CN110727241B - 一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法 - Google Patents

一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，应用于转轨堆垛机和道岔转轨机构的控制。系统硬件由车载PLC、输送线PLC、行走认址装置、行走驱动装置、换轨驱动装置、换轨到位传感器组成。控制方法包括转轨路径生成方法、路径冲突检测方法、转轨命令生成方法、道岔控制与路径状态检测方法四部分。本发明提出的方法。本发明控制方法基于生成树生成路径，面向路径实现控制，大大简化了程序设计和交互数据，实现了堆垛机与道岔转轨机构的模块化设计。减少了上下位机交互，显著地提高了转轨作业效率。

Description

一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法
技术领域
本发明涉及自动化仓储物流装备领域，尤其涉及一种适用于转轨堆垛机系统的转轨路径生成、堆垛机与道岔转轨机构联动的电气控制方法。
背景技术
堆垛机是自动化立体仓库中最关键的组成设备，它在货架间的巷道中穿梭运行,实现货物的搬运和出入库作业,具有节约用地和人力、作业迅速准确等优点。
堆垛机发展至今，功能和结构已经非常成熟，按轨道的形式可分为：直轨、弯轨、转轨等。转轨式堆垛机应用的最大优点在于多个巷道配置少量堆垛机，可大幅度降低项目的投资，并且可以实现当一台堆垛机出现故障时，其他堆垛机替代完成作业，而不影响整个系统的运行。
目前，转轨堆垛机和道岔转轨机构有两种控制方式：
⑴上位机控制方式
上位机WCS(仓库控制系统)系统负责路径生成和任务控制，电气控制系统仅负责执行。当需要转轨运动时，WCS系统需要将作业任务拆分成若干条运动命令、分步下达，即WCS系统分别向堆垛机和道岔控制系统下达运动命令，堆垛机和道岔控制系统向上位机反馈命令完成状态和到位情况，当上一条命令完成，且到位情况满足下一条命令的执行条件，再下达下一条运动命令。
⑵堆垛机控制方式
堆垛机电气控制系统负责路径生成和任务控制，首先查询道岔的状态信息，如果道岔未被其他堆垛机占用，按照作业任务的要求，向道岔控制系统发出转轨申请；道岔控制系统根据转轨申请，控制道岔动作。当路径上所有道岔转轨到位后，再执行转轨运动。
第一种控制方式，堆垛机完成一次转轨运动，电气控制系统与上位机需要多次交互，交互的数据多，占用时间长，任务执行效率较低；
第二种控制方式，堆垛机完成一次转轨运动，堆垛机电气控制系统直接控制堆垛机和道岔的动作和执行步骤，执行过程中无需与上位机交互，任务执行效率高。但该方式有以下不足：
1、需在程序中穷举并实现所有可能的路径组合下，涉及的道岔和堆垛机的动作逻辑，编程复杂，在轨道拓扑复杂的情况下，程序量尤其巨大；
2、仅判断了道岔转轨机构的占用状态，而无法从根本上检测并避免任务路径冲突；
3、需要每台堆垛机和各个道岔转轨机构间传递控制和状态数据，PLC间通信量大、编程复杂。
发明内容
为了克服现有控制方式的不足，本发明提供了一种转轨路径生成、路径冲突检测、转轨堆垛机和道岔转轨机构联动的电气控制方法，该方法应用于堆垛机电气控制系统，基于模块化设计。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，包括：
1)转轨路径生成：生成堆垛机转轨的路径；
2)路径冲突检测：检测同时运行的多台堆垛机的行走路径是否重合；
3)转轨命令生成：基于路径分段，控制堆垛机和道岔基于命令逻辑和交互关系，连续顺序执行分段转轨命令；
