CN113762597A - 一种基于云平台管理的智能agv调度系统和方法 - Google Patents

一种基于云平台管理的智能agv调度系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于云平台管理的智能AGV调度系统和方法，系统包括5G通信技术连接模块、数据信息获取模块、AGV状态监测模块和路径智能调控模块。方法包括：用栅格地图法对工厂内物料运输加工场景建模；云平台收到CNC和AGV的状态信息并将响应用数据表形式存储；以行坐标X为外键提取出每一行上每个CNC和AGV运行状态组成新的数据表；挑选出满足标准的CNC和AGV运行状态，记录下该CNC发出的需求信号并响应；响应规则为复合路径动态调度策略和优先级原则，AGV根据规则移动到相应发出需求的CNC坐标位置进行物料传递。本发明通过能够实现多个AGV的协同调度和多任务处理，拓展了AGV在实际场景中的应用范围。

Description

一种基于云平台管理的智能AGV调度系统和方法
技术领域
本发明涉及智能运输领域，尤其涉及一种基于云平台管理的智能AGV调度系统和方 法。
背景技术
AGV系统是工厂自动化系统的一个重要组成部分，它主要执行原材料的供送、成品的 转移输送、仓储货物柔性配送等功能。智能AGV凭借无人化的优势成为现代柔性制造系统和自动化仓储系统中物流运输的必备工具，被公认为物流领域中自动物料运输的首选设备。当AGV处在一个连续的任务环中，必须解决其多任务自主导航问题。目前AGV虽 然也具备多任务导航功能，但只是简单地按照所呼叫的顺序进行依次送料，对执行多任务 的最佳路径缺乏考虑，从而导致效率低下且耗能大，在大型作业环境中成本会迅速增加。
发明内容
为解决现有的技术问题，本发明提供了一种基于云平台管理的智能AGV调度系统和 方法。
本发明的具体内容如下：一种基于云平台管理的智能AGV调度系统，包括：
5G通信技术连接模块，作为AGV与云计算平台的数据交互通道，实时传输数据信息获取模块的AGV位置运行信息、CNC任务指令需求、上下料装卸信息等，云平台管理系 统和所有的AGV进行双向通信，而AGV车辆之间无信息交流；
数据信息获取模块，接收工厂CNC的加工任务信息、工厂物料信息、AGV运行信息、路径信息和指令冲突信息；
AGV状态监测模块，监测AGV小车的编号、负荷状态和电量信息；
路径智能调控模块，包括无死锁确认功能、无碰撞确认功能和AGV路径规划功能，根据数据信息获取模块和AGV状态监测模块接收到的状态信息进行复合路径动态调度策略建模，给出运输需求指令，并按照提前预设的优先级原则依次排列AGV的物料运输顺 序，确定AGV行进方向和CNC的加工顺序。
本发明还公开了一种基于云平台管理的智能AGV调度方法，基于上述调度系统实现， 包括如下步骤：
S1：在云平台上采用栅格地图法对工厂内物料运输加工场景建模，包括AGV待命区、 AGV上下料地点、AGV充电区域以及AGV行驶路径；
S2：工厂CNC加工启动时，云平台的工件信息获取模块收到CNC发出的加工需求响应，并将响应按发出时间用数据表形式存储，记录为数据表A；
S3：云平台调度系统的AGV状态监测模块接收每个AGV的位置、电量和状态信息，并将其按编号将其储存，记录为数据表B；
S4：以行坐标X为外键提取出每一行上每个CNC和AGV运行状态，组成新的数据 表AB；
S5：从数据表AB中挑选出满足标准的CNC和AGV运行状态，云平台调度系统的路 径智能调控模块记录下该CNC发出的需求信号，对CNC发出的需求信号进行响应；
S6：AGV小车根据路径智能调控模块的模型和优先级原则移动到相应发出需求的CNC坐标位置，在移动途中云平台更新数据表A、数据表B、数据表AB中的实时状态信 息；
其中，S1中将格栅化后的地图按照坐标划分为不同的矩形区域，每个区域之间互不重 叠且全部矩形区域覆盖整个地图，在包含AGV上下料地点的矩形区域中，记录AGV行驶路径并编号，云平台根据AGV和CNC的状态信息规划AGV的路线；
除了AGV待命区和AGV充电区域，其余的区域中的每各矩形区域只允许存在同一台AGV，当某台AGV从AGV待命区进入其他区域之前，先判断该区域是否已经存在其他 AGV，若已存在其他AGV则不再进入，避免死锁。
