物流系统中AGV路径规划算法的研究
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摘要
随着国际市场竞争的加剧，各先进工业国迫切需要采用能提高生产率、减低成本、加快产品更新换代、满足多品种小批量生产要求并迅速响应市场变化的现代化制造技术。我国于80年代末90年代初开始重视引进和消化吸收国外的先进物流系统技术与设备，在消化吸收国外柔性制造系统FMS技术的基础上，结合国情，安排开发了一批“准柔性制造系统”。AGV是物流系统中关键基础设备，在物流系统中承担材料运输的关键性活动。AGV根据控制系统的要求给各个设备运输加工零件，并将系统的各个部分连接起来，形成了一个有机的整体，适用于企业的传统生产模式向柔性或准柔性生产组织模式的转化，对提高企业的市场竞争力和经济效益具有十分重要的意义。
路径规划是实现车辆自动化正常运行不可或缺的部分，它能够提高系统的效率，节省生产成本，促进工业的自动化，实现系统的最优调度，保证每台AGV在碰撞的情况下，完成预定的任务。单台AGV无法满足从整体上提高物流自动化系统中生产效率的要求。一个相互协调的多AGV物流系统有着单台AGV系统所无法比拟的优势。 然而多台AGV构成的物流运输系统也存在着单台AGV所不具备的问题，如AGV间的冲突、行为协调和信息共享等等问题。因此研究物流系统中多AGV路径规划问题就变得十分必要。
结合吉林省科委项目和目前物流系统中多台AGV的实际需要，本文进行了以下内容的研究：
1. 单车路径规划算法的研究。
单车路径规划是多车路径规划研究的基础，因此本文首先从对单车路径规划方法进行了探讨，介绍了如何建立环境电子地图和单车路径规划算法。
(1) 建立复杂网线道路的电子地图。
环境地图数据结构必须充分完整地体现路径信息，因此我们首先设计了图形数据结构。在此基础上，应用Access2000开发了小型数据库，借助VC++6.0提供的ADO数据库访问技术，建立了数据库与应用程序的连接，生成了道路网电子地图。
(2) 单车AGV路径规划算法。
本文选择距离作为优化的目标，故本文研究的单车路径规划问题就转化为求单车路径最短问题。通过比较几种求解单节点源最短路径的方法，我们选择了经典的Dijkstra算法。
试验表明，建立的电子地图描述了环境的基本特性，采用的单车路径规划算法正确、可行。
2. 多车路径规划算法
对多AGV系统而言, 为每个AGV规划出一条无碰、协调的路径就成为其中很重要的一个问题。因此，本文建立了多AGV协调控制模型，并在此基础上，研究了基于优先权的交通规则法，解决了AGV间的冲突。
(1) 建立复杂网线道路中多台AGV路径规划协调系统模型。
本文采用集中式协调控制结构，即上层中央离线控制和下层AGV在线检测相结合的控制结构。上层中央控制系统属于离散的事件系统，经综合分析几种离散事件系统建模的方法，我们采用了有色Petri网对该离散系统进行建模，为系统中的每台AGV进行着色。有色Petri网以图的形式，简洁、直观地描述了AGVS系统地运行情况，再现了AGVS系统的离散控制过程，为解决多车路径规划问题提供很好地分析工具和理论指导。
(2) 研究多台AGV路径规划的算法。
本文研究的多车路径规划算法主要是通过中央规划器和AGV在线检测冲突来实现的。AGV沿着规划器规划的路径前进，同时监控室借助无线局域网实现了电子地图中各节点信息的及时更新，控制系统的协调运作。
中央规划器为系统中的每台AGV设计一条无碰路径。该规划器分为获取新任务、初始路径规划、冲突检测、解决冲突几个模块。规划器的工作流程如下：系统获取用户输入的任务信息，对批任务中的每台AGV进行初始路径规划，而后对每台AGV的初始路径进行冲突检测，当发现AGV间路径存在冲突后，采用了基于优先权的交通规则法，解决系统中出现的几种类型冲突,最终为每台AGV找到一条与系统中的其他AGV不发生冲突的路径。
AGV通过避障传感器和通讯信息实现在线检测冲突。本文重点介绍了如何利用通信信息实现系统的在线避碰。中央控制室根据AGV发过来的节点信息，实时地更改地图中各节点的占用信息和节点属性信息，在线地解决了AGV运行过程中出现的冲突。
计算机仿真试验和实车试验表明，多车路径规划算法正确、可行。
With the rapid development of international market, it is urgent to improve productivity, decrease cost, accelerate update of products, meet the requirement of manufacturing multi-type but few batch of products for every industrial country. In the end of 80’s, our country attached importance to import and assimilate advanced technology and equipment abroad. According to the situation of our country, we explored semi-flexible manufacturing system based on absorbing foreign some technology of FMS(Flexible Manufacturing System). AGV(Automated guided vehicle), which is the key basic facility of logistic system, takes change of transporting materials. Every part of flexible manufacturing system is connected into an organic integer because of AGV’s transportation. Therefore, AGV is significant to transit traditional pattern into flexible or semi-flexible manufacturing pattern, enhance the ability of marketable competition and gain economic benefit for contemporary corporations.
