CN105162221B

CN105162221B - 自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置及充电方法

Info

Publication number: CN105162221B
Application number: CN201510491993.1A
Authority: CN
Inventors: 王帆; 褚建新; 翟琳; 魏伟; 程晨; 刘龙洋; 徐炜
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2018-11-30
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: CN105162221A

Abstract

本发明公开了一种AGV自动充电车载装置，以及使用该装置充电的方法。本装置包括：RFID读写线圈、充电连接器缓冲装置、挂钩式充电连接器、电量测量模块、车载充电控制器、车载无线模块。车载充电控制器通过总线控制其他装置，通过车载无线模块与地面装置通信。挂钩式充电插头缓冲装置可提高电源与插头的成功连接率，提高AGV工作效率。通过RFID技术对充电区定位，可靠性提高。挂钩式充电连接器可收缩，节省空间并保证了充电插头的安全。

Description

自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置及充电方法

技术领域

本发明涉及集装箱码头载运工具的充电装置，具体涉及一种自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置以及对所述自动充电车载装置进行充电的方法。

背景技术

新一代自动化集装箱码头实现集装箱全自动装卸运输，从而大大提高装卸集装箱的效率。其六大子系统中的智能化水平运输系统中，码头前沿的岸桥（QC，quay crane）与堆场全自动轨道吊（ARMG，Automated Rail Mounted Gantry crane）之间的集装箱主要是由全电动无人自动导航运载车（AGV）完成。AGV工作一段时间后，需要进行自动充电。

充电作业控制过程是，AGV的车载蓄电池电压在低于某待定阀值时，启动自动充电程序并且存储当前任务节点，然后通过车载控制模块前往充电区域充电，由导航模块将AGV精确定位后，AGV开始进行电源对接，自动对接完成后开始充电，当蓄电池电量到达某待定阀值后，表明充电完成并退出充电作业，随后返回任务节点。

在充电装置可行方案中，主要有刚性直插式、滑触式以及非接触式三种充电方案。刚性直插式主要是直接将插头准确插入电源插座中进行充电；滑触式主要是通过伸缩机构，快速推动集电器电刷与装在车上的碳刷紧密接触，实现滑线得电；非接触式主要是电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现电能的传递。

现有技术中，AGV在工作时，随时可能发生电能不足的情况，其所剩电能不足以前往充电区域时，AGV可能出现自行停车现象，将会影响智能化码头其他AGV工作，同时，当多个AGV同时出现电能不足时，可能在充电区出现拥堵现象，降低了智能化码头的工作效率。除此之外，在现有技术中，特别是对于刚性直插式、滑触式，AGV进入充电区时，必须精准控制AGV的位置才能促使插头准确与电源连接或集电极电刷与车上的碳刷接触，待电源接通后开始充电，而当AGV未能精确停靠在充电区域时，AGV需要重新停靠。并且对于滑触式，需要架设支架设施，对场地安全有着较大影响。而对于无接触式充电装置来说，除却准确定位外，其传输功率不足，不能为锂电池提供快速充电，影响AGV工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置。本发明使用可快速充电的磷酸铁锂电池作为驱动能源，其具有高能量密度、电压平台高、热稳定性好、循环寿命长，保证锂电池能在短时间内将蓄电池充满。考虑到AGV工作的连续性，本发明的AGV自动充电装置安装在堆场的AGV充电缓冲区，采用在线充电的方式解决全电驱动的AGV的充电问题。

也就是当AGV每次进入堆场的AGV充电缓冲区时，通过自动充电装置快速充电，AGV每次充电时间为90s，理论充电2.5度，与AGV的单圈耗电基本吻合。由此，既避免了AGV因电量不足不能到达充电区域，又解决了充电区AGV数量过多的问题。

当AGV由岸桥至堆场后返回至岸桥完成一个周期工作后随即进入路径中设定的充电区域充电。本发明针对智能化码头在无人值守的情况下，AGV通过集装箱码头堆场埋设RFID标签矩阵的作用进行位置检测并确定AGV的运动轨迹，当AGV由岸桥向堆场运送集装箱，每次经过AGV缓冲区进行一次快速充电。在AGV进入充电缓冲区时，由AGV上的RFID读写线圈读取地面RIFD标签信息判定AGV位置是否进入充电区。

