0 引言

自动导航小车(Automatic guided vehicle, AGV)系统属于工业机器人的分支之一，一般使用电池进行驱动，在一定的运行环境中可自主运行，在物流企业、柔性制造车间、自动化仓储等领域应用日益广泛，是制造业智能化的重要组成部分^[1-3]。目前，AGV的导引技术可分为有轨导引和无轨导引两大类型，有轨导引需要小车运行的路径上铺设磁条或色块等导引物^[4-6]; 曾祥苹等^[7]利用模糊控制策略研究提高磁导引AGV路径跟踪精度及系统鲁棒性；任彧等^[8]使用改进的免模型深度强化学习算法设计了路径跟踪控制器，在建立磁导航AGV离散时域的运动学和动力学模型的基础上, 将路径跟踪问题建模为连续状态与动作空间的马尔可夫决策过程，优化了控制规则；罗奎等^[9]基于HMC1021设计了磁导引AGV控制系统；沈忱等^[10]使用磁阻传感芯片HMC1021组成线阵的测量方案，研究一种磁导引AGV传感器，并提出减小误差的方法和改进方案；郑炳坤等^[11]提出一种基于CAN总线的控制系统，其硬件架构以嵌入式工控机为核心, 实现由模糊自整定PD调节器来改良磁导航AGV的动态跟踪行为。综上，有轨AGV运行在固定路径上，对AGV路径的控制相对方便，定位较准确，可实现厘米级的定位，是目前AGV主要的导引方式，但存在路径一旦铺设就难以变更、轨道铺设成本高等不足。

无轨导引主要有激光导引、超声波导引、视觉导引、惯性导引等，激光导引、超声波导引技术采用信号传输距离与时间关系的测距原理，受环境的影响大，定位误差大，市场应用还不广泛。随着中央处理器处理能力的提高，视觉导引越来越多被应用到AGV和机器人领域，浙江大学李月华等^[12]针对工业场景对自动导引车高定位精度的要求，提出一种改进的视觉同时定位与地图创建(VSLAM)算法，取得不错的效果；南京航空航天大学武星等^[13]针对复杂光照条件下视觉导引AGV的路径提取问题，提出一种基于光照色彩模型的自适应图像照度分区阈值分割方法，提高对导引路径的识别率，但视觉导引方式依然存在对复杂环境和光线处理困难等不足。北京航空航天大学吴鹏等^[14]针对在没有外部信号的室内环境下自动导引车定位问题, 提出一种将惯性导航与里程计相结合的算法，该算法在提升了位置估计的准确性与稳定性方面具有显著效果；季冉鸣等^[15]提出了一种基于磁传感器、低精度惯导系统、编码器的机器人导航控制方法，该算法在工程上易于实现, 且提高了机器人导航的实时性和定位精度。但惯性导引方式在复杂环境下的累计误差问题依然难以解决。

本文研究针对目前市场上自动导航小车(AGV)应用中存在的不足，提出一种基于RFID阵列的无轨自动导航小车(AGV)系统。该系统将通过构建RFID阵列的方式实现对AGV的定位，并以此为基础，实现AGV运行路线动态规划和无轨运行控制，降低AGV运行门坎，提高AGV运行的灵活性。

1 系统设计原理及实现

无论是有轨AGV还是无轨的AGV，要使AGV在特定的环境中能自主运行，AGV定位是关键，传统的有轨AGV利用轨道将二维定位模式简化为一维定位，通过计算AGV在轨道上运行的相对距离即可实现定位，激光导引、超声波导引、红外线导引的无轨AGV采用三角测距法实现定位。本研究采用运行环境标识的方法进行定位，即对AGV的运行场地进行标识，将AGV的运行场地划分为大小相等的规则小块，每一块设定唯一的编号，建立编号与位置的关系(即地图)，AGV运行在其上时，通过获取场地上的编号，在地图上查到对应的位置，从而实现定位，在此基础上实现AGV在指定路径上的自主运行。

环境标识定位法应用的关键因素为场地编号的表示、获取、实现成本等，采用科学合理、性价比高的方案尤为重要。一般而言，AGV的运行都是在特定的环境中，如工厂车间、物流现场等相对固定的场所，其特点是场地范围有限，场地上货物、车辆、人员流动较大。本研究设计一种利用RFID阵列的实现AGV定位的方案，将RFID作为场地标识，利用其性价比高、获取编号稳定性高、可靠性好、响应快等优点，设计一种低门槛、灵活性高的AGV系统。其原理是在AGV运行的环境中，通过将RFID电子标签规则嵌入到运行环境的地板上，构成RFID阵列地板，然后在上位机上构建和存储小车运行环境地板的RFID阵列地图，小车通过读取所经过地板的RFID电子标签的ID号并由上位机通过地图进行计算，从而实现小车的定位和姿态获取，以此为基础，实现小车运行的动态路径规划、运行控制等。

