一、AGV控制系統(tǒng)介紹

AGV控制系統(tǒng)可分為集中控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)，而相比于AGV分布式控制系統(tǒng)，前者系統(tǒng)中的AGV能夠通過上位機指令，實現(xiàn)工廠模型中的規(guī)劃路徑行駛，在車輛調(diào)度、路徑優(yōu)化等方面更為成熟和穩(wěn)定。

工業(yè)應用中的AGV項目方案，考慮實際需求一般采用集中式控制系統(tǒng)，而集中式的AGV控制系統(tǒng)主要包括中央調(diào)度控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)兩部分。中央調(diào)度控制系統(tǒng)負責任務調(diào)度、路徑規(guī)劃和交通管理，車載控制器負責完成下發(fā)任務的執(zhí)行、導航運動和充電安全等方面的控制。

AGV系統(tǒng)完成作業(yè)離不開兩個控制系統(tǒng)的協(xié)同運行，而通訊系統(tǒng)在AGV車載控制系統(tǒng)和中央調(diào)度控制系統(tǒng)之間的信息收發(fā)過程中起著不可或缺的重要作用。

本文的主要內(nèi)容包括：

1）基于802.11g標準協(xié)議的WLAN技術(shù)構(gòu)建了一個完整傳輸速率高的無線局域網(wǎng)絡，完成AGV與調(diào)度系統(tǒng)應用層軟件所在的上位機通過TCP/IP的收發(fā)通訊。

2）完整定義中央控制系統(tǒng)與各AGV的車載控制系統(tǒng)的雙向通信協(xié)議內(nèi)容，包括：AGV上下線、訂單任務下發(fā)、移動指示燈光、AGV電量速度、AGV位置姿態(tài)和手動控制轉(zhuǎn)換。

3）針對AGV的集中式控制系統(tǒng)通訊壓力大的問題，分析上位機軟件體系結(jié)構(gòu)，增設AGV車載通訊適配器的通訊模塊。

二、AGV控制系統(tǒng)通訊份方案設計

AGV集中控制系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)如圖1所示，在AGV的集中式控制系統(tǒng)中，中央調(diào)度控制系統(tǒng)與各AGV進行雙向通信，各AGV之間不互相通信。

圖1通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 通訊結(jié)構(gòu)設計

常用的無線通信方式有無線局域網(wǎng)（WLAN）、Zigbee、藍牙（Bluetooth）、紅外（IrDA）技術(shù)和超寬帶（UWB）技術(shù)等。設計方案為提升AGV系統(tǒng)運行時數(shù)據(jù)通訊的實時性、可靠性和穩(wěn)定性，并考慮AGV系統(tǒng)干擾源多、系統(tǒng)需要遠程通訊的工作環(huán)境要求，整理比對了各頻段協(xié)議的傳輸最大速率、覆蓋范圍和應用價格，如表1所示。

表1 協(xié)議對比結(jié)果

根據(jù)分析，方案設計選擇基于802.11g標準的WLAN技術(shù)來完成AGV通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡架設，傳輸速率較大，有效工作距離遠超Zigbee和藍牙，且IEEE802.11g與IEEE802.11bWi-Fi系統(tǒng)具有良好的兼容性，適用于功率較大的AGV系統(tǒng)網(wǎng)絡。

WLAN的通信傳輸協(xié)議包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP（TransmissionControlProtocol）為用戶提供了一種面向連接且基于字節(jié)流的通信連接;UDP（UserDatagramProtocol）提供的是面向非連接的數(shù)據(jù)傳輸，與TCP協(xié)議不同的是，可直接進行數(shù)據(jù)收發(fā)而不需要雙方首先建立連接。

UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)不受連接限制，因而具備更高的通信效率，但不可避免地降低了UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。在上位機和AGV小車正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，要求雙方先建立可靠的連接。綜合考慮AGV系統(tǒng)通訊系統(tǒng)的實時性和工作環(huán)境需求，通訊方案選擇更為成熟的TCP傳輸協(xié)議搭建系統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡。

WLAN的組網(wǎng)方式靈活，常用的WLAN網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有IBSS和ESS拓撲結(jié)構(gòu)。

