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(完整word版)AGV路径规划设计
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安徽工业大学
毕业设计（论文）任务书
课题名称
面向AGVs的物流运输系统自动化研究
学 院
管理科学与工程学院
专业班级
工业工程111班
姓 名
金辉
学 号
119094008
毕业设计(论文）的主要内容及要求：
1、调研资料收集：AGV的历史与技术以及国内外应用与发展趋势，AGVs路径规划问题国内外研究现状和优化方法等，其它需要收集的相关资料和数据。
2、查阅文献资料，明确研究方向,运用运筹学的相关理论和方法对AGV系统路径优化问题进行分析和研究，构建图论系统模型和路径规划优化方法。
3、根据路径规划研究方法，进行编程实现路径规划算法，对比路径规划后的实施效果并进行相应的实证研究。
4、基于CAD绘图软件,绘制不少于相当于1张A2工作量的CAD图。
5、开题报告:包括工作任务分析、调研报告、文献综述或现场实习、方案拟定与分析以及实施计划等，开题报告须单独装订.
6、论文说明书的篇幅一般为2。《本科生毕业设计撰写规范细则》。中文摘要在300字以内及相应的外文摘要.
7、参考文献不少于20篇,其中外文资料不少于2篇。
指导教师签字：
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摘要
随着生产物流自动化程度的提高，柔性制造系统和自动化立体化仓库等的发展，AGVs（Automated Guided Vehicle system）作为物流系统和柔性制造系统中的关键子系统，得到越来越多的应用。路径规划问题是AGV系统应用中的基本问题之一,对路径规划问题的研究有重要的理论和实践意义。
本文首先介绍AGV的结构组成及其系统组成,了解AGVs的工作模式，对AGVs的工作流程进行分析；其次对单台AGV路径规划优化技术进行研究，在建立电子地图的基础之上，对 Dijkstra 算法进行改进和优化，从而实现单AGV 路径规划;然后针对多台AGVs的无碰撞路径规划问题,采用与时间窗原理相结合的路径规划算法，并提出缓冲时间窗的概念，减少各种因素对算法的影响,使算法在运行过程中具有很好的稳定性和持续性,从而实现多台AGV的无碰撞路径规划；最后编写了C语言代码，实现了实验室单AGV路径规划Dijkstra算法运行程序。
关键词:AGV；路径规划；Dijkstra 算法；时间窗方法;缓冲时间窗
Research on logistics transportation system automation based on AGVs
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Abstract
With the improvement of the degree of production logistics automation and the development of flexible manufacturing systems and three—dimensional warehouse automation， AGVs （Automated Guided Vehicle system） have been widely put into use as one of the key subsystems of logistics system and flexible manufacturing systems。 Path planning problem is one of the basic problems among the application of AGVs and is of great theoretical and practical importance to the research of path planning problem.
This paper first introduces the structure and system composition of AGV, comprehends the operating mode and analyzes the working process of the AGVs. Secondly， based on the construction of electronic map， the paper studies the path planning optimization technology of single AGV and improves the Dijkstra algorithm, so as to realize single AGV path planning. Then aimed at the collision less path planning problem of more than one AGV， the paper adopts path planning algorithm combined with time window theory， puts forward the concept of buffer time window and reduces the influence of various factors upon the algorithm in order to keep the stability and continuity of the algorithm during the operation process, as thus realize the collision less path planning of more than one AGV. Finally, the C programming language code was written and the Dijkstra algorithm operational procedure of single AGV path planning in lab was realized。
Keywords: AGV；path planning；Dijkstra algorithm；Time window method;Buffer time window