4)道岔控制与路径状态检测：控制道岔运动并反馈分段转轨命令的路径状态。
方法1)～3)由堆垛机PLC执行，方法4)由输送线PLC执行。
所述转轨路径生成方法包括以下步骤：
1)根据堆垛机实时位置确定起始结点，根据目标位置确定目标结点，如果目标结点存在，则进一步判断；
2)从起始结点或目标结点出发，如果堆垛机的行走方向与路径的夹角大于直角，则在路径中插入过渡结点；
3)如果行走路径上的关键结点都存在，则生成行走路径。
所述路径冲突检测方法包括以下步骤：
1)求出所有堆垛机行走路径结点的最小索引值和最大索引值；堆垛机路径结点区间是最小索引值结点和最大索引值结点构成的闭区间；
2)将本堆垛机行走路径结点区间分别与其他所有堆垛机路径结点区间单独比较，本堆垛机路径结点区间以[Amin，Amax]表示，与之比较的堆垛机路径结点区间以[Bmin，Bmax]表示，如果两者路径不重合，有以下两种情况：
a)若Max(Amin，Bmin)＞Min(Amax，Bmax)，其中Max表示两者比较的大值，Min表示两者比较的小值，则两台堆垛机路径无重合区域；
b)若路径重合于结点Node＝Max(Amin，Bmin)＝Min(Amax，Bmax)，且Node对3的余数不为0，且Node不是目标结点，则本机路径经过道岔，道岔对应巷道内的堆垛机静止或仅在巷道内运动，目标巷道无堆垛机占用；
如不满足以上两种情况，则路径冲突；
3)如果路径冲突，则不执行路径，停车于当前结点。
所述转轨命令生成方法包括以下步骤：
1)当分段转轨命令生成，如果堆垛机在弯道转轨区，首先执行当前结点待转列的定位，等待堆垛机先移动到待转列后，再下达道岔控制命令；如果堆垛机在巷道内，则道岔移动无风险，此时同时下达结点待转列定位命令和道岔控制命令；
2)如果分段转轨命令路径上的道岔到位正常，则堆垛机执行转轨运动，如果分段转轨命令的目标结点索引值大于当前结点索引值，则堆垛机沿前进方向行走；反之，堆垛机沿后退方向行走；
3)当堆垛机进入目标结点后，恢复执行原取放货命令。
所述道岔控制与路径状态检测方法包括以下步骤：
1)判断堆垛机分段转轨命令的路径结点区间[Aactual，Agoal]，其中Aactual表示当前结点，Agoal表示目标结点，道岔沿直线连通的两个结点分别为Bmin和Bmax，其中Bmin表示二者中索引值较小的结点，Bmax表示二者中索引值较大的结点，则道岔沿弯道连通的结点取值范围在(Bmin，Bmax)；
2)将道岔作为一类设备进行封装，道岔检测所有堆垛机的分段转轨命令，如果堆垛机有分段转轨命令，且分段转轨命令的路径结点区间[Aactual，Agoal]包含[Bmin，Bmax]，则道岔直通换轨运行；如果分段转轨命令的起止结点与弯道连通的巷道结点相同，即Aactual∈(Bmin，Bmax)或Agoal∈(Bmin，Bmax)；则道岔斜通换轨运行；如果堆垛机无命令或命令路径与道岔不相关，则道岔不运行；
遍历所有堆垛机的分段转轨命令，如果其中一台堆垛机有道岔运行需要，则执行道岔动作，否则，不执行道岔动作。
3)遍历所有堆垛机的分段转轨命令，对于每台堆垛机，检测本道岔状态是否满足堆垛机的转轨路径要求：当堆垛机无命令或命令路径与道岔不相关，道岔状态满足路径；当命令与道岔相关，如果道岔状态正常且到位正常，则道岔状态满足路径；反之，如果道岔状态异常或未到位，则道岔状态不满足路径；
4)遍历判断各个道岔，如果所有道岔状态均满足路径要求，则分段转轨命令路径正常；反之，有任一道岔状态不满足路径要求，则分段转轨命令路径异常。
将堆垛机行走区间抽象为结点；沿堆垛机行走前进方向，对行走方向与路径夹角为钝角、锐角、0度角的结点依序连续分配结点索引值；对于不存在的结点分配一个虚拟的索引值。