进一步的，云平台的数据库中存储AGV和CNC的所有数据信息；AGV的数据信息 包括AGV的编号、AGV的电量、AGV的运行状态；CNC的数据信息包括：CNC的编号、 CNC完成工件个数、CNC的运行状态；其中，AGV的运行状态信息包括：移动、上下料 和等待；CNC的运行状态信息包括：空闲、加工、上下料、故障和加工完毕。
进一步的，S5中，当满足数据表AB中AGV运行状态为移动或者等待，并且CNC 运行状态为空闲或者加工完毕时，CNC发出的需求信号才会被路径智能调控模块记录并按 照复合路径动态调度策略建模。
进一步的，S6中，当路径智能调控模块给出运输需求指令后，按照以下复合路径动态调度策略进行建模：
记
Figure BDA0003195997370000021
其中，N0为工厂中所有CNC最多加工完成的物料总数，T0为CNC加工物料的时长，
Figure BDA0003195997370000022
和
Figure BDA0003195997370000023
分别为第i台CNC上料和下料时间；
记
Figure BDA0003195997370000031
模型约束条件包含有加工物料数量约束、CNC加工完成时间约束和AGV工作时间约束：
Figure BDA0003195997370000032
其中，i＝1，2，...，N表示CNC的数量；j＝1，2，...，N0表示物料加工数量；T为一天总加工 时长；Wij表示第i台CNC加工第j个物料的等待时长；Yi，k表示AGV从第i个CNC移动 到第k个CNC所花费时间；
路径动态调度的目标函数包含在工作时间内加工完成物料数量最多和CNC等待时间 最短，
Figure BDA0003195997370000033
Figure BDA0003195997370000034
为减少CNC等待时间将采取以下原则对运输需求指令进行排序：行序号一致原则＞ 距离最近原则＞方向一致原则＞时间最少原则。
进一步的，每一个CNC的状态信息和AGV的运行状态信息建立的数据表均实时更新， 当AGV执行完一次当前需求后，云平台发送给AGV的运输指令都会依据模型和优先级原则重新排序给出，具体实现步骤为：安装Python MySQLdb模块；打开数据库连接；使用cursor()方法获取操作游标；使用SQL查询AGV和CNC运行状态信息；使用SQL更新 语句更新AGV和CNC运行状态信息；关闭连接。
进一步的，在S6完成后，路径智能调控模块根据实时信息实时更新需求指令，AGV根据接收到的需求指令执行相应物料运输任务；
进一步的，在调度过程中判断AGV的电量是否小于20％或AGV以及CNC运行时间 是否超过工作时间，如果是则结束当前AGV和CNC的工作状态，AGV运行到待命区， 如果不是则继续进行调度操作。
本发明通过云平台实现AGV的智能调度，有助于实现智能化的工厂车间，通过云平台的远程调度，能够实现多个AGV的协同调度和多任务处理，拓展了AGV在实际场景中 的应用范围。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
图1为本发明的基于云平台管理的智能AGV调度方法的示意图。
具体实施方式
结合图1，本实施例公开了一种基于云平台管理的智能AGV(Automated GuidedVehicle， 无人搬运车)调度的方法，其是在一种基于云平台管理的智能AGV调度系统实现的，该 系统包括：
5G通信技术连接模块，使用成熟的通信协议TCP/IP架设通信网络，用于打通AGV与云计算平台的数据交互通道，实时传输数据信息获取模块的AGV位置运行信息，CNC(computer numerical control，计算机数控)任务指令需求，上下料装卸信息等，云平台管理系统和所有的AGV进行双向通信，而AGV车辆之间无信息交流；
数据信息获取模块，用于接收工厂CNC的加工任务信息，工厂物料信息，AGV运行信息，路径信息，指令冲突信息；
AGV状态监测模块，用于监测AGV小车的编号、负荷状态和电量信息；
路径智能调控模块，包括无死锁确认功能，无碰撞确认功能和AGV路径规划功能。根据数据信息获取模块和AGV状态监测模块接收到的状态信息给出运输需求指令，并按 照提前预设的优先级原则依次排列AGV的物料运输顺序，即确定AGV行进方向和CNC 的加工顺序。
