CN108909514A - 基于自动电池更换的多agv电量管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自动电池更换的多AGV电量管理系统及方法，该系统中包含一个换电站，换电站具备同时对多块缺电电池充电的功能，而充满电的电池自动进入换电等待区，等待下一辆缺电AGV小车进行电池更换。还包含一套电量管理调度系统，该系统通过与系统内所有AGV小车的通讯，获取这些小车的位置与剩余电量，自动选择合适的小车以进入换电站进行换电池操作，确保所有小车在安全电量上运行的同时提升换电效率。相比传统的AGV自动对接充电技术，本发明系统采用的电池更换技术极大的压缩了AGV充电所需的时间。同时，由于单次换电池占用换电站时间很短，可以大大降低多辆小车同时需要充电时冲突导致的充电等待时间，进一步提升小车的工作效率。

Description

基于自动电池更换的多AGV电量管理系统及方法

技术领域

本发明属于自主无人运输机器人领域，尤其涉及一种基于自动电池更换的多AGV电量管理系统及方法。

背景技术

随着自动导引运输车(AGV)技术的快速发展与成熟，其逐渐应用到了工厂，仓库，物流等多种生产工作环境中，用以替代传统的人力搬运，对于提高生产效率具有十分重要的意义。在常见的应用场景，往往需要多台、十数台，乃至上百台AGV在无人管理维护的条件下实现7*24小时连续同时工作，而一辆满电量的AGV小车通常情况下只能持续运行几个小时的时间，因此，需要多AGV电量管理与调度系统管理所有AGV小车与所有的充电桩，指派电量不足的AGV充电到空闲的充电桩充电。

具体而言，传统的多AGV系统中，AGV小车在运行时会通过相关电路对电池电量进行实时监控，当检测电压低于设定参考电压时，AGV进入电量不足的状态，向多AGV电量管理与调度系统发送消息，调度系统为其寻找充电站进行充电，AGV会从工作现场行走到充电桩位置进行自动充电。充电完成后AGV自动脱离充电系统驶向工作区或待命区投入正常运行。目前，上述过程虽然实现全部无人操作的自动化，但仍有一些不足之处，主要表现如下：

1.每台AGV充电需要花费几十分钟的时间，这段时间内AGV暂停工作，假设某台AGV一天工作22小时，充电2小时，那么其实际有效的工作效率只有91.67％。

2.而多AGV系统中，当多台AGV同时需要充电时，会出现单台或多台AGV等待的现象，使得一些AGV产生额外的等待充电时间，这势必会进一步降低其工作效率。

3.对于大规模的多AGV系统，为了满足大量AGV同时充电的要求，需要采用集中式或分布式部署大量充电桩，不仅占用大面积的工作空间或通道，增加了部署成本，同时也大大增加了多机调度系统的管理难度。专利ZL201510233516.5公开了自动导引运输车(AGV)的充电方法和移动充电桩、充电系统。该发明通过移动充电桩自主规划行走路径，到达AGV对其主动进行充电，既避免了AGV来回充电站充电，占用工作时间，同时，不同的移动充电桩之间不会产生移动路径上的干扰和牵制，设备利用率高，保证AGV能够得到及时的充电。然而，该发明方案需要涉及移动充电桩本身的充电与多个移动充电桩的调配与路径规划问题，增加了调度系统的复杂度，同时移动充电桩跟随AGV一起移动也会导致AGV通过性能下降，降低AVG的可使用性。

公布号为CN106629032A的发明专利“全自动AGV小车电池更换系统”和公告号为CN207467545U实用新型“一种AGV自动换电池装置”等相关专利及实用新型提出了多种AGV自动换电池装置与系统，这些设备与系统可以实现快速全自动的AGV小车电池更换工作然而，这些专利工作只解决了单台AGV换电池这一基本操作，并没有考虑多台AGV构成系统的电量管理与AGV充电调度问题，也缺乏多台AGV同时需要充电的并发处理机制。。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种基于自动电池更换的多AGV电量管理系统及方法，解决了多AGV系统中充电耗时长，AGV有效工作时间降低的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种基于自动电池更换的多AGV电量管理系统，该系统包括一个换电站与一套电量调度管理系统；