Path Planning is one of the most important parts for realizing vehicle’s automation. Its functions in FMS are as follows: increasing system efficiency, saving manufacturing cost, promoting industrial automation, realizing scheduled task under conflict-free condition. Although a single AGV is essential union of FMS, it can’t meet the requirement of improving manufacturing efficiency. A logistic system comprised of multiple automated guided vehicles has many advantages that are lacking in the system of a single vehicle. But in MAGVS, some problems that are without the system of a single AGV are confliction, cooperation, communication of mutual automated guided vehicles. So it is necessary to research path planning of multiple AGVS of logistic system.
With the practical requirement of MAGVS, the research work of my paper,
which obtains project finance, includes the following contents:
1. Research on path planning algorithm of a single AGV
The path planning of a single AGV is the base of multiple automated guided vehicles’ study. So we discuss how to establish electronic map and introduce the path planning algorithm of a single vehicle.
(1) Establishing the electronic map of the netted road.
The data structure of the environment e-map should completely demonstrate the road’s information. Firstly, we design the data structure based on practical need. Secondly, the technology of Access 2000 is used to develop the database. Furthermore, the method of visiting the database is ADO(ActiveX Data Object). Finally, the electronic map is built through connecting the database and the program.
(2) An algorithm of path planning of a single AGV
The distance is selected as optimal goal in the paper, thus the problem of path planning of a single AGV is transformed into the shortest path of a single AGV. In contrast to several methods of obtaining the shortest path, the classical Dijkstra algorithm is used to calculate the shortest path from the starting node to the ending node.
The experiment proved that the algorithm is feasible.
2. An algorithm of path planning of MAGVS
As far as MAGVS is connected, it is important to plan a conflict-free path for every AGV of the system. Therefore, this paper develops the model of MAGVS’ coordinating control in order to describe the process of the discrete control. Then, we settle the confliction of MAGVS using the traffic rules based on priority.
(1) Developing the cooperating model of MAGVS
Centralized architecture is applied in the paper, it includes two parts: off-line super-control and on-line sub-control. Super-control of the central room belongs to the discrete event system. Contrasted with several methods of developing the model of the discrete system, we adopt CPN(Colored Petri Net) to describe the super-control of MAGVS. By means of pictures and signs, CPN explains the control’s process of MAGVS intuitionisticly and compactly and provides good analytic tool for path planning of MAGVS.
