【摘要】

    本文設(shè)計(jì)了AGV（AutomatedGuidedVehicle，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)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(shí)現(xiàn)的可行性和實(shí)現(xiàn)原理。通過設(shè)計(jì)精簡的交互流程、精簡的通訊協(xié)議、閉環(huán)交互機(jī)制等保證AGV與電梯交互的成功率。通過設(shè)計(jì)電梯平層精度控制算法保證AGV平穩(wěn)進(jìn)出轎廂；通過設(shè)計(jì)AGV被困檢測(cè)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(yùn)輸數(shù)以億計(jì)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(jìn)步，與電梯交互的對(duì)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(yùn)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(jī)之間的聯(lián)動(dòng)交互，由傳送帶負(fù)責(zé)將藥物箱運(yùn)輸?shù)诫娞菘冢呻娞葚?fù)責(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(jì)一種安全可靠的交互機(jī)制至關(guān)重要。

圖1某醫(yī)院送藥機(jī)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(jì)

    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(dòng)性特點(diǎn)，有線通訊方式不適合本應(yīng)用場(chǎng)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?？紤]到實(shí)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(gè)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(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)廳外AGV與電梯轎廂位置相差5個(gè)樓層以上時(shí)（樓間距3米左右），Wi-Fi等2.4G技術(shù)通訊延時(shí)和通訊質(zhì)量受到明顯影響。而基于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)建立的通訊，只要在運(yùn)營商基站范圍之內(nèi)，基本能實(shí)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(gè)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(kuò)頻技術(shù)，具有前向糾錯(cuò)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(yuǎn)程服務(wù)器負(fù)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(chǎng)干擾嚴(yán)重等情況下網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量嚴(yán)重下降問題，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需在服務(wù)器端做唯一識(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接。LoRa與4G方案能相互補(bǔ)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(qǐng)電梯->得到反饋->指令登記->得到反饋->電梯到達(dá)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(dá)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(qǐng)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(qǐng)，該交互流程中每個(gè)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(jì)轉(zhuǎn)義機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)義，避免解析錯(cuò)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(shí)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(jìn)入電梯轎廂且登記目的樓層指令后，在電梯運(yùn)行過程中或者電梯未到達(dá)AGV目的樓層之前，AGV已登記的轎廂指令可能會(huì)由于反向銷號(hào)邏輯、雙擊銷號(hào)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(cè)到指令丟失情況自動(dòng)補(bǔ)登指令，同時(shí)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(rèn)，即數(shù)據(jù)收發(fā)為閉環(huán)，防止雙方實(shí)時(shí)狀態(tài)的不一致，導(dǎo)致邏輯控制的異常，如AGV到達(dá)目的樓層提醒功能，當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置判斷AGV到達(dá)目的樓層后，需自動(dòng)下發(fā)通知命令至AGV，在AGV回復(fù)確認(rèn)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(rèn)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(shí)重發(fā)時(shí)間默認(rèn)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(gè)數(shù)據(jù)包，超時(shí)計(jì)數(shù)器執(zhí)行累加，接收到返回?cái)?shù)據(jù)則超時(shí)計(jì)數(shù)器清零，當(dāng)超時(shí)計(jì)數(shù)器累加值達(dá)到T1，則自動(dòng)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(shí)重發(fā)時(shí)間為C*T1，實(shí)現(xiàn)發(fā)送頻率的自動(dòng)調(diào)整，減輕數(shù)據(jù)堵塞。

（2）環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)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(yùn)行狀態(tài)、獲取已登記信號(hào)狀態(tài)及獲取對(duì)電梯的控制權(quán)等。實(shí)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(diǎn)，AGV與電梯之間的通信數(shù)據(jù)包容易出現(xiàn)丟包、錯(cuò)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(huì)進(jìn)一步嚴(yán)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(duì)列，將收到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在接收隊(duì)列中，防止因斷包導(dǎo)致校驗(yàn)失敗而丟棄，防止因堵塞造成數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)時(shí)處理不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等問題，實(shí)際接收處理時(shí)，通過在接收隊(duì)列中提取合法數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理；在發(fā)送時(shí)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一放置發(fā)送隊(duì)列，由發(fā)送單元周期性從發(fā)送隊(duì)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(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)

