CN113436463A - 一种基于5g的四向穿梭车多车调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于5G的四向穿梭车多车调度方法，用于同层多车调度，在四向穿梭车立体库部署5G微基站，四向穿梭车和其调度控制系统通过5G进行通讯，四向穿梭车、穿梭车提升机的位置等运行状态等信息通过5G网络上报至调度控制系统；调度控制系统的控制指令通过5G网络下发至四向穿梭车，结合相应的调度方法，可以很好的解决原有WIFI技术下无法解决的技术难题，车辆可以在更大的自由度内规划行驶路径，可以明显的提升系统效率，实现安全稳定高效的四向穿梭车调度。

Description

一种基于5G的四向穿梭车多车调度方法

技术领域

本发明属于自动化仓储设备及其控制技术领域，具体涉及一种基于5G的四向穿梭车多车调度方法。

背景技术

四向穿梭车为应用于立库存储货物搬运用途，可以在货架轨道上四向换向行驶的搬运车辆，包括传感、行驶、换向、顶升、控制、通讯6大功能模块，四向穿梭车和四向穿梭车提升机、穿梭车货架共同构成四向穿梭车立库的硬件设施；

调度控制系统为部署在本地服务器的四向车控制中枢，其负责接收四向车本地传感模块探测并由通讯模块反馈的四向车运行状态和当前位置，基于此计算四向车的最佳运行路径、下发穿梭车的逐步运行控制命令，协同多台四向车在运行中不发生相互碰撞、协同调度四四向穿梭车和四向穿梭车提升机在作业上的相互配合。为四向穿梭车立库的软件设施。

目前技术中，四向穿梭车和调度控制系统通过WIFI局域网进行连接，其会存在容易受到外界干扰、不稳定、延时较高等WIFI网络固有的通讯问题。其带来的影响有：

1. 调度控制系统对穿梭车的位置感知延迟，如穿梭车已经经过了A位置到达了B位置，但可能调度控制系统刚刚接收到穿梭车到达A位置的信息

2. 穿梭车的控制指令下发迟滞，t1时间调度系统已经下发了让穿梭车执行X动作的指令，穿梭车在t2时间才接收到该指令

在只有一台四向穿梭车在库中运行的情况下这一问题影响并不显著，即使有较高时延或信号丢失等较严重的网络问题，至多只是导致车辆停顿等待，甚至若基于完整的路径规划（直接由起始点到终点，不进行中间过程控制），通过增加在本地的计算逻辑控制，也可以不经停顿的完成任务。

但多台穿梭车协同运行时这一问题会有巨大影响：

四向穿梭车立体库中需要多台穿梭车同时工作，这是提升仓库吞吐效率的必然要求，假设仓库中有两台四向穿梭车，若穿梭车1和穿梭车2在对调度系统上报自身位置信息时有延迟或调度系统在下发避让指令时有延迟，调度控制系统可能就无法及时响应让两者在行驶中互相规避，导致其存在相互碰撞的风险。目前的解决方式是通过在穿梭车前后左右四个方向各增加一个激光避障传感器，这种方式并可以规避追赶、相向两种形式的碰撞，但无法规避交叉碰撞，将带来巨大运行风险。

此前的技术中，物流系统实施中或者对这一风险没有意识或视而不见，或者采用各种影响车辆调度效率的方式进行规避，如：

封路：虽然多车在库中运行，但同时时刻同一区域或路径上只允许一台车辆动作，不允许路径交叉；

划片：人为的对仓库进行分区划片，每台车在自己的片区内工作，不跨区工作。

看似可以解决车辆相撞的问题，但其实会带来巨大的调度效率浪费，代价巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于5G的四向穿梭车多车调度方法。

未实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于5G的四向穿梭车多车调度方法，用于同层多车调度，在四向穿梭车立体库内部署5G微基站，提供本地5G网络环境；所述四向穿梭车及提升机内安装5G模组，四向穿梭车和其调度控制系统通过5G进行通讯；部署有调度控制系统的服务器与5G路由或5G网关相连，接入本地5G网络；