弯道转轨区直轨段结点索引值是3的倍数；通过道岔或弯道沿行走后退方向连通的巷道区间，其结点索引值对3求余数为1；通过道岔或弯道沿行走前进方向连通的巷道区间，其结点索引值对3求余数为2。
一种转轨堆垛机路径生成与运动控制系统，包括：
堆垛机车载PLC，用于根据堆垛机实际行走位置和目标位置，规划转轨路径、生成并执行转轨命令；
输送线PLC，用于根据堆垛机转轨命令控制道岔运行，将所有堆垛机的路径信息和状态分发给堆垛机车载PLC。
堆垛机车载PLC，用于执行转轨路径生成、路径冲突检测、转轨命令生成步骤；
输送线PLC，用于执行道岔控制与路径状态检测步骤。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明提出的技术方案基于生成树结构，无需复杂编程，仅需要简单配置结点数据，即可根据转轨任务生成任意结点间的路径和分段转轨命令；
2.上位机无需考虑任务路径的时间冲突，即可同时对多台堆垛机下达转轨任务。基于电气控制系统实时检测堆垛机路径冲突状态，阻塞路径冲突的任务同时执行，当路径冲突解除后，无需与上位机的交互，被阻塞任务即可恢复执行，具有很高的执行效率；
3.堆垛机基于其实时行走位置生成分段转轨命令，掉电保持。异常掉电上电后，如果堆垛机在弯道转轨区，在当前分段转轨命令定位完成前，道岔转轨机构不运行。最大限度保证转轨安全；
4.道岔转轨机构由堆垛机发送的分段转轨命令直接控制。通过实时遍历路径上所有道岔转轨机构的状态，向堆垛机反馈路径可用状态。PLC间通信数据量小，控制高效可靠；
5.堆垛机和道岔转轨机构程序基于模块化设计，高内聚，低耦合。
附图说明
图1是系统硬件示意图；
图2是转轨堆垛机系统布置图；
图3是转轨路径连通图；
图4是转轨路径生成方法的程序逻辑框图；
图5是路径冲突检测方法的程序逻辑框图；
图6是转轨命令生成方法的程序逻辑框图；
图7是道岔控制与路径状态检测方法的程序逻辑框图。
具体实施方式
本发明提供了一种转轨路径生成、路径冲突检测、堆垛机与道岔联动的电气控制方法，该方法包括以下四部分：
⑴转轨路径生成方法；
⑵路径冲突检测方法；
⑶转轨命令生成方法；
⑷道岔控制与路径状态检测方法；
方法⑴-⑶由堆垛机PLC执行，方法⑷由输送线PLC执行。
以下结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。
图1示出了本发明的系统硬件示意图。系统由堆垛机设备与道岔转轨设备两部分组成。堆垛机设备硬件包括车载PLC、行走认址装置、行走驱动装置；道岔转轨设备硬件包括换轨驱动装置、到位传感器，输送线PLC。
车载PLC用于根据堆垛机实时行走位置和目标行走位置，规划转轨路径、生成并执行转轨命令；
行走认址装置为绝对认址，可采用条码定位系统、激光定位系统等形式，用于反馈堆垛机实际行走位置；
行走驱动装置包括变频器及电机，用于执行转轨命令；
换轨驱动装置包括变频器及电机，用于切换堆垛机轨道；
换轨到位传感器用于反馈堆垛机轨道的实际位置；
输送线PLC用于根据堆垛机转轨命令控制道岔转轨设备运行，反馈堆垛机路径和路径可用状态。
一般的，为最大化地利用空间，道岔转轨机构集中安装于立体仓库一侧的弯道转轨区，在转轨区外侧还可以布置一排货架。图2示出了一种典型的四巷道转轨堆垛机系统布置图，其中，A1、A2、A3、A4为巷道区间，C1、C2、C3为弯道转轨区直轨段，B1、B2为道岔装置。
直观的，轨道区间有且仅有3种连通形式：
⑴巷道区间与弯道转轨区直轨段通过道岔或弯道沿行走后退方向连通,例如A1和C1的连通；
