基于数字孪生的AGV小车运输路径规划方法

技术领域

本发明涉及仓储物流仿真技术领域，具体涉及基于数字孪生的AGV小车运输路径规划方法。

背景技术

AGV(Automated Guided Vehicle)通常也称为AGV小车，是指装备有电磁或光学等自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。

AGV小车的运行仿真是制造业数字孪生仿真系统中重要部分。其中，数字孪生技术是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为。如公开号为CN113792406A的中国专利就公开了《一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统》，其对整个AGV系统进行1:1真实还原，构建出虚拟数字孪生体，为面向AGV的数字孪生仓储仿真系统奠定虚拟映射现实的基础；其根据状态传感器和定位传感器获取实时的传感器数据以及相关AGV的电量、位置信息，基于实时通讯技术对AGV的真实运动过程、运动结果进行还原。

上述现有方案中的AGV小车仿真系统通过数字孪生技术还原AGV小车的真实运动过程和运动结果。然而，上述现有方案仅通过数字孪生技术还原了AGV小车，未对AGV小车的运行环境即工厂环境进行仿真，使得无法有效实现AGV小车的运输模拟和路径规，也无法对AGV小车的运输路径进行预测性推演和判断，进而导致无法有效实现AGV小车的运输路径规划。因此，如何设计一种能够基于数字孪生技术实现AGV小车运输路径规划的方法是亟需解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于数字孪生的AGV小车运输路径规划方法，能够结合虚拟模型和真实数据实现AGV小车的运输模拟和路径规划，并且能够通过AGV小车实时状态对其运输路径进行预测性推演和判断，从而能够提高AGV小车运输路径规划的效果，并能够为AGV小车的运输路径规划提供一种新的思路。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

基于数字孪生的AGV小车运输路径规划方法，包括：

S1：分别构建与工厂环境和AGV小车对应的数字孪生工厂和数字孪生小车；

S2：将数字孪生工厂和数字孪生小车导入数字孪生应用中；

S3：获取AGV小车的运输任务并导入数字孪生应用中，通过数字孪生小车在数字孪生工厂中模拟对应运输任务的运行，并结合路径规划算法生成对应的规划路径，进而通过对应的规划路径控制AGV小车运行；

S4：实时获取AGV小车的运行数据并同步至数字孪生应用中，使得数字孪生小车能够基于对应的运行数据在数字孪生工厂中模拟运行，进而基于数字孪生小车的模拟运行状态结合AGV小车的运行数据实时优化对应的规划路径，以更新AGV小车的运输路径。

优选的，步骤S1中，通过三维建模技术将工厂环境进行1：1的还原，生成对应的数字孪生工厂。

优选的，步骤S1中，通过三维建模技术将AGV小车进行1：1的还原，生成对应的数字孪生小车。

优选的，步骤S2中，将数字孪生工厂和数字孪生小车导入数字孪生应用后，通过3D可视化引擎对数字孪生工厂和数字孪生小车进行应用初始化，实现数字孪生工厂和数字孪生小车的可视化。

优选的，3D可视化引擎基于ThreeJS开发。

优选的，步骤S4中，数字孪生应用与AGV小车之间通过Modbus协议实时通讯。

优选的，步骤S4中，AGV小车的运行数据包括当前位置、运动速度、运动加速度、运动方向和装载重量。

优选的，AGV小车的运行数据还包括小车故障数据；

根据小车故障数据诊断AGV小车的故障状态，进而基于AGV小车的故障状态和剩余的运输任务判断AGV小车是否能够完成运输任务：若是，则基于对应的规划路径继续控制AGV小车运行；否则，从数字孪生工厂中搜索距离数字孪生小车当前位置最近的维修点，并基于数字孪生小车的当前位置和对应维修点的位置信息计算生成对应的维修规划路径，进而通过对应的维修规划路径控制AGV小车运行。

优选的，AGV小车的运行数据还包括小车电量数据；

根据小车电量数据诊断AGV小车的电量状态，进而基于AGV小车的电量状态和剩余的运输任务判断AGV小车是否能够完成运输任务：若是，则基于对应的规划路径继续控制AGV小车运行；否则，从数字孪生工厂中搜索距离数字孪生小车当前位置最近的充电点，并基于数字孪生小车的当前位置和对应充电点的位置信息计算生成对应的充电规划路径，进而通过对应的充电规划路径控制AGV小车运行。

