专利名称：自动引导车分布式自主协同控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种自动引导车分布式自主协同控制系统及控制方法，属于自动化输送中的无线通信和分布式控制领域。
背景技术：
自动导向车系统(AGVQ是由多台自主车辆组成，集机电控制、计算机网络及无线通讯等技术于一体的集成化智能运输系统。目前，自动导向车系统在国内外的车站、码头等大型场所，相当一部分物流输送相关企业中已得到广泛应用。传统对于多辆自动导引车的协同控制方面，主要是以工业计算机为集中控制平台，车辆的作业调度、路径规划以及全系统的监控都由该控制中心完成，所有车辆除从自身传感器感知环境之外只与控制中心进行交互。基于这种主从通信的集中式控制方式虽然成本较低、易于实现，但它仅适用于具有少量车辆、简单调度策略的应用系统。随着系统内车辆数的增加，全局性路径规划和调度算法对计算机的性能提出了苛刻要求，巨大的通信吞吐量不能保证系统的实时和稳定，同时如果还需要中央控制器执行监控和任务分派，这种集中式的控制方式已经不能达到预期的性能效果。分布式控制模型对于解决系统性能瓶颈具有独特的优势，在分布式控制架构下对于多个机器人的协调与合作的研究已逐渐成为多机器人系统研究的主要内容。在移动机器人分布式控制和协作方面，已申请的专利主要有[CN2010105997^. 3]、 [CN200810115616. 8]，自动导引车作为移动机器人的一种，与以上两个专利所描述对象的结构特征、运行环境以及应用领域都有明显不同。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种自动引导车分布式自主协同控制系统及控制方法，利用多智能体协作的相关理论，结合传感器技术、无线通讯技术、多线程技术以及智能交通技术，在每一台自动导引车辆的控制系统之上，构建对周围环境包括交通信息、路径规划、防碰撞等独立的感知、决策、执行系统，使每一台AGV都具有较高自治水平，在任务已知的情况下，通过分布式的路径规划和自主的合理蔽障来完成作业任务。本发明为解决其技术问题采用如下技术方案
一种自动引导车分布式自主协同控制系统，包括应用层、协作层和感知层，所述的应用层，包括与人机接口相连的车辆控制模块、环境建模模块、任务管理模块、全局监控模块；所述的协作层，包括全系统信息交互和采集的对等通信网络、无线对等通信网络控制单元、分布式路径规划单元和无线收发模块；所述的感知层，包括射频读卡器、编码器、测距传感器， 应用层通过以太网连接协作层中的无线对等网络控制单元，感知层通过CAN总线接入协作层中的分布式路径规划单元。自动引导车分布式协同控制系统，所述的协作层中的无线对等通信网络控制单元包括ARM主控芯片、扩展SDRAM存储器、串口电平转化芯片1和串口电平转化芯片2、网络芯片、RJ-45接口、电源芯片、复位芯片、时钟芯片、按键与指示灯、扩展GPIO槽、调试接口、串口终端、Zigbee无线收发模块，其中，扩展SDRAM存储器和网络芯片分别通过16位数据地址Bus与ARM主控芯片连接；RJ-45接口连接网络芯片；串口电平转化芯片1通过UART接口与 ARM主控芯片连接，同时通过RS-232接口与Zigbee无线收发模块连接；串口电平转化芯片 2通过UART接口与ARM主控芯片连接，同时通过RS-232接口与串口终端连接；时钟芯片通过I/O方式与ARM主控芯片连接；按键与指示灯、扩展GPIO槽与ARM主控芯片连接；复位芯片连接ARM主控芯片复位引脚；电源芯片与ARM主控芯片电源引脚连接；调试接口与ARM 主控芯片通过JTAG协议线连接。