本研究的AGV系统包括如下部分：RFID阵列地板、上位机及地图、小车及运行控制系统、无线通信网络、电子罗盘等，系统结构如图 1所示。

1.1 RFID阵列地板

RFID阵列地板由按一定规则嵌入RFID电子标签的地板砖拼接而成。RFID电子标签按N×N(如10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm等)的方式进行排列，N值即为理论上的定位最大误差；N越小，小车的定位精度越高，但成本就越高，一般应用取15 cm或20 cm即可。为了便于施工，将RFID阵列地板预先按一定规格(如30 cm×30 cm、45 cm×45 cm、60 cm×60 cm等)制作成RFID阵列地板砖，小车的运行环境用上述地板砖进行铺设。地板砖的材料为非金属的硬质材料，如木材、玻璃、混凝土、工程塑料等，如图 2所示。

1.2 上位机

上位机可由PC机或工控机担任。上位机安装无线通信网络收发终端，存储AGV当前运行环境相对应的RFID阵列地板的地图，建立基于该地图的路径规划、多AGV间的防撞控制系统。上位机通过上述地图和系统，根据工作任务的要求通过无线通信网络向AGV发出控制指令，指挥AGV的运行。

1.3 AGV本体及其运行控制系统

AGV包括中央控制系统、运行驱动模块、RFID读卡模块阵列、传感器模块、电池、小车本体。如图 3所示，主要模块说明如下：

① 中央控制系统由嵌入式CPU(如MSP430、ARM等)组成，CPU至少有2个串行通信串口，2个8位的并行通信口及相应的外围器件。

② 运行驱动模块为直流电机的驱动电路，根据小车的载质量和所驱动的直流电机选择不同功率的模块。

③ RFID读卡模块只需读取RFID阵列地板中RFID卡的ID号，选用频率为13.56 MHz、读卡距离为5~10 cm、读卡时间小于0.2 s的读卡模块，一般安装在车首。

④ 无线通信收发模块组成小车与上位机的通信网络，负责传输小车发给上位机的RFID卡的ID号和上位机传输到小车的运行控制信息，信息量不大，但要求实时性好，可靠性高。传输距离视运行环境而定，可选择无线串口模块或WIFI网络模块。

⑤ 传感器模块主要进行小车的防撞、障碍物的检测，由超声波测距模块组成。

⑥ 小车本体是小车控制系统和载重物的载体，采用直流电机驱动，三轮或四轮的方式。

⑦ 电子罗盘：获得小车当前的运行方向。本系统选用HMC5883L数字指南针。

⑧ 无线通信网络：由小车和上位机的无线通信收发模块和通信协议组成。本系统选用E32-TTL-100无线串口模块。

1.4 AGV运行场地及地图

按预先确定的规则生产RFID阵列地板砖，然后将该地板砖铺设成RFID阵列地板，该地板为小车的运行场地。上位机建立AGV运行场地地图，在上位机上将用RFID阵列地板砖铺设而成的运行场地映射成二维地图，RFID读卡器读取运行场地中预先嵌入的RFID卡ID号，按(X, Y, ID)三元组的方式登记到上述地图相应的位置中。根据场地的实际情况在地图上划分小车运行区、货物存放区、小车停泊区等。

2 AGV运行控制及路线规划

用户通过上位机实现对AGV运行的监视、控制及路线规划。用户首先在上位机上建立AGV运行环境的地图，建立上位机与AGV的信息传输通道，AGV实时将当前运行的状态信息、所读取的RFID的ID号传输至上位机，上位机依据AGV当前的位置、运行状态和预设的运行路线生成AGV运行的控制命令，并发送给AGV，从而控制AGV的运行。

由此可见，AGV上位机监控系统是AGV的中央决策系统，主要完成AGV运行环境的建立与管理、AGV运行状态监视、AGV运行路径的规划、运行控制决策等工作，其功能结构如图 4所示。

