基于5G网络的AGV小车应用研究

作者:快查重系统     发表时间:2021-10-21 11:06:11   浏览次数:153


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  摘要:生产现场物流配送AGV自动导引车主要用于配料工位、装配生产线各作业工位、检测工位、各返修工位等之间的物料柔性移送和分发。AGV与5G网络技术相融合,用5G代替当前WiFi网络,有效解决通讯频点切换数据丢包和信号盲区的问题;改造安装5G网关设备,通过5G网络采集AGV小车数据,进行运行控制,通讯性能满足毫秒级的低时延,确保现场物流运输准确、安全;支持调度系统下沉至工厂边缘云,支撑生产现场物料运输有序调度,实现离散制造物流自动化。

  关键词:AGV自动引导车;5G网络;WIFI网络;MEC多接入边缘计算

  0引言

  随着智能制造不断推进,工厂的生产模式也正在经历着一场变革,由传统的人工操作向无人化演进。在这个过程中,越来越多类似于AGV小车的移动工业机器人,用于替代工人执行一些特定的工作,从而减轻工人劳动强度,提高企业生产效率。

  AGV(AutomatedGuidedVehicle,简称AGV)自动导引车[1],通常也称为AGV小车,是一种自主移动机器人,装有电磁或光学等自动导引装置,进行非接触式导引,能沿规划路径行驶,自动避开障碍物安全驶向指定目标,从而完成各种给定任务[2]。AGV是智能制造和智能物流的重要终端,具有实施简单、路径灵活、不占空间、移动性较好、柔性等优点,广泛应用于柔性制造系统和立体仓库。

  5G是当前具有代表性、引领性的通信网络技术[3],是实现万物泛在互联、人机深度交互、支撑实体经济转型升级的关键信息基础设施。2019年6月正式颁发5G牌照,进入5G商用阶段[4],5G应用场景贯穿工业制造的全过程,实现供应链管理、AGV、柔性制造、生产过程控制、机器协作、库存管理、产品交付管理等各个环节的融合应用,显著降低企业运营成本,提高生产效率,优化制造资源配置,提升装备数字化、产线联网化和生产智能化水平,推动制造业实现高质量发展,成为数字化转型升级的关键驱动力。

  1基于WiFi网络的不足

  人工智能应用于工业生产,首先必须依托无线通信技术,目前一般使用WiFi来传输AGV运行信息,在传统WiFi网络环境下,存在几个比较明显的不足:

  (1)覆盖范围窄,用户接入量有限:单个AP的有效覆盖范围大约是50m左右,网络承载能力差,使得1个AP下的用户数量只有数十个而已,为了满足车间的网络需求,实现信号无死角覆盖,AP的布点数量就很多,自然造成系统故障几率增大;

  (2)重叠区域多,丢包率大:多点布设的AP之间就会存在重叠区域(交接区),当AGV小车运行于重叠区域时,小车会有一个断线和重新注册的过程,在这个过程中,即便是802.11k/v/r协议制式以及同一个SSID,WiFi网络在频点切换时,丢包几乎是不可能避免的事情,这就会导致小车与管理平台的通讯中断,造成小车定位失败,使得小车出现站点停靠不准或中途停车等应用问题;

  (3)扩展性较差,维护不便:AP及前端设备需要通过有线网络接入,当车间扩容甚至设备扩容时,增加的无线信号发射点位都需要通过有线接入;生产车间内的AP一般都布置在相对较高的墙体或支架上,车间内有很多的货架和生产设备,一旦网络设备故障,维护非常不方便。

  25G+MEC边缘计算

  5G基站的有效覆盖范围大约是150m~200m左右,在工业互联网应用场景下一般还会在工厂现场部署室分用以增强网络覆盖,用户接入量呈几何式增加,同时5G也具有网络自适应性能,可在不同基站之间频点软切换,实现无缝衔接。

  5G的底层通信应用,给网络建设提出了更高的要求,带来了新的问题,特别是增强带宽(eMBB)会使无线回传网络压力剧增,高可靠低延时通信(uRLLC)对网络提出端到端99.999%的超高可靠性和1ms级的超低时延要求。因而[5],在实际5G组网时,将业务尽可能下沉至网络边缘,减少网络传输和多级业务转发带来的网络时延[6]。