所述调度方法包括：

每台四向穿梭车在行驶过程中以≤100ms的时间间隔和上位调度系统通讯，上报自身当前位置、方向、速度信息；

上位调度系统在接收到每台车辆的信息后，生成数字孪生地图，在数字孪生地图中，将每台四向穿梭车占据的位置在其行进方向上扩展m个货位作为仿真碰撞位置，在行进方向上扩展n个货位作为减速停止位置，基于地图预先进行车辆相撞模拟；m＜n：

当四向穿梭车A的减速停止位置在数字孪生地图中和另一台四向穿梭车B发生位置干涉时，上位四向车调度系统控制该四向车A行驶到下一个货位处停止；

当四向穿梭车A的仿真碰撞位置在数字孪生地图中和其他四向穿梭车的位置发生干涉时，上位调度系统控制干涉车辆同时急停。

作为本发明的进一步改进，所述四向穿梭车采用PLC或单片机作为控制器，控制器与检测自身位置的传感器、四向车的电机驱动相连；采用单片机作为控制器时，5G模组直接和单片机集成于同一PCBA上；采用PLC作为控制器时通过5G工业路由或5G网关和PLC相连后接入本地5G网络。

作为本发明的进一步改进，在四向穿梭车调度时，基于各四向穿梭车起始位置和目标位置的距离确定可执行任务的车辆的优先级。

作为本发明的进一步改进，所述各四向穿梭车起始位置和目标位置的距离的确定方式为：

选定立体库一角作为基点建立直角坐标系，对各货位按层数、行数、列数进行编号；

分别计算四向穿梭车起始位置和目标位置行数的差值及列数的差值，其绝对值的和即起始位置和目标位置的距离。

作为本发明的进一步改进，所述每台四向穿梭车行驶的路径通过上位调度系统进行路径规划；

路径规划时，将四向穿梭车立体库单层的货位图划分为方格图，其中一个货位为一个方格；所述四向穿梭车沿方格形成的路径行驶。

作为本发明的进一步改进，还包括：

对每个方格赋予逻辑属性，用于路径规划，包括：

对于货道上的方格，当四向穿梭车上未载货时，方格属性为可通过，且限制为X方向通过；当四向穿梭车上载货时，方格属性为不可通过；

对于主通道上的方格，方格属性为可通过。

作为本发明的进一步改进，四向穿梭车行驶路径规划时，结合路径追溯确认后续路径，包括：

在四向穿梭车行驶入当前方格时对当前方格做赋值标记X、Y，分别代表四向穿梭车是从X方向或Y方向进入该方格；

基于当前方格和其相邻方格赋值标记的异同对其相邻方格赋予不同的移动代价，当相邻方格和当前方格赋值标记不同时，移动代价高于赋值标记相同的情况；

根据移动代价判断从当前方格行驶到相邻方格是否涉及换向。四向穿梭车在换向行驶时（如原沿X方向，后改沿Y方向），换向的时间约为沿同一个方向行驶一个货位的时间长度的两倍，在规划路径时引入路径追溯来设计权重，可获得更科学高效的规划路线。

