CN113697411A - 主动集成智能生产线边缘侧状态信息的agv自适应上料系统 - Google Patents

主动集成智能生产线边缘侧状态信息的agv自适应上料系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，包括：AGV小车主体以及匹配安装于其顶部的上下料机构；上下料机构包括举升单元、传送带单元、高度检验单元、摄像头；AGV小车主体包括：信息集成单元，与智能生产线边缘侧设备进行交互，获取作业信息；建图导航单元，对智能生产环境构建地图，根据地图对AGV小车主体进行多级区间混合导航；运动单元，根据运动指令，移动AGV小车主体；控制单元，根据导航单元的导航信息向运动单元发出运动指令；根据作业信息控制上下料机构作业。本发明将AGV技术与智能动态生产线相结合，提高了工业自动化水平，运动及上料控制精度高，适应范围广，可满足智能生产线边缘侧柔性上下料需求。

Description

主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统
技术领域
本发明涉及AGV及其运输技术领域，尤其涉及一种主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统。
背景技术
在生产线场景下，使用AGV自动导引小车进行物料运输代替人工是如今自动化发展的趋势。现如今市场上存在的AGV一般具备如下功能：
(1)能够替代人工，自动负载、搬运物料；
(2)能够利用视觉、激光等传感器，自主规划行进路线并行进；
(3)能够替代人工，通过举升、辊筒等机构实现自动上下料。
智能生产线是一种灵活、机动、可变的生产线概念，该生产线能够针对需求个性化、定制化实现产品制造，适用于产品种类多、换型时间短的生产状况；并且能够被单元化、分单元物联化，便于进行智能化的调整以及集成。
以往的AGV一般分为举升式(潜伏式)、辊筒式等多种。
举升式通过液压、电机等装置实现物料的托举，多应用于仓储环境。例如，公开号为CN109081025A的中国专利文献公开了一种自动上下料AGV，包括车头、车体和送料机构，所述的送料机构包括举升机构和视觉识别机构，所述举升机构设有丝杆滑轨以及固定于所述丝杆滑轨上的悬臂轴，所述视觉识别机构设置于所述悬臂轴上，所述视觉识别机构设有高频视觉识别相机，将悬臂轴位置信息发送到控制器；所述AGV的底部还安装有RFID读卡器和导引信号传感器，通过RFID读卡器读取铺设于地面上RFID的信号，导引信号传感器指引AGV朝指定方向运动。
辊筒柔性上料装置的实现是基于电动机、齿轮、链条、输送滚轮等装置集成的辊筒式传送结构，该结构虽然能实现物料在AGV端与固定流水线间的平稳移动，但对于智能生产线的场景并不适用。
由于智能生产线在即时调整过程中存在着不同高度、不同上料要求的工作段，单一高度的辊筒结构并不能满足该场景的需求，而举升式AGV更是完全无法实现柔性上料的功能。此外，以往的AGV多是命令式作业，缺乏与生产线的动态交互，难以及时响应产线作业活动的变化，不能完全满足智能生产线的作业需求。
在智能生产线中，一种能够主动集成智能生产线边缘侧状态信息、具有高度自适应的辊筒/传送带机构的AGV已成为需求。
另外，常规辊筒存在着驱动电机多、存在物理凹陷等问题，将其替换为传送带，能具备更强的物料运输稳定性，同时简化小车电路结构，更能适用于小型、轻型物料的运输。
发明内容
本发明提供了一种主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，该AGV自适应上料系统能主动集成智能生产线边缘侧状态信息，自适应地完成上料过程。
本发明的技术方案如下：
一种主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，包括：AGV小车主体以及匹配安装于所述AGV小车主体顶部的上下料机构；
所述的上下料机构包括：
举升单元，固定在AGV小车主体顶部，用于调节传送带单元的高度；
传送带单元，固定在举升单元顶部，用于承料和上下料；
高度检验单元，用于检验上下料机构的举升高度hagv；
摄像头，用于识别目标上下料位置
Figure BDA0003245555750000021
并解读目标上下料位置的上下料高度hdes；
所述的AGV小车主体包括：