  MEC(Multi-AccessEdgeComputing)的部署,在更靠近现场的网络边缘应用提供云计算能力和IT服务环境,是5G网络算力下沉和数据分流必不可少的网元,为边缘计算提供云服务、IT服务环境和云计算能力。应用如图2所示。

  MEC平台实现本地局域网通信[7],边缘服务在终端设备上运行,反馈更迅速,时延更低;计算内容与计算能力下沉,智能化的流量调度,将业务本地分流缓存,使区域性业务能够在本地终结,减少对骨干传输网以及上层核心网的资源占用,同时本地局域网通信,保障了系统的安全性。

  3基于5G网络AGV应用系统

  基于5G网络的AGV应用系统由AGV小车、5G工业网关、网络交换机、防火墙、5G基站等设备,以及MEC平台、NMS网关管理系统、AGV小车运营管理系统等软件共同构成。

  3.1系统网络构建

  基于5G通信网络,搭配5G工业网关和各类管理系统,为AGV联网控制提供网络链路和指令传输通道。网络架构如图3所示。

  5G工业网关负责采集终端AGV的运行数据,通过5G无线网络和专网通道上传到管理平台,同时配备NMS网关管理系统对系统所有网关进行配置管理,实现AGV运行数据采集和状态监测管理,并依托MEC平台的数据隔离功能确保生产数据的私密性和安全性。

  5G专网建设完成之后,暂时保留原WiFi无线网络作为5G无线网络的备份链路,构建两套空中传输网络。网络接入如图4所示。

  平时AGV的接入网络都以5G无线网络为主,当5G网络故障时,断掉5G网络接口,接通WiFi模块数据接口通道,可以在短时间内切换回原先的WiFi网络并恢复生产。

  3.2AGV网关安装与配置

  5G工业智能网关可安装于AGV小车车头控制室内,如空间有干涉,也可拆去外壳,直接将裸板固定安装于小车控制室前端。网关天线可采用软天线外拉到车头或车尾,或者其他不影响小车运行和路径干涉的地方安装。如果天线安装位置封闭的话,还需在AGV小车外壳上进行开孔安装,如果小车震动幅度不大的情况下也可以采用磁吸或胶粘的方式安装。见下图红色框所示。

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  AGV小车之前的控制方式是用WiFi模块(192.168.*.*)通过串口收发指令。现在改用5G工业网关的LAN口直接连接以太网口的方式,5G网关的LAN口地址默认地址为192.168.0.1,需要修改LAN口地址与WiFi模块同一个网段(192.168.*.1),先用电脑登录到网关管理界面修改LAN口地址。如图6所示。

  因为是SA组网,核心网把SIM卡的地址固定,所以5G网关插入SIM卡后需要选择SA模式,并配置APN,重新上电后获取到的地址是固定的IP地址。

  并在网络安全中的NAT下再添加DNAT转换规则。

  PC端只需要接入核心网,在SA的网络环境中,核心网地址池的地址都可以访问,因为AGV小车是通过SIM卡获取的固定地址映射到SA的网络中,所以小车的上位机软件是访问卡的地址(10.10.*.*),从而对小车进行下发指令。

  3.3AGV运营管理

  AGV小车运营管理系统收集车间每台AGV小车的运行状态数据、定位数据以及其他业务信息进行综合分析和系统管理,并按照生产作业计划通过5G网络向AGV发送作业指令,完成车间作业任务。该系统通过对AGV小车的远程控制、数据采集和上传,并基于5G和边缘侧数据采集、数据隔离等先进技术实现AGV小车的联网功能优化。

  AGV小车运营管理系统基于工厂边缘云部署,云化调度AGV多小车运营,小车之间能够互相协同,支撑生产现场物料运输有序调度,提高物料收货出入库、来料检测、收货上架、厂内搬运等环节的工作效率,实现离散制造物流自动化。

  4结束语

  用5G网络代替WiFi网络,为AGV的通信提供高速的网络支持,能够有效解决网络覆盖面窄、频点切换盲区、通讯信号卡顿等问题。5G时代的到来,对于制造业来说,加快了智能制造建设步伐,对AGV技术要求越来越高,推动AGV应用更加规模化、多样化、柔性化,人机协同工作,让AGV真正地数字化、网络化、智能化融合发展。——论文作者:肖宇亮

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