Phát triển thuật toán nâng cao độ chính xác chuyển động của hệ thống AGV
MỤC LỤC
TỔNG QUAN
Mô tả thuật toán tránh va chạm sử dụng phương pháp hàng chờ Ưu điểm của giải thuật này là lồng ghép giải quyết nhiệm vụ lên kế hoạch chuyển động (motion planning) vào trong nhiệm vụ phân bổ tác vụ cho từng AGV thông qua giải thuật GA, từ đó lược bớt được một giai đoạn. Đào sâu hơn, đối với các phương pháp phát hiện va chạm sử dụng thời gian di chuyển của AGV như [5] và [7], việc ước lượng thời gian di chuyển của AGV chỉ dựa trên “vận tốc tịnh tiến trung bình” và “thời gian xoay cố định” (ví dụ AGV di chuyển với vận tốc trung bình là 1 𝑚/𝑠2, thời gian xoay của AGV là 4 s không phân biệt góc quay).
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH HOÁ
- Lập kế hoạch đường dẫn và giải thuật tìm đường đi ngắn nhất
- Lập kế hoạch chuyển động
- Mô hình hoá không gian làm việc hệ Multi-AGV
- Mô hình toán AGV ứng dụng trong sa bàn Cross docking và điều khiển AGV bám theo đường dẫn đã hoạch định
Đối với một hệ thống AGV, cơ bản cú 5 nhiệm vụ cốt lừi bao gồm: phõn bổ nhiệm vụ (task allocation), định vị (localization), lập kế hoạch đường dẫn (path planning), lập kế hoạch chuyển động (motion planning) và quản lý phương tiện (vehicle management) [4]. Tiếp theo, nhận thấy rằng thuật toán “lập kế hoạch đường dẫn” đưa ra đường đi ngắn nhất nhưng chưa xem xét đến các vấn đề gặp phải như va chạm, tắc nghẽn,… trong quá trình AGV di chuyển. Lập kế hoạch đường dẫn có thể được định nghĩa là tạo ra một đường dẫn cho AGV di chuyển, kết nối điểm xuất phát với điểm mục tiêu, không va chạm với chướng ngại vật và có tính đến các đặc điểm hình học của chướng ngại vật.
Tuy nhiên, nhược điểm của thuật toán Dijkstra là chỉ cho phép tìm ra một đường đi cực tiểu duy nhất, đồng thời cũng sử dụng rất nhiều bộ nhớ vì không bỏ sót bất kỳ một điểm đến nào. Đồng thời, thuật toán này cũng dựa trên sự nhỏ nhất của thời gian di chuyển, hay nói cách khác là các đoạn đường có ít khúc cua nhất trong sa bàn dạng cross docking, thay vì chỉ tập trung vào quãng đường ngắn nhất. Các thông số của AGV bao gồm: 𝑂𝑥𝐼𝑦𝐼 là hệ trục toạ độ gắn với mặt đất, 𝑂𝑥𝑟𝑦𝑟 là hệ trục toạ độ gắn với AGV, 𝜃 diễn tả góc lệch giữa 2 hệ toạ độ này, A là tâm đường nối giữa 2 bánh xe truyền động, C là khối tâm AGV, R là bán kính mỗi bánh xe và L là khoảng cách giữa tâm 2 bên bánh xe.
Từ đó, ta xác định được 03 sai số giữa AGV và điểm tham chiếu trong quá trình chuyển động: e1, e2, e3 lần lượt là sai số vị trí theo trục x, y và góc di chuyển của AGV so với điểm tham chiếu, xét trong hệ trục tọa độ tương đối gắn với robot tại vị trí tracking C của Robot.
