高速穿梭车定位技术的研究

2016-10-17国网上海市电力公司电力科学研究院张晓颖庄葛巍张洪红

物流技术与应用 2016年9期

关键词：检测点伺服电机货架

国网上海市电力公司电力科学研究院 / 张晓颖庄葛巍张洪红

深圳市科陆电子科技股份有限公司 / 姚民

高速穿梭车定位技术的研究

国网上海市电力公司电力科学研究院 / 张晓颖庄葛巍张洪红

深圳市科陆电子科技股份有限公司 / 姚民

目前穿梭车式货架仓库需求快速增加，但是与国外相比，我国物流装备企业在穿梭车技术方面存在较大差距，因此急需研究高速智能穿梭车，以弥补国内空白，促进国内智能仓储产业发展。在经过市场调查和技术探讨后，本文主要对高速穿梭车的各项指标及其行走定位方式进行了研究。

自动化立体仓库、高速穿梭车、定位技术

一、研究背景和意义

自动化立体仓库系统，又称自动存储/检索系统，即AS/ RS（Automated Storage/Retrieval System），使用高层货架存储货物，充分利用仓库空间，因此节省了占地面积，提高了空间使用率。目前使用最广、适应性较强的是单元货格式立体仓库，但是在这种仓库中巷道占去了三分之一左右的面积。在充分利用存储空间的原则上，为了提高仓库面积的利用率，达到能够存储更多货物的目的，近年来各种高密度自动化仓储系统逐渐发展成熟，例如：重力式货架仓库和穿梭车式货架仓库。

在重力式货架仓库中，货架接通道排列，每个通道都是存货通道，并带有一定的坡度，从入库口端装入的货物单元能够在自重的作用下，自动向出库端移动，直到到达通道出库端或者碰到已存储的货物单元停住为止，通道出库端设有止动装置。当出库端的第一个货物单元被取走后，其后面的各个货物单元在重力作用下依次向出库端补位。从结构上讲，为了保证这种仓库系统的灵活性，要求每个存货通道设置减少摩擦的装置，如在货架上加滚子，或者储存托盘带滚轮。

穿梭车式货架仓库，货架也接通道排列，每个通道也都是存货通道，但没有设置坡度，每个通道都设有供穿梭车运行的轨道，穿梭车在巷道里往复运行，自动存取和搬取货物，提升了物流效率，而且穿梭车可以和堆垛机、自动叉车或AGV配合，自动进行不同列、不同层及不同通道之间的交换，调度更加灵活，自动化程度更高。

穿梭车式货架仓库的核心设备是穿梭车。穿梭车又称为轨道式自动导引车（rail guide vehicle），具有速度快、可靠性高、成本低等特点，它是立体仓库的重要设备，并与其他物流设备实现自动连接，如出入库站台、缓冲站、输送机、升降机和机器人等，按照计划进行物料的输送。穿梭车的行驶速度一定程度上决定了整个货架仓库的物流效率；穿梭车的供电方式、持续行进能力等决定了货架仓库安装施工的难度；穿梭车的智能程度决定了货架仓库的智能化程度以及设计难度。因此，对于穿梭车式货架仓库系统来讲，穿梭车本身十分值得研究和改进。

目前，立体仓库正逐渐向高动态应用的方向发展——对仓库存储量的要求越来越高，拣选、输送以及出入库频率等要求也越来越高，因此货架穿梭车是近年来国内外研究的热点。在国外，货架穿梭车的研究起步较早，在2005年前后，YLOG、DEMATIC、TGW等物流巨头就推出了自己的货架穿梭车，并在这几年进行持续优化，已相继推出升级版本的货架穿梭车，在运行速度、灵活性、智能程度上都有显著提升。国外的穿梭车运行速度普遍在4m/s以上，并且一般具备路径规划系统，可进行复杂路径的规划。而在国内，货架穿梭车的研究尚在起步阶段，穿梭车系统应用较少，且穿梭车供应商厂家也很少。国产穿梭车的性能相对国外巨头的产品来说还有较大差距。国产穿梭车运行速度普遍在2m/s以下，智能程度较低，大多的路径规划要依靠立库系统软件辅助完成。

二、主要研究内容

基于目前国内穿梭车的发展现状，我国物流装备行业急需研究高速（4m/s以上速度）智能的货架穿梭车定位技术，以促进国内智能仓储产业发展。在经过市场调查和技术探讨后，我们主要对货架穿梭车的以下指标进行了研究。

