CN111309000A - 一种基于双控制板的agv系统及路径规划方法 - Google Patents

一种基于双控制板的agv系统及路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双控制板的AGV系统及路径规划方法，AGV系统包括：运动控制板、人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块和路径规划模块；路径规划模块采用改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。本发明一种基于双控制板的AGV系统将运动控制任务和人机交互任务分配给两个控制板，控制灵活、运行效率高；路径规划方法求解速度快，适用于在线实时规划，可以有效防止多AGV的路径冲突问题，具有更好的适应性。

Description

一种基于双控制板的AGV系统及路径规划方法
技术领域
本发明涉及一种基于双控制板的AGV系统和路径规划方法，主要用于制造型企业或物流企业的物料或货物运送。
背景技术
AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引车)是现代制造型企业或物流企业中的重要设备，是一种移动机器人，主要用来搬运各类物料和货物。AGV具有自动化程度高、运行可靠、柔性好、美观、方便等特点，是现代物流的核心搬运设备之一，在国内外的自动化仓库、汽车生产、烟草、3C等领域的自动搬运系统中得到了广泛的应用。
目前AGV系统和路径规划方法还存在如下问题：
(1)使用单个单片机(MCU)作为控制器，控制任务繁重，实时处理和人机交互能力不够。而且由于单个单片机的I/O端口资源有限，因此控制器中的保护电路和预警电路往往比较简单，不能保证系统长时间可靠的运行。
(2)AGV路径规划问题的求解方法目前多采用Dijkstra算法和A*算法进行路径求解。Dijkstra算法具有无效遍历节点较多、算法效率不高、求解的路径不是最优、求解时间长等限制性较大的缺点，传统的A*算法存在规划的路径拐点较多，路径容易产生有较多冗余节点，导致机器人转弯数与运动距离增加，造成AGV运动效率降低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于双控制板的AGV系统和路径规划方法，旨在解决传统A*算法规划出的路径拐点较多，造成整条路径冗余节点增多，使得AGV转弯次数与运动距离增加，导致任务执行时间增多的问题。
本发明提供了一种基于双控制板的AGV系统，包括：运动控制板、人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块以及路径规划模块；所述运动控制板分别与人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块连接，用于完成AGV电机控制，与人机交互控制板进行信息交互，并负责导航信号采集以及安全保护；所述人机交互控制板分别与运动控制板、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块连接，用于接收运动控制板发送的AGV运行参数，通过车载触摸屏显示运行参数和人机交互，同时通过车载WiFi模块将AGV运行参数发送给路径规划模块，并接收路径规划模块下达的路径指令；所述电机驱动模块用于接收运动控制板的PWM信号驱动AGV运行；所述导航模块用于生成和获取AGV行走过程中路径点之间的轨迹信息；所述安全保护模块用于检测障碍物，控制AGV避障，保护行人和AGV安全；所述电源模块用于为AGV系统中各个模块供电；所述车载触摸屏用于显示AGV运行参数以及提供人机交互界面；所述车载WiFi模块用于人机交互控制板与路径规划模块进行信息通讯；所述路径规划模块用于AGV路径规划，根据改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。
更进一步地，所述安全保护模块包括：1个正面非接触式主障碍检测传感器、2个侧面非接触式辅助障碍检测传感器，以及1个正面接触式障碍检测传感器；非接触式障碍传感器用于检测周围是否有障碍物，实现AGV正面和侧面的非接触式障碍检测；接触式障碍检测传感器用于实现正面接触式障碍检测，且在非接触式障碍检测传感器失效时依然能够检测到障碍物，从而有效地避免AGV与障碍物发生进一步的碰撞。
更进一步地，采用光电传感器作为非接触式障碍传感器，采用弹性保险杠作为接触式障碍传感器。其中，接触式障碍检测传感器采用弹性保险杠，相比碰撞开关障碍检测传感器具有更大的缓冲空间，可以同时有效、可靠地保护行人和AGV。
其中，检测弹性保险杠是否发生形变，是采用压力传感器来检测弹性部件的压力。当压力传感器检测到的压力大于设定值50g，则认为弹性保险杠发生形变。
其中，当光电传感器检测到障碍物信号时，运动控制板根据AGV与障碍物的距离控制AGV减速，当AGV与障碍物的距离小于设定的阈值时，停止AGV运行；或者当弹性保险杠发生形变，压力传感器检测到弹性部件的压力大于设定值时，则说明AGV与障碍物发生碰撞，立即控制AGV停止运动，并发出声光报警，从而提高系统安全性。
其中，电源模块将蓄电池的电压转换为各模块电路所需的工作电压，并通过电源隔离模块、光耦隔离模块和输入输出缓冲器将导航模块传感器和电机驱动模块与单片机之间进行隔离。该电源模块一方面进行电压转换，另一方面进行电路隔离保护，提供稳定的供电电压，并有效的保护单片机，提高系统可靠性。