![Hỡnh 2.3. Cỏc nhiệm vụ cốt lừi trong hệ thống AGV [4].](https://media.store123doc.com/figures/003/967/honh-coc-nhiem-vu-cot-lui-he-thong-3967987.webp)
GIẢI THUẬT LẬP KẾ HOẠCH CHUYỂN ĐỘNG Cể TÍNH TOÁN ĐẾN THỜI GIAN GIA TỐC CỦA AGV VÀ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA KIỆN HÀNG
Sơ đồ hệ thống điều khiển
Đây là nội dung chính của luận văn, tập trung vào xây dựng một giải thuật lập kế hoạch chuyển động cho hệ Multi-AGV có xem xét đến thời gian gia tốc của AGV và độ ổn định của kiện hàng. Đồng thời giải quyết bài toán tránh va chạm thông qua phân loại, nhận diện các loại va chạm và đưa ra phương án xử lý cho từng loại va chạm đó. Định vị và giám sát hệ Multi-AGV thực hiện nhiệm vụ theo lịch trình và thực hiện đồng bộ thời gian cho hệ thống.
Khi có sự cố, đưa ra yêu cầu hoạch định lại đường đi hoặc gán nhiệm vụ cho AGV khác và thông báo cho người vận hành. Các AGV có mức năng lượng thấp cần được gán nhiệm vụ di chuyển đến khu vực sạc pin, hoặc nhận các thông báo lỗi của AGV để thông tin cho nhân viên vận hành xử lý.
Khối chức năng lên lịch trình chuyển động (Motion Planning)
Các đường dẫn của AGV được hoạch định thông qua giải thuật Dijkstra mở rộng đã được trình bày trong phần 2.3.3. Qua đó, tìm được đường một tập hơn đường đi ngắn nhất và ít ngã rẽ nhất cho mỗi AGV.
Giải thuật lập kế hoạch chuyển động cho AGV có xét đến thời gian gia tốc và khối lượng kệ hàng
Sau đó, để xâu chuỗi lại các thời gian di chuyển ∆𝑡𝑖𝑚𝑒 giữa 2 node liền kề này thành một lịch trình hoàn chỉnh, Thuật toán xâu chuỗi thời điểm AGV di chuyển đến các node được trình bày ở phần 3.3.2. Một cách tổng quát, quãng đường AGV sử dụng để tăng tốc (hoặc giảm tốc) 𝑑𝑎 xác định dựa vào gia tốc 𝑎 ∈ 𝑅 bất kỳ, vốn phụ thuộc vào mô hình toán của AGV và khối lượng kiện hàng. Theo giả thiết ban đầu, gia tốc tăng và giảm của AGV bằng nhau và bằng (a), mô hình toán của trường hợp này sẽ là một tam giác cân với đỉnh Q của tam giác – điểm gãy gia tốc nằm tại trung điểm đoạn đường (i) (hình 3.4).
- Giai đoạn giảm tốc: Vì đồ thị vận tốc - thời gian của AGV biểu diễn dưới dạng tam giác cân nên thời gian di chuyển giữa các node liền kề của AGV trong giai đoạn giảm tốc có tính đối xứng với giai đoạn tăng tốc qua đỉnh Q, tương ứng với di chuyển từ node (𝑛𝑖. Với những đoạn đường có 𝒅𝒑𝒂𝒕𝒉 > 𝟐𝒅𝒂, AGV sẽ tăng tốc đạt được vận tốc 𝑣𝑇𝐻 sau khi di chuyển được một đoạn 𝑑𝑎 và di chuyển đều với vận tốc này trên một quãng đường (𝑑𝑝𝑎𝑡ℎ− 2𝑑𝑎) trước khi giảm tốc.
MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
Môi trường mô phỏng và các thông số
Không gian được mã hoá theo dạng lưới, mỗi mắt lưới được gọi là một Workstation (hoặc node). Tuy nhiờn, cần phõn biệt rừ ràng rằng hàng chỉ được chứa trong khu vực màu xanh lá cây, biểu thị cho khu vực chứa hàng. Còn lại là đường đi của AGV, không được đặt kiện hàng trên các lối đi này.
Khi AGV chưa mang hàng, chúng được thể hiện màu vàng và có thể di chuyển trên bất kì node nào vì trên thực tế, nếu có kiện hàng thì chúng cũng sẽ chui qua được như hình 4.2. Tuy nhiên, một khi AGV đang mang kiện hàng, lập tức chúng sẽ chuyển thành màu đỏ và chỉ có thể di chuyển trên các node màu trắng – các Workstation không chứa kiện hàng.