作为本发明的进一步改进，四向穿梭车行驶路径规划时，结合四向穿梭车当前方格和目标方格的距离确认后续路径，包括：

选定立体库一角作为基点建立直角坐标系，对各货位按层数、行数、列数进行编号；

分别计算四向穿梭车当前方格位置和目标方格位置行数的差值及列数的差值，其绝对值的和即当前方格位置和目标方格位置的距离。

作为本发明的进一步改进，采用A＊算法进行四向穿梭车路径规划。

进一步的，在路径规划过程中结合移动代价和/或当前方格位置和目标方格位置的距离作为路径方格选择的参考权重，包括：

建立一个由方格组成的开放节点列表，包括起点方格；

a. 遍历开放节点列表，查找F值最小的相邻节点，将其作为当前要处理的节点；

其中，F为路径权重，F=G/H/(G+H)；G为移动代价，H为当前方格和目标方格的距离；

b. 将该节点移至关闭节点列表；

c. 对当前方格的8个相邻方格的每一个方格作如下处理：

üc1如果该相邻方格是不可抵达的或在关闭节点列表中，则忽略，否则进入c2；

üc2如果该相邻方格不在开放节点列表中，将其加入开放节点列表，并将当前方格设置为该相邻方格的父节点，记录该相邻方格的F/G/H值；

ü如果该相邻方格已在开放节点列表中，且其包含G值时，基于判断经由当前方格到达该相邻方格的路径是否G值更小，如果是，则将其父节点设置为当前方格，并重新计算其G、F值；否则进入d；

d. 重复a~c直至终点已加入开放节点列表；

从终点开始，每个方格沿着父节点移动直至起点，即四向穿梭车最终的行驶路径。

本发明在四向穿梭车立体库部署5G微基站，提供本地5G网络环境而非5G公网，保证工业数据本地化的安全需求。四向穿梭车和其调度控制系统通过5G进行通讯，保证四向穿梭车的位置反馈及调度控制系统的控制指令可以及时下发，可以极大提升对穿梭车调度的安全可靠性。四向穿梭车、穿梭车提升机的位置等运行状态等信息通过5G网络上报至调度控制系统；调度控制系统的控制指令通过5G网络下发至四向穿梭车，结合相应的调度方法，可以很好的解决原有WIFI技术下无法解决的技术难题，车辆可以在更大的自由度内规划行驶路径，可以明显的提升系统效率，实现安全稳定高效的四向穿梭车调度。

附图说明

图1为本发明方法涉及的硬件结构图。

图2为立体库货位编号图。

图3为路径规划用立体库方格图。

图4为车辆碰撞规避方式图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步阐述。

本发明是5G环境下的多车调度方法，需对当前四向穿梭车和立体库进行硬件上的5G改造，包括：

在四向穿梭车及提升机内安装5G模组，如图1所示，四向穿梭车车中采用PLC或单片机作为控制器，其与检测自身位置的传感器、四向车的电机驱动相连；采用单片机作为控制器时，5G模组可以直接和单片机集成于同一PCBA上；采用PLC作为控制器时可以通过5G工业路由或5G网关和PLC相连后接入本地5G网络。

四向穿梭车立体库部署5G微基站，提供本地5G网络环境以保证工业数据本地化的安全需求。四向穿梭车和其调度控制系统通过5G进行通讯，保证四向车的位置反馈及调度控制系统的控制指令可以及时下发。部署有调度控制系统的服务器与5G路由或5G网关相连，接入本地5G网络。

四向穿梭车、穿梭车提升机的位置等运行状态等信息通过5G网络上报至调度控制系统；调度控制系统的控制指令通过5G网络下发至四向穿梭车。

结合5G环境，本发明提供了新的调度方法，包括：

步骤一、调度控制系统在接收到上游业务系统的任务后，基于模糊的任务距离算法判定任务交由哪台四向车执行；

由于四向穿梭车立体库的结构规整性，在选定立库一角作为基点后，按照图2所示模式给立体库货位进行编号，仓位编号左数第1位代表层，第2，3位代表行数，第4，5 位代表列数。由于其中每个仓位的长宽基本一致。可以通过四向穿梭车所在位置货位编号的后两位减去目标货位的后两位取绝对值，再和四向车所在货位编号的2，3位减去目标货位的2，3位后取绝对值相加。选择加和较小的执行任务。例如：A车位于10410位置，B车位于11104位置，现需要搬运位于10102位置的货物，则A车的模糊任务距离为：H_A＝|10-02|+|04-01|=11， B车的模糊任务距离为：H_B＝|04-02|+|11-01|=12，优先选择A车执行任务。

步骤二、四向穿梭车行驶路径规划，包括：

1）地图抽象：将要搜寻的区域划分成方格，简化搜索区域。

由于四向穿梭车立体库本身具有规整的特点，每一个货位或通道就是天然的方格，可直接利用四向车立库单层的货位图作为算法需要划分的方格图，如图3所示，其中浅灰色格处指库中有货物，A、B分别为起始方格位置和目标方格位置。