所述的换电站包括自动换电池装置、电池自动充电装置、满电电池等待仓、缺电电池等待仓、控制装置和通讯模块；

其中，所述的自动换电池装置用于从AGV中提取缺电电池，移出缺电电池至缺电电池等待仓，然后从满电电池等待仓移出满电电池，将其装入AGV；

所述的电池自动充电装置上有多个充电位，可以同时对多块电池进行充电；每个充电位安装充电电量检测设备，用以检测电池是否充满；

所述的满电电池等待仓是位于电池自动充电装置与自动换电池装置之间的缓存装置，用于暂存充满电但尚未安装到AGV的电池；

所述的缺电电池等待仓是位于自动换电池装置与电池自动充电装置之间的缓存装置，用于暂存从AGV上取下来的缺电电池；

所述的控制装置用于控制和管理换电站所有的运行逻辑，包括更换电池、电池充电、电池移动和电池等待逻辑；

所述的通讯模块是换电站与电量调度管理系统通讯的接口，用于将换电站状态信息上报给调度管理系统，同时接收调度管理系统下发的接收换电池AGV信息；

所述的电量调度管理系统包括AGV通讯模块、换电站通讯模块、监控模块以及核心调度模块；

所述的AGV通讯模块用于与各台AGV通讯、查询AGV的电量信息，并下达换电池指令给AGV；

所述的换电站通讯模块与换电站中的通讯模块进行通讯，用于获取换电站状态信息，同时下发给AGV换电池指令给换电站；

所述的监控模块用于将AGV通讯模块、换电站通讯模块获得的各AGV与换电站状态信息以图形化界面的方式显示；

所述的核心调度模块用于根据各AGV的电量信息和换电站状态信息，指定某辆AGV在换电站空闲的时间去更换电池。

进一步的，所述换电站状态信息包括换电站是否空闲、满电电池数量、缺电电池数量、正在充电池数量信息。

进一步的，在所述的换电站中，电池的流动顺序为AGV—>自动换电池装置—>缺电电池等待仓—>自动充电装置—>满电电池等待仓—>AGV。

进一步的，监控模块显示的内容包括各AGV电量、换电站是否有AGV换电池、换电站满电池数、充电电池数。

进一步的，所述的换电站还包括电池移动轨道，是用来连接自动换电池装置、缺电电池等待仓、电池自动充电装置以及满电电池等待仓之间的轨道，用于运输电池。

本发明的另一目的是提供一种基于自动电池更换的多AGV电量管理方法，该方法包括如下步骤：

S1.电量调度管理系统通过AGV通讯模块查询不在换电站中各AGV的电量，得到电量最小的AGV的电量为qmin，并通过换电站通讯模块查询换电站是否空闲；预先给定第一电量阈值q1，第二电量阈值q2，其中q1<q2；

a.如果qmin小于给定的第二电量阈值q2，且换电站空闲，则进入S2；

b.如果qmin小于给定的第一电量阈值q1，且换电站不空闲,则进入S5；

c.如果qmin大于给定的第二电量阈值q2，则没有AGV需要进行换电池操作，直接退出；

S2.电量调度管理系统下发换电池指令给电量为qmin的AGV，该AGV自主规划路径行驶至换电站处与之对接；

S3.控制装置控制自动换电池装置从AGV中提取缺电电池，通过电池移动轨道将其移动至缺电电池等待仓；然后，从满电电池等待仓移动1块满电电池安装至AGV；

S4.换电池结束，AGV驶离换电站；

S5.电量调度管理系统下发等待换电指令给电量为qmin的AGV，令其自主行驶至换电站附近等待充电位置，等待充电。

进一步的，还包括以下步骤：

1.如果缺电电池等待仓中有n(n>0)块电池，且电池自动充电装置上有m(m>0)个空闲的充电位，则比较n与m，较小的值为h，则从缺电电池等待仓中移动h块电池至电池自动充电装置；

