AGV导航方式在铁路行业中的应用研究

李朋　范文明　石飞

摘 要：为提高车钩缓冲装置（以下简称“钩缓”）配送效率，解放劳动力，降低人工成本，引入AGV系统作为配送手段，针对钩缓车间情况，研究了适合钩缓车间应用的AGV导航方式。

关键词：钩缓；配送；AGV；惯性导航；导航系统

中图分类号：F253 文献标识码：A

0.引言

钩缓是车辆最基本的部件之一，用于连接列车中各车辆，使各车辆彼此之间保持一定距离，并能传递、缓和列车在运行过程中或调车时所产生的纵向力和冲击力。

为保证列车行驶安全，每隔一段时间要对钩缓进行检修，检修过程需要先将钩缓的配件进行分解，再将这些配件从检修线分别配送至各自的检修工位。钩缓配件本身种类多、数量大、且重量较重，由于目前在车间内依旧是依靠人工推行的方式进行配送的方式为主，因此来往运送次数频繁、劳动强度大且工作效率较低。

AGV作为一种新型、高效、准确、灵活、快速、智能的物料搬运手段，具有无需人工参与、单次负载量大、可以随着生产工艺流程的调整而及时调整相应的搬运路线等特点，能够大大提高企业的生产柔性和竞争力，在制造行业、电子行业、汽车行业、物流行业、烟草行业等领域得到了广泛应用。通过对钩缓的性质以及钩缓配送环境等方面进行研究，将AGV系统引入了钩缓配送过程，相对于传统的配送手段，采用AGV系统有利于提高钩缓配送效率，解放劳动力，降低企业的用工成本，助力企业智能升级。AGV系统中，导航系统是连接各个部分的核心，本文从导航方式的选取、导航系统的组成和搭建以及导航原理等方面着手进行阐述。

1.导航方式选择

AGV是导航系统、上位机控制系统、运动控制系统、驱动系统的集成。其中，导航系统是AGV产品的核心，为AGV提供系统绝对或相对位置及航向。随着AGV技术的不断更新，现阶段已有多种不同类型的导航技术。不同的导航方式拥有各自的优缺点以及不同的与之相适应的应用场景。现有的AGV导航方式有电磁引导、磁带引导、光学引导、激光导航、惯性导航、视觉导航及GPS导航等，其中以磁带导航、激光导航、惯性导航这3种导航方式应用范围较广、技术较为成熟，结合导航方式自身特点、钩缓车间的实际情况以及投入的成本等多方面因素，对3种导航方式逐一进行了分析，择优选择。

1.1 磁带导航方式

磁带导航方式是在路面上贴磁带，通过磁带感应信号实现导引，定位精确，导航灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，而且磁带铺设简单易行、成本低、精度较高。其不足之处在于磁带易受磨损，影响导引效果。由于钩缓车间内人员、叉车设备往来较密集，极易对铺设在地面的磁带造成损伤，因此不适合采用磁带导航方式。

1.2 激光导航方式

激光导航方式是通过发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定车体当前的位置和方向，具有导航速度块、行驶路径灵活的优点。然而，激光导航建设成本高、系统维护较为复杂，而且对环境要求较高，对地面、可见光、能见度等都有苛刻的要求，适用性不佳，不适用在钩缓车间环境内使用。

1.3 惯性导航方式

惯性导航根据自身测量信息进行连续定位，不受外界环境干扰，對环境的改造小、路径灵活性强，且具有成本低、适应性强、后期维护方便等优点。在室内室外应用前景广泛。

通过对以上3个方案进行综合比较，最终决定选择惯性导航做为钩缓配送AGV的主要导航方式，同时，为解决惯性导航过程中存在累计误差的问题，融合了地面磁钉系统，即消除了导航系统累积误差，也为系统提供更高的导航精度。

2.导航系统组成及功能

AGV导航系统由惯性导航系统及地面磁钉系统组成，其中，惯性导航是AGV系统的主要导航方式，地面磁钉系统是矫正惯性导航产生的积累误差的手段。

2.1 惯性导航系统

惯性导航系统由陀螺仪和编码器组成，通过对运动过程中采集的加速度、角速度等数据进行积分运算获得AGV车体的当前位置，从而控制AGV车体在预定路径上行走。陀螺仪是主要的导航元件，但由于陀螺仪易受噪声干扰，为改善陀螺仪导航的不稳定性，在惯导系统中增加了编码器，以提高导航过程的准确度，使AGV车体能够更接近预定的路径，行驶至指定位置。