自动引导车分布式协同控制系统，所述的协作层中的分布式路径规划单元包括 ARM主控芯片、扩展SDRAM存储器、扩展FLASH、串口电平转化芯片、CAN总线接口芯片、电源芯片、复位芯片、时钟芯片、按键与指示灯、扩展GPIO槽、调试接口、Zigbee无线收发模块、自动导引车控制器，其中，扩展SDRAM存储器和扩展FLASH分别通过16位数据地址Bus 与ARM主控芯片连接；串口电平转化芯片通过UART接口与ARM主控芯片连接，同时通过 RS-232接口与Zigbee无线收发模块连接；CAN总线接口芯片通过TD/RD接口连接ARM主控芯片，同时通过CAN总线连接自动导引车控制器；时钟芯片通过I/O方式与ARM主控芯片连接；按键与指示灯、扩展GPIO槽通过I/O方式与ARM主控芯片连接；复位芯片连接ARM主控芯片复位引脚；电源芯片与ARM主控芯片电源引脚连接；调试接口通过JTAG协议线与ARM 主控芯片连接。自动引导车分布式协同控制系统，所述的协作层全系统信息交互和采集的对等通信网络拓扑结构呈Mesh网状，其中任意两个节点进行对等通信。所述的自动引导车分布式自主协同控制系统的控制方法，包括如下步骤
(1)应用层根据实际需要建立路径的电子地图，配置节点信息和路径权值；
(2)应用层把电子地图信息通过以太网传送至协作层网关，由无线对等通信网络控制单元下载至工作车辆；
(3)应用层根据实际需要指定某一传送任务的开始、停靠、结束工位，组成任务队列通过以太网传送至协作层网关，由无线对等网络控制单元发布任务，各分布式路径规划单元通过竞争获取各自合适任务；
(4)分布式路径规划单元根据获取任务按照相应策略进行分布式路径规划，等待加入协作网络；
(5)无线对等通信网络控制单元启动无线协作网络，各就绪节点注册加入协作网络后， 发布协作启动命令，各分布式路径规划单元按照规划路径启动运行，按周期进行自主协作， 主要完成行进路线上的冲突规避，顺利达到目的地，以此往复。所述的自动引导车分布式自主协同控制系统的控制方法，所述的步骤(5)中的自主协作通过各自动导向车广播协作标识完成，协作标识包括路口占用、工位占用、队列前进、超车避让、相向避让。所述的自动引导车分布式自主协同控制系统的控制方法，其特征在于所述的步骤 (5)中的冲突规避指当车辆一旦进入路口(工位)区域，则立刻发送路口(工位)占用标识， 该路口(工位)其他方向车辆需等待直至当前占用车辆(组)离开路口(工位)区域，路口(工位)占用标识撤销；在队列前进协作模式下，当车辆检测到前方有其他车辆，则与前车保持车距，跟随前车运行，车队模式适用于单向行驶车道；在超车模式下，若行进道路上慢车挡住快车，在指定区域，慢车可以给快车让道；若在同一路径上出现两辆相向行驶车辆，则该路径进入相向避让模式，优先级低车辆实施避让，优先级高车辆通过；相向避让模式中，低优先级车辆采取横向漂移或者动态交汇方式避让。本发明的有益效果如下
1、 采用了分布式的嵌入式多核处理模式和对等的ZigBee网络结合的控制结构，对于下达的作业任务可以顺利进行并行计算和处理，系统开销和节点数目耦合性小，极大得提高了系统的容量和效率。2、采用基于802. 15. 4标准的ZigBee技术组建无线通信网络实现全局的协同工作，一方面充分利用了 ZigBee协议栈底层的防冲突机制和多跳路由机制，无形中为系统通信增加了必要的冗余，通信容错性和稳定性得到充分保证。另一方面，由于ZigBee协议栈对自组网的支持，使系统具有了丰富的开放接口，具有了极大的可扩展性。3、利用了无线射频技术描述和读取抽象环境信息优势，结合数字化环境建模技术，系统具备了相当的的生产配置柔性。