2.如果电池自动充电装置检测到有电池充满，则将该电池移动至满电电池等待仓。

相比于现有技术，本发明的有益效果是：

1.本发明采用的全自动更换电池方法换电池所需要的时间比传统的AGV自动充电方法显著减小，可以极大的提升AGV小车实际有效的工作时间长度，提高其使用率。

2.本发明采用的全自动更换电池方法由于单次换电池占用换电站时间很短，可以大大降低多辆小车同时需要充电时冲突导致的充电等待时间，进一步提升小车的工作效率。

3.本发明只需要部署一个集中式的换电站设备，相比多个分布式的充电桩部署更为简单。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为满电电池等待仓结构示意图。

具体实施方式

为了方便本领域技术人员的理解，下面结合实例图与附图对本发明作进一步说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明提出基于自动电池更换的多AGV电量管理系统及方法，以克服传统多AGV电量管理与调度系统管理系统所面临的使用效率瓶颈问题。如图1所示，本发明的基于自动电池更换的多AGV电量管理系统，包括一个换电站与一套电量调度管理系统。

所述的换电站包括自动换电池装置、电池自动充电装置、满电电池等待仓、缺电电池等待仓、控制装置、电池移动轨道、通讯模块；

其中，所述的自动换电池装置负责从AGV中提取缺电电池，移出缺电电池至缺电电池等待仓，然后从满电电池等待仓移出满电电池，将其装入AGV。不失一般性，自动换电池装置可以采用钩取式机构从AGV小车顶部钩出缺电电池并吊入满电电池，也可以采用底部升降式结构从AGV小车底部托出缺电电池并推入满电电池，也可以采用机械臂结构从AGV小车侧面拉出缺电电池并推入满电电池，当然不限于这里所罗列的结构。

所述的电池自动充电装置上多个充电位，可以同时对多块电池进行充电。所述的电池自动充电装置每个充电位安装有充电电极，电源管理装置。其中充电电极负责与待充电电池进行物理上对接，实施充电操作，电源管理装置包括充电过流，过压保护装置，在充电过程中检测到过流或过压异常时，自动切断充电过程并报警；电源管理装置还包括充电电量检测设备，用以检测电池是否充满。

所述的满电电池等待仓是位于电池自动充电装置与自动换电池装置之间的缓存装置，用以暂存充满电但尚未安装到AGV小车的电池。不失一般性，满电电池等待仓的结构示意如图3所示，满电电池等待仓中具有多个电池位，这些电池位采用立体式布置，而满电电池等待仓的另一侧安装有一台升降式托盘机构，该升降式托盘a根据控制装置指令升降至指定高度，托取相应充电位上的电池，下降后转移至电池移动轨道b。此外，满电电池等待仓中电池位数量需满足正常换电站充电节奏需求。

所述的缺电电池等待仓是位于自动换电池装置与电池自动充电装置之间的缓存装置，用以暂存从AGV小车上取下来的缺电电池。缺电电池等待仓中具有多个电池位，用以停放缺电电池，其数量需满足正常换电站换电节奏需求。不失一般性，缺电电池等待仓的结构可以与满电电池等待仓相同。

所述的控制装置用于控制和管理换电站所有的运行逻辑，包括更换电池、电池充电、电池移动、电池等待等逻辑。

所述的电池移动轨道是连接自动换电池装置、缺电电池等待仓、电池自动充电装置、满电电池等待仓之间的轨道，负责这几个装置间电池的移动。

所述的通讯模块是换电站与电量调度管理系统通讯的接口，负责将换电站状态信息(包括换电站是否空闲，满电电池数量，缺电电池数量，正在充电池数量等信息)上报给调度管理系统，同时接收调度管理系统下发的接收换电池AGV信息。

在所述的换电站中，电池的流动顺序为AGV小车—>自动换电池装置—>缺电电池等待仓—>自动充电装置—>满电电池等待仓—>AGV小车。

所述的电量调度管理系统包括AGV通讯模块、换电站通讯模块、监控模块以及核心调度模块；

其中，所述的AGV通讯模块与系统中各台AGV通讯，查询AGV小车的电量信息，并下达换电池指令给AGV小车。

所述的换电站通讯模块负责与换电站中的通讯模块进行通讯，负责获取换电站状态信息，同时下发给AGV换电池指令给换电站。

所述的监控模块将AGV通讯模块、换电站通讯模块获得的各AGV与换电站信息以图形化界面的方式显示，包括各小车电量，换电站是否有AGV换电池，换电站满电池数，充电电池数等等，以便于操作人员监控系统运行。