惯性导航过程中会产生误差，该误差是在加速度、角速度的积分运算过程中产生的，并随着行驶时间及路径的增加而累积，目前，已有利用卡尔曼滤波算法、磁力计等限制累积误差的手段出现，但依旧无法从根源上消除惯性导航的累计误差，随着时间的推移，累计误差依旧不容忽视。累计误差的存在是限制惯性导航方式应用的一大重要因素。本文通过采用地面磁钉系统，来矫正惯导过程中的误差、消除累计误差。

2.2地面磁钉系统

地面磁钉系统是矫正惯性导航误差的重要手段，同时从根源上解决了惯导过程中产生累计误差的问题。地面磁钉系统包括磁尺传感器和磁钉，磁尺传感器通过相应的固定机构安装设置在AGV车体上。磁尺传感器检测经过传感器下方的磁钉在磁尺上的位置。AGV通过读取磁钉在磁尺的位置来确定自身在绝对坐标中的位置和方向。

磁钉安装在地面上，如图1所示，地面每隔一定距离放置磁钉，磁钉在地面的位置是确定的。安装在地面的磁钉包括地标磁钉和辅助磁钉。磁钉中写入了当前被安装位置的地址信息。地标磁钉在小车非上线的节点单独使用，该类磁钉用作停车、校正节点、校正距离误差和角度误差。在小车上线位置需要同时安装辅助磁钉、地标磁钉，两种磁钉一起用作小车自动上线的初始定位。AGV车体行驶过程中，每经过一个磁钉，由磁尺传感器检测磁钉的相对位置（即磁钉在磁尺的位置到车体中心的最小距离）以及通过读取磁钉中被写入的绝对位置信息，来获取AGV车体当前的绝对坐标信息。

3.导航实现方式

3.1 惯导行走

AGV车体在一对磁钉之间，采用惯性导航的方式行走。惯导行走时，陀螺仪和编码器测量当前的角速度、加速度，通过导航算法积分计算出车体的当前位置，从而使车体按照预先设定的路径行驶。然而，由于惯性导航算法存在的积分误差，会导致实际的行驶路线与预设路线有所偏移，并且路线偏移误差会并随着运动距离和时间的增加而累积。为避免上述情况发生，采取了误差校准的手段，误差校准的原理在3.2小节和3.3小节中阐述。

3.2 误差标定

磁尺传感器在通过磁钉时，会读取磁钉在磁尺上的相对位置以及写入磁钉内部的绝对位置信息。由于惯性导航行走过程中导致的累计误差，相邻两个磁钉在磁尺上的相对位置会有所不同。以AGV行驶的路线中依次经过的一对磁钉1#和2#磁钉为例，磁尺传感器通过对写入1#和2#磁钉的位置信息进行读取，读取出1#和2#磁钉在绝对坐标系中的坐标分别为（x1，y1）、（x2，y2），得出1#和2#磁钉之间距离L，如图2所示，1#和2#磁钉之间的连接线即预先设定的行驶路线。AGV从路线的一侧驶向磁钉，磁尺传感器经过1#磁钉时，检测到磁钉的相对位置是d1，传感器经过2#磁钉时，检测到的磁钉的相对位置是d2。如图2所示，磁钉的相对位置即磁钉在磁尺上的位置与AGV车体中心之间的距离，AGV车体中心线为车体的实际行驶路线。车体实际行驶路线与预先设定行驶路线之间的夹角：Δθ=arcsin（（d2-d1）/L）。Δθ即车体通过惯性导航方式在1#和2#磁钉之间行驶时产生的偏移角。

3.3 误差矫正

AGV经过一对磁钉，就会计算出Δθ，在后续的调整过程中将Δθ消除，从而矫正了惯性导航过程中产生的位置偏移误差，对车体进行了路径纠正。如此循环，每经过一对磁钉，便进行相应的消除，从而避免了惯性导航累积误差的产生。

结语

本文研究的基于惯性导航的AGV导航方式，通过采用地面磁钉系统进行位姿调整，具有导航精度高、成本低且易于改造、维护等优点。目前，已将采用该导航方式的AGV系统应用于钩缓车间的运输过程中，应用效果达到预期要求。后期，将逐渐扩展该种导航方式的AGV系统的应用，推广至铁路行业各物流配送需求车间。

参考文献

[1]黄毅，陈雷.铁路货车检修技术[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]中华人民共和国铁道部.铁路货车段修规程[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[3]陈雷，黄毅.铁路货车段修作业基本规范[M].北京：中国铁道出版社，2009.endprint