图1为自动引导车分布式协同控制系统的系统结构图。图2为用于全系统信息交互和采集对等通信网络控制单元结构图。图3为分布式路径规划单元的系统结构图。图4为各ZigBee路由节点在协调节点的控制下的通讯时序图。图5为用于全系统信息交互和采集对等通信网络拓扑图。图6为分布式路径规划单元中的协作处理流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。图1为自动引导车分布式协同控制系统的系统结构图，本系统可以分为应用层、 协作层、感知层。所述的应用层，包括车辆控制模块、环境建模模块、任务管理模块、全局监控模块；所述的协作层，包括全系统信息交互和采集的对等通信网络、无线对等通信网络控制单元、分布式路径规划单元和无线收发模块；所述的感知层，包括射频读卡器、编码器、测距传感器。应用层通过以太网连接协作层中的无线对等网络控制单元，感知层通过CAN总线接入协作层中的分布式路径规划单元。应用层中的各模块功能车辆控制模块，主要用于手动控制各车辆运行，检查车辆状态；环境建模模块，主要用于根据现场实际路线和工位情况建立、修改和存档二维平面模型，负责把路径信息、节点信息下载到自行导引车辆的分布式路径规划器上；任务管理模块，主要用于客户需求输入、定制，以车辆状态和系统性能为依据对空闲车辆进行任务分配和回收；全局监控模块主要用来采集和显示当前系统在线车辆的电气参数、位置参数，各工位的运行状态以及充电站等配套单元的运行状况。感知层中的编码器与自动导向车驱动系统电机配套，测距传感器安装于自动导向车正前方中心，射频读卡器安装于自动导向车正前方底部。射频卡为EM4001标准的ID卡， 分别置于实际路径需要动作工位、交叉路口、交汇路口、充电站等地标位置。协作层中的全系统信息交互和采集的对等通信网络的拓扑结构呈Mesh网状，其中任意两个节点可以进行对等通信。全系统信息交互和采集的ZigBee无线对等通信网络由一个具有协调节点功能的ZigBee收发模块和若干个具有路由节点功能的ZigBee收发模块组成。具有协调功能的ZigBee收发模块通过串口与无线对等网络控制单元相连，具有路由功能的ZigBee收发模块通过串口与分布式路径规划单元相连。光电编码器、激光测距传感器、射频读卡器作为DI点，通过CAN总线连接分布式路径规划单元。在应用层与协作层之间，存在用于全系统信息交互和采集的无线对等通信网络控制单元，该控制单元是协作层网络建立者也是与协作层网络与应用层进行交互的接口，是本发明体系中最重要的模块之一。图2为本发明用于全系统信息交互和采集对等通信网络控制单元内部体系结构图。该控制单元包括ARM主控芯片、扩展SDRAM存储器、串口电平转化芯片1和串口电平转化芯片2、网络芯片、RJ-45接口、电源芯片、复位芯片、时钟芯片、按键与指示灯、扩展GPIO 槽、调试接口、串口终端、Zigbee无线收发模块，其中，扩展SDRAM存储器和网络芯片分别通过16位数据地址Bus与ARM主控芯片连接；RJ-45接口连接网络芯片；串口电平转化芯片1 通过UART接口与ARM主控芯片连接，同时通过RS-232接口与Zigbee无线收发模块连接； 串口电平转化芯片2通过UART接口与ARM主控芯片连接，同时通过RS-232接口与串口终端连接；时钟芯片通过I/O方式与ARM主控芯片连接；按键与指示灯、扩展GPIO槽与ARM主控芯片连接；复位芯片连接ARM主控芯片复位引脚；电源芯片与ARM主控芯片电源引脚连接；调试接口与ARM主控芯片通过JTAG协议线连接。其中电源芯片提供ARM主控芯片和外围接口器件所需要的5V、3. 3V、1. 