本实施例的调度方法主要包括如下步骤：
S1，对工厂车间内物料运输场景进行栅格化地图建模，包括AGV待命区、AGV上下料地点、AGV充电区域以及AGV行驶路径，实际中还可包括CNC的加工点、上料和下 料传送带。将栅格化后的地图按坐标划分成不同的矩形区域，每个矩形区域互不重叠又 恰好覆盖整个地图。本实施例中所述的每个矩形区域包含了若干条AGV行驶路径，如某 一矩形区域中包含多个工作点(如CNC上料传送带、加工点、下料传送点)，不同的工 作点之间(如上料传送带和加工点之间)的路线为AGV的一段行驶路线。除了AGV待命 区、AGV充电区外，其他矩形区域只允许同时存在一台AGV，AGV从待命区进入其他区 域前，先判断该区域是否已存在其他AGV，从而避免死锁现象的发生。
S2，云平台管理系统中的工件信息获取模块收到CNC的位置加工状态信息，并将信息按发出时间用数据表A存储，如表1所示：
表1 CNC信息数据表A
id X Y 状态
N X<sub>n</sub> Y<sub>n</sub> C<sub>i</sub>
其中，N为唯一id编号，取值为1，2，3......；Xn和Yn分别指位于网格化后第n行第 n列，确定了CNC的位置；Ci为CNC的运行状态信息，根据CNC状态可取为：
CNC运行状态
Figure BDA0003195997370000051
S3，云平台管理系统中的AGV状态监测模块接收每个AGV的位置、电量和状态信息，并将其按编号储存为数据表B，如表2所示：
表2 AGV信息数据表B
id X 电量 状态
N X<sub>n</sub> E<sub>j</sub> A<sub>j</sub>
其中，Xn代表第n行的AGV；Ej代表每个AGV的电量情况；Ai为CNC的运行状态 信息，根据AGV状态可取为：
AGV运行状态
Figure BDA0003195997370000052
S4，以X为外键SELECT提取出每一行上每个CNC和AGV运行状态，组成新的数 据表AB，如表3所示：
表3 CNC和AGV运行状态数据表AB
id X A.状态 B.状态
N X<sub>n</sub> C<sub>i</sub> A<sub>j</sub>
S5，用SELECT语句进行挑选，只有满足以下这四种情形下CNC发出的需求信号才会被路径智能调控模块记录并加入优先级排序；
1)A.状态＝C1 and B.状态＝A1
2)A.状态＝C1 and B.状态＝A4
3)A.状态＝C6 and B.状态＝A1
4)A.状态＝C6 and B.状态＝A4
即只有当某一行上AGV处于移动或者等待，并且CNC运行状态为空闲或者加工完毕时，路径智能调控模块才对该CNC的需求信号记录。
路径智能调控模块记录被响应的运输需求指令后，同时实时更新CNC和AGV的状态情况并按照以下复合路径动态调度策略进行建模：
记
Figure BDA0003195997370000061
其中，N0为工厂中所有CNC最多加工完成的物料总数，T0为CNC加工物料的时长，
Figure BDA0003195997370000062
和
Figure BDA0003195997370000063
分别为第i台CNC上料和下料时间；
记
Figure BDA0003195997370000064
模型约束条件包含有加工物料数量约束、CNC加工完成时间约束和AGV工作时间约束：
Figure BDA0003195997370000065
其中，i＝1，2，...，N表示CNC的数量；j＝1，2，...，N0表示物料加工数量；T为一天总加工 时长；Wij表示第i台CNC加工第j个物料的等待时长；Yi，k表示AGV从第i个CNC移动 到第k个CNC所花费时间。
路径动态调度的目标函数包含在工作时间内加工完成物料数量最多和CNC等待时间 最短，即需要保证选择的AGV满足以下条件：
Figure BDA0003195997370000066
Figure BDA0003195997370000067
同时为了减少CNC的等待时间将采取以下原则对运输需求指令进行排序：行序号一 致原则＞距离最近原则＞方向一致原则＞时间最少原则。
