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【摘要】

    本文設(shè)計了AGV（AutomatedGuidedVehicle，自動導(dǎo)引運輸車）與電梯數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，分別研究了基于LoRa網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)的AGV與電梯交互系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性和實現(xiàn)原理。通過設(shè)計精簡的交互流程、精簡的通訊協(xié)議、閉環(huán)交互機制等保證AGV與電梯交互的成功率。通過設(shè)計電梯平層精度控制算法保證AGV平穩(wěn)進出轎廂；通過設(shè)計AGV被困檢測邏輯和被困通知邏輯，保證AGV乘梯的安全性。

關(guān)鍵詞：AGV電梯交互系統(tǒng)

1.引言

    電梯作為使用最頻繁的垂直交通工具，每天運輸數(shù)以億計的乘客，已成為城市垂直交通不可或缺的重要組成部分。隨著電梯智能化的發(fā)展、隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步，與電梯交互的對象已不僅僅局限在人，還包括各式各樣的AGV，電梯除了輸送乘客之外，運送藥物、食品、文件等也逐漸開始普及，如圖1所示為電梯與某醫(yī)院送藥機之間的聯(lián)動交互，由傳送帶負責(zé)將藥物箱運輸?shù)诫娞菘冢呻娞葚撠?zé)將藥物箱送至目的樓層。圖2為服務(wù)AGV乘坐電梯為辦公大樓遞送文件。由于電梯屬于特種設(shè)備，與電梯交互的設(shè)備需符合特種設(shè)備安全法的相關(guān)要求，其交互系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及可靠性需符合電梯安全使用的要求。因此設(shè)計一種安全可靠的交互機制至關(guān)重要。

圖1某醫(yī)院送藥機與電梯交互圖2辦公樓服務(wù)AGV與電梯交互

2.系統(tǒng)設(shè)計

    AGV與電梯交互系統(tǒng)需首先建立AGV與電梯之間的數(shù)據(jù)通訊鏈路，由于AGV的移動性特點，有線通訊方式不適合本應(yīng)用場景。AGV與電梯之間的無線通訊可采用局域網(wǎng)無線通訊，如LoRa、ZigBee、Wi-Fi等，也可采用廣域無線通訊，如2G、4G、NB-IOT及LoRaWAN等。考慮到實際應(yīng)用工況，AGV與電梯之間的數(shù)據(jù)通訊需穿透轎廂廳門的金屬層，需具有較好的繞射能力確保能順利通過廳外和井道內(nèi)之間的各個障礙，且通訊距離需滿足高樓層電梯數(shù)據(jù)傳輸需求，ZigBee和Wi-Fi等2.4G或更高頻段的無線技術(shù)由于繞射能力一般，實際測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)廳外AGV與電梯轎廂位置相差5個樓層以上時（樓間距3米左右），Wi-Fi等2.4G技術(shù)通訊延時和通訊質(zhì)量受到明顯影響。而基于運營商網(wǎng)絡(luò)建立的通訊，只要在運營商基站范圍之內(nèi)，基本能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的可靠性。本文選擇基于LoRa網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示）和基于4G網(wǎng)絡(luò)（如圖4所示）建立AGV與電梯之間的通訊鏈路。

2.1硬件組成

圖3基于LoRa方案的AGV與電梯交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4基于4G網(wǎng)絡(luò)的AGV與電梯交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