若AGV由充电等候区进入充电区，车载控制模块使AGV的挂钩式充电连接器伸开，随着AGV进入充电区后停止移动，AGV上的挂钩式充电连接器上的充电插头将会与地面上的电源相连接，则插头将会插入电源中，AGV则开始为电池组充电；AGV在快速充电完成后，由电压检测模块检测到电量达到某待定阀值时，车载充电控制器控制挂钩式充电连接器收回，然后AGV启动离开。

现有技术中，特别是对于刚性直插式、滑触式，AGV进入充电区时，必须精准控制AGV的位置才能促使插头准确与电源连接或集电极电刷与车上的碳刷接触，待电源接通后开始充电，而当AGV未能精确停靠在充电区域时，AGV需要重新停靠。并且对于滑触式，需要架设支架设施，对场地安全有着较大影响。而对于无接触式充电装置来说，除却准确定位外，其传输功率不足，不能为锂电池提供快速充电，影响AGV工作效率。

本发明设计了一种新颖的挂钩式自动充电装置，可以促使AGV在未能准确到达充电缓冲区时也能顺利连接，以保证AGV与充电装置连接的成功率，提高了AGV的工作效率；同时充电装置直接与岸电相连，提高充电效率。

本发明的技术方案如下：

一种自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置，包括：安装在AGV车头和车尾下部的的RFID读写线圈；安装在车体中间下部的充电连接器缓冲装置；以及与充电连接器缓冲装置相连接的挂钩式充电连接器；安装在车体内部的电量测量模块；以及与以上各部件均相连的车载充电控制器及具有收发无线信号功能的车载无线模块。

充电连接器缓冲装置由紧固件固定在车体中部下方上的两个弹簧和一个可活动模块组成，可活动模块上装有电机并与挂钩式充电连接器相连。当AGV所停位置发生偏差时，可活动模块通过弹簧的伸缩作用带动挂钩式充电连接器先前或向后移动，使之与地面电源连接。

挂钩式充电连接器的第一长方体模块的一端通过电机与可活动模块相连；另一端与第二长方体模块的一端通过另一电机相连。第二长方体模块的另一端上装有充电插头。充电插头通过埋藏在挂钩式充电连接器和充电连接器缓冲装置中的导线与电池组相连。车载充电控制器通过总线与挂钩式充电连接器、充电连接器缓冲装置、RFID读写线圈、以及车载无线模块相连，用以控制各个装置执行对应动作，同时，通过车载无线模块实现与地面装置的通信。

本发明同时提供了对上述自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置进行充电的方法，具体步骤如下：

步骤一、AGV在集装箱码头堆场埋设的RFID标签矩阵的作用下，由岸桥至堆场完成一个周期工作后进入路径中设定的缓冲区域充电；如充电区内有AGV正在充电作业，则AGV在充电等候区等待。

步骤二、在AGV进入充电区时， AGV车头部的RFID读写线圈读取充电区左侧的第一个RFID标签的位置信息，并将读取的信息通过无线信号传至车载充电控制器，车载充电控制器通过车载无线模块对地面装置传输信号，车载充电控制器使可活动模块上的电机带动第一长方体模块与可活动模块成30度角，同时，第二长方体模块另一端的电机带动第二长方体模块与第一长方体模块也成30度角；挂钩式充电连接器伸出，形成挂钩状态，等待与地面电源连接；

步骤三、随着AGV到达充电区域停止， AGV由车头和车尾部的RFID读写线圈读写地面上的RFID标签信息，确定AGV的停车位置；同时，充电区内的地面电源位置对应于AGV停止时其上的挂钩式充电连接器的位置。挂钩式充电连接器的充电插头稳定并与地面电源相连。

