Управление автоматической транспортной тележкой

Задачу управления автоматической транспортной системой можно разбить на следующие составляющие:

· планирование и программирование маршрута в зависимости от полученного задания;

· путевое управление на маршруте (выдерживание направления движения и движение в местах пересечения или разветвления маршрута);

· управление позиционированием относительно обслуживаемого объекта;

· обмен информацией;

· управление загрузкой-разгрузкой;

· обеспечение безопасности движения (предотвращение наездов и столкновений);

· обеспечение информацией о положении робокара на трассе.

Планирование и программирование маршрута. Планирование маршрута является стратегическим уровнем управления и осуществляется ЭВМ на уровне управления АСУ ГПС. На этом уровне определяется загрузка робокаров, планируются и оптимизируются их маршруты.

В общем случае расчёт потребного количества робокаров может быть выполнен по формуле

,

где t_i – цикл выполнения транспортной операции для i-ой связи из всех транспортных связей ГПС, с; h_i – частота возникновения i-ой связи в час пик; – коэффициент готовности робокаров.

При планировании потребного количества робокаров целесообразно решать задачу оптимизации маршрутов, для сокращения общего потребного времени работы робокара. При планировании конкретного маршрута, в зависимости от решаемой транспортной задачи, выбирается конкретный маршрут из всех возможных для робокара маршрутов, отвечающих поставленной задаче транспортирования.

Запланированный маршрут должен быть запрограммирован для системы управления робокаром. Для программирования необходимо ввести код маршрута и при необходимости дополнительные данные.

В зависимости от уровня автоматизации ГПС находят применение три основных способа программирования маршрута, которые схематично показаны на рис. 160.

В первом случае ввод кода маршрута осуществляет оператор, который, установив груз на робокар, задаёт адрес доставки на пульте управления последнего с помощью переключателей или кнопок и нажимает кнопку "пуск". Заданный маршрут отрабатывается системой управления транспортной тележки.

Во втором случае транспортная тележка обслуживает рабочие позиции по вызову их операторов. Для вызова во всех обслуживаемых пунктах установлены кнопки вызова. Имеется устройство памяти, позволяющее запоминать факт вызова, определять приоритет вызова и ставить его в очередь на обслуживание. После освобождения транспортного средства код маршрута для очередного адреса вызова передаётся системе управления СУ транспортной тележки через блок передачи вызовов, которые устанавливаются на станциях обслуживания.

Наиболее автоматизированной является система управления от ЭВМ, которая в процессе решения задачи диспетчирования технологического процесса в ГПС выявляет очередную транспортную задачу, планирует транспортный маршрут и передает необходимую информацию о маршруте системе управления робокара.

Для отслеживания движения транспортных тележек на маршруте устанавливаются датчики, соединенные с блоком управления маршрутом. ЭВМ анализирует состояние датчиков блока управления маршрутом, определяет текущее положение робокара и передает его системе управления данные о следующем маршруте через блок обмена информацией.

Передача информации возможна либо на станциях обслуживания, либо непосредственно на маршруте. В последнем случае может использоваться, например, радиоканал для беспроводной связи ЭВМ с системой управления робокара.

Путевое управление. Для безрельсовой транспортной тележки первой задачей путевого управления – является выдерживание требуемого направления движения. Для этой цели используются различные системы путевого управления (рис. 161).

Механические (электромеханические) системы управления на маршруте предусматривают использование механических направляющих, положение которых отслеживается с помощью датчика касания, закрепленного на транспортной тележке. Смещение робокара относительно направляющей приводит к изменению выходного сигнала датчика касания и система управления обеспечивает возврат робокара в исходное положение относительно направляющей. Механические системы имеют много недостатков и применяются редко.