(2) An algorithm of path planning of MAGVS
A central planner and AGV on-line detection are the core
路径规划是实现车辆自动化正常运行不可或缺的部分，它能够提高系统的效率，节省生产成本，促进工业的自动化，实现系统的最优调度，保证每台AGV在碰撞的情况下，完成预定的任务。单台AGV无法满足从整体上提高物流自动化系统中生产效率的要求。一个相互协调的多AGV物流系统有着单台AGV系统所无法比拟的优势。 然而多台AGV构成的物流运输系统也存在着单台AGV所不具备的问题，如AGV间的冲突、行为协调和信息共享等等问题。因此研究物流系统中多AGV路径规划问题就变得十分必要。
结合吉林省科委项目和目前物流系统中多台AGV的实际需要，本文进行了以下内容的研究：
1. 单车路径规划算法的研究。
单车路径规划是多车路径规划研究的基础，因此本文首先从对单车路径规划方法进行了探讨，介绍了如何建立环境电子地图和单车路径规划算法。
(1) 建立复杂网线道路的电子地图。
环境地图数据结构必须充分完整地体现路径信息，因此我们首先设计了图形数据结构。在此基础上，应用Access2000开发了小型数据库，借助VC++6.0提供的ADO数据库访问技术，建立了数据库与应用程序的连接，生成了道路网电子地图。
(2) 单车AGV路径规划算法。
本文选择距离作为优化的目标，故本文研究的单车路径规划问题就转化为求单车路径最短问题。通过比较几种求解单节点源最短路径的方法，我们选择了经典的Dijkstra算法。
试验表明，建立的电子地图描述了环境的基本特性，采用的单车路径规划算法正确、可行。
2. 多车路径规划算法
对多AGV系统而言, 为每个AGV规划出一条无碰、协调的路径就成为其中很重要的一个问题。因此，本文建立了多AGV协调控制模型，并在此基础上，研究了基于优先权的交通规则法，解决了AGV间的冲突。
(1) 建立复杂网线道路中多台AGV路径规划协调系统模型。
本文采用集中式协调控制结构，即上层中央离线控制和下层AGV在线检测相结合的控制结构。上层中央控制系统属于离散的事件系统，经综合分析几种离散事件系统建模的方法，我们采用了有色Petri网对该离散系统进行建模，为系统中的每台AGV进行着色。有色Petri网以图的形式，简洁、直观地描述了AGVS系统地运行情况，再现了AGVS系统的离散控制过程，为解决多车路径规划问题提供很好地分析工具和理论指导。
(2) 研究多台AGV路径规划的算法。
本文研究的多车路径规划算法主要是通过中央规划器和AGV在线检测冲突来实现的。AGV沿着规划器规划的路径前进，同时监控室借助无线局域网实现了电子地图中各节点信息的及时更新，控制系统的协调运作。
中央规划器为系统中的每台AGV设计一条无碰路径。该规划器分为获取新任务、初始路径规划、冲突检测、解决冲突几个模块。规划器的工作流程如下：系统获取用户输入的任务信息，对批任务中的每台AGV进行初始路径规划，而后对每台AGV的初始路径进行冲突检测，当发现AGV间路径存在冲突后，采用了基于优先权的交通规则法，解决系统中出现的几种类型冲突,最终为每台AGV找到一条与系统中的其他AGV不发生冲突的路径。
AGV通过避障传感器和通讯信息实现在线检测冲突。本文重点介绍了如何利用通信信息实现系统的在线避碰。中央控制室根据AGV发过来的节点信息，实时地更改地图中各节点的占用信息和节点属性信息，在线地解决了AGV运行过程中出现的冲突。
计算机仿真试验和实车试验表明，多车路径规划算法正确、可行。
With the rapid development of international market, it is urgent to improve productivity, decrease cost, accelerate update of products, meet the requirement of manufacturing multi-type but few batch of products for every industrial country. In the end of 80’s, our country attached importance to import and assimilate advanced technology and equipment abroad. According to the situation of our country, we explored semi-flexible manufacturing system based on absorbing foreign some technology of FMS(Flexible Manufacturing System). AGV(Automated guided vehicle), which is the key basic facility of logistic system, takes change of transporting materials. Every part of flexible manufacturing system is connected into an organic integer because of AGV’s transportation. Therefore, AGV is significant to transit traditional pattern into flexible or semi-flexible manufacturing pattern, enhance the ability of marketable competition and gain economic benefit for contemporary corporations.
Path Planning is one of the most important parts for realizing vehicle’s automation. Its functions in FMS are as follows: increasing system efficiency, saving manufacturing cost, promoting industrial automation, realizing scheduled task under conflict-free condition. Although a single AGV is essential union of FMS, it can’t meet the requirement of improving manufacturing efficiency. A logistic system comprised of multiple automated guided vehicles has many advantages that are lacking in the system of a single vehicle. But in MAGVS, some problems that are without the system of a single AGV are confliction, cooperation, communication of mutual automated guided vehicles. So it is necessary to research path planning of multiple AGVS of logistic system.
With the practical requirement of MAGVS, the research work of my paper,
which obtains project finance, includes the following contents:
1. Research on path planning algorithm of a single AGV
The path planning of a single AGV is the base of multiple automated guided vehicles’ study. So we discuss how to establish electronic map and introduce the path planning algorithm of a single vehicle.
(1) Establishing the electronic map of the netted road.
The data structure of the environment e-map should completely demonstrate the road’s information. Firstly, we design the data structure based on practical need. Secondly, the technology of Access 2000 is used to develop the database. Furthermore, the method of visiting the database is ADO(ActiveX Data Object). Finally, the electronic map is built through connecting the database and the program.