    通過在AGV端和電梯數(shù)據(jù)傳輸單元端各加一個LoRa通訊模塊，建立AGV與電梯之間的通訊鏈路，如圖3所示。LoRa技術(shù)遵循IEEE802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)，ISM頻段為433MHz，傳輸速率為幾十到幾百Kbps，該技術(shù)采用擴頻技術(shù)，具有前向糾錯能力，采用AES128位加密，安全性較高。由于AGV與電梯之間的交互數(shù)據(jù)量為每秒不到50字節(jié)，因此LoRa能滿足速率要求。基于4G網(wǎng)絡(luò)的交互系統(tǒng)，如圖4所示，AGV與電梯數(shù)據(jù)傳輸單元之間通過服務(wù)器建立通訊，由遠程服務(wù)器負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，此方案主要解決LoRa網(wǎng)絡(luò)在高樓層電梯、井道環(huán)境惡劣、現(xiàn)場干擾嚴重等情況下網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量嚴重下降問題，實際應(yīng)用時需在服務(wù)器端做唯一識別碼的綁定，AGV與電梯數(shù)據(jù)傳輸單元通訊數(shù)據(jù)包內(nèi)容中帶唯一識別碼，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)包后提取原地址，根據(jù)綁定關(guān)系確定目標(biāo)地址，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地址對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接。LoRa與4G方案能相互補充，滿足不同工況下AGV與電梯之間數(shù)據(jù)交互的需求。

    本系統(tǒng)通過精簡通訊協(xié)議、精簡交互流程等方法，盡量較少無效數(shù)據(jù)包，從而降低LoRa網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)的通訊數(shù)據(jù)量。精簡之后的AGV使用電梯的流程為：AGV申請電梯->得到反饋->指令登記->得到反饋->電梯到達消息->開門保持->開門保持釋放->AGV登記指令->得到反饋->電梯到達消息->開門保持->開門保持釋放->釋放電梯->電梯釋放成功。在申請電梯后，如果得到反饋，不管電梯狀態(tài)是否可用，則必須釋放電梯才可以結(jié)束申請，該交互流程中每個環(huán)節(jié)都是不可或缺且環(huán)環(huán)相扣；通訊協(xié)議數(shù)據(jù)段中，通過設(shè)計轉(zhuǎn)義機制，將數(shù)據(jù)段內(nèi)容中與數(shù)據(jù)幀頭尾相同的字符進行轉(zhuǎn)義，避免解析錯誤，與ASCII碼編碼方式相比，數(shù)據(jù)量最多能降低一半。

2.2軟件實現(xiàn)

（1）AGV與電梯數(shù)據(jù)交互軟件邏輯

①AGV已登記指令異常丟失處理

    AGV進入電梯轎廂且登記目的樓層指令后，在電梯運行過程中或者電梯未到達AGV目的樓層之前，AGV已登記的轎廂指令可能會由于反向銷號邏輯、雙擊銷號邏輯等原因被消除。本系統(tǒng)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置軟件上需增加AGV登記指令異常丟失判斷，并在檢測到指令丟失情況自動補登指令，同時定期更新電梯狀態(tài)（包括是否已經(jīng)成功登記狀態(tài)）下發(fā)至AGV。

②閉環(huán)數(shù)據(jù)交互

    AGV與電梯交互的任何命令都需確認，即數(shù)據(jù)收發(fā)為閉環(huán)，防止雙方實時狀態(tài)的不一致，導(dǎo)致邏輯控制的異常，如AGV到達目的樓層提醒功能，當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置判斷AGV到達目的樓層后，需自動下發(fā)通知命令至AGV，在AGV回復(fù)確認信息之前，協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置以設(shè)定的頻率通知AGV，直至AGV回復(fù)收到確認后停止。

③發(fā)送頻率自適應(yīng)

    AGV或協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置超時重發(fā)時間默認值記為T1，重發(fā)次數(shù)記為C，重發(fā)次數(shù)閥值記為S；當(dāng)AGV或協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置每發(fā)一個數(shù)據(jù)包，超時計數(shù)器執(zhí)行累加，接收到返回數(shù)據(jù)則超時計數(shù)器清零，當(dāng)超時計數(shù)器累加值達到T1，則自動重發(fā)；若重發(fā)階段，仍滿足第一條的條件，則C加1，若不滿足第一條的條件，則C清零；若C>=S，則判斷為堵塞發(fā)生，需調(diào)整超時重發(fā)時間為C*T1，實現(xiàn)發(fā)送頻率的自動調(diào)整，減輕數(shù)據(jù)堵塞。