其中，行序号一致原则指第n行的AGV只能处理第n行上的CNC上下料请求；
距离最近原则指当距AGV不同距离的CNC同时向AGV发出需求信号时，AGV 会优先响应距离其最近的CNC；当某一个CNC向AGV发出需求信号，AGV在移动过 程中，接收到了另一个离AGV更近的CNC需求信号后，AGV会优先处理距离其更近的 CNC，并将物料运行到该CNC处进行作业。
方向一致原则指当距AGV距离相等的CNC同时向AGV发出需求信号时，AGV 会响应与其运行方向一致的CNC，并运行到该CNC处进行作业。
时间最少原则指当距AGV距离相同且与AGV运行方向一致，比较CNC运行此时状 态时间，选择工序时间最少的CNC并运行到该CNC处进行作业。
S6，AGV小车根据路径智能调控模块的模型和指令移动到相应发出需求的CNC坐标位置执行物料和成品运输需求，在移动途中云平台更新数据表A、数据表B、数据表AB 中的实时状态信息；具体步骤为：安装Python MySQLdb模块；打开数据库连接；使用cursor()方法获取操作游标；使用SQL查询AGV和CNC运行状态信息使用SQL更新语句更新 AGV和CNC运行状态信息；关闭连接。
S7：路径智能调控模块根据实时信息实时更新需求指令，AGV根据接收到的需求指令 执行相应物料运输任务。
S8，判断AGV的电量是否小于20％或者AGV以及CNC运行时间是否超过工作时间，如果是则结束当前AGV和CNC的工作状态，AGV运行到待命区，如果不是则继续上述 步骤。
本实施例的调度方法，基于云平台实现，能够有效地处理AGV在多任务环境中的路径规划问题，通过云平台的远程调度，能够实现多个AGV的协同调度和多任务处理，拓 展了AGV在实际场景中的应用范围。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发 明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明 不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案 范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动 和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发 明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术 方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于云平台管理的智能AGV调度系统，其特征在于：包括：
5G通信技术连接模块，作为AGV与云计算平台的数据交互通道，实时传输数据信息获取模块的AGV位置运行信息、CNC任务指令需求、上下料装卸信息等，云平台管理系统和所有的AGV进行双向通信，而AGV车辆之间无信息交流；
数据信息获取模块，接收工厂CNC的加工任务信息、工厂物料信息、AGV运行信息、路径信息和指令冲突信息；
AGV状态监测模块，监测AGV小车的编号、负荷状态和电量信息；
路径智能调控模块，包括无死锁确认功能、无碰撞确认功能和AGV路径规划功能，根据数据信息获取模块和AGV状态监测模块接收到的状态信息进行复合路径动态调度策略建模，给出运输需求指令，并按照提前预设的优先级原则依次排列AGV的物料运输顺序，确定AGV行进方向和CNC的加工顺序。
2.一种基于云平台管理的智能AGV调度方法，其特征在于：基于权利要求1所述的调度系统，包括如下步骤：
S1：在云平台上采用栅格地图法对工厂内物料运输加工场景建模，包括AGV待命区、AGV上下料地点、AGV充电区域以及AGV行驶路径；
S2：工厂CNC加工启动时，云平台的工件信息获取模块收到CNC发出的加工需求响应，并将响应按发出时间用数据表形式存储，记录为数据表A；
S3：云平台调度系统的AGV状态监测模块接收每个AGV的位置、电量和状态信息，并将其按编号将其储存，记录为数据表B；
S4：以行坐标X为外键提取出每一行上每个CNC和AGV运行状态，组成新的数据表AB；
