Automated Guided Vehicles: sistemi di trasporto autonomi, Università di Udine

Automated Guided Vehicles

Antonella Meneghetti
Università degli Studi di UdineAutomated Guided Vehicles
An AGV is a driverless transport system used for
horizontal movement of materials

01
MAX AGV
EX10
Forklift AGV
Heavy-load AGV
D
45
114
LINE #
375
Piggyback AGV
Towing AGV
38 3
Underride AGV

Differenze funzionali: AGV - carrelli tradizionali

• AGV si orientano nell'ambiente circostante senza controllo
  diretto dell'operatore;
• AGV devono garantire la sicurezza, ovvero proteggere il
  personale, il carico trasportato e strutture/impianti;
• AGV si organizzano per portare a termine il proprio compito in
  modo ottimale;
• AGV devono integrarsi nell'ambiente circostante.

Vantaggi nell'adottare un AGVS

• Migliore organizzazione dei flussi fisici e informativi e
  consapevolezza dei processi intralogistici aziendali;
• Movimentazioni pianificate con precisione in qualsiasi
  momento;
• Riduzione dei tempi di attesa in produzione e di buffer di
  sicurezza materiali;
• Minori costi di personale, soprattutto per sistemi
  produttivi su più turni giornalieri;
• Riduzione danni durante la movimentazione e mancate
  consegne;
• Miglioramento delle condizioni di lavoro e della sicurezza
  nello stabilimento.

5 core tasks for AGV

AGV control tasks

Task
Allocation
Optimally
assign a set of
tasks to a set
of AGVs

Localization
Obtaining the
exact location
in a map

Path Planning Motion Planning
Generation of
an obstacle
free path from
point A to B

Real-time
modification of a
planned path
according to
dynamic
obstacles

Vehicle
Management
Management of
the vehicles
battery, error,
and
maintanance
statusses

Tasks

Task allocation
Task
Path Planning
Static path
Localization
Vehicle
Management
Motion Planning
Velocity commands
Goal reached

Task allocation in multi-robot systems

Task allocation (Gerkey and Mataric 2004)

Tripla (X, Y, Z)

• Single robot tasks (SR): necessitano di 1 solo robot per essere
  completati;
• Multiple robot tasks (MR): necessitano di più robot per essere
  completati;
• Single task robots (ST): il robot può eseguire un solo compito
  per volta;
• Multi-task robots (MT): il robot può eseguire più compiti
  simultaneamente;
• Istantaneous Assignment (IA): i task sono tra loro
  indipendenti, non si considerano possibili allocazioni future;
• Time-extended assignment (TA): i task sono dipendenti l'uno
  dall'altro, si considerano pianificazioni future.

Dispatching

• workcentre initiated dispatching: un carico è
  disponibile per il trasporto e deve essere assegnato
  ad uno degli AGV liberi;
• vehicle initiated dispatching: un AGV diventa idle e si
  deve scegliere quale carico assegnargli tra le richieste
  da evadere;

Workcentre initiated dispatching

• random vehicle rule: la movimentazione viene assegnata ad
  un qualsiasi AGV disponibile;
• nearest vehicle rule: il carico viene assegnato all'AGV più
  vicino (at the shortest distance);
• farthest vehicle rule: il carico viene assegnato all'AGV più
  lontano (at the greatest distance);
• longest idle vehicle rule: il carico viene assegnato all'AGV da
  più tempo inattivo;
• least utilised vehicle rule: il carico viene assegnato all'AGV
  con utilizzo medio più basso.

Vehicle initiated dispatching

• random workcenter rule: l'AGV viene assegnato casualmente
  ad uno dei centri di lavoro con una richiesta di
  movimentazione attiva;
• shortest travel times/distance rule: l'AGV viene assegnato al
  centro di lavoro più vicino, così da minimizzare il viaggio a
  vuoto
• maximum outgoing queue size rule: l'AGV viene assegnato al
  centro con il più elevato numero di richieste in attesa;
• modified first-come-first-served rule: gli AGV sono assegnati
  ai centri in ordine cronologico di inserimento della richiesta di
  movimentazione. Ogni centro può avere una sola richiesta
  inclusa nella lista.