目录
摘要 I
Abstract II
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1。绪论 1
1。1 引言 1
AGV的历史与技术 2
AGV的发展历史 2
1。2。2 现代AGV的技术特点 4
AGVs在国内应用与发展趋势 5
1。4 AGVs路径规划历史和现状 6
1。5 论文的研究内容和意义 7
。1 研究内容 7
1。 研究的目的及意义 8
9
AGV的种类与结构 9
2。 AGV的种类 9
AGV的结构 10
2。2 AGVs的总体结构 13
。1 AGVs的组成 13
地面控制系统 13
2。2。3 通讯系统 14
2。 车载控制系统 14
车载导航系统 15
2。2。6 移载系统 15
充电系统 15
AGV系统的工作模式 16
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2。3。1 AGVs的工作特点 16
2。3。2 AGVs的运行模式 16
。3 AGVs的工作流程 17
19
AGVs的路径规划概述 19
全局路径规划 19
3。1。2 局部路径规划 20
3。2 电子地图建模方法 20
3。2。1 可视图法 20
。2 栅格地图法 21
。3 拓扑地图法 22
基于图论的路径规划 22
图的定义 23
3。 基于图论法的路径规划算法 23
。3 物流综合实验室建模 24
3。3。4 基于Dijkstra算法的路径规划 26
3。 路径分析和算法改进 28
4. 多AGV系统路径规划 29
多AGV系统的路径规划问题 29
4。 问题的由来 29
。2 冲突的类型 29
。3 AGV冲突解决方法 30
校图书馆某科室环境建模 31
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4。 校图书馆某科室 31
4。 AGV系统模型设定 32
基于时间窗方法的多AGVs路径规划 33
时间窗方法 33
4。 算法步骤 34
4。 算法实践与路径方案 36
算法不足与改进 38
5。 单AGV路径规划C语言模拟 39
总结与展望 41
致谢 42
主要参考文献 43
附录：单AGV路径规划Dijkstra算法代码 45
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1。1 引言
随着工厂生产和物流自动化的显著提高，传统制造业的生产和物料运输方式发生了天翻地覆的变化,从20世纪末，现代制造业就已经迈入自动化、智能化和个性化的崭新时代。柔性制造系统（FMS,Flexible Manufacture System）和立体化智能仓库（SW:Stereoscopic Warehouse)等先进的科学技术在生产制造产业中得到越来越多的广泛应用［1].我们都知道，生产物流系统技术是先进制造技术中的重要组成部分，随着计算机科学和自动化技术的广泛应用，它已从原来简单的物料搬运发展到现代物流自动化系统，物流管理系统也从原来的简单方式迅速向自动化管理演变,使得物流系统自动化水平得到显著提高。
根据相关文献显示：在整个生产制造过程中，仅仅有20％的成本时间是用于加工和制造，剩余的大部分的80％都用于储存、装卸、等待加工和输送［2］.我国的大多数制造企业属于劳动密集型，也就是主要依靠劳动力来生产制造，然而现在中国劳动力成本在持续增长，。在这种情况下，AGVs(Automated Guided Vehicle system）作为货物搬运输送系统，能够满足柔性制造系统和立体仓库的要求，是整个物流自动化和生产自动化最关键的部件之一。
AGV（Automated Guided Vehicle)一般被称为自动导引小车[3］，是为了更好地解决物流活动中的智能化、自动化和合理化等问题,从而实现物流系统的时间和空间效益。AGV作为一种智能化移动机器人，拥有着包含环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。AGV集中了传感器技术、机械工程、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就,、准确的运输、便于计算机管理与调度、能够自主导航、自动规划路径和执行任务和更有利于劳动安全保障的实施等优点已被广泛应用于制造业、农业和服务业等各个领域。因此AGVs是整个物流自动化和生产自动化最关键的部件之一[3］。
随着现代AGV性能不断地提高，其应用范围不断扩展，不仅将在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且将在排险、搜捕、救援、强辐射等危险环境下得到很好的应用，几乎适合于仓储、制造、邮政、图书馆、港口、机场、烟草、医药、食品、化工等各种场合。因此，AGV技术已经得到世界各国的普遍认可。
1。2 AGV的历史与技术
AGV的发展历史
根据美国物流协会的定义，AGV是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶的运输小车，同时还具有小车编程与停车选择装置、安全保护装置以及各种移载功能［3］。AGV是现代物流系统的关键设备之一，与其他物料配送运输设备相比，AGV具有其独特的先进性和优越性，由计算机控制进行自主导航，可以自动规划路径和完成任务等无人化、自动化先进技术；也可完成不适合工作人员进入的某些工作场合去完成工作;对那些劳动强度大或者要求工作精度高的工作环境，AGVs可以较为完美的完成这些任务。
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1913年，美国福特汽车公司首次将有轨导引的AGV用于汽车制造生产中的底盘装配生产线上。这是AGV第一次出现在制造业的舞台上。随着科学技术的进一步发展，到1953年,世界上真正意义上的第一台AGV是由美国Barrett电子公司开发成功的,它是一种牵引式小车系统，可十分方便地与其他物流系统自动连接,显著地提高劳动生产率，，基本的导引技术是靠感应埋在地下的导线产生的电磁频率。通过一个叫做“地面控制器"的设备打开或关闭导线中的频率,从而指引AGV沿着预定的路径行驶。由于它的显著特点，迅速得到了应用和推广.