更进一步地，所述车载触摸屏采用MODBUS通信协议通过人机交互控制板的RS485或RS232通信接口进行AGV参数信息显示和人机交互。显示的AGV参数信息包括：行驶速度、行驶时间、行驶距离、当前电压、传感器信号以及相应的报警信息等。车载触摸屏人机交互信息包括：AGV停靠站点设置以及相应停靠时间设置、AGV速度设置、停靠站点编码方式、AGV避障开关是否打开、AGV完成任务之后是否自动返回起始点、AGV车号和IP地址设置等。
更进一步地，通过所述车载WiFi模块，人机交互控制板采用轻量型的TCP/IP协议栈LwIP与路径规划模块进行网络通信，实现AGV运行参数信息的上传和路径指令的下发。
进一步的，所述路径规划模块采用TCP/IP协议，通过车载WiFi模块，与人机交互控制板完成信息交互。交互的内容包括AGV路径点指令的下发以及实时接收AGV运行参数。
本发明还提供了一种基于双控制板的路径规划方法，包括下述步骤：
(1)根据任务采用改进的A*算法进行AGV路径规划，生成每个AGV起始点到目标点之间的最优路径；
(2)AGV根据所述最优路径的路径指令进行运动控制，并将自身实时运行参数上传；
(3)根据AGV运行参数进行路径冲突检测，并执行路径冲突解决策略；
(4)AGV通过导航模块传感器判断是否到达目标点，若是，则停止运行，并将到达目标点的状态信息发送；若否，则返回到步骤(2)。
其中，所述步骤(1)中改进A*算法具体为：在AGV运行的场景地图中，根据任务设定起始点与目标点，采用传统A*算法求解出一条次优路径，在求解出的路径基础上，增加一个路径循环迭代优化过程；为获得全局最优路径解，采用分层迭代优化的思想，即将每层迭代优化后的路径作为下一层迭代优化的初始路径，由粗到精的分层迭代，直到循环迭代次数完成或者路径节点总数达到最小化，获得最优路径解。
本发明提出的改进A*算法相对于传统A*算法有效降低了路径节点总数与拐点数目。
其中，所述步骤(2)具体为：根据步骤(1)求解出的AGV最优路径，将各个路径节点转换为路径指令通过WiFi下发到各个AGV，进行运动控制，同时AGV根据路径指令运动过程中，每隔一定周期，通过车载WiFi模块将AGV实时运行参数上传到路径规划模块，用于下一步的AGV路径冲突检测。其中，AGV的实时运行参数包括：当前行驶的路径节点、经过的上一节点、行驶速度、行驶时间、行驶距离、当前蓄电池电压、传感器信号以及相应的报警信息。
其中，所述步骤(3)具体为：根据步骤(2)上传的AGV实时运行参数，在线进行AGV路径冲突检测，若AGV所处的当前路径点的下一路径点与其它AGV出现路径冲突，则执行路径冲突解决策略，并将得到的路径冲突解决指令通过无线WiFi下发到AGV进行实时控制。
更进一步地，路径冲突解决策略具体包括：
(S1)对每台AGV进行编号，从小到大进行编号，编号小的AGV对应的优先级高；
(S2)将AGV冲突问题分为三类，分为相向冲突，节点冲突，路口冲突；
(S3)针对相向冲突，采用的解决策略为：先等待，如果等待超过2个周期之后，仍然处于冲突状态，则让低优先级的AGV采用改进A*算法重新规划路径；
(S4)针对节点冲突，采用的解决策略为：先等待，等待超过2个周期之后，让待冲突的AGV选择地图自由区域采用改进A*算法重新规划路径；
(S5)针对路口冲突，采用的解决策略为：让低优先级的AGV等待，等待高优先级的AGV通过路口之后，再允许低优先级的AGV通行。
更进一步地，所述目标点包括AGV行走过程中的一系列停靠站点，起始点和停靠站点编码方式根据AGV运行速度，有2种设置方式：当AGV运行速度慢时，采用k个并排的磁条为一组，磁条南极朝上为0，北极朝上为1，按照二进制编码方式进行AGV始站点与停靠站点的设置。当AGV运行速度快时，以北极为起始码，通过计数连续南极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码，或者以南极为起始码，通过计数连续北极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码。
其中，当AGV线速度高于0m/s且低于0.5m/s，角速度高于0rad/s且低于0.5rad/s为慢速运动，当AGV线速度高于0.5m/s且小于1.5m/s，角速度高于0.5rad/s且低于1rad/s为快速运动。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明的显著优势体现在：
(1)本发明利用两个控制板，将运动控制任务和人机交互任务分开，提高了系统控制灵活性和运行效率。
(2)本发明采用弹性保险杠实现正面接触式障碍检测，可以在非接触式障碍检测传感器失效时，依然能够准确检测到障碍物，从而有效地避免AGV与障碍物发生进一步的碰撞。接触式障碍检测传感器采用弹性保险杠，相比碰撞开关障碍检测传感器具有更大的缓冲空间，可以同时有效、可靠地保护行人和AGV，从而提高系统安全性。
(3)本发明的路径规划方法采用改进A*算法实现。其中，改进A*算法是在传统A*算法求解出的路径基础上，增加一个路径循环迭代优化过程，将传统A*算法求解的路径作为循环迭代过程的初始路径，从粗到精的分层迭代优化，直到从起始节点到目标节点之间的路径节点总数达到最小化，寻找到最优路径解，有效降低了路径节点总数与拐点数，提高了AGV运行效率。