IBSS（IndependentBasicServiceSet，獨立基本服務集）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的連接方式中，其拓撲結(jié)構(gòu)簡單，易維護，該結(jié)構(gòu)下各個AGV互相之間都可通過無線網(wǎng)卡進行相互之間通信，但存在AGV間信道共用問題，適合AGV分布式控制系統(tǒng)：ESS（ExtentServiceSet拓展服務集）網(wǎng)絡包含多個無線AP，連入網(wǎng)絡的AGV在進行數(shù)據(jù)通訊的司時，還支持AP間對頻率和空間的重利用，該結(jié)構(gòu)能夠充分適用于AGV集中控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊需求。

為了提高無線網(wǎng)絡連接的安全性和穩(wěn)定性，預先分配路由器的IP地址范圍，設置系統(tǒng)通訊的地址池，對接入該無線網(wǎng)絡的AGV分配靜態(tài)的IP地址，將AGV對應的MAC地址與固定的IP地址綁定，方便上位機的服務器根據(jù)IP地址識別登記相應的AGV。

2.2 通訊內(nèi)容定義

在工業(yè)環(huán)境現(xiàn)場，AGV機器人主要通過自動出入裝卸站、工作臺和貨架等定義單元，完成物料入庫、出庫等操作的搬運輸送，可以充分適應工作時間長、搬運量大等要求。中央調(diào)度控制系統(tǒng)和AGV車載控制系統(tǒng)的具體通訊流程如下：

1）建立連接：上位機調(diào)度控制系統(tǒng)接受MES系統(tǒng)響應后，通過通訊系統(tǒng)的與空閑狀態(tài)的AGV建立訂單聯(lián)系，并檢驗該AGV是否可以處理對應訂單。

2）訂單命令：AGV可以處理對應訂單，上位機開始逐段下發(fā)移動指令，AGV回復確認數(shù)據(jù)。為提高AGV行駛狀態(tài)的流暢性，運行在下發(fā)行駛路段的同時，提前下發(fā)預分配線段。

3）信息更新：AGV通過無線網(wǎng)絡向上位機發(fā)送當前位置和狀態(tài)，上位機將所接收的數(shù)據(jù)更新存儲，釋放路徑資源。

4）心跳包：AGV定時發(fā)送小車位置及狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，用以檢測AGV與上位機的穩(wěn)定通信，防止系統(tǒng)連接掉線。

5）訂單回復：AGV主動上報已經(jīng)到達訂單目的地，完成裝貨、卸貨或充電的操作指令。

6）訂單結(jié)束：上位機回復AGV完成訂單的主動回復，繼續(xù)下發(fā)訂單或?qū)⒃揂GV泊車。

通訊系統(tǒng)傳輸收發(fā)的標準數(shù)據(jù)，定義在協(xié)議報文的數(shù)據(jù)包中，車載通訊系統(tǒng)向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)為上行，上位機向車載通訊系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)為下行。協(xié)議以定長字節(jié)數(shù)組數(shù)據(jù)包形式發(fā)送。

報頭占用1個字節(jié)，OxAA判斷為該段數(shù)據(jù)包報文的起點。主要是防止因接收錯誤報文導致的系統(tǒng)錯誤問題，方便在傳輸數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)的識別匹配。

功能碼占用1個字節(jié)，定義如表2所示。

表2功能碼

依據(jù)不同的功能碼，車載控制系統(tǒng)會對協(xié)議報文進行相對應的解析與處理。

AGV車號ID段占用高低位2個字節(jié)，用于上位機判別數(shù)據(jù)包的來源AGV，并將要下發(fā)的數(shù)據(jù)精確地送達指定AGV;

AGV位置占用高低位2個字節(jié)，用于上位機控制系統(tǒng)車載控制系統(tǒng)相互對標，并為系統(tǒng)的實時運轉(zhuǎn)狀態(tài)提供可靠依據(jù)。

AGV電量占用高低位2個字節(jié)，用千中央調(diào)度控制系統(tǒng)評估任務訂單的下發(fā)和及時為蓄能不足的AGV下發(fā)自動充電指令，以維持系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。

AGV是否可以處理下發(fā)訂單的狀態(tài)回復占用1個字節(jié)，用以二次確認AGV的狀態(tài)，避免訂單的無效下發(fā)。

動作指令段占用1個字節(jié)，包含的定義動作指令如表3所示。

表3動作指令表

AGV路徑線段的下發(fā)占用4個字節(jié)，用于下發(fā)下一目的點對應的前后兩條路徑線段。提前發(fā)出的第二條路徑線段用以保證AGV運行狀態(tài)的流暢度。指令依據(jù)中央調(diào)度系統(tǒng)路徑資源分配機制，依次分段下發(fā)，且每次都需要上行確認，以期及時釋放路徑資源。直到完成該訂單所規(guī)劃的包含路徑為止。