步骤四、AGV开始充电作业。

步骤五、当无线电量测量模块测得电量到达某待定阀值时表明充电完成，电量检测模块检测到电量充满，通过车载无线模块对地面装置传输信号，电量检测模块通过车载充电控制器控制可活动模块上的电机带动第一长方体模块与可活动模块平行，同时，第二长方体模块另一端的电机带动第二长方体模块与第一长方体模块平行，使挂钩式充电连接器收缩并脱离地面电源。AGV离开充电区。

本发明具有以下特点和优点：

（1）充电插头采用挂钩式。

（2）通过缓冲装置，使AGV在位置发生偏差的情况下也能与地面电源连接。

（3）挂钩式充电连接器可收缩。

（4）RFID读写线圈用于AGV充电缓冲区的定位。

（5）挂钩式充电插头缓冲装置可提高电源与插头的成功连接率，提高AGV工作效率。

（6）通过RFID技术对充电区定位，可靠性高。

(7)挂钩式充电连接器可收缩，节省空间并保证了充电插头的安全。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1 是本发明全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置充电缓冲区俯视图；

图2 是本发明全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置的侧视图；

图3 是本发明全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置电源板的车载充电控制器通过总线与其他被控制对象的连接示意图；

图4 是本发明全电动无人自动导航载运车在等待区的侧视图；

图5 是本发明全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置在自动充电区的结构示意图；

图6 是本发明全电动无人自动导航载运车在充电区充电的示意图；

图7 是本发明全电动无人自动导航载运车停止在充电区的示意图；

图8 是本发明全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置与地面电源的配合示意图；

图9是本发明全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置充电方法的流程图。

附图标记说明：101是RFID标签；102是电机； 202是弹簧； 305是总线；104是挂钩式充电连接器；106是充电连接器缓冲装置；107是电量测量模块；108是地面电源；109是RFID读写线圈；112是电池组；202是弹簧；203是可活动模块；305是总线；306是车载充电控制器；

401是第二长方体模块2；402是是第一长方体模块；403是紧固件；501是车载无线模块；

具体实施方法

AGV整个充电缓冲区分为充电等候区和充电区两个部分。区域的划分主要通过RFID标签矩阵信息决定。RFID标签矩阵由间距相等的若干RFID标签组成，如图1所示，整个充电缓冲区内的圆圈矩阵表示为RFID标签101矩阵；在虚线框内的区域为AGV充电区，矩形代表AGV，沿着AGV运动方向为车头，反方向为车尾，车头和车尾上的矩形是安装在AGV车头和车尾的RFID读写线圈109。AGV主要通过安装在AGV车头和车尾的RFID读写线圈读取充电区内的RFID标签信息来决定AGV在充电区的位置姿态。

同时，如图1所示，在AGV中部安装有两个挂钩式充电连接器104，并与电池组112组成回路；当两个挂钩式充电连接器104分别与地面电源的正、负极连接时，电池组开始充电。

车载装置主要包括：安装在AGV车头和车尾下部的的RFID读写线圈109；安装在车体中间下部的充电连接器缓冲装置106；以及与充电连接器缓冲装置106相连接的挂钩式充电连接器104；安装在车体内部的电量测量模块107；以及与以上各部件均相连的车载充电控制器306及其具有收发无线信号的车载无线模块501。

对于AGV车载装置而言，由于RFID技术定位的误差，AGV在充电区内的位置存在偏差，所以，在AGV中部的挂钩式充电连接器104上加装了充电连接器缓冲装置106。如图2所示，RFID读写线圈放置AGV车体的车头和车尾下部，易于读取地面RFID标签。充电连接器缓冲装置106由紧固件403固定在车体中部下方上的两个弹簧202和一个可活动模块203组成，可活动模块203上装有电机102并与挂钩式充电连接器104相连。当AGV所停位置发生偏差时，可活动模块通过弹簧的伸缩作用带动挂钩式充电连接器104先前或向后移动，使之与地面电源连接。