(2) An algorithm of path planning of a single AGV
The distance is selected as optimal goal in the paper, thus the problem of path planning of a single AGV is transformed into the shortest path of a single AGV. In contrast to several methods of obtaining the shortest path, the classical Dijkstra algorithm is used to calculate the shortest path from the starting node to the ending node.
The experiment proved that the algorithm is feasible.
2. An algorithm of path planning of MAGVS
As far as MAGVS is connected, it is important to plan a conflict-free path for every AGV of the system. Therefore, this paper develops the model of MAGVS’ coordinating control in order to describe the process of the discrete control. Then, we settle the confliction of MAGVS using the traffic rules based on priority.
(1) Developing the cooperating model of MAGVS
Centralized architecture is applied in the paper, it includes two parts: off-line super-control and on-line sub-control. Super-control of the central room belongs to the discrete event system. Contrasted with several methods of developing the model of the discrete system, we adopt CPN(Colored Petri Net) to describe the super-control of MAGVS. By means of pictures and signs, CPN explains the control’s process of MAGVS intuitionisticly and compactly and provides good analytic tool for path planning of MAGVS.
(2) An algorithm of path planning of MAGVS
A central planner and AGV on-line detection are the core
引文
孙大涌，先进制造技术，机械工业出版社，2000年，第283页
李军，郭耀煌，物流配送车辆优化调度理论与方法，中国物资出版社，2001年，第5页
李培根, 张洁，敏捷化智能制造系统的重构与控制，机械工业出版社，2003年，第194页
冯炎，新型视觉引导AGV图像处理技术的研究，硕士学位论文，吉林大学，2002年3月，第2页
张斌，多机器人系统仿真平台，硕士学位论文，中国科学院自动化所，2002年6月，第2页
李磊，叶涛等，移动机器人技术研究现状与未来，机器人，2002年9月，第24卷 第5期
张其善, 吴今培, 杨东凯, 智能车辆定位导航系统及应用，科学出版社， 2002年 第112页
郑章，程刚，张勇等，Visual C++ 6.0数据库开发技术，机械工业出版社，1999年，100~190
(美)Ben Ezzell著，Window 2000环境下Visual C++ 6.0从入门到精通，电子工业出版社，2000年，第440页
[美] 赵亦林 著 谭国真 译，车辆定位与导航系统，电子工业出版社， 1999年，第110页
王朝瑞，图论 第二版，北京理工大学出版社，1997.6，第18页
肖位枢，图论及其算法，航空工业出版社，1993年，第100页
卢开澄，卢华明，图论及其应用 第二版，清华大学出版社，2001年，第257
张书勤，组态式FMS中央管理系统的开发研究，硕士学位论文，吉林工业大学，2000年2月，第36页
蒋长浩，图论及网络流， 中国林业出版社，2001年，第2页
吴祈宗，运筹学，机械工业出版社，2002年，第85页
王永庆，人工智能原理与方法，西安交通大学出版社，1996年，第256页
袁曾任，人工神经元网络及其应用，清华大学出版社，1999年，第275页
吴简彤，王建华，神经网络技术及其应用，哈尔滨工程大学出版社，1998年，第51页
李敏强等，遗传算法的基本理论与应用，科学出版社，2001年，第75页
张芳，林良明，多移动机器人协调体系结构与相关问题，机器人，2001年第23卷 第6期
文巨峰，罗翔等，基于多智能体的智能机器人分布式控制系统，东南大学学报 ，2003年1月，第33卷1期
张晓萍，颜永年等，现代生产物流及仿真，清华大学出版社，第180页
顾启泰，离散事件系统建模与仿真，清华大学出版社，1999年，第135页
邓子琼等，柔性系统建模及仿真，国防工业出版社，1993年，第95页
奥兰著，佩特利网和逻辑控制器图形表示工具（ＧＲＡＦＣＥＴ），机械工业出版社，1995年，第111页
史扬，詹跃东，罗瑛，基于有色Petri网建模的AGVS优化调度规则研究，昆明理工大学学报，2002年8月，第27卷 第4期
詹跃东，基于Petri网的物流自动化系统建模与仿真研究，系统仿真学报，2001年7月，第13卷第4期
Svestka P, OvermarsM. Coordinated motion planning for multiple car-like robots using probabilistic road-map. In: Proc IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nagoya, Japan, 1995, 1631-1636
Sv.Noykov, et al., Realative Location and Cooperation of Two Mobile Vehicles with WEB-based Application, Proceedings of IEEE IV2000 International Conference
周明，孙树栋，彭炎午，基于遗传算法的多机器人系统集中协调式路径规划，航空学报，2000年3月，第21卷 第2期
Shin Kato, et al., Coordinating Mobile Robots by Applying Traffic Rules, Proceedings of 1992 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Raleigh, NC July 7-10,1992
战强 丑武胜，结构环境中多机器人无冲突运动规划的研究，北京航空航天大学学报，2002年4月，第28卷 第2期
Li Chun,etc, et al., A Decentalized Approach to the Conflict-Free Motion Planning for Multiple Mobile Robots, Proceeding of the 1999 IEEE International Conference Robotics & Automation Detroit, Michigan May 1999.