2.1 AGV运行环境的建立与管理

AGV运行环境的建立就是将AGV物理运行场地映射到监控系统中，建立每一张RFID与物理运行场地地理位置的对应关系，具体实现过程如下：

Step 1  给每一块RFID阵列地板编上唯一的序号，然后按统一的规则为每块RFID阵列地板建立对应的RFID的ID号向量(id₁, id₂, …, id_n)(n=1, 2, 3, …), 并存放在数据库中。显而易见，每个ID对应其在该RFID阵列地板的相对位置，存在如下关系：

$ P\left( {{x_n}, {y_n}} \right) = F\left( {i{d_n}} \right)。$

Step 2  依据实际AGV运行场地所铺设的RFID阵列地板，在系统中建立运行场地的映射(即地图)，效果如图 5所示。

显见，每一块RFID阵列地板对应在运行场地的位置相对固定。不难得出，运行场地的某张RFID与其在场地的位置可由下列方法求出：

Step 1  依据指定RFID的ID号id_n在数据库中搜索出其所在的阵列地板B_n, 并计算出其在该地板中的相对位置l(x_n, y_n);

Step 2  在场地地图中计算阵列地板B_n在运行场地中的起始位置L(X_n, Y_n);

Step 3  实际位置P(X_idn, Y_idn)=L(X_n, Y_n)+l(x_n, y_n)。

2.2 AGV运行状态监视及运行控制决策

上位机实时监视AGV的运行状态，并根据设定的运行路线对AGV发出运行控制指令。上位机从AGV收到的信息有：RFID的ID号、AGV运行的速度和方向。

上机位接收到AGV的RFID的ID号后，利用2.1节所述方法计算出其在场地的位置，并实时在地图中显示。

AGV的运行路径规划在上位机所建立的地图上进行，用户所规划的路径用首尾相连线段表示，路径L可表示为$L = \sum\nolimits_{i = 0}^{i = n - 1} {{P_i}} $, P_i+1，其中P_i为路径线段的端点。

上位机根据用户所设定的运行路径及AGV当前的位置、运行速度、方向，按照所设计运行控制算法生成AGV运行控制指令。AGV运行控制指令为由运行速度及方法组成的二维控制向量Ctrl(V_t+1, Dir_t+1), 算法可由下式表示：

$ {\mathop{\rm Ctr}\nolimits} 1\left( {{V_{t + 1}}, {{{\mathop{\rm Dir}\nolimits} }_{t + 1}}} \right) = C\left( {L, P, {v_t}, {{{\mathop{\rm Dir}\nolimits} }_t}} \right), $

式中：V_t+1、Dir_t+1、L、P、v_t、Dir_t分别为下一时刻的运行速度、下一时刻的运行方向、设定的运行路线、当前的运行速度、当前的运行方向。C为运行控制算法，其主要过程如下：

Step 1  将路径按一定的分辨率分解成若干运行控制点，如图 6所示。

图 6中，P₀、P₁、P₂、P₃、P₄为路径线段的端点，p₀、p₁、p₂、p₃、…、p_n为路径所分解的运行控制点，d为运行控制点的间隔(即分辨率)。运行控制点的求解过程如下：

以P₀→P₁路径为例，令P₀、P₁点的坐标分别为(x₀，y₀)、(x₁, y₁), 该路径上运行控制点p_n的坐标为(x_n, y_n), 依据点斜式直线方程法得出路径P₀→P₁的方程为

$ y - {y_0} = k\left( {x - {x_0}} \right), $

(1)

式(1)中，k为直线的斜率，整理后得：

$ y = kx + \left( {{y_0} - k{x_0}} \right)。$

(2)

由图 6不难得出，P₀→P₁路径上运行控制点p_n存在如下关系：

$ \sqrt {{{\left( {{x_n} - {x_0}} \right)}^2} - {{\left( {{y_n} - {y_0}} \right)}^2}} = nd。$

(3)

式(3)中，d为运行控制点的间距。

令w＝y₀-kx₀，整理式(3)得一元二次方程：

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\left( {1 + {k^2}} \right)x_n^2 - \left( {2{x_1} + 2k{y_0}} \right){x_n} + \left( {{x_0} + 2kw + } \right.\\ \left. {{w^2} - 2w{y_0} + y_0^2 - {n^2}{d^2}} \right) = 0。\end{array} $

(4)

令a=1+k², b=2x₁+2ky₀, c=x₀+2kw+w²-2wy₀+y₀²-n²d², 式(4)简化为

$ ax_n^2 + b{x_n} + c = 0。$

(5)

求解式(5), 得:

$ \begin{array}{*{20}{l}} {x_n^\prime = - b + \frac{{\sqrt {{b^2} - 4ac} }}{{2a}}, }\\ {x_n^{\prime \prime } = - b - \frac{{\sqrt {{b^2} - 4ac} }}{{2a}}}。\end{array} $

(6)

令$t = \frac{{\sqrt {{b^2} - 4ac} }}{{2a}}$, 由式(2)、式(6)得：

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;{y^\prime } = {y_0} + kt - kb - k{x_0}, y_n^{\prime \prime } = {y_0} - kt - kb - \\ k{x_0}。\end{array} $

(7)

到此，求解出P₀→P₁路径的运行控制点有2个，分别为

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;p_n^\prime = \left( { - b + \frac{{\sqrt {{b^2} - 4ac} }}{{2a}},y_n^\prime = {y_0} + kt - kb - } \right.\\ \left. {k{x_0}} \right), \end{array} $

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;p_n^{\prime \prime } = \left( { - b - \frac{{\sqrt {{b^2} - 4ac} }}{{2a}}, y_n^\prime = {y_0} - kt - kb - } \right.\\ \left. {k{x_0}} \right)。\end{array} $

显然，距离点P₁最近即为实际的运行控制点p_n, p_n求解过程如下：

令L′、L″分别为p_n^′、p_n^″与P₁点的距离，则：

$ {\rm{ if }}\left( {{L^\prime } < {L^{\prime \prime }}} \right)\quad {\rm{ then }}\quad {p_n} = p_n^\prime \quad {\rm{ else }}\quad {p_n} = p_{n^\circ }^{\prime \prime }。$

同理，求解出其他路径段的运行控制点。

Step 2  依次将所生成的运行控制点作为当前运行的目标点，并根据AGV当前的位置、运行状态计算AGV下一时刻的运行控制指令，控制指令为速度、方向的二维向量，用Ctrl(V_t+1, Dir_t+1)表示。

3 AGV运行效果验证与分析

为验证AGV在实际运行环境中按预设路径运行的效果，本研究采用(60 cm×60 cm)的RFID阵列地板，RFID的布置采用“隔一放一”的方案，如图 2所示。运行现场由(3×3)共9板地板组成，测试的AGV运行路径为L(P₁, P₂, …, P_n)(n=1, 2, 3, …), P_n依次为运行路径的端点，如表 1所示。运行控制点的间隔d=20 cm, 如图 7所示。

测试时AGV以不同的速度，沿路径L(P₁→P₂→P₃→P₄→P₅→P₆)行驶, 上位机通过AGV发送上来的RFID的ID号、运行方向、运行速度计算出AGV实时的位置，并记录和生成AGV的运行轨迹及位置数据。不同运行速度下，运行轨迹与预设路径的对比如图 8所示。

由图 8可知，小车的运行速度影响小车沿预设路径运行的能力，小车运行速度＞12 cm/s时，小车大幅偏离预设路径，并产生运行轨迹来回颠簸，且速度越快路径偏离和轨迹来回颠簸现象越严重；速度越慢小车沿预设路径运行的效果越好，当小车运行速度＜8 cm/s, 小车已基本能沿预设路径行驶，且没出现来回颠簸，再降低运行速度对运行效果的改善已不明显。根据观察结果，小车运行路径偏离和轨迹来回颠簸现象的主要原因如下:

1) 小车运行速度过快，系统来不及响应，错过了下一运行控制点，偏离预设路径，小车在错过控制点后，为了能通过已错过的控制点，必须折返，从而使小车的运行轨迹出现来回颠簸。

2) 小车运行速度过快，不能读到RFID的ID号，从而出现路径偏离和来回颠簸。

4 结论

本文通过利用RFID阵列构建AGV运行环境，并提出在该环境下AGV运行控制策略，实现了AGV在特定环境下的无轨运行及运行路线随意可调的功能，AGV在预设运行路径上行驶，平均定位精度＜5 cm，有效改进了传统有轨AGV在运行路线灵活性差等不足。由于采用的定位信息来自RFID卡中的ID号，信号稳定、可稳性高、抗干扰能力强，因此系统运行的可靠性高、抗干扰能力强；小车上采用RFID读卡阵列，保证小车运行期间绝大部时间能读到ID号，有效地提高小车的定位精度。本系统采用上位机对系统进行集中控制的方式，充分发挥了上位机计算能力强的特点，对规划路径、控制信号的计算效率更高，适合柔性制造车间、超市等场所。