Localization

Localization algorithms

• Physical path localization
• Virtual path
  localization
• Inductive localization
• Magnetic spot
  localization
• Optical localization
• Laser localization
• Magnetic tape localization
• GPS localization
• Natural or contour localization
• Vision guided localization

Physical path localization

I percorso sono tracciati a
pavimento. L' AGV non
conosce la propria
posizione nella mappa, ma
semplicemente segue la
traccia (circuito 1D)

Virtual path localization

I percorsi sono virtuali e
modificabili. L' AGV deve
conoscere la propria
posizione nella mappa 2D,
così da calcolare le
deviazioni dal percorso
memorizzato

Physical path localisation

Guida induttiva

Un filo interrato percorso da corrente produce un campo magnetico
rilevabile da apposite antenne o bobine collocate sul carrello.

MICROPROCESSORE
MOTORE DI STERZATURA
0
CAMPO
MAGNETICO
--
H =
i
2πr
MOTORE DI
TRAZIONE
SENSORE MAGNETICO
(BOBINE / ANTENNE)
CAVO
CONDUTTORE
RESINA SINTETICA
GOMMA SPUMOSA
O SIMILI
PIANO
PAVIMENTO
15 :25 mm
CAVO CONDUTTORE ISOLATO
(1,5 mm2)
CAVO CONDUTTORE
G
circuito chiuso cavo + gen. di frequenza
i = 100:400 mA
V ≤ 50 V
f=1 :100 kHz
11

Guida induttiva: funzionamento

• Un campo elettromagnetico che
  attraversi una bobina induce una
  differenza di potenziale alle
  estremità proporzionale all'intensità
  del campo stesso;
• l'antenna guida di un AGV contiene
  2 bobine posizionate su ciascun lato
  del filo guida interrato;
• una differenza nella tensione indotta
  nelle due bobine genera un segnale
  al motore di sterzatura del carrello.
  Se il carrello è correttamente
  centrato sul filo guida la tensione
  indotta sarà la medesima nelle 2
  bobine e il segnale di sterzatura sarà
  nullo.

GIC
ANTENNA
Ca 40 mm
Co 20 mm
magnetic Field
12

Guida induttiva: tipologie

Monofrequenza:

• un unico cavo individua tutti i possibili
  percorsi, alimentando la corrente solo
  lungo il tragitto che il veicolo deve
  seguire (a);
• in alternativa, l'intensità di corrente
  viene fatta variare a parità di frequenza
  nei tratti in cui è suddiviso il circuito,
  in modo che l'AGV segua quello di
  intensità assegnata (b).

Multifrequenza:

• ad ogni percorso viene associato un
  filo induttivo a diversa frequenza (c),
  per la quale sarà programmato l'AGV

f/0
0/f
a
f
i,(f)
i2(f)
b
i1/i2(f)
f2
c
f2
f1
1
13

Guida magnetica

AGV nety
Magnetic
Tape
Navigation

• La guida è costituita da
  un nastro magnetico
  posto a pavimento;
• Il nastro non è invasivo
  (spessore 1 mm e
  larghezza 5 cm), è di
  facile installazione e
  modifica;
• Il sensore a bordo rileva il
  campo magnetico
  generato dal nastro e
  guida l'AGV lungo il
  percorso;
• Non risente di
  sporcizia e
  polvere;
• Il nastro può tuttavia
  rovinarsi se calpestato e
  richiedere rivestimenti
  protettivi che ne
  aumentano il costo.

Guida ottica

• Un nastro colorato è incollato o dipinto a pavimento e
  rilevato da un sensore ottico a bordo;
• Viene richiesto elevato contrasto con il pavimento:
  • Colore chiaro su sfondo scuro;
  • Colore scuro su fondo chiaro.
• Rispetto alla guida induttiva è di più comoda installazione
  poiché il dispositivo a terra è applicato superficialmente;
• Impone tuttavia condizioni più restrittive sullo stato di
  sporcizia, rugosità e irregolarità della superficie.
  15

Progettazione percorso guida fissa

Definizione dei
fabbisogni
Progettazione di un
layout iniziale per il
percorso di guida
Stima del nº di veicoli
richiesti
Rivedere il layout
Vehicle routing