从20世纪50年代末到60年代初期，计算机技术开始应用到自动化生产线上,出现了最初的计算机控制系统。这一时期就有多种类型的AGV用于工厂和仓库，1960年欧洲就安装了各种形式、不同水平的AGVs220套，，由于欧洲的公司对托盘的尺寸和结构进行的标准化，促进了AGV的进一步发展。70年代中期，由于微处理器技术和计算机技术的相结合发展，伺服驱动技术的成功促进了复杂控制系统的改进，，瑞典的VOLVO汽车公司和Schindler-Dighton公司就联合研发了多种AGV，并在KALMAR轿车厂的装配线上大量采用了AGV进行计算机控制装配作业，扩大了AGV的使用范围。70年代末，欧洲约装备了520个AGV系统,:汽车工业（57%)，柔性制造系统FMS（8%）和柔性装配系统FAS(44％）。当时,欧洲的AGV的发展很快，已经成为AGV技术研发与运用的中心,为各大企业带来了巨大的经济效益.
20世纪80年代初，欧洲的技术就开始向美国转移，此时美国的AGV生产厂商从1983年的23家剧增至1985年的74家。美国各公司在欧洲技术的基础上，，无线导引技术也开始引入到AGV系统中,而且系统也可以在线自动充电,24小时不间断运行，充分表现出AGV系统较好的灵活性、准确性和可靠性。1984年,美国通用汽车公司完成了它的第一个柔性装配系统(FAS）,从此该公司就成为当时AGV的最大用户。1986年已达1407台，1987年又新增加1662台。到目前为止,全世界已拥有AGV系统15000多组,约100000辆AGV。。
AGV技术被引入亚洲是日本于1963年,其第一家AGV工厂于1966年由一家运输设备供应厂商与美国的Webb公司合资建成。1976年后，日本对AGV的发展给予了高度重视,每年增加数十套AGV系统,有神钢电机、平田电机、，日本的AGV总产值为60亿日元，1985年已上升到200亿日元,平均每年以20％的速度递增,1986年，日本累计安装了2312个AGVs，拥有5032台AGV，，日本AGV制造厂已达47家，如大福、Fanuc公司、Murata（村田)公司等,广泛应用于汽车制造、机械、电子、钢铁、化工、医药、印刷、仓储、运输业和商业上.
我国AGV的研制和应用起步比较晚,原因是人力资源成本低和工厂自动化程度低两个主要因素导致了国内的AGV研究和应用起步以及其发展均较为缓慢。不过其发展历程虽短，但一直以来不断加大在这一领域的投入，以改变我国AGV长期依赖进口的局面。1976年,北京起重机械研究所研制出第一台AGV，建成第一套AGV滚珠加工演示系统，随后又研制出单向运行载重500公斤的AGV，双向运行载重500kg、1000kg、2000kg的AGV，开发研制了几套较简单的AGV应用系统。1988年，原邮电部北京邮政科学技术研究所研制了邮政枢纽AGV。1989年，北京机械工业自动化研究所为二汽研制了应用在立体化仓库中的AGV。90年代，清华大学国家CIMS工程中心将从国外引进的AGV成功的应用于EIMS的实验研究。1991年起,中科院沈阳自动化研究所和新松机器人自动化股份研究公司为沈阳金杯汽车厂研制生产了客车6台AGV用于汽车装配线中，可以说这是我国汽车工业中用得比较成功的例子，并于1996年获国家科学技术进步三等奖。1992年,天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。1995年，我国的AGV技术出口韩国，标志着我国自主研发的机器人技术第一次走向了国际市场。
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1998年，昆明船舶设备集团公司在红河卷烟厂研制了多模式激光导引无人自动车22辆。：一种是引进技术；一种是自有知识产权的技术。两种模式目前都涵盖AGV的所有技术，技术水平并无多大差别。引进技术主要是瑞典NDC的AGV控制系统技术。
20世纪末到21世纪初，随着电子技术和计算机技术等高科技的迅速发展,AGV的硬件设备和智能化程度都上了一个新的台阶。微控制器技术已经广泛应用于AGV的各个功能模块,因此AGV正在往智能化、自动化的方向发展。一些新的控制方法正在逐渐应用到实际生活中，各种机器人控制领域的新方法和新策略正在开始逐步应用到AGV系统中。AGV发展到今天，已经深入到社会生产生活的各个领域，广泛应用于汽车制造、机械、电子、钢铁、化工、医药、印刷、仓储、运输业和商业上。
1。 现代AGV的技术特点
AGV作为联系和调节物流运输管理系统使其作业智能化的必要的搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。在最近的十几年里，各种新型AGV被广泛应用于工业生产的各个领域中.
