具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，如图1和图2所示，为本发明的多层穿梭车结构示意图，由行走装置1、抬升装置2、救援装置3、电气控制系统4组成。多层穿梭车可在栽培架框架5上往复移动，装载栽培板6，水平搬运至营养液槽7上指定的栽培位卸载。其中，栽培位是沿营养液槽7无间隙连续分配，因此可实现板栽作物的密集栽植。

行走装置1负责穿梭车水平方向的行走驱动和定位，用于完成栽培板沿穿梭车行走方向的堆栈式上架和下架；抬升装置2负责栽培板的抬升驱动和定位，用于完成栽培板相对于穿梭车的装卸动作；救援装置3负责救援车与故障车机械搭接，当某台穿梭车因故障无法自动运行时，可通过另外一台穿梭车进入其所在层与其搭接并牵引拖动，以实现应急救援；电气控制系统4负责穿梭车的运动控制和逻辑控制，以实现栽培板的搬运，穿梭车在栽培架上的移动，以及应急救援作业控制。

如图3所示，所述行走装置1由行走轮8、带轮9、同步带10组成，穿梭车两侧共四个行走轮8对称布置，四个行走轮8均为主动轮，行走伺服电机通过传动轴驱动穿梭车车体两侧的带轮6，牵引两条封闭的同步带10实现四轮同步驱动。有效提高了行走轮对轨道的摩擦力，避免轨道积水造成的轮系打滑，进而使穿梭车的启停更稳定，加速度、精度更高。在穿梭车车体一侧的行走轮8上设置有轮缘11，嵌入作为轨道的栽培架框架5的导槽中，在穿梭车行走过程中起导向作用。

所述抬升装置2共两套，分别布置于穿梭车车体的左右两侧，采用偏心机构实现，由抬升电机12、偏心轴13、直线导杆14组成。通过同步控制穿梭车车体两侧的抬升电机12，可驱动偏心机构做凸轮运动，从而实现栽培板的装载和卸载。

如图4和图5所示，为本发明穿梭车救援装置对接钩的结构示意图以及本发明穿梭车救援装置对接槽的结构示意图；救援装置3由穿梭车车体前后两端分别设置的对接钩15和对接槽16组成，穿梭车车体两侧对称布置。对接钩15前端为棘爪结构，后端为挡块，位于穿梭车车体前方，对接后可实现刚性连接，实现拖动和制动两个相反方向力的传递。对接槽16采用凸台形式，位于穿梭车车体后方，对接钩15伸入后，可紧密与对接槽16啮合。

所述栽培架5上设有充电检修位；多层穿梭车可经由外围搬运设备(提升机、RGV)中转实现栽培架层间和架间的移动。

所述充电检修位设于最下层栽培架的固定位置，用于对故障穿梭车车体进行充电或检修；

所述提升机与栽培架前端接驳，用于装载穿梭车，并在栽培架5的不同层间转运；

所述RGV设于地面，与提升机前端接驳，用于装载穿梭车，并在不同的栽培架间转运；

如图7所示，为本发明电气控制系统结构连接示意图；电气控制系统，包括：车载控制器(17)以及与其连接的行走认址装置、驱动装置(18)、无线通讯装置(20)、传感器(21)；

本发明的电气控制系统4布置示意图如图6所示，包括车载控制器17、行走认址装置、驱动装置18、电源装置、无线通讯装置20、传感器21。

车载控制器17是系统的控制核心，选用运动控制型PLC，用于穿梭车的运动控制和逻辑控制；

行走认址装置采用激光测距仪22和编码器23。

激光测距仪22安装于穿梭车车体上部，以自然表面作为测量基准面，其定位分辨率可达到0.1mm，用于检测穿梭车相对于基准面的绝对位置。其数据更新速率为50Hz，可作为实时位置反馈参与行走定位的闭环控制，实现基于绝对位置反馈的全闭环定位。

编码器23安装于行走伺服电机中，用于检测电机轴的旋转角度。编码器分辨率高，但无法纠正由于轮系打滑造成的累积定位误差，在系统中用作速度环控制，在无法使用激光测距仪进行绝对位置定位的场景下，作为位置反馈源用于短距定位。