将搜索区域基于方格图简化为2维数组，数组的每一项即一个格子，其赋值及方向标志代表其状态，即可通过或不可通过，及可通过的方向。

对方格赋予逻辑属性的方式为：

对于货道上的方格，当四向穿梭车上未载货时，方格属性为可通过，且限制为X方向通过；当四向穿梭车上载货时，方格属性为不可通过；

对于主通道上的方格，方格属性为可通过。

2）规划路径；

路径权重：F = G + H

其中G为车辆从当前方格移动到指定方格的移动代价，沿着到达该方格而生成的路径。其计算方式为：

在进入当前方格时给该方格赋予X或Y的标志，代表车辆从上个方格沿X或Y行驶到达当前方格；

在计算当前方格对周边方格的移动代价时，如果周边方格和该方格标志相同，则车辆从当前方格移动到该周边方格的移动代价为1，否则为5。

H为当前方格到目标方格的模糊任务距离（参照步骤一中的算法）。

3）路径搜索：基于A＊算法的标准过程，应用权重作为参考判断。包括：

从起点A开始，把其加入到一个由方格组成的开放节点列表中。

a. 遍历开放节点列表，查找F值最小的相邻节点，把它作为当前要处理的节点。

b. 把这个节点移到关闭节点列表。

c. 对当前方格的8个相邻方格的每一个方格

如果它是不可抵达的或者它在关闭节点列表中，忽略它。否则，做如下操作。

如果它不在开放节点列表中，把它加入开放节点列表，并且把当前方格设置为它的父节点，记录该方格的F，G和H值。

如果它已经在开放节点列表中，检查这条路径(即经由当前方格到达它那里)是否更好，用G值作参考。更小的G值表示这是更好的路径。如果是这样，把它的父节点设置为当前方格，并重新计算它的G和F值。

d. 重复a-c直至终点加入开放节点列表中，或者终点查找失败。

如果终点加入开放节点列表，则保存路径。从终点开始，每个方格沿着父节点移动直至起点，就是四向穿梭车最终的行驶路径。

如果查找终点失败，并且开放节点列表是空的，此时没有路径。

在车辆行驶过程中，通过如下方式规避其他车辆：

每台车辆在按照规划的路径行驶过程中，均以50ms的频率和上位调度系统通讯，报告自己目前的位置、方向、速度信息；

上位四向车调度系统在接收到每台车辆的信息后，生成数字孪生地图，基于地图预先模拟各个车辆是否会发生相撞；

在数字孪生地图中，将每台四向车占据的位置在其行进方向上扩展一个货位作为仿真碰撞位置，在行进方向上扩展两个货位作为减速停止位置。如图4所示，避免两台车辆在行驶时过于靠近而发生托盘碰撞或小于最短刹车距离等情况。对两个位置的逻辑控制方式如下：

当一台车A的减速停止位在数字孪生地图中和另一台车辆B发生位置干涉时，上位四向车调度系统控制该四向车A行驶到下一个货位到位处停止（常规情况）；

当一台车A的仿真碰撞位在数字孪生地图中和另一台车B的位置发生干涉时，上位四向车调度系统控制A、B同时急停（异常情况）。

Claims (10)

1.一种基于5G的四向穿梭车多车调度方法，用于同层多车调度，其特征在于，在四向穿梭车立体库内部署5G微基站，提供本地5G网络环境；所述四向穿梭车及提升机内安装5G模组，四向穿梭车和其调度控制系统通过5G进行通讯；部署有调度控制系统的服务器与5G路由或5G网关相连，接入本地5G网络；

所述调度方法包括：

每台四向穿梭车在行驶过程中以≤100ms的时间间隔和上位调度系统通讯，上报自身当前位置、方向、速度信息；

上位调度系统在接收到每台车辆的信息后，生成数字孪生地图，在数字孪生地图中，将每台四向穿梭车占据的位置在其行进方向上扩展m个货位作为仿真碰撞位置，在行进方向上扩展n个货位作为减速停止位置，基于地图预先进行车辆相撞模拟；m＜n：