(4)本发明的路径规划方法在路径规划模块中设计了不同冲突情况下的AGV路径冲突解决策略，有效避免了多AGV同时运行时的冲突与碰撞问题，方法简单，效率高。
(5)本发明的路径规划方法，起始点和停靠站点编码方式根据AGV运行速度，有2种设置方式。当AGV运行速度快时，起始站点与停靠站点编码方式不采用AGV运行速度慢时的按照二进制编码方式，而是通过计数连续南极或北极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码，以防止由于不同极的磁场之间的干扰易造成的误检。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于双控制板的AGV系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的安全保护模块的结构示意图；
图3为车载触摸屏停靠站点以及停靠时间设置图；
图4为本发明实施例提供的AGV路径规划方法的实现流程图；
图5为改进A*算法的路径规划优化原理示意图；
图6为改进A*算法的路径循环迭代优化流程图；
图7是本发明实施例中给出的AGV冲突发生情况示意图，其中(a)表示相向冲突情况示意图，(b)表示节点冲突情况示意图，(c)表示路口冲突情况示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所采用的技术方案是：系统包括运动控制板、人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块，以及路径规划模块。路径规划模块采用改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。
运动控制板分别与人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块连接，以完成AGV电机控制，与人机交互控制板进行信息交互，并负责导航信号采集以及安全保护；
人机交互控制板分别与运动控制板、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块连接，以接收运动控制板发送的AGV运行参数，通过车载触摸屏显示运行参数和人机交互，同时通过车载WiFi模块将AGV运行参数发送给路径规划模块，并接收路径规划模块下达的路径指令；
电机驱动模块用于接收运动控制板的PWM信号驱动AGV运行；
导航模块用于生成和获取AGV行走过程中路径点之间的轨迹信息；
安全保护模块用于检测障碍物，控制AGV避障，保护行人和AGV安全；
电源模块用于为AGV系统各模块供电；
车载触摸屏用于显示AGV运行参数以及人机交互；
车载WiFi模块用于人机交互控制板与路径规划模块进行信息通讯；
路径规划模块用于AGV路径规划，采用改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。
本发明实施例提供的一种基于双控制板的AGV系统各模块功能如下：
运动控制板负责AGV运动控制，采集导航信息、安全保护模块传感器信息以及人机交互控制板发送的控制指令，进过分析处理，输出PWM信号给电机驱动模块，驱动电机运动，控制AGV完成任务。
人机交互控制板负责信息的转发与处理。包括与运动控制板的信息交互，通过车载WiFi模块与路径规划模块的信息交互，与车载触摸屏的人机交互。交互内容包括AGV实时运行参数、路径规划模块下发的路径指令以及车载触摸屏下发的控制指令。
人机交互控制板接收运动控制板传来的AGV运行参数，通过车载触摸屏显示运行参数和人机交互，同时通过车载WiFi模块将AGV运行参数发送给路径规划模块，并接收路径规划模块下达的路径指令；
运动控制板与人机交互控制板之间可以采用CAN或RS485或RS232串口通信完成信息交互。
安全保护模块由1个正面非接触式主障碍检测传感器、2个侧面非接触式辅助障碍检测传感器，以及1个正面接触式障碍检测传感器构成。
进一步的，采用光电传感器作为非接触式障碍传感器，检测周围是否有障碍物，实现AGV正面和侧面的非接触式障碍检测；采用弹性保险杠作为接触式障碍传感器，实现正面接触式障碍检测。当光电传感器检测到障碍物信号时，运动控制板根据AGV与障碍物的距离控制AGV减速，当AGV与障碍物的距离小于设定的阈值时，停止AGV运行；或者当弹性保险杠发生形变，压力传感器检测到弹性部件的压力大于设定值时，则说明AGV与障碍物发生碰撞，立即控制AGV停止运动，并发出声光报警，从而提高系统安全性。其中，接触式障碍检测传感器可以在非接触式障碍检测传感器失效时，依然能够检测到障碍物，从而有效地避免AGV与障碍物发生进一步的碰撞。接触式障碍检测传感器采用弹性保险杠，相比碰撞开关障碍检测传感器具有更大的缓冲空间，可以同时有效、可靠地保护行人和AGV。
其中，检测弹性保险杠是否发生形变，是采用压力传感器来检测弹性部件的压力。当压力传感器检测到的压力大于设定值50g，则认为弹性保险杠发生形变。
其中，关于阈值如何设定，本发明实施例中对单个光电传感器进行测距实验分析如下：
(1)依次在光电传感器的前方实际距离为：0.5m、1.0m、1.5m、2.0m的位置摆放障碍物；
(2)对每组实验依次进行5次测距分析，并记录光电传感器反馈的距离信息，计算每次测距的误差；
(3)依次计算每一组5次实验的平均误差，并记录到表格；