При оптоэлектронном управлении маршрут движения размечается путём нанесения на полу обслуживаемого помещения направляющих линий вдоль требуемых маршрутов. Эти линии должны хорошо выделяться на полу. Реализуют их следующим образом:

· полоска флуоресцентной краски, рассчитанная на применение фотодатчиков, чувствительных к ультрафиолетовому излучению;

· светоотражающая металлизированная полоса или полоса из фольги, приклеенная к полу и обладающая высоким светоотражением;

· цветоконтрастная полоса, например, белая полоса с чёрной окантовкой с двух сторон.

На робокаре закрепляется направленный источник света О, который освещает полосу 1, задающую маршрут (рис. 162). Отражённый световой поток воспринимается двумя, симметрично расположенными относительно оси робокара, фотодатчиками Ф1 и Ф2 (обычно используются высокочувствительные фотоумножители). Фотодатчики включены в схемы электронных преобразователей ИП1 и ИП2, вырабатывающих сигналы U1 и U2 , пропорциональные освещённости фотодатчиков.

Эти сигналы сравниваются с помощью сумматора, и разностный сигнал Х рассогласования используется для управления приводом направления (рулевыми колесами или дифференциальным приводом ведущих колес).

В том случае, когда продольная ось тележки совпадает с осью полосы 1, световые потоки обеих фотодатчиков Ф1 и Ф2 одинаковы и сигнал рассогласования Х равен нулю. При смещении оси тележки относительно оси полосы появляется сигнал рассогласования и система управления изменяет направление движения тележки так, чтобы восстановить исходное положение и устранить сигнал рассогласования. В результате обеспечивается автоматическое отслеживание направления полосы, задающей маршрут.

Для повышения точности слежения и снижения воздействия световых помех может использоваться импульсный источник освещения на основе импульсной лампы-вспышки, которая включается с определенной частотой. В результате световой поток будет носить характер периодического сигнала и путём его фильтрации можно устранить влияние фоновой засветки или импульсных помех.

Для передачи дополнительных сигналов системе управления робокара (например, о приближении к пересечению или разветвлению маршрута или к обслуживаемой позиции) на ленте маршрута делаются разрывы. Количество и длина таких разрывов позволяют кодировать некоторую информацию.

При использовании оптоэлектронной системы управления конкретные схемотехнические решения могут быть различными. Например, может использоваться протяженный источник света 1 и линейка 3 фотоэлементов в виде фотодиодов (рис. 163).

Отраженный от полосы 1 свет падает на фотодиоды 3 и их выходной сигнал разделяется на два уровня: "засвечен" и "незасвечен". "Засвечены" будут те фотодиоды, на которые падает отраженный от полосы световой поток. Некоторые фотодиоды при этом будут "засвечены" частично.

Количество "засвеченных" фотодиодов будет зависеть от ширины полосы, а положение "засвеченных" фотодиодов в линейке – от смещения датчика направления относительно полосы в перпендикулярном направлении.

Изменение ширины полосы позволяет формировать дополнительные сигналы системе управления робокаром. Например, если полоса имеет более широкий участок 4, то освещается большее число фотоэлементов, в результате чего формируется команда на останов робокара.

Недостатком оптоэлектронных систем является недолговечность разметки маршрутов и необходимость ее периодического возобновления. В этом отношении преимуществом обладает индуктивный метод разметки и управления маршрутом.

Трасса маршрута в этом случае задаётся кабелем (проводом) 1, прокладываемым в полу обслуживаемого помещения на глубине до 5 см (рис. 164). Провод укладывается в канавку, которая затем заливается, например, эпоксидной смолой. Кабель образует замкнутый электрический контур, по которому от специального генератора протекает ток с частотой от 5 до 32 Кгц. При этом в пространстве вокруг кабеля создаётся коаксиальное переменное магнитное поле.

На робокаре установлены датчики в виде двух катушек индуктивности L1 и L2, симметрично расположенные относительно оси робокара 2. Переменное магнитное поле кабеля наводит в этих катушках ЭДС, величина которых обратно пропорциональна квадрату удаления катушек от оси кабеля.