⑵巷道区间与弯道转轨区直轨段通过道岔或弯道沿行走前进方向连通,例如A2和C1的连通；
⑶弯道转轨区直轨段之间通过道岔沿直线连通,例如C1和C2的连通。
将区间抽象为结点，可将转轨路径拓扑转换为图的形式。
如图3所示，从1开始沿堆垛机行走前进方向，对路径夹角为钝角、锐角、0度角的结点依序连续分配结点索引值；对于不存在的结点分配一个虚拟的索引值，如图中的结点2、结点4、结点7、结点10；弯道转轨区直轨段结点索引值是3的倍数，如图中的结点3、结点6、结点9；通过道岔(或弯道)沿行走后退方向连通的巷道区间，其结点索引值对3求余数为1，如图中的结点1；通过道岔(或弯道)沿行走前进方向连通的巷道区间，其结点索引值对3求余数为2，如图中的结点5、结点8、结点11。
如图3所示，结点连通图为生成树结构，即图中每两个结点之间有且仅有唯一的路径连通，且从起始结点运动至目标结点，需要分段下达行走命令不超过3条，经过的路径关键结点(堆垛机需分段停车的结点、包括起止结点和过渡结点)数不超过4个，例如从起始结点5运动至目标结点7，需先运动至过渡结点3，再运动至过渡结点9，最后运动至目标结点7，共计3条行走命令，4个关键结点：结点5、结点7、结点3、结点9。每一段行走命令，均需要联动控制道岔并实时检测路径状态，以保证转轨运动安全。
转轨路径生成方法的程序逻辑框图如图4所示，该方法包括以下步骤：
⑴根据堆垛机实时位置确定起始结点。当上位机或本机下达取放货命令时，根据目标位置确定目标结点。如果目标结点存在，则进一步判断；
⑵从起始结点或目标结点出发，如果堆垛机的行走方向与路径的夹角大于直角(夹角为钝角)，则在路径中插入过渡结点；
(3)如果行走路径上的关键结点都存在，则生成行走路径。
路径冲突检测方法的程序逻辑框图如图5所示，该方法通过校验同时运行的多台堆垛机的行走路径是否重合，通过互锁实现路径冲突的命令不同时执行，从而避免堆垛机路径死锁和碰撞风险；通过使道岔所在的路径唯一，保证了道岔动作的唯一性。
路径冲突检测方法包括以下步骤：
(1)求出所有堆垛机路径结点的最小索引值和最大索引值，因为结点索引值是沿堆垛机行走前进方向单向分配的，因此堆垛机路径结点区间是最小索引值结点和最大索引值结点构成的闭区间；
(2)将本堆垛机路径结点区间与其他所有堆垛机路径结点区间两两比较，本机路径结点区间以[Amin，Amax]表示，与之比较的堆垛机路径结点区间以[Bmin，Bmax]表示，如果两者路径不重合，有以下两种情况：
①两台堆垛机路径无重合区域
判断依据为：Max(Amin，Bmin)＞Min(Amax，Bmax)，其中Max表示两者比较的大值，Min表示两者比较的小值；
②本机路径经过道岔，道岔对应巷道内的堆垛机静止或仅在巷道内运动，目标巷道无堆垛机占用
判断依据为：路径重合于结点Node＝Max(Amin，Bmin)＝Min(Amax，Bmax)，Node不是目标结点，且其索引值不是3的倍数。
如不满足以上两种情况，则路径冲突。
(3)如果路径冲突，则不执行路径，停车于当前结点。
转轨命令生成方法基于路径分段，控制堆垛机和道岔基于命令逻辑和交互关系，依序连续执行多条关键结点间的行走命令，即分段转轨命令。其程序逻辑框图如图6所示，包括以下步骤：
(1)当分段转轨命令生成，如果堆垛机在弯道转轨区，首先执行当前结点待转列的定位，等待堆垛机先移动到待转列后，再下达道岔控制命令，从而保证转轨安全。如果堆垛机在巷道内，则道岔移动无风险，此时同时下达结点待转列定位命令和道岔控制命令，从而提高转轨效率。
(2)如果分段转轨命令路径上的道岔到位正常，则堆垛机执行转轨运动。如果分段转轨命令的目标结点索引值大于当前结点索引值，则堆垛机沿前进方向行走；反之，堆垛机沿后退方向行走。