钟家桢 王韧 戈素贞，自主式AGV的路径规划及导引，北京科技大学自动化工程学院，物流技术装备，1999年，第2卷第1期
顾国昌，李亚波，基于总体势减小的动态调度技术解决多机器人的路径规划，机器人，2002年3月，第23卷 第2期
J.H.Lee, et al., A Routing Table Approach for Minimum Time Traffic Control of Multiple AGV Systems, 1224~1227
朱枫，谈大龙， 基于初等运动的多机器人避碰及死锁预防，计算机学报，2001年12月，第24卷 第12期
欧锦军 朱枫，一种多移动机器人避碰规划方法，机器人，2000年11月，第22卷6期
Jung Hoon Lee, et al., A Real-Time Traffic Control Scheme of Multiple AGV Systems for Free Minimum Time Motion: A Routing Table Approach , IEEE Transactions Systems, Vol 28, No 3,May 1998
宋宇 孙茂相等，网络环境下基于Agent的多机器人协调与路径规划，机器人，2001年1月，第22卷 第1期
吴剑，孙杏初，机器人无碰轨迹规划研究，北京航空航天大学学报，1995年7月，第21卷第3期
YONG K.HWANG, Gross Motion Planning-A Survey, ACM Computing Surveys, Vol 24, No.3,1992.9
Kianoush Azarm, et al., Conflict-Free Motion of Multiple Mobile Robots Based on Decentralized Motion Planning and Negotiation, Proceeding of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation, April 1997
钟江生，用神经网络方法处理FMS中多个AGV运送请求问题，制造业自动化，1999年，第6期
李晓萌，杨煜普，许晓鸣，基于多级决策的多智能体自动导航车调度系统，上海交通大学学报，2002年8月，第36卷第8期
(美) Jim Geier著, 无线局域网，人民邮电出版社，2001年，第75页
何江华，计算机仿真导论，科学出版社，2001年3月，第200页
王硕，张斌，谭民，曹志强，多自主移动机器人计算机仿真系统的设计和实现，系统仿真学报，2002年2月，第14卷 第2期
黄维通等，边用边学Visual C++ 编程，清华大学出版社，108~376
李春葆，数据库结构(C语言篇)－习题与分析，清华大学出版社， 2002年，第260页
谭浩强，C程序设计，清华大学出版社，1999年，80~280
Stephen D.Gilbert, Bill McCarty，赵军锁译， 跟我学Visual C++6, 机械工业出版社，37~388
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Paul A L, Michael FG, etc. 1999. Geographical Information Systems(Volume 1)—Principles and Technical Issues. New York:John Wiley &Sons,Inc
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(美)Ben Ezzell著，Window 2000环境下Visual C++ 6.0从入门到精通，电子工业出版社，2000年，第440页
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蒋长浩，图论及网络流， 中国林业出版社，2001年，第2页
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袁曾任，人工神经元网络及其应用，清华大学出版社，1999年，第275页
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张芳，林良明，多移动机器人协调体系结构与相关问题，机器人，2001年第23卷 第6期
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奥兰著，佩特利网和逻辑控制器图形表示工具（ＧＲＡＦＣＥＴ），机械工业出版社，1995年，第111页
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Li Chun,etc, et al., A Decentalized Approach to the Conflict-Free Motion Planning for Multiple Mobile Robots, Proceeding of the 1999 IEEE International Conference Robotics & Automation Detroit, Michigan May 1999.
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