同时，如图2所示，挂钩式充电连接器104的第一长方体模块402的一端通过电机102与可活动模块203相连；另一端与第二长方体模块401的一端通过另一电机相连。第二长方体模块401的另一端上装有充电插头111。充电插头111通过埋藏在挂钩式充电连接器104和充电连接器缓冲装置106中的导线与电池组相连。车载充电控制器306与各个装置相连，用以控制各个装置执行对应动作，同时，通过车载无线模块501实现与地面装置的通信。如图3所示，各个车载装置通过总线与车载充电控制器306相连。

当挂钩式充电连接器104不工作时，其处于收缩状态，从而保护了充电装置，也节省了空间；如图4所示，可活动模块203上的电机带动第一长方体模块402与可活动模块203平行，同时，第二长方体模块401另一端的电机带动第二长方体模块401与第一长方体模块402平行。

当AGV上的挂钩式充电连接器104需要工作时，可活动模块203上的电机带动第一长方体模块402与可活动模块203成30度角，同时，第二长方体模块401另一端的电机带动第二长方体模块401与第一长方体模块402也成30度角。此时，挂钩式充电连接器104伸出，形成挂钩状态，等待与地面电源连接。如图5所示，AGV进入充电区时，挂钩式充电连接器104等待与地面电源108连接。

以上为AGV整个自动充电车载装置各个部分的组成装置，各个装置的连接样式以及各个装置在整个充电装置中的作用。所以，当AGV进入充电区，各个装置的运行顺序如下：

处于AGV车头的RFID读写线圈读取充电区左侧第一个RFID标签时，RFID读写线圈将标签信息交由车载充电控制器处理，并对车载各个装置发布指令，使挂钩式充电连接器伸出，同时通过车载无线模块对地面装置的地面无线模块传输信号。AGV由车头和车尾部的RFID读写线圈读写地面上的RFID标签信息，确定AGV的停车位置。当挂钩式充电连接器的充电插头与地面电源连接，AGV开始充电，电量检测模块检测到电量充满，电量检测模块通过车载充电控制器控制挂钩式充电连接器收缩。AGV离开充电区。

AGV自动充电装置具体工作步骤：

（1）AGV在通过集装箱码头堆场埋设RFID标签矩阵的作用下AGV由岸桥至堆场完成一个周期工作后随即进入路径中设定的缓冲区域充电。如充电区内有AGV正在充电作业，则AGV在充电等候区等待。（AGV自动充电缓冲区俯视图，如图1；AGV在车载装置侧视图，如图2）

（2）在AGV进入充电区时，如图6所示，AGV车头部的RFID读写线圈109读取充电区左侧（面向）的第一个RFID标签101的位置信息，并将读取的信息通过无线信号传至车载充电控制器306，车载充电控制器306通过车载无线模块501对地面装置传输信号，车载充电控制器306使可活动模块203上的电机带动第一长方体模块402与可活动模块203成30度角，同时，第二长方体模块401另一端的电机带动第二长方体模块401与第一长方体模块402也成30度角。此时，挂钩式充电连接器104伸出，形成挂钩状态，等待与地面电源108连接。

（3）随着AGV到达充电区域停止，如图7所示，AGV由车头和车尾部的RFID读写线圈读写地面上的RFID标签信息，确定AGV的停车位置。同时，如图8所示，充电区内的地面电源108位置对应于AGV停止时其上的挂钩式充电连接器104的位置。挂钩式充电连接器104的充电插头111稳定并与地面电源108相连。

（4）AGV开始充电作业。

（5）当无线电量测量模块107测得电量到达某待定阀值时表明充电完成，电量检测模块107检测到电量充满，通过车载无线模块501对地面装置传输信号，电量检测模块通过车载充电控制器306控制可活动模块203上的电机带动第一长方体模块402与可活动模块203平行，同时，第二长方体模块401另一端的电机带动第二长方体模块401与第一长方体模块402平行，使挂钩式充电连接器104收缩（如图4）并脱离地面电源。AGV离开充电区。