(3)当堆垛机进入目标结点后，恢复执行原取放货命令。
道岔控制与路径状态检测方法用于控制道岔运动并反馈分段转轨命令的路径状态，其程序逻辑框图如图7所示，包括以下步骤：
(1)判断堆垛机分段转轨命令的路径结点区间[Aactual，Agoal]，其中Aactual表示当前结点，Agoal表示目标结点。道岔沿直线连通的两个结点分别为Bmin和Bmax，其中Bmin表示索引值较小的结点，Bmax表示索引值较大的结点。则道岔沿弯道连通的结点取值范围在(Bmin，Bmax)。
(2)将道岔作为一类设备进行封装，道岔需要检测所有堆垛机的分段转轨命令。如果堆垛机有分段转轨命令，且分段转轨命令的路径结点区间[Aactual，Agoal]包含[Bmin，Bmax]，则道岔直通换轨运行；如果分段转轨命令的起止结点与弯道连通的巷道结点相同，即Aactual∈(Bmin，Bmax)或Agoal∈(Bmin，Bmax)；则道岔斜通换轨运行；如果堆垛机无命令或命令路径区间不包含道岔，则道岔不运行。
遍历所有堆垛机的分段转轨命令，如果其中一台堆垛机有道岔换轨需要，则执行换轨动作，否则，道岔保持原状态。
(3)遍历所有堆垛机的分段转轨命令，对于每台堆垛机，检测本道岔状态是否满足堆垛机分段转轨命令的路径要求。
如果道岔位于堆垛机命令路径区间之外，道岔状态满足路径。
当道岔位于堆垛机命令路径区间内，如果道岔正常且到位正确，则道岔状态满足路径；反之，如果道岔异常或未到位，则道岔状态不满足路径。
⑷遍历判断各个道岔，如果所有道岔状态均满足路径要求，则分段转轨命令路径正常；反之，有任一道岔状态不满足路径要求，则分段转轨命令路径异常。
以上，对本发明的转轨路径生成、路径冲突检测、堆垛机与道岔联动的电气控制方法，及其具体实施例进行了详细介绍。本领域技术人员在本发明上做出的变型或延伸也属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，其特征在于，包括：
1)转轨路径生成：生成堆垛机转轨的路径；
2)路径冲突检测：检测同时运行的多台堆垛机的行走路径是否重合；
3)转轨命令生成：基于路径分段，控制堆垛机和道岔基于命令逻辑和交互关系，连续顺序执行分段转轨命令；
4)道岔控制与路径状态检测：控制道岔运动并反馈分段转轨命令的路径状态；
所述道岔控制与路径状态检测方法包括以下步骤：
4.1)判断堆垛机分段转轨命令的路径结点区间[Aactual，Agoal]，其中Aactual表示当前结点，Agoal表示目标结点，道岔沿直线连通的两个结点分别为Bmin和Bmax，其中Bmin表示二者中索引值较小的结点，Bmax表示二者中索引值较大的结点，则道岔沿弯道连通的结点取值范围在(Bmin，Bmax)；
4.2)将道岔作为一类设备进行封装，道岔检测所有堆垛机的分段转轨命令，如果堆垛机有分段转轨命令，且分段转轨命令的路径结点区间[Aactual，Agoal]包含[Bmin，Bmax]，则道岔直通换轨运行；如果分段转轨命令的起止结点与弯道连通的巷道结点相同，即Aactual∈(Bmin，Bmax)或Agoal∈(Bmin，Bmax)；则道岔斜通换轨运行；如果堆垛机无命令或命令路径与道岔不相关，则道岔不运行；
遍历所有堆垛机的分段转轨命令，如果其中一台堆垛机有道岔运行需要，则执行道岔动作，否则，不执行道岔动作；
4.3)遍历所有堆垛机的分段转轨命令，对于每台堆垛机，检测本道岔状态是否满足堆垛机的转轨路径要求：当堆垛机无命令或命令路径与道岔不相关，道岔状态满足路径；当命令与道岔相关，如果道岔状态正常且到位正常，则道岔状态满足路径；反之，如果道岔状态异常或未到位，则道岔状态不满足路径；