（2）環(huán)形緩沖區(qū)實現(xiàn)

    AGV與電梯交互系統(tǒng)中，AGV和協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置需獲取電梯的運行狀態(tài)、獲取已登記信號狀態(tài)及獲取對電梯的控制權(quán)等。實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，由于LoRa或4G等無線傳輸存在自身容易受干擾的特點，AGV與電梯之間的通信數(shù)據(jù)包容易出現(xiàn)丟包、錯包、數(shù)據(jù)不均勻等情況，特別是出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞情況，若仍一直按堵塞之前的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率發(fā)送的話，只會進一步嚴重加劇數(shù)據(jù)異常的發(fā)生。

    軟件上通過在收發(fā)兩端建立數(shù)據(jù)隊列，將收到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在接收隊列中，防止因斷包導(dǎo)致校驗失敗而丟棄，防止因堵塞造成數(shù)據(jù)同時到達時處理不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等問題，實際接收處理時，通過在接收隊列中提取合法數(shù)據(jù)包進行處理；在發(fā)送時，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一放置發(fā)送隊列，由發(fā)送單元周期性從發(fā)送隊列中提取合法數(shù)據(jù)包執(zhí)行發(fā)送，協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置軟件處理環(huán)形緩沖區(qū)流程圖如圖5所示，另外，通過上一節(jié)提到的自動調(diào)整發(fā)送單元合法數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率，能避免堵塞時環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)內(nèi)容過快填滿問題。

圖5AGV與電梯數(shù)據(jù)交互環(huán)形緩沖區(qū)軟件處理流程圖

關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1平層精度控制技術(shù)

    電梯平層精度影響AGV進出轎廂平穩(wěn)性，平層誤差嚴重的容易將AGV絆倒，然而實際情況下，打滑或編碼器干擾導(dǎo)致電梯停靠位置不準(zhǔn)確經(jīng)常能發(fā)生，本系統(tǒng)設(shè)計一種準(zhǔn)確停靠方式，解決電梯平層精度不準(zhǔn)問題，防止AGV進出電梯時被絆倒。通過設(shè)計位置校準(zhǔn)算法、末端爬行算法，保證電梯能停靠到平層位置，大大降低AGV進出轎廂時傾斜或被絆倒的風(fēng)險。算法實現(xiàn)過程如下（以電梯高速上行為例，高速下行位置修正原理算法類似）：

（1）電梯高速運行中經(jīng)過中間樓層時，出中間樓層平層插板時，首先判斷當(dāng)前編碼器位置數(shù)據(jù)與井道自學(xué)習(xí)時學(xué)到的位置差，若在設(shè)定的范圍之內(nèi)，則將當(dāng)前位置校準(zhǔn)成當(dāng)前樓層井道自學(xué)習(xí)位置加上平層開關(guān)距離與平層插板距離之和的一半，再加上平層開關(guān)延時導(dǎo)致的誤差距離；

（2）電梯高速運行進目的樓層插板時，計算當(dāng)前位置偏差，若當(dāng)前位置與電梯井道自學(xué)習(xí)學(xué)到的位置偏差在設(shè)定的范圍之內(nèi)時，則將當(dāng)前位置校準(zhǔn)成當(dāng)前樓層井道自學(xué)習(xí)位置減去當(dāng)前樓層插板距離加平層開關(guān)距離之和的一半，再加上平層開關(guān)延時導(dǎo)致的位置偏差距離;

（3）電梯進目的樓層插板時，當(dāng)當(dāng)前速度小于計算值時，轉(zhuǎn)為爬行模式，在此階段，電梯以指定速度V2運行；

（4）在爬行模式過程中，記UIS為上平層開關(guān)，DIS為下平層開關(guān)，上行時當(dāng)DIS動作或下行時UIS動作時退出爬行模式；

（5）爬行模式結(jié)束后進入零速模式，檢測到編碼器反饋零速時，延時設(shè)定時間T切斷控制器運行信號。

（6）當(dāng)由于異常原因，如鋼絲繩在電梯爬行階段出現(xiàn)伸長，電梯沖出目的樓層，此時位置校準(zhǔn)算法會控制電梯不停車，但改變運行方向，通過倒拉方式將電梯拉回開鎖區(qū)。