驱动装置18为直流伺服驱动器，分别用于执行行走和抬升命令；

电源装置使用超级电容19作为储能器件为系统供电。由于超级电容19充电速度极快，可保证很高的连续作业率。超级电容19通过集电器24从充电极板上取电，集电器24安装于穿梭车顶部。在栽培架最底层框架5上的固定位置，设置有一个充电检修位，充电极板安装于充电检修位上层框架5的底部。在穿梭车上，使用接触器控制超级电容19与集电器24间的通断，接触器线圈由集电器24供电，并由PLC驱动的中间继电器控制。穿梭车运动至充电检修位时，集电器24与充电极板接触，PLC控制接触器吸合，超级电容19开始充电；穿梭车离开充电检修位时，PLC通过中间继电器切断接触器自锁，充电电路分断。因此，集电器24仅在充电过程中得电，避免了集电器24极间积水可能导致的短路隐患。

无线通讯装置为无线客户端20，用于车载控制器17与上位机的通信交互；

传感器21用于信号采集、状态判断和故障校验，外露的传感器21均达到IP67及以上的防护等级，其中光电传感器可抵抗10000lx的白炽灯干扰光，在栽培光源红色、蓝色强光的照射环境下，仍可正常工作。

一种用于植物工厂立体栽植的多层穿梭车系统的控制方法，包括以下步骤：

1)上位机发送需要执行的任务指令经电气控制系统的无线通讯装置20至车载控制器17；

2)所述车载控制器17通过无线通讯装置接收上位机发送的任务指令后，得到作业模式和目标信息，根据作业模式和目标信息选择并切换驱动装置18的定位模式；

3)驱动装置18通过激光测距仪22反馈的绝对位置数据以及编码器23反馈的码值数据，生成驱动电流，控制行走装置1执行行走运动，以及抬升装置2执行抬升运动。

所述目标信息，包括：穿梭车车体作业的目标位置、目标速度；

所述作业模式，包括：栽培板同层搬运、栽培板层间或架间搬运以及应急救援作业；具体为：

⑴在栽培架的同层搬运栽培板，实现密集栽植；

⑵在栽培架层间或架间移动，以实现柔性配置，提高穿梭车的利用率；

⑶作为救援车与故障车组合连接，并将故障车拖回。

第⑴类和第⑶类作业需实现栽培板之间，救援车与故障车之间紧密贴合，且不发生碰撞，定位要求精度高，且不发生过冲。

第⑵类和第⑶类作业需在无法利用固定基准绝对认址的条件下，实现灵活定位。

第⑶类作业需自动检测故障车的位置。

所述的第一类作业，其作业内容包括以下几项：

上架搬运作业：在需要进行上架栽培作业时，由上位机依据先入后出的原则分配目标栽培位并向穿梭车下达上架任务。其中，栽培位的行走位置在车载控制器中设定，由于栽培位是沿营养液槽无间隙连续分配，因此相邻栽培位的位置按照相差一个栽培板的长度进行设定。栽培板首先经由外围搬运设备搬运至栽培板接驳站台，穿梭车再行走至接驳站台，装载站台上的栽培板，然后行走至目标栽培位，将栽培板放置在栽培架上栽培，即完成一次上架任务。

下架搬运作业：在需要进行间苗或收获作业时，由上位机依据先入后出的原则分配目标栽培位并向穿梭车下达下架任务。穿梭车首先行走至目标栽培位，装载栽培位上的栽培板，将目标栽培位上的栽培板搬运至接驳站台，即完成一次下架任务。再经由外围搬运设备搬运至间苗作业区或采收包装区。

所述的第二类作业，包括一项作业内容：

层间搬运作业：当穿梭车需要在同一栽培架的不同层执行搬运作业，需经由提升机转运。由上位机确定转运的起始层(穿梭车起始所在层)和目标层(穿梭车目标到达层)，并分别向提升机和穿梭车下达转运命令。提升机首先与起始层对接，穿梭车自主驶入提升机。提升机装载穿梭车并与栽培架目标层对接，穿梭车自主由提升机驶入目标层。

当穿梭车需要在不同的栽培架间执行搬运作业，除提升机外，中间转运环节还需要RGV的参与。由上位机确定起始架(穿梭车起始所在的栽培架)、起始层、目标架(穿梭车目标到达的栽培架)和目标层，并分别向提升机、RGV和穿梭车下达转运命令。起始架提升机首先与起始层对接，穿梭车自主驶入提升机，RGV行走并与起始架提升机对接，穿梭车自主驶入RGV，RGV装载穿梭车后行走并与目标架提升机对接，穿梭车自主由RGV驶入提升机，目标架提升机与目标层对接，穿梭车自主由提升机驶入目标层。