现代AGV技术的最显著特征是其智能化得到了明显的提高。由于车载计算机的硬软件功能日益强大，使AGV具有从网络、无线或红外信号接受装置接收调度中心或客户的指令、自动导引、自主行驶、优化路线、自动作业、运行管理、车辆调度、安全避碰、自动充电和自动诊断等功能,实现了AGV的智能化、信息化、数字化、网络化、柔性化、敏捷化、节能化、（只要给与其充足的能源），就能主动、自序、有节拍的按最短和最安全的路线去完成任务。智能化和动力强劲等特点,将使AGV具有日益广泛的用途。
，而动力源的体积大小将直接影响整车的体积及外观造型[4]。传统的AGV采用铅酸电池,能量密度小，，随着电池能源技术的快速发展,电池由原来的高能酸性电池,改用现在的高能碱性电池，：放电时间由原来的1：1提高到1：12，大幅缩短了AGV的待机充电的时间。动力电池性能的改进与快速充电技术的使用，使得现代AGV的动力性能普遍提高，运载能力与行驶特性得到了进一步的优化。
由于智能机器人技术的引进，AGV的机器人化就成为了现代AGV研究的热点话题[5］。实际上，在智能机器人的整个发展历史过程中，、路径规划、运动控制等，均在AGV中得到了体现,使得现代AGV无论是专项技术,还是综合性能,均得到了普遍提高，并仍将继续提高。由于AGV的智能化，现代AGV已不仅仅只是沿固定铺设轨道行驶的物流运输工具，几乎可以适合于各种物流
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环境中。
现代AGV的还有个显著特点是无人驾驶。它可以保障系统在不需要人工导航的情况下自动行驶和自动搬运，柔性好、自动化和智能化水平高。AGV可以根据仓库货位要求和生产工艺流程等做出改变，，AGV还可以与其他物流设备自动接口，实现制造生产和物流运输全过程自动化。此外，现代AGV还具有清洁生产的特点,AGV依靠自带的蓄电池提供动力，运行过程噪声极低、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。
由于现代AGV系统在应用上的灵活性和准确性得到很大地提高，许多先进的导引方式的引入,使得AGV小车的导引方式更加多样化从而形成了一个新的产业，主要可以概括为两种发展模式：第一种是全自动AGV技术，这类技术追求AGV的自动化,几乎完全不需要人工的干预，其路径规划和生产流程复杂多变，基本能够运用在所有的物流领域,在欧美国家应用广泛。这些AGV的功能完善、技术先进，采用模块化设计,已经形成了一套生产标准，但是此类AGV价格昂贵，降低了它的市场占有率；第二种是简易型AGV,该技术可以实现AGVs的最佳性价比,让用户可以在较短的时间内收回成本，日本在这方面技术处于世界领先水平，因此这类AGV在日本企业得到了广泛使用.
图1-1 简易型自动导引小车(AGV) 图1—2 电磁式自动导引小车(AGV)
图1-3 汽车制造现场的AGV 图1—4 仓库运输系统的AGV
1。3 AGVs在国内应用与发展趋势
在中国, 随着计算机硬件技术、并行分析与处理技术、自动控制技术、传感器技术以及软件开发环境等先进技术的不断发展, 为AGVs的研究与应用提供了必要的技术基础。近年来,随着工厂物流自动化、计算机集成制造系统技术的逐步发展，以及柔性制造系统和自动化立体仓库的广泛应用,
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