信息集成单元，与智能生产线边缘侧设备进行交互，获取并融合作业信息；所述的作业信息包括上下料机构的举升高度hagv、智能生产线的上下料位置
Figure BDA0003245555750000022
以及上下料高度hdes；
建图导航单元，对智能生产环境构建地图，在生产过程中，根据地图对AGV小车主体进行导航；
运动单元，根据控制单元的运动指令，移动AGV小车主体；
控制单元，根据导航单元的导航信息向运动单元发出运动指令；根据作业信息控制上下料机构作业，完成上下料作业。
本发明的AGV自适应上料系统可以及时融合来自产线边缘侧的作业信息，自适应地完成上料过程。
所述的AGV自适应上料系统的工作流程为：
(1)控制AGV小车主体的运动对智能生产环境构建地图，或直接向AGV小车主体导入智能生产环境的地图；
(2)设置AGV小车主体的工作策略，使其计算运动路径、轨迹；
(3)使用多级区间混合导航算法进行对AGV小车主体进行导航：
P1为目标上下料位置进入摄像头视野并能有效识别时的距离；
Figure BDA0003245555750000031
为AGV小车主体与目标上下料位置的距离；
当
Figure BDA0003245555750000032
大于P1时使用粗定位进行导航；当
Figure BDA0003245555750000033
小于或等于P1时，AGV小车主体主动与智能生产线边缘侧设备进行交互，获取相关作业信息；
在
Figure BDA0003245555750000034
小于P1过程中，AGV小车主体通过摄像头识别到April tag标识，获得AGV小车主体与目标上下料位置之间的精确相对位姿，通过精确相对位姿信息更新目标上下料位置的精确定位，控制AGV小车主体高精度到达目标上下料位置；
(4)到达目标上下料位置后，摄像头解读目标上下料的二维码信息，获得上下料高度hdes，进而利用高度检验单元反馈的上下料机构的举升高度hagv控制传送带单元到达指定高度，随后传送带单元运转开始上下料；
(5)上下料完成后，根据AGV小车主体的工作策略，重复步骤(3)-(4)进行下一目标上下料位置的上下料作业。
优选的，所述的运动单元采用麦克纳姆轮底盘。可实现AGV小车主体的全向移动。
优选的，所述的建图导航单元采用激光雷达与精确相对定位结合的多级区间混合导航算法。保证了AGV小车主体在不同环境下导航的适应性以及柔性上料位置的到点精度。
所述的多级区间混合导航算法由下式获得目标上下料位置的粗定位与精准定位：
Figure BDA0003245555750000041
其中，式①为目标上下料位置的粗定位，由slam建图获得，为固定值；式②为目标上下料位置的精确定位，由April tag技术获得AGV小车主体与目标上下料位置间精确相对位置后计算得到，并进行实时更新；式中，goal表示目标上下料位置，将与所用tag重合；
Figure BDA0003245555750000042
为AGV小车主体与目标上下料位置的距离，使用April tag技术获得；P1由目标上下料位置进入摄像头视野并能有效识别时的位置所决定；式中，R表示旋转矩阵，P表示目标上下料位置坐标；R和P的左上角角标表示基坐标系，左下角角标表示目标坐标系。
粗定位与精确定位结合的多级区间混合导航算法保证系统到位精度10mm以内。
所述的举升单元采用电动剪叉式结构，包括：固定件、剪叉式升降支撑架和驱动件，固定件将剪叉式升降支撑架固定在AGV小车主体顶部；驱动件用于驱动剪叉式升降支撑架以调整传送带单元的高度。
所述剪叉式升降支撑架的动力由底部的步进电机以及配套丝杆装置驱动，所述丝杆安装方向平行于剪叉式升降支撑架的张合平面。
所述的高度检验单元为旋转电位器，用于测量剪叉式升降支撑架的张开角度，通过计算可获得举升单元的举升高度hagv。
举升高度hagv的计算公式为：hagv＝h0+l sin(θ/2)；式中，h0表示机体补偿高度，l表示剪叉式升降支撑架单边长度，θ表示剪叉式升降支撑架张开角度。
所述的传送带单元包括固定于剪叉式升降支撑架上部的固定中梁、对称位于固定中梁两侧的固定边梁、匹配安装于固定中梁与固定边梁之间的电动辊筒以及包裹于电动辊筒外侧的传送带；所述的电动辊筒与电机的动力输出轴联动；电动辊筒在电机的驱动下旋转以带动传送带转动，将放置于传送带上的物料进行输送。