3.2AGV被困轎廂檢測和通知技術(shù)

    AGV乘梯時，若電梯出現(xiàn)無法自恢復(fù)故障或電梯在非門區(qū)檢測到限制電梯運行的條件，電梯異常停梯導(dǎo)致AGV被困在電梯中，容易產(chǎn)生二次事故或產(chǎn)生其他不可控風(fēng)險，因此需要準(zhǔn)確檢測AGV被困事件，并將被困事件通知相關(guān)人員以實施營救。通過協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置采集電梯中信號、電梯故障信號、電梯門鎖信號、電梯故障信號、電梯門區(qū)信號、電梯運行信號等有限電梯狀態(tài)信號組合AGV被困邏輯，輸出AGV是否被困信號；借助數(shù)據(jù)傳輸通道，將AGV被困信號穩(wěn)定可靠地通知到相關(guān)人員。協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置判斷AGV被困邏輯功能如圖6所示。

圖6協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置判斷AGV被困邏輯功能模塊組成示意圖

AGV被困判斷模塊具體邏輯如下：

電梯處于開鎖區(qū)

    當(dāng)符合：AGV在電梯中信號有效且電梯故障信號有效且電梯門鎖信號有效，持續(xù)時間超過電梯非門區(qū)停梯持續(xù)時間（一般取5秒）時，AGV被困信號置位；

電梯處于非開鎖區(qū)

    當(dāng)符合：AGV在電梯中信號有效且電梯門區(qū)信號無效且電梯運行信號無效，持續(xù)時間大于等于電梯非門區(qū)停梯持續(xù)時間，則AGV被困信號置位；或者AGV在電梯中信號有效且電梯門區(qū)信號無效且電梯故障信號有效，AGV被困信號置位；

（3）AGV被困信號置位持續(xù)時間大于等于AGV被困事件濾波時間（一般取10秒），則確定為AGV被困事件，AGV困人通知信號置位。

AGV被困通知模塊邏輯：

（1）若AGV被困信號通知與AGV被困信號通知前一周期狀態(tài)不一致，則執(zhí)行AGV困人通知，AGV被困通知計數(shù)器t清零；

（2）若AGV困人通知有效且AGV被困通知計數(shù)器t等于0，則執(zhí)行AGV被困通知事件，若AGV被困信號有效，則通知AGV被困事件，若AGV被困信號無效，則通知AGV被困解除事件，同時AGV被困通知計數(shù)器t被置位為AGV被困事件通知周期T；

（3）在未收到服務(wù)器被困信號通知確認之前，AGV被困通知計數(shù)器t計數(shù)器自減，當(dāng)符合（2）條件時，繼續(xù)執(zhí)行通知AGV被困與否事件，當(dāng)AGV收到服務(wù)器被困通知確認信號后，AGV被困通知信號置為無效，表示AGV被困通知信號已經(jīng)成功通知到相關(guān)人員，則結(jié)束本次AGV被困通知事件。

4.結(jié)束語

    AGV與電梯的交互應(yīng)用場景將會越來越多，大到商場，小到住宅，凡是有電梯的場合就可能有AGV的應(yīng)用。如何設(shè)計穩(wěn)定可靠的交互機制至關(guān)重要。本文結(jié)合實際工程案例，提出基于LoRa網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)的交互系統(tǒng)，通過設(shè)計閉環(huán)的交互機制確保交互的成功率。本文充分考慮到AGV乘梯過程中可能存在的絆倒、被困等風(fēng)險，通過設(shè)計平層精度控制算法、被困檢測算法及被困通知算法，最大程度上保證AGV與電梯交互的安全性和可靠性。該系統(tǒng)已經(jīng)在多個現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好，具有一定的推廣應(yīng)用價值。