4.4)遍历判断各个道岔，如果所有道岔状态均满足路径要求，则分段转轨命令路径正常；反之，有任一道岔状态不满足路径要求，则分段转轨命令路径异常。
2.根据权利要求1所述的一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，其特征在于，方法1)～3)由堆垛机PLC执行，方法4)由输送线PLC执行。
3.根据权利要求1所述的一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，其特征在于，所述转轨路径生成方法包括以下步骤：
1.1)根据堆垛机实时位置确定起始结点，根据目标位置确定目标结点，如果目标结点存在，则进一步判断；
1.2)从起始结点或目标结点出发，如果堆垛机的行走方向与路径的夹角大于直角，则在路径中插入过渡结点；
1.3)如果行走路径上的关键结点都存在，则生成行走路径。
4.根据权利要求1所述的一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，其特征在于，所述路径冲突检测方法包括以下步骤：
2.1)求出所有堆垛机行走路径结点的最小索引值和最大索引值；堆垛机路径结点区间是最小索引值结点和最大索引值结点构成的闭区间；
2.2)将本堆垛机行走路径结点区间分别与其他所有堆垛机路径结点区间单独比较，本堆垛机路径结点区间以[Amin，Amax]表示，与之比较的堆垛机路径结点区间以[Bmin，Bmax]表示，如果两者路径不重合，有以下两种情况：
a)若Max(Amin，Bmmin)＞Min(Amax，Bmax)，其中Max表示两者比较的大值，Min表示两者比较的小值，则两台堆垛机路径无重合区域；
b)若路径重合于结点Node＝Max(Amin，Bmin)＝Min(Amax，Bmax)，且Node对3的余数不为0，且Node不是目标结点，则本机路径经过道岔，道岔对应巷道内的堆垛机静止或仅在巷道内运动，目标巷道无堆垛机占用；
如不满足以上两种情况，则路径冲突；
2.3)如果路径冲突，则不执行路径，停车于当前结点。
5.根据权利要求1所述的一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，其特征在于，所述转轨命令生成方法包括以下步骤：
3.1)当分段转轨命令生成，如果堆垛机在弯道转轨区，首先执行当前结点待转列的定位，等待堆垛机先移动到待转列后，再下达道岔控制命令；如果堆垛机在巷道内，则道岔移动无风险，此时同时下达结点待转列定位命令和道岔控制命令；
3.2)如果分段转轨命令路径上的道岔到位正常，则堆垛机执行转轨运动，如果分段转轨命令的目标结点索引值大于当前结点索引值，则堆垛机沿前进方向行走；反之，堆垛机沿后退方向行走；
3.3)当堆垛机进入目标结点后，恢复执行原取放货命令。
6.根据权利要求1所述的一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，其特征在于，将堆垛机行走区间抽象为结点；沿堆垛机行走前进方向，对行走方向与路径夹角为钝角、锐角、0度角的结点依序连续分配结点索引值；对于不存在的结点分配一个虚拟的索引值。
7.根据权利要求6所述的一种转轨堆垛机路径生成与运动控制方法，其特征在于，弯道转轨区直轨段结点索引值是3的倍数；通过道岔或弯道沿行走后退方向连通的巷道区间，其结点索引值对3求余数为1；通过道岔或弯道沿行走前进方向连通的巷道区间，其结点索引值对3求余数为2。
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