优选的，AGV小车的运行数据还包括障碍物位置信息；

根据障碍物位置信息判断障碍物是否阻断了AGV小车在规划路径上运行：若是，则基于障碍位置信息重新规划能够绕开对应障碍物的绕障路径，并基于绕障路径控制AGV小车运行；否则，基于对应的规划路径继续控制AGV小车运行。

本发明中基于数字孪生的AGV小车运输路径规划方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明通过构建与工厂环境和AGV小车对应的数字孪生体，能够实现数字孪生小车在数字孪生工厂中模拟对应运输任务的运行，进而结合路径规划算法生成对应的规划路径并控制AGV小车运行；同时，实时获取AGV小车的运行数据，使得数字孪生小车能够基于AGV小车的运行数据在数字孪生工厂中模拟运行，并基于数字孪生小车的模拟运行状态结合AGV小车的运行数据实时优化规划路径，即能够结合虚拟模型和真实数据实现AGV小车的运输模拟（仿真）和路径规划，并且能够通过AGV小车实时状态对其运输路径进行预测性推演和判断，从而能够提高AGV小车运输路径规划的效果，并能够为AGV小车的运输路径规划提供一种新的思路。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于数字孪生的AGV小车运输路径规划方法的逻辑框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

本实施例中公开了一种基于数字孪生的AGV小车运输路径规划方法。

如图1所示，基于数字孪生的AGV小车运输路径规划方法，包括：

S1：分别构建与工厂环境和AGV小车对应的数字孪生工厂和数字孪生小车；

S2：将数字孪生工厂和数字孪生小车导入数字孪生应用中，并使得数字孪生小车能够在数字孪生工厂中模拟运行；

S3：获取AGV小车的运输任务并导入数字孪生应用中，通过数字孪生小车在数字孪生工厂中模拟对应运输任务的运行，并结合路径规划算法生成对应的规划路径，进而通过对应的规划路径控制AGV小车运行；

本实施例中，采用的路径规划算法为现有成熟算法，如现有的Dijkstra算法、A*算法、D*算法、 LPA*算法、D* Lite算法。

S4：实时获取AGV小车的运行数据并同步至数字孪生应用中，使得数字孪生小车能够基于对应的运行数据在数字孪生工厂中模拟运行，进而基于数字孪生小车的模拟运行状态结合AGV小车的运行数据实时优化对应的规划路径，以更新AGV小车的运输路径。

本发明通过构建与工厂环境和AGV小车对应的数字孪生体，能够实现数字孪生小车在数字孪生工厂中模拟对应运输任务的运行，进而结合路径规划算法生成对应的规划路径并控制AGV小车运行；同时，实时获取AGV小车的运行数据，使得数字孪生小车能够基于AGV小车的运行数据在数字孪生工厂中模拟运行，并基于数字孪生小车的模拟运行状态结合AGV小车的运行数据实时优化规划路径，即能够结合虚拟模型和真实数据实现AGV小车的运输模拟（仿真）和路径规划，并且能够通过AGV小车实时状态对其运输路径进行预测性推演和判断，从而能够提高AGV小车运输路径规划的效果，并能够为AGV小车的运输路径规划提供一种新的思路。

具体实施过程中，通过三维建模技术将工厂环境进行1：1的还原，生成对应的数字孪生工厂。通过三维建模技术将AGV小车进行1：1的还原，生成对应的数字孪生小车。

本实施例中，通过三维建模技术构建数字孪生体是现有成熟技术。1：1还原是指通过三维建模软件构建对象的全要素，包括对象结构、尺寸形状、面积、材质等要素的还原。

本发明的数字孪生工厂和数字孪生小车是基于实体工厂环境和AGV小车构建的三维数字模型，并且数字孪生体中的各个孪生模型分别基于对应的物理实体等比例映射生成，使得能够通过数字孪生工厂和数字孪生小车有效还原工厂环境和AGV小车的真实状态，从而能够进一步提高AGV小车运输路径规划的效果。