所述的核心调度模块负责根据系统中各小车的电量信息、换电站状态信息、指定特定的某辆AGV小车在换电站空闲的时间去更换电池。

本发明系统中包含一个集中式的AGV换电站，电量不足的AGV返回该换电站更换满电的电池，然后直接返回执行工作任务，该更换过程属于全自动无人操作，换电池全过程时间不超过5分钟。而更换下来的缺电电池立即自动在换电站中进行充电操作，也就是说，换电站具备同时对多块缺电电池充电的功能，而充满电的电池自动进入换电等待区，等待下一辆缺电AGV小车进行电池更换。另外，本发明系统中包含一套电量管理调度系统，该系统通过与系统内所有AGV小车的通讯，获取这些小车的位置与剩余电量，自动选择合适的小车以进入换电站进行换电池操作，确保所有小车在安全电量上运行的同时提升换电效率。相比传统的AGV自动对接充电技术，本发明系统采用的电池更换技术极大的压缩了AGV充电所需的时间，使AGV小车基本上达到了7*24小时连续工作，极大的提升AGV小车的工作效率。同时，由于单次换电池占用换电站时间很短，可以大大降低多辆小车同时需要充电时冲突导致的充电等待时间，进一步提升小车的工作效率。

如图2所示，基于上述的换电站与电量调度管理系统，本发明提出的自动电池更换的多AGV电量管理方法，该方法如下：

S1.电量调度管理系统通过AGV通讯模块查询系统中不在换电站中各AGV小车的电量，得到电量最小的小车的电量为q_min，并通过换电站通讯模块查询换电站是否空闲。不失一般性，预先给定第一电量阈值q₁，第二电量阈值q₂，其中q₁<q₂。这里的q₁表示小车电量的底限值，低于该值，小车不可以继续运行；q₂表示小车电量的预警值，低于该值，小车需要换电池操作，但仍可以运行一会儿。

a.如果q_min小于给定的第二电量阈值q₂，且换电站空闲，则进入S2；

b.如果q_min小于给定的第一电量阈值q₁，且换电站不空闲,则进入S5；

c.如果q_min大于给定的第二电量阈值q₂，则没有AGV小车需要进行换电池操作，直接退出。

S2.电量调度管理系统下发换电池指令给电量为q_min的AGV，该小车自主规划路径行驶至换电站处与之对接。

S3.换电站控制自动换电池装置从小车中提取缺电电池，将其移动至缺电电池等待仓；然后，从满电电池等待仓移动1块满电电池安装至AGV小车。

S4.换电池结束，AGV小车驶离换电站。

S5.电量调度管理系统下发等待换电指令给电量为q_min的AGV，令其自主行驶至换电站附近等待充电位置，并使AGV系统进入低功耗等待状态。

其中,换电站内部的工作流程如下所述:

1、如果缺电电池等待仓中有n(n>0)块电池，且电池自动充电装置上有m(m>0)个空闲的充电位，则比较n与m中较小的值为h，则从缺电电池等待仓中移动h块电池至自动充电装置。

2、如果自动充电装置检测到有电池充满，则将该电池移动至满电电池等待仓。

上述管理方法确保在换电站内部以最大能力对缺电电池进行充电。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。比如一个换电站中配置多套自动换电池装置，或是在系统中部署多个换电站。因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于自动电池更换的多AGV电量管理系统，其特征在于，该系统包括一个换电站与一套电量调度管理系统；