Схемы включения датчиков ИП1 и ИП2 преобразуют их электромагнитную ЭДС в измерительные напряжения U1 и U2, которые сопоставляются сравнивающим устройством системы управления. При нахождении робокара над кабелем (ось симметрии проходит через кабель) сигналы обоих датчиков равны и сигнал ошибки отсутствует.

При смещении тележки вбок относительно кабеля (вследствие ошибки управления или изменения направления кабеля) изменяется соотношение измерительных сигналов левой и правой катушек и появляется сигнал рассогласования , величина которого пропорциональна отклонению от маршрута, а знак определяется направлением отклонения. В зависимости от величины и знака рассогласования, система, воздействуя на привод рулевых колёс (или на дифференциальный привод ведущих колес), изменяет направление движения таким образом, чтобы вернуть исходное положение робокара над кабелем. В результате, система управления будет постоянно отcлеживать направление кабеля.

Коэффициенты усиления в каналах обратной связи зависят от ряда факторов и, в частности, от скорости движения робокара. Поэтому для обеспечения устойчивой отработки программного движения робокара целесообразно изменять коэффициенты усиления в системе сервоуправления в зависимости от изменения этих факторов,
т. е. возникает необходимость в самонастройке параметров системы управления маршрутом.

При использовании индуктивного управления для передачи дополнительных сигналов системе управления робокара используются постоянные магниты, заделываемые в нужном месте пола. Такие места находятся, например, у пересечения трасс или перед станциями обслуживания. При прохождении робокара над постоянным магнитом в его катушках создаётся импульсный сигнал, который отфильтровывается схемой включения для его выделения и используется тем или иным образом в системе управления.

Такие сигналы можно использовать для команды замедления движения, команды торможения или реверса движения. Трассы робокара могут иметь разветвления и пересечения. На разветвлении подаётся предупредительный сигнал, и система управления заранее устанавливает управляемые колёса в соответствии с требуемым дальнейшим направлением движения и затем на некоторое время отключается. После прохода разветвления происходит новое включение системы и автоматический захват направляющего кабеля или полосы.

При индуктивном управлении можно помечать маршруты разной частотой питания направляющего кабеля. В результате появляется возможность создания сложной сети маршрутов с разветвлениями и пересечениями. Недостатком индуктивного метода является относительная трудоемкость разметки маршрутов и необходимость в специальных генераторах питания маршрутных кабелей.

В рассмотренных системах путевого управления существует необходимость предварительной физической разметки маршрутов. Это обстоятельство накладывает ограничение на гибкость транспортной системы. Навигационные системы управления свободны от названного недостатка и при их использовании маршруты задаются математически.

Принцип действия навигационной системы управления маршрутом робокара поясняется на рис. 165. Пусть имеется два маяка М1(XM1,YM) и M2(XM2,YM), координаты которых в плоскости XOY известны.

Транспортная тележка оснащена устройством пеленгации, с помощью которого можно определять углы U1 и U2, образованные направлением на соответствующий маяк и осью AB транспортной тележки. Тогда с помощью простых геометрических построений можно определить координаты R(XR,YR) центра транспортной тележки. Маршрут движения задается как функция изменения координат центра тележки во времени. Выдерживая заданную функцию, можно обеспечить движение тележки по заданному маршруту.

С целью упрощения рассмотрена плоская задача с известным направлением продольной оси тележки. На практике решается пространственная задача, в ходе решения которой определяется и ориентация транспортной тележки. Для определения ориентации могут использоваться дополнительные маяки.

Примером использования навигационной системы управления может служить автоматическая транспортная тележка, разработанная в институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. Для управления тележкой используются световые маяки, расположенные в требуемой последовательности на потолке производственного помещения. На тележке имеются датчики направления на маяк, выполненные на оптоэлектронных приборах с зарядовой связью.