具体实施过程中，将数字孪生工厂和数字孪生小车导入数字孪生应用后，通过3D可视化引擎对数字孪生工厂和数字孪生小车进行应用初始化，实现数字孪生工厂和数字孪生小车的可视化。3D可视化引擎基于ThreeJS开发，其是面向工业数字孪生的可视化引擎，用于虚拟仿真。

本实施例中，在本地终端部署显示器，数字孪生应用通过本地终端与服务器连接，数字孪生工厂和数字孪生小车通过三维建模软件创建，通过显示器显示数字孪生工厂和数字孪生小车的实时状态。

本发明能够实现数字孪生工厂和数字孪生小车运输模拟的可视化，便于管理人员基于数字孪生模型进行可视化的AGV小车运输管理，从而提高AGV小车运输路径规划的效果。

具体实施过程中，数字孪生应用与AGV小车之间通过Modbus协议实时通讯。

具体实施过程中，AGV小车的运行数据包括当前位置、运动速度、运动加速度、运动方向和装载重量。

本发明通过AGV小车的当前位置、运动速度、运动加速度、运动方向和装载重量能够有效的还原AGV小车的运行状态，从而能够进一步提高AGV小车运输路径规划的效果。

具体实施过程中，AGV小车的运行数据还包括小车故障数据；

在数字孪生应用中，根据小车故障数据诊断AGV小车的故障状态，进而基于AGV小车的故障状态和剩余的运输任务判断AGV小车是否能够完成运输任务：若是，则基于对应的规划路径继续控制AGV小车运行；否则，从数字孪生工厂中搜索距离数字孪生小车当前位置最近的维修点，并基于数字孪生小车的当前位置和对应维修点的位置信息计算生成对应的维修规划路径，进而通过对应的维修规划路径控制AGV小车运行。

本发明通过小车故障数据诊断AGV小车的故障状态，并能够在AGV小车出现故障问题时，从数字孪生工厂中搜索距离数字孪生小车当前位置最近的维修点，并基于数字孪生小车的当前位置和对应维修点的位置信息计算生成对应的维修规划路径，进而通过对应的维修规划路径控制AGV小车运行，使得能够在AGV小车因故障无法完成运输任务时，优先排除AGV小车的故障问题，从而能够保证AGV小车的运行状态和运输任务完成效果。

具体实施过程中，AGV小车的运行数据还包括小车电量数据；

在数字孪生应用中，根据小车电量数据诊断AGV小车的电量状态，进而基于AGV小车的电量状态和剩余的运输任务判断AGV小车是否能够完成运输任务：若是，则基于对应的规划路径继续控制AGV小车运行；否则，从数字孪生工厂中搜索距离数字孪生小车当前位置最近的充电点，并基于数字孪生小车的当前位置和对应充电点的位置信息计算生成对应的充电规划路径，进而通过对应的充电规划路径控制AGV小车运行。

本发明通过小车电量数据诊断AGV小车的电量状态，并能够在AGV小车出现电量问题时，从数字孪生工厂中搜索距离数字孪生小车当前位置最近的充电点，并基于数字孪生小车的当前位置和对应充电点的位置信息计算生成对应的充电规划路径，进而通过对应的充电规划路径控制AGV小车运行，使得能够在AGV小车因电量不足无法完成运输任务时，优先为AGV小车充电，从而能够保证AGV小车的运行状态和运输任务完成效果。

具体实施过程中，AGV小车的运行数据还包括障碍物位置信息；

在数字孪生应用中，根据障碍物位置信息判断障碍物是否阻断了AGV小车在规划路径上运行：若是，则基于障碍位置信息重新规划能够绕开对应障碍物的绕障路径，并基于绕障路径控制AGV小车运行；否则，基于对应的规划路径继续控制AGV小车运行。

本实施例中，采用现有成熟的路径规划算法实现避障，如Dijkstra算法、A*算法、D*算法、 LPA*算法、D* Lite算法。

本发明通过障碍物位置信息判断障碍物是否阻断了AGV小车在规划路径上运行，并能够在障碍物阻断规划路径时，基于障碍位置信息重新规划能够绕开障碍物的绕障路径，并基于绕障路径控制AGV小车运行，使得能够在障碍物阻挡AGV小车在规划路径上运行时，辅助AGV小车进行避障，从而能够保证AGV小车的运行状态和任务完成效果。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。