根据权利要求2所述的基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，其特征是，所述的任务优化模块包括：路径比对单元和出入库作业管理单元，其中：路径比对单元与出入库作业单元相连，在出库作业单元和入库作业单元中寻找作业路径相近的出库和入库作业并配对，并将优化后的任务序列以穿梭车任务报文形式通过无线通信网络发送给穿梭车。
8.根据权利要求1所述的基于路权令牌的四向穿梭车控制系统，其特征是，所述的四向穿梭车的每个侧面板的两端都对称安装有光电传感器，且每两个相邻传感器发射的光线水平向前并在车身前形成交叉，以探测行进前方是否有障碍物。
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