所述的换电站包括自动换电池装置、电池自动充电装置、满电电池等待仓、缺电电池等待仓、控制装置和通讯模块；

其中，所述的自动换电池装置用于从AGV中提取缺电电池，移出缺电电池至缺电电池等待仓，然后从满电电池等待仓移出满电电池，将其装入AGV；

所述的电池自动充电装置上有多个充电位，可以同时对多块电池进行充电；每个充电位安装充电电量检测设备，用以检测电池是否充满；

所述的满电电池等待仓是位于电池自动充电装置与自动换电池装置之间的缓存装置，用于暂存充满电但尚未安装到AGV的电池；

所述的缺电电池等待仓是位于自动换电池装置与电池自动充电装置之间的缓存装置，用于暂存从AGV上取下来的缺电电池；

所述的控制装置用于控制和管理换电站所有的运行逻辑，包括更换电池、电池充电、电池移动和电池等待逻辑；

所述的通讯模块是换电站与电量调度管理系统通讯的接口，用于将换电站状态信息上报给调度管理系统，同时接收调度管理系统下发的接收换电池AGV信息；

所述的电量调度管理系统包括AGV通讯模块、换电站通讯模块、监控模块以及核心调度模块；

所述的AGV通讯模块用于与各台AGV通讯、查询AGV的电量信息，并下达换电池指令给AGV；

所述的换电站通讯模块与换电站中的通讯模块进行通讯，用于获取换电站状态信息，同时下发给AGV换电池指令给换电站；

所述的监控模块用于将AGV通讯模块、换电站通讯模块获得的各AGV与换电站状态信息以图形化界面的方式显示。

所述的核心调度模块用于根据各AGV的电量信息和换电站状态信息，指定某辆AGV在换电站空闲的时间去更换电池。

2.根据权利要求1所述的基于自动电池更换的多AGV电量管理系统，其特征在于，所述换电站状态信息包括换电站是否空闲、满电电池数量、缺电电池数量、正在充电池数量信息。

3.据权利要求1所述的基于自动电池更换的多AGV电量管理系统，其特征在于，在所述的换电站中，电池的流动顺序为AGV—>自动换电池装置—>缺电电池等待仓—>自动充电装置—>满电电池等待仓—>AGV。

4.据权利要求1所述的基于自动电池更换的多AGV电量管理系统，其特征在于，监控模块显示的内容包括各AGV电量、换电站是否有AGV换电池、换电站满电池数、充电电池数。

5.根据权利要求1所述的基于自动电池更换的多AGV电量管理系统，其特征在于，所述的换电站还包括电池移动轨道，是用来连接自动换电池装置、缺电电池等待仓、电池自动充电装置以及满电电池等待仓之间的轨道，用于运输电池。

6.一种基于自动电池更换的多AGV电量管理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1.电量调度管理系统通过AGV通讯模块查询不在换电站中各AGV的电量，得到电量最小的AGV的电量为qmin，并通过换电站通讯模块查询换电站是否空闲；预先给定第一电量阈值q1，第二电量阈值q2，其中q1<q2；

a.如果qmin小于给定的第二电量阈值q2，且换电站空闲，则进入S2；

b.如果qmin小于给定的第一电量阈值q1，且换电站不空闲,则进入S5；

c.如果qmin大于给定的第二电量阈值q2，则没有AGV需要进行换电池操作，直接退出；

S2.电量调度管理系统下发换电池指令给电量为qmin的AGV，该AGV自主规划路径行驶至换电站处与之对接；

S3.控制装置控制自动换电池装置从AGV中提取缺电电池，通过电池移动轨道将其移动至缺电电池等待仓；然后，从满电电池等待仓移动1块满电电池安装至AGV；

S4.换电池结束，AGV驶离换电站；

S5.电量调度管理系统下发等待换电指令给电量为qmin的AGV，令其自主行驶至换电站附近等待充电位置，等待充电。

7.根据权利要求6所述的一种基于自动电池更换的多AGV电量管理方法，其特征在于，还包括以下步骤：

1.如果缺电电池等待仓中有n(n>0)块电池，且电池自动充电装置上有m(m>0)个空闲的充电位，则比较n与m，较小的值为h，则从缺电电池等待仓中移动h块电池至电池自动充电装置；

2.如果电池自动充电装置检测到有电池充满，则将该电池移动至满电电池等待仓。