[AGV] 初探VDA5050 v2通訊協定

AGV的廠商如此多，各家發展各自的通訊協定，互不相容是很常見也很合理的現象。但筆者最近就接觸到這麼一個協定，希望一統各廠車子與車隊系統，使其可以互相支援，那就是VDA5050。這篇文章不會詳細說明VDA5050 v2協定的所有細節，而是用筆者理解的角度來介紹，讓不熟悉的人可以快速掌握基礎架構和流程。

大綱

什麼是VDA5050
協定要求與規格
對不同角色帶來什麼好處
協定規範概要
移動交握流程說明
動作交握流程說明
整合常見問題

什麼是VDA5050?

由德國汽車工業協會 (VDA) 與物料搬運和內部物流協會 (VDMA) 合作定義的AGV通訊協定，包含

通訊技術與相關參數
通訊格式
交握流程
- 車輛移動流程
- 車輛動作流程

協定的內容公開在 Github 上的 VDA5050 專案，目的是希望做到跨廠商的車隊系統和 AGV 可以互相支援，可以買 A 廠商的車隊，去控制 B 和 C 廠商的 AGV。事實上，在2023年的 AGV Mesh-Up 活動上有實際展示了這個成果，如下影片:

這個協定覆蓋的範疇僅限於車隊系統和 AGV 之間的交握流程，對於車隊系統來說，不會涉及到管理和運作層面的機制，像是任務優先順序、交管的演算法等等，只要你的演算結果依照他的格式和流程傳給 AGV，就算符合，對於AGV來說亦然，不涉及運動控制演算法、是否包含地圖甚至是路徑來自車隊或 AGV 等作法。

協定要求與規格

依照官方的定義，此協定必須

使用 MQTT 3.1.1以上的版本，並訂閱特定的 Topic
使用 JSON 格式傳輸，屬性名稱以英文為主，確保可讀性
AGV 必須定期或在狀態變更時回傳狀態

並且具備規格如下

可控制至少1000台車
連線失敗和訊息丟失不影響協定運作
當AGV的MQTT斷線時，車隊可以知道車子斷線，如果有重複訊息或是漏訊息，可從內容判斷處理避免例外狀況。
對各種車輛允許不同程度的支援
協定內有定義Optional屬性，可依 AGV 規格決定是否使用，針對動作的部分，也有定義清楚各 AGV 支援程度，避免傳送指令給不支援的 AGV 造成錯誤，要自訂動作也是沒問題的。

對不同角色帶來什麼好處

使用者:

通用協定提高了廠商選擇性，車輛和車隊系統不再綑綁銷售。若僅 A 廠商 AGV 具備所需特性，即便其車隊系統功能較弱，仍可選用其他品牌的車隊系統整合。
VDA5050 增加了交握流程的透明度，以往車隊與 AGV 的交握流程通常不可見，協定也被各廠商視為機密，整合只能依賴廠商提供的工具，受限頗多。使用 VDA5050 後，交握流程以明碼傳輸，廠內自行開發的程式也可透過 MQTT 即時掌握 AGV 動態。

AGV 開發商:

不用再自行摸索交握流程，有現成的協定可以參考，對於一些容錯或是異常的 case 都可以借鑑
可以專精一個面向，專心研發 AGV，或是車隊系統，如果協定使用者基數夠大，就不用擔心相容的問題

協定規範概要

VDA5050 對於不同功能目定義了MQTT 的 Topic ，格式如下：

{interfaceName}/{majorVersion}/{manufacturer}/{serialNumber}/{topic}

ex: uagv/v2/KIT/0001/order

名稱	說明
interfaceName	使用介面，沒有明確的定義，依需求定義即可
majorVersion	協定的主要版號，開頭須為v，因應主版號相同即相容，所以不管車子是2.0.0還是2.1.0都會使用相同的主版號
manufacturer	各廠車子會用自己的名稱，不同廠牌也可共存
serialNumber	車子的序號 ID，理論上是唯一碼
topic	協定定義的各個主題，像是 order、state 等各有各的目的