8V的稳压源；调试接口通过JTAG协议线连接ARM主控芯片，用于程序烧写和在线调试；扩展SDRAM存储器，一方面提供程序的基本运行环境(和ARM主控芯片自带RAM —起)，最主要是提供下层各分布式节点的面向全局的数据缓冲，该数据缓冲区根据数据类型的不同，可以分为监控数据缓冲、交通状态缓冲、任务信息缓冲。监控数据缓冲区主要面向应用层，提供车辆运行的车内状态参数，包括所在节点、运行速度、电池状态等。交通状态缓冲区主要面向协作层网络，交通状态主要是指交叉路口的占用/空闲标志，单车道的占用/空闲标志等。任务信息缓冲区主要面向协作层网络，用于发布应用层的任务信息。时钟芯片提供系统通信时间戳基准。复位芯片一方面提供系统软启动，其自带观的EEPROM可以存放系统基本配置信息，供上电时系统读取。ZigBee无线收发模块(协调节点)通过串口电平转换芯片1接入控制单元，协作层每一个节点(一辆车)进入或者离开协作层，必须进过该节点注册。应用层对协作层的控制信息以及协作层对应用层的监控数据都通过该节点。串口电平转换芯片2主要连接本地PC机的串口终端，用于本地调试终端显示。网络芯片作为协作层网络为外的网关设备，提供应用层用户访问的物理接口，通过该芯片，还可以对协作层进行基于hternet 的远程监控。按键和指示灯用于配置系统基本参数以及系统状态显示。图3为分布式路径规划单元的系统结构图。包括ARM主控芯片、扩展SDRAM存储器、扩展FLASH、串口电平转化芯片、CAN总线接口芯片、电源芯片、复位芯片、时钟芯片、按键与指示灯、扩展GPIO槽、调试接口、Zigbee无线收发模块、自动导引车控制器，其中，扩展 SDRAM存储器和扩展FLASH分别通过16位数据地址Bus与ARM主控芯片连接；串口电平转化芯片通过UART接口与ARM主控芯片连接，同时通过RS-232接口与Zigbee无线收发模块连接；CAN总线接口芯片通过TD/RD接口连接ARM主控芯片，同时通过CAN总线连接自动导引车控制器；时钟芯片通过I/O方式与ARM主控芯片连接；按键与指示灯、扩展GPIO槽通过 I/O方式与ARM主控芯片连接；复位芯片连接ARM主控芯片复位引脚；电源芯片与ARM主控芯片电源引脚连接；调试接口通过JTAG协议线与ARM主控芯片连接。其中电源芯片提供ARM主控芯片和外围接口器件所需要的5V、3. 3V、1. 8V的稳压源；调试接口通过JTAG协议线连接ARM主控芯片，用于程序烧写和在线调试；扩展SDRAM存储器通过提供程序的基本运行环境(和ARM主控芯片自带RAM —起)；扩展FLASH —方面提供程序代码存储空间，另一方面，主要用来存储电子地图，主要包括节点信息和路径信息， 分布式路径规划器上电自动从程序存储器引导地图信息，至于地图的下载与更新，则受应用层控制。ZigBee无线收发模块(路由节点)通过串口电平转换接口 1接入分布式路径规划单元，ARM主控芯片通过该模块向ZigBee网络广播自身信息、接受其他车辆信息，广播时机受到前文描述图2中的协调节点控制。图4为各ZigBee路由节点在协调节点的控制下的通讯时序图，系统初始时刻，由无线对等网络控制单元向网络中发送一帧控制信息，时间窗口为tl，其他路由节点接受到此命令后，按照车辆编号以时间窗口 t2 (t2受到tl中控制指令的调整)向网络中发布自己的局部环境状态，广播信息主要包括运行方式、车辆方位、协作标语、移动速度等。在非广播窗口内，各路由节点进入侦听状态，过滤广播节点信息，结合自身运动状态，向运动控制器发出相应动作信息。广播的停止也以收到网络控制单元的命令为准。图5为用于全系统信息交互和采集对等通信网络拓扑图。网络结构呈Mesh状，其中包括一个协调节点(协调节点)和若干个路由节点(路由节点)(一个子网可以达254个)。 