(4)选择平均误差最小的实验组对应的距离为障碍物有效检测阈值；
表4.1光电传感器测距实验结果
Figure BDA0002260979590000091
从以上测试的数据可以看出，障碍物与光电传感器距离越近，误差越大，当实际距离为1.0m与1.5m时，误差比较稳定且均值误差比较小，分别为1.28％与2.74％，当超过1.5m之后误差逐渐增大，所以最终选择1.0m至1.5m的数值范围为最终的障碍物有效检测阈值。
电源模块将蓄电池的电压转换为各模块电路所需的工作电压，并通过电源隔离模块、光耦隔离模块和输入输出缓冲器将导航模块传感器和电机驱动模块与单片机之间进行隔离。该电源模块一方面进行电压转换，另一方面进行电路隔离保护，提供稳定的供电电压，并有效的保护单片机，提高系统可靠性。
车载触摸屏采用MODBUS通信协议通过人机交互控制板的RS485或RS232通信接口进行AGV参数信息显示和人机交互。显示的AGV参数信息包括：行驶速度、行驶时间、行驶距离、当前电压、传感器信号以及相应的报警信息等。车载触摸屏人机交互信息包括：AGV停靠站点设置以及相应停靠时间设置、AGV速度设置、停靠站点编码方式、AGV避障开关是否打开、AGV完成任务之后是否自动返回起始点、AGV车号和IP地址设置等。
通过车载WiFi模块，人机交互控制板采用轻量型的TCP/IP协议栈LwIP与路径规划模块进行网络通信，实现AGV运行参数信息的上传和路径指令的下发。
路径规划模块采用TCP/IP协议，通过车载WiFi模块，与人机交互控制板完成信息交互。交互的内容包括AGV路径点指令的下发以及实时接收AGV运行参数。
本发明所述的路径规划方法技术方案是：路径规划模块采用改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。
其中，路径规划方法具体包括以下步骤：
(1)路径规划模块根据任务采用改进A*算法进行AGV路径规划，生成每个AGV起始点到目标点之间的最优路径；
(2)AGV接收路径规划模块发送的路径指令，进行运动控制，并将自身实时运行参数上传到路径规划模块；
(3)路径规划模块结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略；
(4)AGV通过导航模块传感器判断是否到达目标点，若已经到达目标点，则停止运行，并将到达目标点的状态信息发送到路径规划模块。若没有到达目标点，则返回到步骤(2)。
步骤(1)中改进的A*算法具体为：在AGV运行的场景地图中，路径规划模块首先根据任务设定起始点与目标点，采用传统A*算法求解出一条次优路径，在求解出的路径基础上，增加一个路径循环迭代优化过程。为获得全局最优路径解，采用分层迭代优化的思想，即将每层迭代优化后的路径作为下一层迭代优化的初始路径，由粗到精的分层迭代，直到循环迭代次数完成或者路径节点总数达到最小化，获得最优路径解。
步骤(2)具体为：路径规划模块根据步骤(1)求解出的AGV最优路径，将各个路径节点转换为路径指令通过WiFi下发到各个AGV，进行运动控制，同时AGV根据路径指令运动过程中，每隔一定周期，通过车载WiFi模块将AGV实时运行参数上传到路径规划模块，用于下一步的AGV路径冲突检测。其中，AGV的实时运行参数包括：当前行驶的路径节点、经过的上一节点、行驶速度、行驶时间、行驶距离、当前蓄电池电压、传感器信号以及相应的报警信息。
步骤(3)具体为：路径规划模块根据步骤(2)上传的AGV实时运行参数，在线进行AGV路径冲突检测，若AGV所处的当前路径点的下一路径点与其它AGV出现路径冲突，则执行路径冲突解决策略，并将得到的路径冲突解决指令通过无线WiFi下发到AGV进行实时控制。
在本发明实施例中，路径冲突解决策略具体包括：
(S1)对每台AGV进行编号，从小到大进行编号，编号小的AGV对应的优先级高；
(S2)将AGV冲突问题分为三类，分为相向冲突，节点冲突，路口冲突；
(S3)针对相向冲突，采用的解决策略为：先等待，如果等待超过2个周期之后，仍然处于冲突状态，则让低优先级的AGV采用改进A*算法重新规划路径；
(S4)针对节点冲突，采用的解决策略为：先等待，等待超过2个周期之后，让待冲突的AGV选择地图自由区域采用改进A*算法重新规划路径；
(S5)针对路口冲突，采用的解决策略为：让低优先级的AGV等待，等待高优先级的AGV通过路口之后，再允许低优先级的AGV通行。
其中，在路径规划方法中目标点包括AGV行走过程中的一系列停靠站点，起始点和停靠站点编码方式根据AGV运行速度，有2种设置方式：当AGV运行速度慢时，采用k个并排的磁条为一组，磁条南极朝上为0，北极朝上为1，按照二进制编码方式进行AGV始站点与停靠站点的设置。当AGV运行速度快时，以北极为起始码，通过计数连续南极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码，或者以南极为起始码，通过计数连续北极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码。
为了更进一步的说明本发明，下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例子以及说明仅用来解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种基于双控制板的AGV系统，具体包括以下模块：