控制单元根据AGV小车主体所在位置及传送带单元所在高度，对AGV小车主体的运动及上下料机构的举升、传送电机进行控制调整；传送带单元与举升单元采用基于二维码识别与电位器角度检验的高度匹配技术，支持上下料机构结构的高度自适应，同时采用传送带单元来保证送料过程的平稳顺畅、降低能耗，此外，采用剪叉式举升结构保证了AGV小车对不同高度生产线或货架的适应性。
与现有技术及产品相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的AGV自适应上料系统主动继承了智能生产线边缘测状态信息，降低了生产线控制系统的存储与运算要求，同时增强了对可变产线的适应性。
(2)本发明的AGV自适应上料系统结构设计简单、合理，根据生产实际需求，通过传送带与举升结构的结合，实现了对智能生产线不同高度对接目标的适应性，有效提高了生产效率。
(3)本发明的AGV自适应上料系统使用传送带代替辊筒机构，具有节能、机构简单、适应性强的特点。
(4)本发明的AGV自适应上料系统使用视觉二维码识别算法，实现对接高度的自适应控制。
(5)本发明的AGV自适应上料系统通过内嵌的多级区间混合导航算法，实现了使用全局PID点移动、局部DWA算法避障、目标点附近精确定位到达指定位置，保证系统上下料的到位精度。
(6)本发明的AGV自适应上料系统结构功能设计合理，有先进而可靠的技术作为支撑，解决了智能生产线上的实际问题，满足了生产的需要。
附图说明
图1为AGV自适应上料系统整体结构示意图；
图2为AGV小车主体(不含上下料机构)结构示意图；
图3为AGV小车主体的底盘层结构示意图；
图4为AGV小车主体的控制层结构示意图；
图5为AGV自适应上料系统的上下料机构的结构示意图；
图6为举升单元的结构示意图；
图7为AGV自适应上料系统整体(含外壳)结构示意图；
图8为确定AGV小车移动以及柔性上料的策略示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明的全向移动AGV小车主体对地面投影为矩形框架，整体尺寸为320mm×240mm×240mm，包括三层分离模块：底盘层1，安装有额定电压12V的直流电机6，通过联轴器安装麦克纳姆轮4；控制层2，安装有步进电机驱动，Jetson Nano控制板，STM32控制板；传送带输送层3，安装有步进电机驱动的剪叉举升装置、步进电机驱动的传送带机构。
底盘层1如图3所示，主体由3mm厚的铝合金板材5负载支撑，在底部安装有额定电压为12V、转速为330r/min直流电机6及其安装架，借助联轴器安装有直径80mm的麦克纳姆轮4，可进一步实现其全向移动；直流电机通过排线与控制层STM32开发板连接。底盘层1距地面高度为75mm，其上安装有4枚50mm高铜柱，支撑上部控制层。底盘层1两侧垂直安装有固定传送带步进电机、传送带传动杆的3mm厚铝合金支撑板。
控制层2如图4所示，主体由3mm厚的铝合金板材8负载支撑，在车辆前进方向前端依次装有上位机NVIDIA Jetson Nano控制板10、下位机STM32控制板9、Rapliadar激光雷达11。其中Jetson Nano控制板10通过USB连接线接收Raplidar激光雷达11与用于二维码识别的摄像头数据，通过导电线控制步进电机驱动；STM32控制板通过导电线连接底盘层1的直流电机6。Jetson Nano控制板10与STM32控制板9通过USB线连接。
传送带输送层3如图5所示，主体由垂直于地面、固定在底盘层1两侧的支撑铝板12、步进电机13(DQ-42HB60A，0.89N·m)驱动的剪叉式升降机构15及步进电机14(DQ-42HB60A，0.89N·m)驱动的传送带机构16构成。其中，剪叉式升降机构15交叉铰接处17安装有旋转式电位器，连接至Jetson Nano控制板10，用以计算剪叉机构角度。
支撑铝板12在车内一侧安装步进电机14、步进电机14驱动传送带传动杆。
剪叉升降机构16如图5、6所示，开合角为180°至60°，由两组各自平行的长300mm的铝合金杆18、顶部的传送带固定架20、底部的导轨19以及居于车位一侧的丝杆驱动装置21组成。丝杆驱动装置21同样为铝合金制，伸缩距离为0mm至10mm，固连在一组平行丝杆上，推拉其在底部导轨上的运动。底部导轨固连在控制层2的铝合金板上。驱动丝杆的步进电机22通过导电线连接至控制层的电机驱动。