So sánh sự chênh lệch thời gian giữa giải thuật lập kế hoạch chuyển động Zheng Zhang (Z.Z) [7] và thực tế chuyển động của AGV
Vì thời gian rẽ 90° của cả giải thuật Z.Z và cải tiến đều bằng nhau và bằng 4 s nên ở trường hợp này, thời gian quay sẽ không ảnh hưởng đến sự khác biệt giữa 02 giải thuật. Vì vậy kết luận rằng: độ dài tuyến đường không ảnh hưởng đến sự chênh lệch thời gian giữa giải thuật Z.Z và thực tế AGV di chuyển (giải thuật mới). • Nhận xét: Khối lượng kệ hàng có ảnh hưởng lớn đến gia tốc của AGV, vì vậy tác động không nhỏ đến việc lập kế hoạch chuyển động và tránh va chạm.
Đặc biệt đối với việc vận chuyển hàng nặng, gia tốc nhỏ, thời gian gia tốc lớn sẽ tạo ra thời gian chênh lệch rất lớn giữa giải thuật Z.Z [7] và thực tế AGV di chuyển – hay giải thuật mới. Điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính chính xác của thuật toán nhận diện và xử lý các loại va chạm (trình bày ở phần 3.4.1), vốn phụ thuộc chủ yếu vào thời điểm mà AGV di chuyển đến các Workstation.
Sự nâng cao độ chính xác trong phán đoán va chạm của giải thuật lập kế hoạch chuyển động cải tiến
Điều này xảy ra do trong quá trình rẽ, AGV vừa phải giảm tốc để dừng lại, vừa phải tăng tốc lên từ 0 m/s khi bắt đầu một đoạn đường mới. Vì vậy, số điểm rẽ càng lớn, sự sai lệch giữa thời gian hoạch định bởi giải thuật Z.Z và thực tế chuyển động của AGV càng nhiều. Xét hệ thống Multi-AGV đang hoạt động, trong đó có AGV2 đang mang hàng có khối lượng trung bình và đang trong quá trình di chuyển từ Workstation 86 đến Workstation 59 để hạ kệ hàng.
Sau AGV2 1.5 (s), AGV1 tại thời điểm này nhận nhiệm vụ mang tải có khối lượng nặng, di chuyển từ Workstation 38 về đặt tại Workstation 70. Khi này, hệ thống có nhiệm vụ lập kế hoạch chuyển động cho AGV1 (tương tự như mục 4.2.4 - Trường hợp 4: AGV di chuyển trên tuyến đường nhiều điểm rẽ).
So sánh về đáp ứng chuyển động của AGV trước và sau khi áp dụng thuật toán cải tiến
Một ràng buộc của thí nghiệm này là thời gian chuyển động của các AGV phải tuân thủ theo thời gian đã hoạch địch bởi 02 giải thuật lập kế hoạch chuyển động, nhờ vào bộ điều khiển bám quỹ đạo và tuân thủ thời gian hoạch định được trình bày dưới đây. Dựa vào các công thức về mô hình toán của AGV, mô hình toán giao động của kiện hàng (trình bày trong phần 2.6.1 & 2.7), một mô hình động lực học hệ AGV – kiện hàng đã được xây dựng trên phần mềm MATLAB, là đối tượng chính để áp dụng các bộ điều khiển (hình 4.15). Mô hình hoá AGV chuyển động bám đường dẫn trên Simulink Dựa vào phương trình (2.24) được trình bày trong phần 2.7, mô hình toán dao động của hệ AGV – kệ hàng được xây dựng.
Với đầu vào là gia tốc của AGV theo 02 trục Ox và Oy trong hệ toạ độ gắn với AGV, mô hình toán này trả về gia tốc của kiện hàng tương ứng theo 02 trục và đại diện cho dao động của kiện hàng đó. Như đã trình bày trong mục 2.6.2 Cơ sở lý thuyết, để điều khiển AGV tracking theo đường dẫn cần dựa vào 03 sai số giữa AGV và điểm tham chiếu trong quá trình chuyển động: 𝑒1, 𝑒2, 𝑒3.
So sánh về tính ổn định của kiện hàng trên AGV trước và sau khi áp dụng giải thuật cải tiến