运动控制板、人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块，以及路径规划模块。
运动控制板采用32位STM32F103RBT6单片机实现，人机交互控制板采用32位STM32F107VCT6单片机实现，分别负责AGV的运动控制任务与人机交互任务。
运动控制板分别与人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块连接，以完成AGV电机控制，与人机交互控制板进行信息交互，并负责导航信号采集以及安全保护；
人机交互控制板分别与运动控制板、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块连接，以接收运动控制板发送的AGV运行参数，通过车载触摸屏显示运行参数和人机交互，同时通过车载WiFi模块将AGV运行参数发送给路径规划模块，并接收路径规划模块下达的路径指令；
电机驱动模块用于接收运动控制板的PWM信号驱动AGV运行；
导航模块用于生成和获取AGV行走过程中路径点之间的轨迹信息；
安全保护模块用于检测障碍物，控制AGV避障，保护行人和AGV安全；
电源模块用于为AGV系统各模块供电；
车载触摸屏用于显示AGV运行参数以及人机交互；
车载WiFi模块用于人机交互控制板与路径规划模块进行信息通讯；
路径规划模块用于AGV路径规划，采用改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。
进一步作为优选的实施方式，一种基于双控制板的AGV系统各模块功能如下：
运动控制板负责AGV运动控制，采集导航信息、安全保护模块传感器信息以及人机交互控制板发送的控制指令，进过分析处理，输出PWM信号给电机驱动模块，驱动电机运动，控制AGV完成任务。
人机交互控制板负责信息的转发与处理。包括与运动控制板的信息交互，通过车载WiFi模块与路径规划模块的信息交互，与车载触摸屏的人机交互。交互内容包括AGV实时运行参数、路径规划模块下发的路径指令以及车载触摸屏下发的控制指令。
进一步，人机交互控制板接收运动控制板传来的AGV运行参数，通过车载触摸屏显示运行参数和人机交互，同时通过车载WiFi模块将AGV运行参数发送给路径规划模块，并接收路径规划模块下达的路径指令；
进一步作为优选的实施方式，运动控制板与人机交互控制板之间采用CAN或RS485或RS232串口通信完成信息交互。
进一步作为优选的实施方式，安全保护模块如图2所示，采用光电传感器作为非接触式障碍传感器，采用弹性保险杠作为接触式障碍传感器。安全保护模块由1个正面非接触式主障碍检测传感器、2个侧面非接触式辅助障碍检测传感器，以及1个正面接触式障碍检测传感器构成。
进一步作为优选的实施方式，采用光电传感器检测周围是否有障碍物，实现AGV正面和侧面的非接触式障碍检测，采用弹性保险杠实现正面接触式障碍检测。当光电传感器检测到障碍物信号时，运动控制板根据AGV与障碍物的距离控制AGV减速，当AGV与障碍物的距离小于设定的阈值dsafe时，停止AGV运行；或者当弹性保险杠发生形变，压力传感器检测到弹性部件的压力大于设定值时，则说明AGV与障碍物发生碰撞，立即控制AGV停止运动，并发出声光报警，从而提高系统安全性。
优选的，阈值dsafe的取值范围在大于等于1m且小于等于1.5m之间任意取值。。
进一步作为优选的实施方式，接触式障碍检测传感器可以在非接触式障碍检测传感器失效时，依然能够检测到障碍物，从而有效地避免AGV与障碍物发生进一步的碰撞。接触式障碍检测传感器采用弹性保险杠，相比碰撞开关障碍检测传感器具有更大的缓冲空间，可以同时有效、可靠地保护行人和AGV。
进一步作为优选的实施方式，检测弹性保险杠是否发生形变，是采用压力传感器来检测弹性部件的压力。当压力传感器检测到的压力大于设定值Pvalue，则认为弹性保险杠发生形变。
优选的，Pvalue＝50g。
进一步作为优选的实施方式，电源模块将24VDC或36VDC或48VDC蓄电池的电压转换为各模块电路所需的工作电压，并通过电源隔离模块、光耦隔离模块和输入输出缓冲器将导航模块传感器和电机驱动模块与单片机之间进行隔离。该电源模块一方面进行电压转换，另一方面进行电路隔离保护，提供稳定的供电电压，并有效的保护单片机，提高系统可靠性。
进一步作为优选的实施方式，车载触摸屏采用MODBUS通信协议通过人机交互控制板的RS485或RS232通信接口进行AGV参数信息显示和人机交互。显示的AGV参数信息包括：行驶速度、行驶时间、行驶距离、当前电压、传感器信号以及相应的报警信息等。车载触摸屏人机交互信息包括：AGV起始站点(起始点)与停靠站点设置以及相应停靠时间设置、AGV速度设置、停靠站点编码方式、AGV避障开关是否打开、AGV完成任务之后是否自动返回起始点、AGV车号和IP地址设置等。
进一步作为优选的实施方式，通过车载WiFi模块，人机交互控制板外接网络物理层芯片DP83848，采用轻量型的TCP/IP协议栈LwIP与路径规划模块进行网络通信，实现AGV运行参数信息的上传和路径指令的下发。
进一步作为优选的实施方式，路径规划模块采用TCP/IP协议，通过车载WiFi模块，与人机交互控制板完成信息交互。交互的内容包括AGV路径点指令的下发以及实时接收AGV运行参数。
实施例2：