传送带机构16整体向地面方向投影大小宽度为250mm，长度为320mm。包括固定于小车剪叉升降机构16上部的固定中梁、对称位于固定中梁两侧的固定边梁、匹配连接于固定中梁与固定边梁之间的电动辊筒、以及包裹辊筒外侧的橡胶传送带；电动辊筒一端铰接于固定边梁，另一端铰接固定中梁；电动辊筒其中之一为主动辊筒，其余为随动辊筒。主动辊筒的步进电机通过导电线连接至控制层的电机驱动。传送带底部同样装有导轨，辅助剪叉机构的运动。
车整体外壳如图7所示，由3D打印制造而成，固连在底盘层1。上部开口，用以将传送带举升装置暴露在最上方。环保材料外壳23中部有一环形缝隙24，可将激光雷达扫描机构与二维码识别机构与外界连通而不被封闭。上述二者通过USB线连接至控制层的JetsonNano控制板。
AGV小车还包括摄像机构，通过识别目标对接传送带装置所贴二维码获取传送带信息，包括相对位置
Figure BDA0003245555750000071
高度hdes等，反馈至上位机，以控制底盘以及升降机构。
AGV小车还包括激光导航机构，通过激光雷达进行slam建图，并通过主控板实现全局、局部路径规划及避障。
AGV小车还包括内嵌多级区间混合导航算法的高精度定位系统，April tag技术在生产线附近进行高精度定位。
如图8所示，确定AGV小车移动以及柔性上料的策略是：
(1)通过控制AGV的运动或直接导入地图，使AGV在正式工作前已对整体环境建图；
(2)使用软件设置AGV工作策略，使其计算运动路径、轨迹；
(3)使用多级区间混合导航算法进行导航：
当
Figure BDA0003245555750000072
大于P1时使用粗定位进行导航，小于P1时，AGV会主动与生产线边缘侧设备进行交互，获取相关作业信息(传送带举升高度hagv、智能生产线精确上下料位置
Figure BDA0003245555750000073
及上下料高度hdes)；
在
Figure BDA0003245555750000074
小于P1过程中，AGV通过摄像头识别到April tag标识，获得AGV与目标上料位置之间的精确相对位姿，通过该信息更新上下料位置的精确定位，控制AGV高精度到达上下料位置；
P1由目标tag进入相机视野并有效识别时的位置所决定；
(4)到达目标点位后，摄像头解读相应二维码信息，获得上下料高度hdes，进而利用传送带高度检验的反馈hagv控制剪叉机构到达指定高度，随后传送带运转开始上下料。
(5)同(2)(3)，根据路径、轨迹开始工作，根据激光雷达数据或April tag标识进行目标上下料位置定位，控制车辆继续前行；
(6)到达目标位置后，使用摄像头识别下料端二维码，根据其中包括的高度信息调节剪叉升降机构，并控制传送带运动下料；
(7)以此类推，继续循环工作。
其中，AGV主动集成智能生产线边缘侧状态信息具体是指：通过April tag技术在设备侧附近实时自主获得设备精确相对位置，通过对设备侧二维码的识别获得目标产线的上下料高度等信息，通过旋转电位器计算获得传送带举升高度，从而使小车及时融合来自产线边缘侧的作业信息，实现小车与产线设备的信息交互。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，其特征在于，包括：AGV小车主体以及匹配安装于所述AGV小车主体顶部的上下料机构；
所述的上下料机构包括：
举升单元，固定在AGV小车主体顶部，用于调节传送带单元的高度；
传送带单元，固定在举升单元顶部，用于承料和上下料；
高度检验单元，用于检验上下料机构的举升高度hagv；
摄像头，用于识别目标上下料位置
Figure FDA0003245555740000011
并解读目标上下料位置的上下料高度hdes；
所述的AGV小车主体包括：
信息集成单元，与智能生产线边缘侧设备进行交互，获取并融合作业信息；所述的作业信息包括上下料机构的举升高度hagv、智能生产线的上下料位置
Figure FDA0003245555740000012
以及上下料高度hdes；
建图导航单元，对智能生产环境构建地图，在生产过程中，根据地图对AGV小车主体进行导航；
运动单元，根据控制单元的运动指令，移动AGV小车主体；
控制单元，根据导航单元的导航信息向运动单元发出运动指令；根据作业信息控制上下料机构作业，完成上下料作业。