所述的第三类作业，包括一项作业内容：

应急救援作业：当某一台穿梭车因电量耗尽或硬件故障，无法自主运行。由上位机自动选定另一台穿梭车作为救援车并进行转运，转运过程与第二类作业相同，目标架和目标层是故障车所在架和层。由上位机分别向提升机、RGV和救援穿梭车下达转运命令，将救援车经由外围搬运设备送至与故障车同层。救援车行走至与故障车贴合，两台穿梭车救援装置自动锁紧构成组合体。

组合体需继续转运，转运过程与第二类作业相同，目标架和目标层是充电检修位所在的架和层。由上位机分别向提升机、RGV和救援穿梭车下达转运命令。救援车为组合体提供动力，组合体一同驶入外围搬运设备，外围搬运设备装载组合体并送至与充电检修位同层，组合体自主由外围搬运设备驶入充电检修位。人工解锁后，救援车可自主驶出继续第一和第二类作业。

为实现这一目的，穿梭车在栽培架同层运动，或者应急救援的对接定位时，使用激光测距仪22作为位置反馈源实现全闭环定位。穿梭车在栽培架层间或架间移动，或者应急救援的组合体定位时，使用编码器23作为位置反馈源实现半闭环定位。全闭环定位和半闭环定位的模式选择逻辑，如图8所示。

为实现定位模式和位置反馈源的灵活切换，如图6所示，编码器23反馈接入驱动装置18，激光测距仪22反馈接入车载控制器17，车载控制器17与驱动装置18通过实时总线通信。

所述驱动装置18的定位模式，包括：全闭环定位模式或半闭环定位模式。

⑴全闭环定位模式

本模式控制框图如图9所示，激光测距仪22作为位置反馈源，车载控制器17作为运动控制器。车载控制器17根据给定的目标位置，基于点对点(PTP)定位模式规划速度曲线。车载控制器17基于激光测距仪22反馈的实时位置，实现位置闭环控制，动态调节速度环目标速度。

在此模式下，车载控制器17设定驱动装置18工作于循环同步速度模式(CyclicVelocity Mode)。驱动装置18作为速度控制器，同步跟随车载控制器17实时设定的目标速度，并基于编码器23折算的实时速度，实现速度闭环控制。全闭环定位无累积误差，可保证很高的定位精度和重复精度。

当穿梭车执行第一类作业时，激光测距仪22以栽培架框架5固定位置安装的反光板作为测量基准面。目标位置是预设的目标栽培位、接驳站台或充电检修位的绝对位置。全闭环定位能保证栽培板的密集栽植精度，同时避免了穿梭车因过冲而导致的栽培板碰撞风险。

当穿梭车执行第二类作业，但仅在同一栽培架的不同层间转运时，激光测距仪22以栽培架框架5固定位置安装的反光板作为测量基准面。目标位置是预设的提升机载货台的绝对位置。全闭环定位能保证穿梭车的行走定位精度，同时避免了穿梭车过冲坠落的风险。

当穿梭车执行第三类作业时，激光测距仪22以故障车穿梭车车体表面作为测量基准面。目标位置是预设的对接间距，即把故障车的实际位置作为基准面，以固定的对接间距进行绝对定位。全闭环定位在保证救援车和故障车对接精度的同时，避免了穿梭车因过冲而导致的两车碰撞的风险。

⑵半闭环定位模式

本模式控制框图如图10所示，编码器23作为位置反馈源，驱动装置18作为运动控制器。驱动装置18根据给定的目标位置，基于编码器23反馈的实时位置和折算的实时速度，同时实现位置和速度闭环控制。

在此模式下，车载控制器17设定驱动装置18工作于轮廓位置模式(ProfilePositioning Mode)。车载控制器17将目标位置以码值形式发送给驱动装置18，并同时设定定位速度、加速度、减速度、加加速度、S曲线时间等约束条件。驱动装置18根据约束条件规划定位曲线，基于编码器23的实时反馈完成定位过程。

当穿梭车执行第二类作业，且在不同的栽培架间转运时，穿梭车进出RGV，目标位置是预设的RGV载货台相对于提升机载货台的绝对位置。绝对位置由编码器23的码值表示。

在第三类作业中，救援车和故障穿梭车对接组成组合体后，救援车需牵引组合体返回外围搬运设备。其目标位置是救援车经由外围搬运设备送至与故障车同层时，初始相对于故障车的绝对位置。绝对位置由编码器23的码值表示。

基于绝对定位，编码器23可如实反馈行走轮实际位置，避免了定位过程中，因故障急停、人为拖动导致的定位偏差。

以上，对本发明提出的多层穿梭车系统、作业控制方法，及其在植物工厂立体栽植中的具体实施例进行了详细介绍。本领域技术人员在本发明上做出的变型或延伸也属于本发明保护范围之内。