1.更快的速度

穿梭车更快的速度意味着单位时间内更多次数的取放货物，直接关系到整个仓储系统的物流效率。目前大部分的货架穿梭车平均速度约在2m/s，通过市场调研和技术评估，我们预计将穿梭车的速度提升到4m/s。

更快的速度意味着更大的电机功率和能耗，而功率越大的电机重量越重，整个车体的重量也就越重，而更重的车体则需要更大的驱动功率，导致恶性循环。因此，速度的提升对穿梭车来说是个重大挑战。

2.更精准的定位方式

目前，国内外穿梭车的行走定位模式如下：

（1）行走电机编码器与单个定位检测孔（每个货位一个定位孔）

缺点是：此种方式要经过行走电机编码器数据处理，精确计算，如果多段穿梭车导轨出现连接处错位等，极有可能导致行走轮打滑，同时也有可能因电机启动加速度太大导致行走轮与导轨面摩擦力变化打滑，穿梭车将无法准确到达指定位置，只有通过找货位的定位检测孔来进行检测，有可能穿梭车会过冲或者还未到达目标位置行走电机就停止了，只能通过程序判断穿梭车低速来回找目标位。

（2）条码定位检测

缺点是：此种方式要求在货架行走导轨一侧贴一整条条码，并且条码不能撕裂和断开较大距离，对条码有较高的安装要求；同时对于层数多、巷道长的多层穿梭式货架，使用条码定位会导致较高的成本。

（3）激光测距方式

（4）穿梭车行走定位的新方式

穿梭车行走定位采用RFID信息识别与双定位检测点方式，可有效降低系统控制难度，即时读取仓位信息减少系统交互时间；该方式简单的加工及安装工艺，降低了定位成本，即使货架因地面沉降和安装使导轨在一定程度上发生偏移，也不影响穿梭车正常运行，可提高系统的可维护性和冗错性。采用RFID信息识别与双定位检测点方案，可提前判断位置给予系统响应时间，防止穿梭车过冲，提高定位精度。

三、技术方案

穿梭车拟采用的设计方案，如图1。

1.控制机构

控制机构用于控制整个穿梭车的运动、停止以及存取托盘货物等各种动作，控制机构控制伺服电机、货叉，并接收路径规划系统的指令，完成指定路径的运动和执行动作。控制机构主要由运动控制器和伺服控制器组成。

图1 穿梭车技术方案

（1）运动控制器

运动控制器是整个穿梭车的控制核心，通过接收主站发出的控制指令，控制穿梭车的启动、运行和停止以及存取货等各种动作。

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运动控制器将采用ARM加FPGA的框架设计，实现穿梭车的高速和高精度定位功能，并通过WiFi模块实现与主站的通讯，接收由主站发出的系统路径规划指令，完成指定路径的运动和动作，并且返回给主站穿梭车的运动和动作状态等信息。

（2）伺服控制器

本项目中需要实现穿梭车的精确定位，如果托盘货物的摆放误差较大，将无法实现精确的存取货操作，可能导致整个仓储系统的混乱甚至瘫痪，因此伺服控制器必须通过对伺服电机的精确位置控制，来实现穿梭车的精确位置定位。

本设计将基于TI公司C2000的DSP作为控制平台，控制结构将采用电流环、速度环、位置环的三环闭环控制，结合矢量控制算法实现伺服电机的精确定位。硬件将采用高精度绝对式编码器来采集电机位置信号，实现位置环和速度环的反馈信号，功率电路采用英飞凌IGBT作为开关管，将主板经过矢量计算后输出的PWM信号转换成控制电机的三相交流电压。

2.PPS及外部接

PPS是Path Planning System的缩写，意指路径规划系统，穿梭车可根据WMS（仓储管理系统）发来的位置信息，依据路径规划算法，自行规划最优路径，并向控制机构发出运动指令，使控制机构沿规划路径运行至指定位置并存取货物，这样WMS只需告知穿梭车存取货的目标位置，其他控制均由穿梭车自行完成，提高了通信效率的同时，也减少了WMS的开发难度。

PPS需要一系列外部接口协议的支撑，包括与WMS的协议约定以及穿梭车提升机之间的协议约定，因此该模块还包含与WMS的外部接口以及和提升机的外部接口。

3.伺服电机

伺服电机的功率、转速和扭矩需根据车体重量、地面摩擦系数、车体行驶速度、减速机选型、车轮直径等信息进行确定（详细计算不做赘述）。

由于伺服电机位于车体上，因此伺服电机本身的重量也是重要的考量因素。