Система управления тележки ориентируются во время движения на световые маяки, а при точном позиционировании на специальные метки, нанесенные на обслуживаемом оборудовании. Маршрут движения в этом случае задаётся в аналитическом виде: в виде закона изменения во времени координат положения центра робокара. В общем случае задается и скорость движения центра транспортной тележки.

Система управления по световым меткам вычисляет фактическое положение центра тележки, сравнивает его с заданным и вырабатывает необходимое управление, обеспечивающее движение робокара в следующую точку маршрута.

В робокаре модели Turtle (черепаха) фирмы «Дженерал Электрик» используется навигационная система лазерного управления (рис. 166). Сканирующий луч лазера (угол сканирования 360⁰) отражается от расположенных в верхней части помещения мишеней с нанесёнными на них штриховыми кодами.

Лазерный луч имеет ширину 5 мм и отклоняется от горизонтали вверх примерно на 20⁰. Отражённый от мишени луч воспринимается фотодатчиком, установленным на робокаре соосно с лазером. По отражённому сигналу определяется код мишени и направление на неё. Суммарная обработка информации от нескольких мишеней даёт возможность определить фактическое положение робокара относительно мишеней. Для целей навигации используется специальный процессор.

Управление позиционированием. Управление маршрутом включает и управление позиционированием. Основная задача позиционирования – обеспечить требуемую точность положения робокара относительно обслуживаемого объекта в момент остановки. Точность позиционирования определяется боковым смещением “Y” и путевым смещением “X” относительно номинального положения. Если эти смещения будут значительны, то может нарушиться работа системы автоматической загрузки-разгрузки. В большинстве случаев допускаемая погрешность позиционирования составляет ± 5–10 мм.

Точность позиционирования в направлении "Y" определяется системой путевого управления и обеспечивается точным выдерживанием направления маршрута на этапе причаливания.

Точность в направлении "X" обеспечивается точностью остановки робокара. Для этого в районе станции обслуживания предусматривается подача системе управления робокара двух сигналов: предварительный сигнал на снижение скорости движения и сигнал на полное торможение (рис. 167).

При получении сигнала о приближении к станции обслуживания система управления снижает скорость движения робокара с крейсерской (обычно 0,5–1 м/с) до малой. На этой малой скорости робокар приближается к станции. Когда он займёт нужное положение, определяемое моментом подачи второго сигнала, то включаются тормоза и робокар практически мгновенно останавливается. Такая система обеспечивает ошибку останова в направлении "X" ± 5–10 мм.

Если указанной точности недостаточно, то применяют дополнительную механическую систему фиксации положения робокара на позиции обслуживания. Обычно для механической фиксации используются выдвижные стойки с отверстиями, которые взаимодействуют с коническими фиксаторами, устанавливаемыми на полу (или, наоборот, стойки имеют конуса, а на полу плиты с отверстиями). При опускании стоек робокара от специального привода, они своими отверстиями садятся на конические фиксаторы, и робокар поднимаясь на этих стойках, занимает точное положение, определяемое коническими фиксаторами. В этом случае ошибка позиционирования составляет около ± 1 мм.

Для повышения точности позиционирования робокара в направлении "X" может осуществляться коррекция положения с использованием привода робокара и специального датчика положения. Известно использование для этой цели световой метки 1, устанавливаемой на станции обслуживания, и датчика коррекции 2 в виде линейки фотодиодов 3, устанавливаемой на робокаре 4 (рис. 168). При остановке робокара его привод на малой скорости корректирует положение робокара так, чтобы засвеченным оказался нужный светодиод в линейке.

Обмен информацией. При работе автоматической транспортной тележки возникает необходимость обмена информацией между ее системой управления и АСУ ГПС. При этом кабельные соединения могут использоваться только для рельсовых транспортных тележек. Для безрельсовых транспортных тележек необходима бескабельная передача информации.

На станции обслуживания обычно организуется обмен информацией между системой управления робокара и АСУ ГПС или оперативным персоналом. При этом могут передаваться следующие данные:

· коды точек ветвления;

· коды станций адресации;

· коды смены частоты провода, задающего маршрут;

· сигналы блокировок участков;

· сигналы о наличии или отсутствии груза на робокаре;

· другие информационные сигналы.