topic主要包含以下幾個面向

名稱	說明
order	車隊發送給車子的任務細節，包含路徑上點 (Node) 和線 (Edge)，有詳細定義各點線參數，包含座標、角度、預計執行的 action 等
instantActions	不受限於地圖位置的 action，收到後立即執行，理論上不能和 order 中的 action 衝突，例如 order 中的 action 要上升機構，但 instantAction 卻要下降機構
state	AGV 的當下位置、座標、action 執行狀態、錯誤警告、電量等訊息，也可自行擴充內容到到 information 欄位，但須注意車隊不得依賴該欄位來進行邏輯判斷，僅作為呈現使用
visualization	僅包含 AGV 當下位置，降低資料量配合高頻率傳輸讓 UI 上車輛位置更平滑
connection	車子的連線狀態，由車子發送上線訊息，當車子與 MQTT host 斷線時，藉由 LastWill 機制讓 broker 發送斷線訊息，確保車隊掌握連線狀態
factsheet	車子的規格，包含尺寸、車子類型、機構類型、支援的 actionType 等等，還有車子速度、加速度、高度上限等資訊，讓車隊可以分辨對應任務的車子

不論是哪一個 topic，內容都會包含這些固定屬性，方便接收端解析和判斷

屬性	說明
headerId	數字號碼，依每個 topic 區分，每發送一則訊息便會加 1
timestamp	時間戳 (ISO 8601, UTC); YYYY-MM-DDTHH:mm:ss.ffZ (e.g., “2017-04-15T11:40:03.12Z").
version	協定版本，[Major].[Minor].[Patch] (e.g., 1.3.2).
manufacturer	各廠車子會用自己的名稱
serialNumber	車子的序號 ID

關於state=>errors錯誤資訊部分，官方並未明定車子的錯誤類型，由各車子自行定義，僅有定義少部分警告訊息，用來告知車隊 order 被拒絕或者 order 的位置有誤等

移動交握流程說明

這邊以官方的圖片來說明，首先是地圖，地圖的組成為最基礎的點 (Node) 和線 (Edge)，其中傳輸時，又會分為 AGV 已獲得路權 (Base) 允許行走和未獲得路權 (Horizon) 不得行走，AGV 會移動到 Base 的最後一個點，然後等待下一個任務更新資訊 (orderUpdate)。

車隊端

任務發起端為車隊系統，透過 Topic order 向目標車輛發出任務，重點內容如下，詳細的欄位請參照官網

屬性	說明
orderId	任務的唯一碼，只有一個目的地，不允許一個order多個目的地
orderUpdateId	任務更新唯一碼，任務有可能會分成多筆資料分批傳給 AGV，當任務路徑很長，只能先將，又或者部分其中一個點 (Node) 或線 (Edge) 被其他車占用時，需要分多筆 orderUpdate 來傳輸，每一筆不包含上一次的路徑，AGV 端需自行縫合
Base nodes	車隊已將路權分配給 AGV 的點，會包含各點個ID和順序編號，該點的座標以及 AGV 車頭角度，在該點要執行的 action，後續不允許變更路線
Base edges	車隊已將路權分配給 AGV 的線，會包含各線個 ID 和順序編號，該線的起訖 Node、允許最高速度、車頭角度，在該點要執行的 action，後續不允許變更路線
Horizon nodes	屬性同上，但尚未取得該點的路權，車隊有可能在下一次 orderUpdate 變更路線
Horizon edges	屬性同上，但尚未取得該點的路權，車隊有可能在下一次 orderUpdate 變更路線

AGV端

AGV 端會藉由 Topic State 內容讓車隊確認是否收到 Order，是否正在行駛，目前走到哪個位置，還有多少路未完成，以下列出移動相關重點的屬性與說明，完整的欄位請參照官網