目标点包括AGV行走过程中的一系列停靠站点，起始点和停靠站点编码方式根据AGV运行速度，有2种设置方式：当AGV运行速度慢时，采用k个并排的磁条为一组，磁条南极朝上为0，北极朝上为1，按照二进制编码方式进行AGV始站点与停靠站点的设置。当AGV运行速度快时，以北极为起始码，通过计数连续南极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码，或者以南极为起始码，通过计数连续北极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码。
作为优选的实施方式，为当AGV运行速度慢时，AGV起始站点与停靠站点编码实施方法。起始点和停靠站点编码方式采用k个并排的磁条为一组，磁条南极朝上为0，北极朝上为1，按照二进制编码方式进行AGV始站点与停靠站点的设置。
优选的，AGV运行速度慢是指AGV运行线速度高于0m/s且低于0.5m/s，角速度高于0rad/s且低于0.5rad/s。
具体的，在AGV运行轨迹旁铺设3个～5个并排、中间相隔20毫米间隙的磁条，即每3个～5个磁条为一组，设置AGV的始站点与停靠站点。因此，并排铺设3个磁条可以生成8种组合的编码，并排铺设4个磁条可以生成16种组合的编码，并排铺设5个磁条可以生成25种组合的编码。
进一步作为优选的实施方式，设定0编码为起始站点，其他编码为停靠站点。
进一步作为优选的实施方式，图3为AGV车载触摸屏停靠站点与停靠时间设置界面。其中，标号有1，2，…，18的按钮用来设置对应的停靠站点是否进行停靠，每一个按钮右侧的圆形指示灯用来指示该停靠站点是否进行停靠，灯亮表示AGV会在该停靠站点停靠，否则不会停靠。圆形指示灯右侧的输入框用来设定AGV在该停靠站点停靠的时间，该时间可以通过输入框进行输入。
实施例3：
作为优选的实施方式，当AGV运行速度快时，AGV起始站点与停靠站点编码方式为：以北极(状态码＝1)为起始码，通过计数连续南极(状态码＝0)磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码；或者以南极(状态码＝1)为起始码，通过计数连续北极(状态码＝0)磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码。
优选的，AGV运行速度快是指AGV运行线速度高于0.5m/s且低于1.5m/s，角速度高于0.5rad/s且低于1rad/s。当AGV运行速度快时，起始站点与停靠站点编码方式不采用AGV运行速度慢时的二进制编码方式的主要原因是：不同极的磁场之间的干扰易造成误检，而同一极的磁条不会出现磁场干扰，不会出现误检情况。
优选的，在AGV运行轨迹旁铺设多个并排、中间间隔20毫米间隙的磁条，以北极(状态码＝1)为起始码，通过计数连续南极(状态码＝0)磁条的数量来设置AGV的起始站点和停靠站点，即以检测到1(北极)起始，通过计数0(南极)的个数来确定站点的编号，具体如下：
当检测到状态码为1后又连续检测到2个0，则为编码为0的起始站点；
当检测到状态码为1后又连续检测到3个0，则为编码为1的某个停靠站点；
当检测到状态码为1后又连续检测到4个0，则为编码为2的某个停靠站点；
依次类推。
为提高检测可靠性性，当检测到状态码为1后仅检测到1个0，则不参与起始站点和停靠站点的编码。
实施例4：
如图4所示，路径规划模块采用改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。具体包括以下步骤：
(1)路径规划模块根据任务采用改进A*算法进行AGV路径规划，生成每个AGV起始点到目标点之间的最优路径；
(2)AGV接收路径规划模块发送的路径指令，进行运动控制，并将自身实时运行参数上传到路径规划模块；
(3)路径规划模块结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略；
(4)AGV通过导航模块传感器判断是否到达目标点，若已经到达目标点，则停止运行，并将到达目标点的状态信息发送到路径规划模块。若没有到达目标点，则返回到步骤(2)。
其中，步骤(3)的路径冲突解决策略包括：
(S1)对每台AGV进行编号，从小到大进行编号，编号小的AGV对应的优先级高；
(S2)将AGV冲突问题分为三类，分别为相向冲突，节点冲突，路口冲突；
(S3)针对相向冲突问题，采用的解决策略为：先等待，如果等待超过2个周期tp之后，仍然处于冲突状态，则让低优先级的AGV采用改进A*算法重新规划路径；
(S4)针对节点冲突问题，采用的解决策略为：先等待，等待超过2个周期tp之后，让待冲突的AGV选择地图自由区域采用改进A*算法重新规划路径；
(S5)针对路口冲突问题，采用的解决策略为：让低优先级的AGV等待，等待高优先级的AGV通过路口之后，再允许低优先级的AGV通行。
优选的，tp＝1秒。
待冲突的AGV是指即将达到当前节点的AGV。