2.根据权利要求1所述的主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，其特征在于，所述的AGV自适应上料系统的工作流程为：
(1)控制AGV小车主体的运动对智能生产环境构建地图，或直接向AGV小车主体导入智能生产环境的地图；
(2)设置AGV小车主体的工作策略，使其计算运动路径、轨迹；
(3)使用多级区间混合导航算法进行对AGV小车主体进行导航：
P1为目标上下料位置进入摄像头视野并能有效识别时的距离；
Figure FDA0003245555740000013
为AGV小车主体与目标上下料位置的距离；
当
Figure FDA0003245555740000021
大于P1时使用粗定位进行导航；当
Figure FDA0003245555740000022
小于或等于P1时，AGV小车主体主动与智能生产线边缘侧设备进行交互，获取相关作业信息；
在
Figure FDA0003245555740000023
小于P1过程中，AGV小车主体通过摄像头识别到April tag标识，获得AGV小车主体与目标上下料位置之间的精确相对位姿，通过精确相对位姿信息更新目标上下料位置的精确定位，控制AGV小车主体高精度到达目标上下料位置；
(4)到达目标上下料位置后，摄像头解读目标上下料的二维码信息，获得上下料高度hdes，进而利用高度检验单元反馈的上下料机构的举升高度hagv控制传送带单元到达指定高度，随后传送带单元运转开始上下料；
(5)上下料完成后，根据AGV小车主体的工作策略，重复步骤(3)-(4)进行下一目标上下料位置的上下料作业。
3.根据权利要求1所述的主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，其特征在于，所述的运动单元采用麦克纳姆轮底盘。
4.根据权利要求1所述的主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，其特征在于，所述的建图导航单元采用激光雷达与精确相对定位结合的多级区间混合导航算法。
5.根据权利要求4所述的主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，其特征在于，所述的多级区间混合导航算法由下式获得目标上下料位置的粗定位与精准定位：
Figure FDA0003245555740000024
其中，式①为目标上下料位置的粗定位，由slam建图获得，为固定值；式②为目标上下料位置的精确定位，由April tag技术获得AGV小车主体与目标上下料位置间精确相对位置后计算得到，并进行实时更新；式中，goal表示目标上下料位置，将与所用tag重合；
Figure FDA0003245555740000025
为AGV小车主体与目标上下料位置的距离，使用April tag技术获得；P1由目标上下料位置进入摄像头视野并能有效识别时的位置所决定；式中，R表示旋转矩阵，P表示目标上下料位置坐标；R和P的左上角角标表示基坐标系，左下角角标表示目标坐标系。
6.根据权利要求1所述的主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，其特征在于，所述的举升单元采用电动剪叉式结构，包括：固定件、剪叉式升降支撑架和驱动件，固定件将剪叉式升降支撑架固定在AGV小车主体顶部；驱动件用于驱动剪叉式升降支撑架以调整传送带单元的高度。
7.根据权利要求6所述的主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，其特征在于，所述的高度检验单元为旋转电位器，用于测量剪叉式升降支撑架的张开角度，通过计算可获得举升单元的举升高度hagv。
8.根据权利要求1所述的主动集成智能生产线边缘侧状态信息的AGV自适应上料系统，其特征在于，所述的传送带单元包括固定于剪叉式升降支撑架上部的固定中梁、对称位于固定中梁两侧的固定边梁、匹配安装于固定中梁与固定边梁之间的电动辊筒以及包裹于电动辊筒外侧的传送带；所述的电动辊筒与电机的动力输出轴联动；电动辊筒在电机的驱动下旋转以带动传送带转动，将放置于传送带上的物料进行输送。
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