Step I - Definizione dei fabbisogni

• Caratteristiche dei carrelli scelti:
  • Velocità;
  • Tempi di carico/scarico;
• Layout dell'area operativa:
  • Disposizione dei corridoi;
  • Localizzazione delle stazioni di carico/scarico (P/D);
• Flussi di materiali:
  • Matrice FROM-TO dei flussi tra ogni coppia di stazioni P/D;

Warehouse Layout

C22
C76
Bulk Storage
Rack Storage 2
Rack Storage 3
P21
P44
Rack Storage 1
D24
Prepack 1
P25
Overpack
D17
D28
P56
D28
Prepack 2
P29
Wrap Area
D61
PD1
Receiving dock
Allocation
D52
D28

Step II - Progettazione layout iniziale del percorso di guida

• Definizione della posizione, lunghezza e direzione dei
  segmenti del percorso di guida ovvero della guidepath
  network;
• Proprietà:
  • La guidepath network deve permettere ad ogni veicolo di
    raggiungere una qualsiasi stazione e ritornare
    (reachability property);
  • Ogni intersezione di segmenti genera un incrocio
    (planarity property).
  • Segmenti unidirezionali, bidirezionali limitati a tratti brevi e
    a bassa intensità di movimento

Stima dei viaggi a vuoto: il factoring

Flusso a carico
entrante nella
stazione k
Flusso a carico
uscente dalla
stazione m
Efik . _ fm,j
gk,m
=
j
F
j
Flusso carrelli a
vuoto tra la
stazione k e la
stazione m
Flusso a carico
totale

Matrice From-To

FROM/
TO
D20
D17
D24
D28
C22
D48
C76
D52
D61
TOT
PD1
30
40
35
45
40
30
25
40
15
300
P25
35
15
50
P29
40
35
15
90
C22
30
15
15
60
P21
15
15
30
P44
20
20
30
30
100
P56
15
20
50
85
C76
20
15
35
TOT
50
40
35
45
75
100
95
170
140
750
21

Factoring

(30+20)*300/750
(40+20+15)*(30+15+15)/750
FROM/
TO
PD1
P25
P29
C22
P21
P44
P56
C76
TOT
D20
20.0
3.3
6.0
4.0
2.0
6.7
5.7
2.3
50.0
D17
16.0
2.7
4.8
3.2
1.6
5.3
4.6
1.9
40.0
D24
14.0
2.3
4.2
2.8
1.4
4.7
4.0
1.7
35.0
D28
18.0
3.0
5.4
3.6
1.8
6.0
5.1
2.1
45.0
C22
30.0
5.0
9.0
6.0
3.0
10.0
8.5
3.5
75.0
D48
40.0
6.7
12.0
8.0
4.0
13.3
11.3
4.7
100.0
C76
38.0
6.3
11.4
7.6
3.8
12.7
10.8
4.4
95.0
D52
68.0
11.3
20.4
13.6
6.8
22.7
19.3
8.0
170.0
D61
56.0
9.3
16.8
11.2
5.6
18.7
15.9
6.6
140.0
TOT
300.0
50.0
90.0
60.0
30.0
100.0
85.0
35.0
750.0
Ef f.K . Efm,j
j
j
gk,m
=
F
22

Segment method

1. Posizionare un segmento del percorso guida in ogni corridoio senza
   direzione. Sostituire ogni segmento con 2 segmenti nelle 2
   direzioni;
2. Calcolare il percorso più breve per ogni coppia P/D nella matrice
   from-to e caricare i relativi flussi sulla rete, calcolando per ogni
   segmento il traffico accumulato. Marcare il segmento con il valore
   maggiore e cancellare il segmento in direzione opposta (a meno di
   segmenti bidirezionali);
3. Ricalcolare gli shortest path e ricaricare i flussi sulla rete. Marcare
   il segmento a più elevata intensità di traffico, cancellare il
   segmento nel verso opposto e ripetere lo step fino a che tutti i
   segmenti siano stati marcati o tutti i segmenti non selezionati
   abbiano traffico nullo.
4. Cancellare tutti i segmenti a traffico 0.

Warehouse Layout D28

C22
C76
Bulk Storage
D28
Rack Storage 2
Rack Storage 3
P21
P44
Rack Storage 1
D24
Prepack 1
P25
Overpack
D28
P56
D28
Prepack 2
P29
Wrap Area
D61
Receiving dock
PD1
Allocation
D52
D17