各个模块运行流程图如图9所示。

以上显示和描述了发明的基本原理、主要特征和优点。本专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置，其特征在于包括：安装在AGV车头和车尾下部的RFID读写线圈(109)；安装在车体中间下部的充电连接器缓冲装置(106)；以及与充电连接器缓冲装置(106)相连接的挂钩式充电连接器(104)；安装在车体内部的电量测量模块(107)；车载充电控制器(306)和车载无线模块(501)；车载充电控制器(306)通过总线(305)与挂钩式充电连接器(104)、充电连接器缓冲装置(106)、RFID读写线圈(109)、以及车载无线模块(501)相连并控制它们执行对应动作，通过车载无线模块(501)实现与地面装置的通信。

2.如权利要求1所述的自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置，其特征在于，所述充电连接器缓冲装置(106)由通过紧固件(403)固定在车体中部下方上的两个弹簧(202)和一个可活动模块(203)组成，所述可活动模块(203)上装有电机(102)并与挂钩式充电连接器(104)相连；当AGV所停位置发生偏差时，可活动模块通过弹簧的伸缩作用带动所述挂钩式充电连接器(104)向前或向后移动，使之与地面电源连接。

3.如权利要求1所述的自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置，其特征在于，所述挂钩式充电连接器(104)的第一长方体模块(402)的一端通过电机(102)与可活动模块(203)相连；另一端与第二长方体模块(401)的一端通过另一电机相连；第二长方体模块(401)的另一端上装有充电插头(111)；充电插头(111)通过埋藏在挂钩式充电连接器(104)和所述充电连接器缓冲装置(106)中的导线与电池组(112)相连。

4.如权利要求3所述的自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置，其特征在于，当所述挂钩式充电连接器(104)不工作时，其处于收缩状态，所述可活动模块(203)上的电机带动第一长方体模块(402)与可活动模块(203)平行，同时，第二长方体模块(401)另一端的电机带动第二长方体模块(401)与第一长方体模块(402)平行；当挂钩式充电连接器(104)需要工作时，可活动模块(203)上的电机带动第一长方体模块(402)与可活动模块(203)成30度角，同时，第二长方体模块(401)另一端的电机带动第二长方体模块(401)与第一长方体模块(402)也成30度角，挂钩式充电连接器(104)伸出，形成挂钩状态，等待与地面电源连接。

5.一种对如权利要求1-4任一权利要求所述的自动化集装箱码头全电动无人自动导航载运车自动充电车载装置进行充电的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、AGV在集装箱码头堆场埋设的RFID标签矩阵的作用下，由岸桥至堆场完成一个周期工作后进入路径中设定的缓冲区域充电；如充电区内有AGV正在充电作业，则AGV在充电等候区等待；

步骤二、在AGV进入充电区时，AGV车头部的RFID读写线圈(109)读取充电区左侧的第一个RFID标签101的位置信息，并将读取的信息通过无线信号传至车载充电控制器(306)，车载充电控制器(306)通过车载无线模块(501)对地面装置传输信号，车载充电控制器(306)使可活动模块(203)上的电机带动第一长方体模块(402)与可活动模块(203)成30度角，同时，第二长方体模块(401)另一端的电机带动第二长方体模块(401)与第一长方体模块(402)也成30度角；使挂钩式充电连接器(104)伸出，形成挂钩状态，等待与地面电源(108)连接；

步骤三、随着AGV到达充电区域停止，AGV由车头和车尾部的RFID读写线圈(109)读写地面上的RFID标签信息，确定AGV的停车位置；同时，充电区内的地面电源(108)位置对应于AGV停止时其上的挂钩式充电连接器(104)的位置；使挂钩式充电连接器(104)的充电插头(111)稳定并与地面电源(108)相连；

步骤四、AGV开始充电作业；

步骤五、当电量测量模块(107)测得电量到达某待定阀值时表明充电完成，电量测量模块(107)检测到电量充满，通过车载无线模块(501)对地面装置传输信号，电量测量模块(107)通过车载充电控制器(306)控制可活动模块(203)上的电机带动第一长方体模块(402)与可活动模块(203)平行，同时，第二长方体模块(401)另一端的电机带动第二长方体模块(401)与第一长方体模块(402)平行，使挂钩式充电连接器(104)收缩并脱离地面电源；AGV离开充电区。