协调节点是一个全功能节点，在包含路由节点的所有功能之外，还能作为一个子网的建立者，在此Mesh网络中，任何节点加入和离开，都必须经过该协调节点，网络建立以后，该网络中的每一个节点都成为逻辑上对等的结构，也就是指，该网络中任何两个节点都可以进行随机通信，由于ZigBee底层协议支持碰撞检测和退避重发功能，保证了通信的可靠性， 但是为了保证通信的效率和秩序，本发明采用了前文所述的时间窗广播策略。感知层是由安装于自主导向车上的传感器组成的环境探测网络，传感器主要包括探测车辆速度和运行方向和相对运动距离的编码器，探测车辆位置的射频读卡器(从置于运行路径上的射频卡读取信息)，和探测车辆之间距离的测距传感器等。编码器、射频读卡器以及测距传感器都连入自动导向车的控制总线，这些传感器得到的环境信息一方面作为状态参数上传至应用层，更重要的是作为分布式控制器进行协作的依据，自身的状态和其他自主导向车车辆的状态信息通过协作层网络的有序组织，交予分布式路径规划单元中的协作程序处理。图6为分布式路径规划单元中的协作处理流程图。应用层向空闲车辆发布任务信息进入任务信息池，各车辆以自身的车辆状态参数、车辆位置等为依据进行自检，若自检不通过，则该车进入故障排除程序，同时被踢出候选队列。若自检通过，车辆进一步获取任务信息，结合车载电子地图进行路径规划。规划结果上传入应用层，应用层任务管理模块根据任务竞争策略，获取最佳方案实施车辆。任务竞争结束后，落选车辆进入下一轮任务竞争， 胜出车辆等待分布式网络控制器的广播同步指令，从而驶入路径启动运行。任务执行车辆在按照路径行驶过程当中，根据射频信息判断当前区域是否为路口区域、一般行驶区域、车队行驶区域、避障区域。若为路口区域，从协调节点获取路口交通协作标识，按照路口协调策略行驶。若为进入车队行驶区域，则保持车距，头车按照正常策略行驶，后车则保持车距。 若进入避障区域，则进入避障处理流程。每两个节点之间都按照此行驶策略进行，知道达到目的地后，等待新任务下达。
权利要求
1.一种自动引导车分布式自主协同控制系统，其特征在于，包括应用层、协作层和感知层，所述的应用层，包括与人机接口相连的车辆控制模块、环境建模模块、任务管理模块、 全局监控模块；所述的协作层，包括全系统信息交互和采集的对等通信网络、无线对等通信网络控制单元、分布式路径规划单元和无线收发模块；所述的感知层，包括射频读卡器、编码器、测距传感器，应用层通过以太网连接协作层中的无线对等网络控制单元，感知层通过 CAN总线接入协作层中的分布式路径规划单元。
2.根据权利要求1所述的自动引导车分布式协同控制系统，其特征在于所述的协作层中的无线对等通信网络控制单元包括ARM主控芯片、扩展SDRAM存储器、串口电平转化芯片 1和串口电平转化芯片2、网络芯片、RJ-45接口、电源芯片、复位芯片、时钟芯片、按键与指示灯、扩展GPIO槽、调试接口、串口终端、Zigbee无线收发模块，其中，扩展SDRAM存储器和网络芯片分别通过16位数据地址Bus与ARM主控芯片连接；RJ-45接口连接网络芯片；串口电平转化芯片1通过UART接口与ARM主控芯片连接，同时通过RS-232接口与Zigbee无线收发模块连接；串口电平转化芯片2通过UART接口与ARM主控芯片连接，同时通过RS-232 接口与串口终端连接；时钟芯片通过I/O方式与ARM主控芯片连接；按键与指示灯、扩展 GPIO槽与ARM主控芯片连接；复位芯片连接ARM主控芯片复位引脚；电源芯片与ARM主控芯片电源引脚连接；调试接口与ARM主控芯片通过JTAG协议线连接。