在本发明实施例中，图5为步骤(1)中改进A*算法的路径规划优化原理示意图，黑色方块代表障碍物，白色方块代表可通行区域，黑色实线代表未优化的路径，n1到n5是待优化路径上的节点，从路径起始点依次向后续节点连线，起始点Start分别与n1到n5之间连接的虚直线，若起始点Start与当前节点之间的直线上有障碍物，则可以将上一节点与起始点Start的虚直线路径作为两点间的最优路径。由图5可知，Start到n5之间的直线上的点与障碍物区域接触，如图中圆圈所标识的区域，Start到n5之间的直线不可通行，不能进行优化，因此，选择Start与n4之间的虚直线为当前最优路径。改进A*算法的思想如下：在传统A*算法求解出的路径基础上，增加一个路径循环迭代优化过程，采用分层迭代优化的思想，即将每层迭代优化后的路径作为下一层迭代优化的初始路径，由粗到精的分层迭代，直到循环迭代次数完成或者从起始节点到目标节点之间的路径节点总数达到最小化，获得最优路径解。
根据上述改进A*算法的思想，设计improve_A路径规划函数，实现改进A*算法的路径循环迭代优化流程如图6所示，具体如下：
定义局部起始点Local_start、局部目标点Local_goal、上次局部目标点Last_local_goal，并将全局起始点Start分别赋值给Local_start、Local_goal、Last_local_goal。将A*算法求解到的路径作为优化过程的初始路径，然后从Local_goal开始往后遍历每一个路径节点，并判断到局部起始点Local_start的直线上是否有障碍物，以此来找到最优路径，直到Local_goal为全局目标节点Goal，回溯到全局起始节点Start，生成一条最优路径，一次迭代优化完成，计算当前优化得到的路径节点总数，并判断当前迭代次数是否达到设定的最大迭代次数，或者当前的路径节点数是否达到最小，否则将本次获得的路径作为下次迭代优化的初始路径，继续分层迭代，直到获得最优。
实施例5：
在AGV运行的场景地图中，路径规划模块根据每台AGV的任务设定起始点与目标点。采用改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。包括以下步骤：
(1)路径规划模块根据任务采用改进A*算法进行AGV路径规划，生成每个AGV起始点到目标点之间的最优路径；
路径规划模块设定改进A*算法的循环迭代次数。调用improve_A路径规划函数，首先采用传统A*算法求解出一条次优路径，然后在求解出的路径基础上，将当前路径作为下一层迭代优化的初始路径，由粗到精的分层迭代，直到循环迭代次数完成或者路径节点总数达到最小化，获得最优路径解。
(2)路径规划模块根据步骤(1)求解出的AGV最优路径，将各个路径转换为路径指令通过WiFi网络下发到AGV，进行运动控制。同时，在AGV运行过程中，每隔一定周期tagv，通过车载WiFi模块将AGV实时运行参数上传到路径规划模块，用于下一步的AGV路径冲突检测。其中，AGV的实时运行参数包括：当前行驶的路径节点、经过的上一节点、行驶速度、行驶时间、行驶距离、当前蓄电池电压、传感器信号以及相应的报警信息。
优选的，tagv＝1秒。
(3)路径规划模块根据步骤(2)上传的AGV实时运行参数，在线进行AGV路径冲突检测，若AGV所处的当前路径点的下一路径点与其它AGV出现路径冲突，则执行路径冲突解决策略，并将得到的路径冲突解决指令通过无线WiFi下发到AGV进行实时控制。
进一步，路径冲突解决策略包括：
(S1)对每台AGV进行编号，从小到大进行编号，编号小的AGV对应的优先级高。
(S2)将AGV冲突问题分为三类，分别为相向冲突，节点冲突，路口冲突。
如图7所示，将多AGV同时运行的冲突问题，分为图中所示的三类，(a)为相向冲突问题，(b)为节点冲突问题，(c)为路口冲突问题。
(S3)针对相向冲突问题，采用的解决策略为：先原地等待，如果等待超过2个tp周期之后，仍然处于冲突状态，则让低优先级的AGV采用改进A*算法重新规划路径。
(S4)针对节点冲突问题，采用的解决策略为：先原地等待，等待超过2个tp周期之后，让待冲突的AGV选择地图自由区域采用改进A*算法重新规划路径。
所谓节点冲突就是在AGV预先规划的路径点上出现静态障碍物，占据路径节点导致AGV目标不可达。当路径规划模块判断为节点冲突时，即认为前方路径点出现静态障碍物，则将静态障碍物设置为最高优先级，并采用节点冲突策略进行避障。
(S5)针对路口冲突问题，采用的解决策略为：让低优先级的AGV原地等待，等待高优先级的AGV通过路口之后，再允许低优先级的AGV通行。
采用以上三种冲突策略，可以有效解决冲突出现时，AGV小车之间的相互碰撞问题，保护了行人及AGV安全，提高了AGV运行效率，同时采用这三种冲突策略，减少了算法的复杂性，提高了算法的简洁性和可靠性。
(4)AGV通过导航模块传感器判断是否到达目标点，若已经到达目标点，则停止运行，并将到达目标点的状态信息发送到路径规划模块。若没有到达目标点，则返回到步骤(2)。
以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，只适用于帮助理解本发明实施例的原理，当不能限定本发明实施范围；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制；凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双控制板的AGV系统，其特征在于，包括：运动控制板、人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块以及路径规划模块；
所述运动控制板分别与人机交互控制板、电机驱动模块、导航模块、安全保护模块、电源模块连接，用于完成AGV电机控制，与人机交互控制板进行信息交互，并负责导航信号采集以及安全保护；