3.1平層精度控制技術(shù)

    電梯平層精度影響AGV進(jìn)出轎廂平穩(wěn)性，平層誤差嚴(yán)重的容易將AGV絆倒，然而實(shí)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(jì)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(jìn)出電梯時(shí)被絆倒。通過設(shè)計(jì)位置校準(zhǔn)算法、末端爬行算法，保證電梯能?？康狡綄游恢茫蟠蠼档虯GV進(jìn)出轎廂時(shí)傾斜或被絆倒的風(fēng)險(xiǎn)。算法實(shí)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(yùn)行中經(jīng)過中間樓層時(shí)，出中間樓層平層插板時(shí)，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(shí)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(shí)導(dǎo)致的誤差距離；

（2）電梯高速運(yùn)行進(jìn)目的樓層插板時(shí)，計(jì)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(shí)，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(shí)導(dǎo)致的位置偏差距離;

（3）電梯進(jìn)目的樓層插板時(shí)，當(dāng)當(dāng)前速度小于計(jì)算值時(shí)，轉(zhuǎn)為爬行模式，在此階段，電梯以指定速度V2運(yùn)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(shí)當(dāng)DIS動(dòng)作或下行時(shí)UIS動(dòng)作時(shí)退出爬行模式；

（5）爬行模式結(jié)束后進(jìn)入零速模式，檢測(cè)到編碼器反饋零速時(shí)，延時(shí)設(shè)定時(shí)間T切斷控制器運(yùn)行信號(hào)。

（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(shí)位置校準(zhǔn)算法會(huì)控制電梯不停車，但改變運(yùn)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(cè)和通知技術(shù)

    AGV乘梯時(shí)，若電梯出現(xiàn)無法自恢復(fù)故障或電梯在非門區(qū)檢測(cè)到限制電梯運(yùn)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(xiǎn)，因此需要準(zhǔn)確檢測(cè)AGV被困事件，并將被困事件通知相關(guān)人員以實(shí)施營救。通過協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置采集電梯中信號(hào)、電梯故障信號(hào)、電梯門鎖信號(hào)、電梯故障信號(hào)、電梯門區(qū)信號(hào)、電梯運(yùn)行信號(hào)等有限電梯狀態(tài)信號(hào)組合AGV被困邏輯，輸出AGV是否被困信號(hào)；借助數(shù)據(jù)傳輸通道，將AGV被困信號(hào)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(hào)有效且電梯故障信號(hào)有效且電梯門鎖信號(hào)有效，持續(xù)時(shí)間超過電梯非門區(qū)停梯持續(xù)時(shí)間（一般取5秒）時(shí)，AGV被困信號(hào)置位；

電梯處于非開鎖區(qū)

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

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

AGV被困通知模塊邏輯：

（1）若AGV被困信號(hào)通知與AGV被困信號(hào)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(jì)數(shù)器t清零；

（2）若AGV困人通知有效且AGV被困通知計(jì)數(shù)器t等于0，則執(zhí)行AGV被困通知事件，若AGV被困信號(hào)有效，則通知AGV被困事件，若AGV被困信號(hào)無效，則通知AGV被困解除事件，同時(shí)AGV被困通知計(jì)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(hào)通知確認(rèn)之前，AGV被困通知計(jì)數(shù)器t計(jì)數(shù)器自減，當(dāng)符合（2）條件時(shí)，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(rèn)信號(hào)后，AGV被困通知信號(hào)置為無效，表示AGV被困通知信號(hào)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(chǎng)景將會(huì)越來越多，大到商場(chǎng)，小到住宅，凡是有電梯的場(chǎng)合就可能有AGV的應(yīng)用。如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的交互機(jī)制至關(guān)重要。本文結(jié)合實(shí)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(jì)閉環(huán)的交互機(jī)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(xiǎn)，通過設(shè)計(jì)平層精度控制算法、被困檢測(cè)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，效果良好，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。