S5：从数据表AB中挑选出满足标准的CNC和AGV运行状态，云平台调度系统的路径智能调控模块记录下该CNC发出的需求信号，对CNC发出的需求信号进行响应；
S6：AGV根据路径智能调控模块的复合动态调度模型和优先级原则移动到相应发出需求的CNC坐标位置，在移动途中云平台更新数据表A、数据表B、数据表AB中的实时状态信息；
其中，S1中将格栅化后的地图按照坐标划分为不同的矩形区域，每个区域之间互不重叠且全部矩形区域覆盖整个地图，在包含AGV上下料地点的矩形区域中，记录AGV行驶路径并编号，云平台根据AGV和CNC的状态信息规划AGV的路线；
除了AGV待命区和AGV充电区域，其余的区域中的每各矩形区域只允许存在同一台AGV，当某台AGV从AGV待命区进入其他区域之前，先判断该区域是否已经存在其他AGV，若已存在其他AGV则不再进入，避免死锁。
3.根据权利要求2所述的基于云平台管理的智能AGV调度方法，其特征在于：云平台的数据库中存储AGV和CNC的所有数据信息；AGV的数据信息包括AGV的编号、AGV的电量、AGV的运行状态；CNC的数据信息包括：CNC的编号、CNC完成工件个数、CNC的运行状态；其中，AGV的运行状态信息包括：移动、上下料和等待；CNC的运行状态信息包括：空闲、加工、上下料、故障和加工完毕。
4.根据权利要求3所述的基于云平台管理的智能AGV调度方法，其特征在于：S5中，当满足数据表AB中AGV运行状态为移动或者等待，并且CNC运行状态为空闲或者加工完毕时，CNC发出的需求信号才会被路径智能调控模块记录。
5.根据权利要求4所述的基于云平台管理的智能AGV调度方法，其特征在于：S6中，当路径智能调控模块记录CNC响应后，按照以下复合路径动态调度策略进行建模：
记
Figure FDA0003195997360000021
其中，N0为工厂中所有CNC最多加工完成的物料总数，T0为CNC加工物料的时长，
Figure FDA0003195997360000022
和
Figure FDA0003195997360000023
分别为第i台CNC上料和下料时间；
记
Figure FDA0003195997360000024
模型约束条件包含有加工物料数量约束、CNC加工完成时间约束和AGV工作时间约束：
Figure FDA0003195997360000025
其中，i＝1，2，...，N表示CNC的数量；j＝1，2，...，N0表示物料加工数量；T为一天总加工时长；Wij表示第i台CNC加工第j个物料的等待时长；Yi，k表示AGV从第i个CNC移动到第k个CNC所花费时间；
路径动态调度的目标函数包含在工作时间内加工完成物料数量最多和CNC等待时间最短，
Figure FDA0003195997360000026
Figure FDA0003195997360000027
6.根据权利要求4所述的基于云平台管理的智能AGV调度方法，其特征在于：为减少CNC等待时间将采取以下原则对运输需求指令进行排序：行序号一致原则＞距离最近原则＞方向一致原则＞时间最少原则。
7.根据权利要求2所述的基于云平台管理的智能AGV调度方法，其特征在于：每一个CNC的状态信息和AGV的运行状态信息建立的数据表均实时更新，当AGV执行完一次当前需求后，云平台发送给AGV的运输指令都会依据模型和优先级原则重新排序给出，具体实现步骤为：安装Python MySQLdb模块；打开数据库连接；使用cursor()方法获取操作游标；使用SQL查询AGV和CNC运行状态信息；使用SQL更新语句更新AGV和CNC运行状态信息；关闭连接。
8.根据权利要求2所述的基于云平台管理的智能AGV调度方法，其特征在于：在S6完成后，路径智能调控模块根据实时信息实时更新需求指令，AGV根据接收到的需求指令执行相应物料运输任务。
9.根据权利要求2所述的基于云平台管理的智能AGV调度方法，其特征在于：在调度过程中判断AGV的电量是否小于20％或AGV以及CNC运行时间是否超过工作时间，如果是则结束当前AGV和CNC的工作状态，AGV运行到待命区，如果不是则继续进行调度操作。
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