所述人机交互控制板分别与运动控制板、电源模块、车载触摸屏、车载WiFi模块连接，用于接收运动控制板发送的AGV运行参数，通过车载触摸屏显示运行参数和人机交互，同时通过车载WiFi模块将AGV运行参数发送给路径规划模块，并接收路径规划模块下达的路径指令；
所述电机驱动模块用于接收运动控制板的PWM信号驱动AGV运行；
所述导航模块用于生成和获取AGV行走过程中路径点之间的轨迹信息；
所述安全保护模块用于检测障碍物，控制AGV避障，保护行人和AGV安全；
所述电源模块用于为AGV系统中各个模块供电；
所述车载触摸屏用于显示AGV运行参数以及提供人机交互界面；
所述车载WiFi模块用于人机交互控制板与路径规划模块进行信息通讯；
所述路径规划模块用于AGV路径规划，根据改进的A*算法进行路径规划，生成AGV起始点到目标点之间的最优路径，并结合AGV运行参数进行路径冲突检测，执行路径冲突解决策略，避免AGV冲突。
2.如权利要求1所述的AGV系统，其特征在于，所述安全保护模块包括：1个正面非接触式主障碍检测传感器、2个侧面非接触式辅助障碍检测传感器，以及1个正面接触式障碍检测传感器；
非接触式障碍传感器用于检测周围是否有障碍物，实现AGV正面和侧面的非接触式障碍检测；
接触式障碍检测传感器用于实现正面接触式障碍检测，且在非接触式障碍检测传感器失效时依然能够检测到障碍物，从而有效地避免AGV与障碍物发生进一步的碰撞。
3.如权利要求2所述的AGV系统，其特征在于，采用光电传感器作为非接触式障碍传感器，采用弹性保险杠作为接触式障碍传感器。
4.如权利要求3所述的AGV系统，其特征在于，当光电传感器检测到障碍物信号时，运动控制板根据AGV与障碍物的距离控制AGV减速，当AGV与障碍物的距离小于设定的阈值时，停止AGV运行；或者当弹性保险杠发生形变，压力传感器检测到弹性部件的压力大于设定值时，则说明AGV与障碍物发生碰撞，立即控制AGV停止运动，并发出声光报警，从而提高系统安全性。
5.一种基于双控制板的路径规划方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)根据任务采用改进的A*算法进行AGV路径规划，生成每个AGV起始点到目标点之间的最优路径；
(2)AGV根据所述最优路径的路径指令进行运动控制，并将自身实时运行参数上传；
(3)根据AGV运行参数进行路径冲突检测，并执行路径冲突解决策略；
(4)AGV通过导航模块传感器判断是否到达目标点，若是，则停止运行，并将到达目标点的状态信息发送；若否，则返回到步骤(2)。
6.如权利要求5所述的路径规划方法，其特征在于：所述步骤(1)中改进A*算法具体为：
在AGV运行的场景地图中，根据任务设定起始点与目标点，采用传统A*算法求解出一条次优路径，在求解出的路径基础上，增加一个路径循环迭代优化过程，并将传统A*算法求解的路径作为循环迭代优化的初值，进行迭代优化；
将每层迭代优化后的路径作为下一层迭代优化的初始路径，由粗到精的分层迭代，直到循环迭代次数完成或者路径节点总数达到最小化，获得最优路径解。
7.如权利要求5或6所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：
根据步骤(1)求解出的AGV最优路径，将各个路径节点转换为路径指令通过WiFi下发到各个AGV，进行运动控制，同时AGV根据路径指令运动过程中，每隔一定周期，通过车载WiFi模块将AGV实时运行参数上传到路径规划模块，用于下一步的AGV路径冲突检测。
8.如权利要求5-7任一项所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：根据步骤(2)上传的AGV实时运行参数，在线进行AGV路径冲突检测，若AGV所处的当前路径点的下一路径点与其它AGV出现路径冲突，则执行路径冲突解决策略，并将得到的路径冲突解决指令通过无线WiFi下发到AGV进行实时控制。
9.如权利要求5或8所述的路径规划方法，其特征在于，所述路径冲突解决策略具体包括：
(S1)对每台AGV进行编号，从小到大进行编号，编号小的AGV对应的优先级高；
(S2)将AGV冲突问题分为三类：相向冲突，节点冲突，路口冲突；
针对相向冲突，先等待，如果等待超过2个周期之后，仍然处于冲突状态，则让低优先级的AGV采用改进A*算法重新规划路径；
针对节点冲突，先等待，等待超过2个周期之后，让待冲突的AGV选择地图自由区域采用改进A*算法重新规划路径；
针对路口冲突，让低优先级的AGV等待，等待高优先级的AGV通过路口之后，再允许低优先级的AGV通行。
10.如权利要求5-9任一项所述的路径规划方法，其特征在于，所述目标点包括AGV行走过程中的一系列停靠站点，起始点和停靠站点编码方式根据AGV运行速度，有2种设置方式：
当AGV运行速度慢时，采用k个并排的磁条为一组，磁条南极朝上为0，北极朝上为1，按照二进制编码方式进行AGV始站点与停靠站点的设置；
当AGV运行速度快时，以北极为起始码，通过计数连续南极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码，或者以南极为起始码，通过计数连续北极磁条的数量进行AGV的起始站点和停靠站点的编码。
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