当四向穿梭车A的减速停止位置在数字孪生地图中和另一台四向穿梭车B发生位置干涉时，上位四向车调度系统控制该四向车A行驶到下一个货位处停止；

当四向穿梭车A的仿真碰撞位置在数字孪生地图中和其他四向穿梭车的位置发生干涉时，上位调度系统控制干涉车辆同时急停。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述四向穿梭车采用PLC或单片机作为控制器，控制器与检测自身位置的传感器、四向车的电机驱动相连；采用单片机作为控制器时，5G模组直接和单片机集成于同一PCBA上；采用PLC作为控制器时通过5G工业路由或5G网关和PLC相连后接入本地5G网络。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在四向穿梭车调度时，基于各四向穿梭车起始位置和目标位置的距离确定可执行任务的车辆的优先级。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述各四向穿梭车起始位置和目标位置的距离的确定方式为：

选定立体库一角作为基点建立直角坐标系，对各货位按层数、行数、列数进行编号；

分别计算四向穿梭车起始位置和目标位置行数的差值及列数的差值，其绝对值的和即起始位置和目标位置的距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每台四向穿梭车行驶的路径通过上位调度系统进行路径规划；

路径规划时，将四向穿梭车立体库单层的货位图划分为方格图，其中一个货位为一个方格；所述四向穿梭车沿方格形成的路径行驶。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

对每个方格赋予逻辑属性，用于路径规划，包括：

对于货道上的方格，当四向穿梭车上未载货时，方格属性为可通过，且限制为X方向通过；当四向穿梭车上载货时，方格属性为不可通过；

对于主通道上的方格，方格属性为可通过。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，四向穿梭车行驶路径规划时，结合路径追溯确认后续路径，包括：

在四向穿梭车行驶入当前方格时对当前方格做赋值标记X、Y，分别代表四向穿梭车是从X方向或Y方向进入该方格；

基于当前方格和其相邻方格赋值标记的异同对其相邻方格赋予不同的移动代价，当相邻方格和当前方格赋值标记不同时，移动代价高于赋值标记相同的情况；

根据移动代价判断从当前方格行驶到相邻方格是否涉及换向。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，四向穿梭车行驶路径规划时，结合四向穿梭车当前方格和目标方格的距离确认后续路径，包括：

选定立体库一角作为基点建立直角坐标系，对各货位按层数、行数、列数进行编号；

分别计算四向穿梭车当前方格位置和目标方格位置行数的差值及列数的差值，其绝对值的和即当前方格位置和目标方格位置的距离。

9.根据权利要求1、7或8任一项所述的方法，其特征在于，采用A＊算法进行四向穿梭车路径规划。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在路径规划过程中结合移动代价和/或当前方格位置和目标方格位置的距离作为路径方格选择的参考权重，包括：

建立一个由方格组成的开放节点列表，包括起点方格；

a. 遍历开放节点列表，查找F值最小的相邻节点，将其作为当前要处理的节点；

其中，F为路径权重，F=G/H/(G+H)；G为移动代价，H为当前方格和目标方格的距离；

b. 将该节点移至关闭节点列表；

c. 对当前方格的8个相邻方格的每一个方格作如下处理：

üc1如果该相邻方格是不可抵达的或在关闭节点列表中，则忽略，否则进入c2；

üc2如果该相邻方格不在开放节点列表中，将其加入开放节点列表，并将当前方格设置为该相邻方格的父节点，记录该相邻方格的F/G/H值；

ü如果该相邻方格已在开放节点列表中，且其包含G值时，基于判断经由当前方格到达该相邻方格的路径是否G值更小，如果是，则将其父节点设置为当前方格，并重新计算其G、F值；否则进入d；

d. 重复a~c直至终点已加入开放节点列表；

从终点开始，每个方格沿着父节点移动直至起点，即四向穿梭车最终的行驶路径。

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