3.根据权利要求1所述的自动引导车分布式协同控制系统，其特征在于所述的协作层中的分布式路径规划单元包括ARM主控芯片、扩展SDRAM存储器、扩展FLASH、串口电平转化芯片、CAN总线接口芯片、电源芯片、复位芯片、时钟芯片、按键与指示灯、扩展GPIO槽、调试接口、Zigbee无线收发模块、自动导引车控制器，其中，扩展SDRAM存储器和扩展FLASH分别通过16位数据地址Bus与ARM主控芯片连接；串口电平转化芯片通过UART接口与ARM 主控芯片连接，同时通过RS-232接口与Zigbee无线收发模块连接；CAN总线接口芯片通过 TD/RD接口连接ARM主控芯片，同时通过CAN总线连接自动导引车控制器；时钟芯片通过I/ 0方式与ARM主控芯片连接；按键与指示灯、扩展GPIO槽通过I/O方式与ARM主控芯片连接；复位芯片连接ARM主控芯片复位引脚；电源芯片与ARM主控芯片电源引脚连接；调试接口通过JTAG协议线与ARM主控芯片连接。
4.根据权利要求1所述的自动引导车分布式协同控制系统，其特征在于所述的协作层中的全系统信息交互和采集的对等通信网络拓扑结构呈Mesh网状，其中任意两个节点进行对等通信。
5.一种应用权利要求1所述的自动引导车分布式自主协同控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤(1)应用层根据实际需要建立路径的电子地图，配置节点信息和路径权值；(2)应用层把电子地图信息通过以太网传送至协作层网关，由无线对等通信网络控制单元下载至工作车辆；(3)应用层根据实际需要指定某一传送任务的开始、停靠、结束工位，组成任务队列通过以太网传送至协作层网关，由无线对等网络控制单元发布任务，各分布式路径规划单元通过竞争获取各自合适任务；(4)分布式路径规划单元根据获取任务按照相应策略进行分布式路径规划，等待加入协作网络；(5)无线对等通信网络控制单元启动无线协作网络，各就绪节点注册加入协作网络后， 发布协作启动命令，各分布式路径规划单元按照规划路径启动运行，按周期进行自主协作， 主要完成行进路线上的冲突规避，顺利达到目的地，以此往复。
6.根据权利要求5所述的自动引导车分布式自主协同控制系统的控制方法，其特征在于所述的步骤(5)中的自主协作通过各自动导向车广播协作标识完成，协作标识包括路口占用、工位占用、队列前进、超车避让、相向避让。
7.根据权利要求5所述的自动引导车分布式自主协同控制系统的控制方法，其特征在于所述的步骤(5)中的冲突规避指当车辆一旦进入路口区域，则立刻发送路口占用标识，该路口其他方向车辆需等待直至当前占用车辆离开路口区域，路口占用标识撤销；在队列前进协作模式下，当车辆检测到前方有其他车辆，则与前车保持车距，跟随前车运行，车队模式适用于单向行驶车道；在超车模式下，若行进道路上慢车挡住快车，在指定区域，慢车可以给快车让道；若在同一路径上出现两辆相向行驶车辆，则该路径进入相向避让模式，优先级低车辆实施避让，优先级高车辆通过；相向避让模式中，低优先级车辆采取横向漂移或者动态交汇方式避让。
全文摘要
一种自动引导车分布式自主协同控制系统及控制方法，属于自动化输送中的无线通信和分布式控制领域。该系统包括应用层、协作层和感知层，应用层，包括车辆控制模块、环境建模模块、任务管理模块、全局监控模块；协作层，包括全系统信息交互和采集的对等通信网络、无线对等通信网络控制单元、分布式路径规划单元和无线收发模块；感知层，包括射频读卡器、编码器、测距传感器等。本发明显著提高了多AGV系统的运算能力、系统容量和运行效率。
文档编号G08C17/02GK102231233SQ20111017860
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者刘冉, 楼佩煌, 武星, 王辉, 钱晓明, 隋大鹏 申请人:南京航空航天大学