上下行指令及響應幀格式如表4和表5所示。

表4 下行報文

表5 上行報文

報文校驗段占用兩字節(jié)，用于校驗所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中準確性，判斷是否存在錯誤數(shù)據(jù)。報文協(xié)議采用CRC校驗，以提高系統(tǒng)通信的可靠性。

報尾占用1個字節(jié)，OxBB判斷為該段數(shù)據(jù)包報文的終點。

2.3 通訊適配器

上位機調(diào)度控制系統(tǒng)基于開源組織架構(gòu)open TCS，針對AGV的集中式控制系統(tǒng)通訊壓力大的問題，分析上位機軟件體系結(jié)構(gòu)，用Java編程語言編寫通訊適配器，完成對系統(tǒng)通訊模塊的集成開發(fā)。

軟件框架如圖2所示

圖2軟件框架圖

openTCS支持的通訊適配器，主要實現(xiàn)于特定的自動導引車、非連續(xù)的運輸機等的通信協(xié)議，作為內(nèi)核和執(zhí)行設備之間的中介。AGV通訊通訊器的實現(xiàn)步驟如下：

1）創(chuàng)建子類VehicleCommAdapter：繼承BasicVehicleCommAdapter實現(xiàn)命令隊列管理;在派生類中realvehicle的抽象方法;調(diào)用comm適配器模型上的相應方法setVehiclePosition（）和commandExecuted（）等，當受控AGV報告狀態(tài)和訂單作業(yè)時，反饋內(nèi)核kernel。

2）創(chuàng)建VehicleCommAdapterFactory工廠類，依次為實例化VehicleCommAdapter給定的AGV對象。

3）為通訊適配器創(chuàng)建Guice模塊KernelInjectionModule。注冊并綁定VehicleCommAdapterFactory，以用于openTCS的javautil.ServiceLoader服務項在啟動時自動查找Guice模塊。

4）在CommProtocol類中，定義協(xié)議基本內(nèi)容和觸發(fā)機制。

5）啟動上位機調(diào)度系統(tǒng)openTCS的內(nèi)核之前，將通訊適配器的JAR文件及其他資源放在內(nèi)核kernel應用程序安裝目錄的子目錄中。保證kernel.bat的啟動腳本在應用程序的類路徑中包含該目錄中的所有JAR文件，啟動內(nèi)核時，可以自動搜索找到滿足要求的通訊適配器。

三、實驗

實驗設備主要包括一臺上位機PC，兩臺自然導航方式AGV，一臺無線路由器等。

利用Gradle構(gòu)建工具，編譯生成內(nèi)核、內(nèi)核控制中心和執(zhí)行軟件，依次啟動kernel.bat、kernelcontrolcenter.bat和plantoverview.bat的啟動腳本，上線測試AGV，并在內(nèi)核控制中心加載realvehicle的通訊適配器，如圖3所示。

圖3通訊適配器

AGV基本配置參數(shù)如表6所示。

表6 AGV配置參數(shù)

無線路由器選用TL-WDR5620千兆易展版，部分規(guī)格參數(shù)如表7所示。

表7路由器規(guī)格參數(shù)

通訊系統(tǒng)基于上位機調(diào)度管理軟件openTCS，設計滿足激光導航、磁導航和自然導航等導航方式AGV移動機器人的運行過程，在實驗室研究的自然導航AGV的基礎上，進行AGV通訊系統(tǒng)的現(xiàn)場測試，驗證本文研究方案的可行性，如圖4所示。

圖4實驗測試

經(jīng)實驗驗證，中央調(diào)度控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)在工作運行時能夠滿足正常有效通訊，AGV系統(tǒng)能夠依需完成訂單作業(yè)。

四、結(jié)語

隨著企業(yè)智能制造的不斷改造和升級，AGV等移動機器人扮演著相當重要的角色，隨著5G時代和工業(yè)4.0的發(fā)展到來，AGV的模塊化設計研究，可以有效縮短開發(fā)周期，更能適應各種使用需求，本文的通訊系統(tǒng)方案就是采用模塊化的設計方法，能夠根據(jù)具體的使用要求，組合AGV的其余功能模塊，開發(fā)設計不同系列的物流解決方案。

審核編輯 ：李倩