Часть этих сигналов передаётся средствами, используемыми при задании трассы следования и рассмотренными выше (нанесение меток на трассе или установка постоянных магнитов). Для передачи кодовой информации станции обслуживания оснащаются бесконтактными фотоэлектрическими или индуктивными устройствами передачи информации.

Фотоэлектрическое устройство схематично показано на рис. 169. Оно содержит передающий блок 1 и приемный блок 2. Передающий блок устанавливается, например, на станции обслуживания, а приемный – на робокаре. Передающий блок содержит коммутируемые источники света L1 – L4 (например, лампы или светодиоды), а приемный – фотоэлементы D1 – D4 (например, фотодиоды).

Комбинируя включения источников света можно передавать на приёмные фотодиоды параллельный двоичный четырёхразрядный код ( в качестве примера, на рис. 169 показана передача двоичного кода 0101). Возможны оптоэлектронные устройства последовательной передачи информации.

Для бесконтактной передачи используется также индуктивный метод. В основе такой конструкции лежит использование трансформатора, образованного двумя катушками L1 и L2, одна из которых устанавливается на робокаре, а другая на полу или на неподвижных конструкциях (рис. 170).

С каждой из катушек соединен приемопередатчик, что позволяет обеспечить двухстороннюю передачу информации путем модуляции магнитного потока Ф. Устройство обеспечивает передачу последовательных кодов. С помощью описанной системы можно передавать значительные объёмы информации.

Наиболее универсальным способом обмена информацией между системой управления транспортной тележки и АСУ ГПС является использование радиоканала. В том случае связь возможна в любой точке маршрута. Однако способ требует применения сложной аппаратуры и согласования с общей системой радиосвязи.

Управление загрузкой-разгрузкой. Загрузочно-разгрузочный механизм робокара (если не используется ПР) является механизмом циклического действия, осуществляющий постоянный цикл движений. Задача управления этим механизмом – это задача циклового управления, которая не представляет сложности. Осуществляться это управление может от отдельного командоаппарата или контроллера, или же от системы управления робокаром. В том случае, когда для разгрузки-загрузки используется робот, решается задача позиционного или контурного управления промышленным роботом в необходимом объёме.

Обеспечение безопасности робокара.Главной задачей системы безопасности является предотвращение наездов робокаров на неподвижные препятствия и предотвращение столкновений с другими транспортными средствами.

Стандартным оборудованием такой системы является использование бамперов или дуг безопасности (рис. 171). Бампер безопасности 1 устанавливается спереди и сзади робокара с возможностью перемещения относительно корпуса 4 последнего за счет упругой подвески 2. При наезде на препятствие 5 бампер 1 смещается относительно корпуса 4 робокара и нажимает на конечный выключатель 3 (обычно их несколько). Сигнал конечных выключателей воспринимается системой управления как команда экстренного торможения и робокар останавливается. При этом тормозной путь меньше полного хода бампера. Дальнейшее движение возможно либо после устранения препятствия, либо путём повторного пуска робокара оператором.

В более сложных случаях робокары оснащаются ультразвуковыми локаторами препятствий, позволяющими обнаруживать и опознавать препятствия, а система управления имеет средства для управления объездом препятствий и разъездом с другими транспортными средствами.

Обеспечение информацией о положении робокара на трассе.Для контроля положения робокара на трассе обычно используются заделанные в пол катушки индуктивности, расположенные в определённых местах маршрута. Такая катушка выполнена в виде рамки из нескольких витков. Когда робокар перемещается над катушкой, то из-за влияния металлической массы робокара индуктивность катушки возрастает, что её схемой включения преобразуется в электрический импульс, поступающий в систему контроля положения робокара. Схема включения катушки может, например, представлять собой схему генератора, работающего в режиме срыва генерации.