屬性	說明
orderId	AGV 最後接受的 orderId
orderUpdateId	AGV 最後接受的 orderUpdatedId
lastNodeId	AGV 最後經過的點，即便已經離開，只要還沒到下一個點，就是維持上一次的點
lastNodeSequenceId	最後經過點的順序，路徑若有重複的點，可用此順序來判斷
nodeStates	從 order 收到，還未走到的node清單，一旦走到該點，更新 lastNodeId 時，便會從此清單移除
edgeStates	從 order 收到，還未走到的edge清單，一旦走下一個點，更新 lastNodeId 時，便會從此清單移除
agvPosition	AGV 的當前座標、角度
driving	是否正在行駛

協定特性

網路異常不中斷：當 AGV 網路斷線時，會依既有的 Base 路徑行駛，因路權已取得，不會發生路徑衝突。行駛結束後，AGV 會停在最後一點等待新路徑。連線恢復時，AGV 會以當前點回報狀態，即使中途各點狀態未回傳，車隊系統仍能以最後狀態更新資料並繼續發送 OrderUpdate。
資料異常回報機制：當 AGV 接收到不合理的 Order 時，例如起始地點非當前位置或仍在執行上一筆 Order，AGV 會啟動 Rejection 機制，在 errors=>warning 訊息中回報錯誤，並拒絕處理該 Order。

動作交握流程說明

VDA5050 中的 action 泛指 AGV 執行的動作，主要包括車體操作如充電、等待、暫停、初始化位置、物件偵測、精準對位、取消任務等。若車上具備可控設備，則涵蓋取放貨物等操作。以上提到的 action 均已在 VDA5050 中預定義，若需自定義 action 也可依格式擴充。

action的執行時機

action 可預先定義於地圖上的 Node 和 Edge，AGV 到達該位置時自動執行對應的 action。若需動態指定 action，可透過 topic instantActions 傳送，不受地點限制，AGV 會立即執行。

action的重要屬性

屬性	說明
actionType	各種 action 的類型，可自行定義
actionId	用來追蹤特定 action 的狀態，建議使用 UUID
blockingType	action 的執行方式，分為以下幾種： NONE：此 action 可與其他 action 並行執行，且車輛可同時行駛 SOFT：此 action 可與其他 action 並行執行，但車輛不可行駛 HARD：此 action 不可與其他 action 並行執行，且車輛不可行駛
actionParameters	該 action 所需的相關參數，以 key value 的方式傳輸，並未定義明確的參數名稱

action的狀態

AGV 收到 action 後，會在 state 中回報 actionStates=>actionStatus，定義如下，狀態機可以參照官網

狀態	說明
WAITING	AGV 已接收到指令，但尚未到達觸發的 Node 或未進入啟動的 Edge
INITIALIZING	已觸發 action，正在進行準備工作
RUNNING	action 正在執行中
PAUSED	action 因為 pause instantAction 或外部觸發（例如 AGV 上的暫停按鈕）而被暫停
FINISHED	action 執行完成，結果會通過 resultDescription 回報
FAILED	action 無法完成，需在 errors 內回報原因

action的流程

左欄：地圖無action時，AGV 依照路徑移動
- edgeStates 會包含當前正在走的線 e1
- 一旦到了點 n2，e1 就會移除
- 同理，一旦到 n2 後，n2 就會從 nodeStates 中移除
中欄：當 action 的 blockingType 為 NONE 時
- 移動和 action 可以同時進行，但執行時機仍以地點為主
- 可以允許 n2 上的 action 執行當下移動到 e3
右欄：當 node 上的 action 的 blockingType 為 SOFT 或 HARD 時
- 到達 n2 後，需停車等待 n2 的 action 完成
- 完成後才能往 e3 前進

協定特性

網路異常不中斷：斷線當下 AGV 仍可以執行已接收的 action，車隊收到最後一筆的 state 可以判定先前的 action 執行結果
資料異常回報機制：當 AGV 收到無法執行或互斥操作的action時，可以直接回報FAILED，並在errors回報錯誤讓車隊系統知悉

整合常見問題

我要的 AGV 資訊沒有在協定定義中，是否全部都放在 state=>information 內就可以了

只要是不涉及流程和邏輯判斷的部分，純顯示類型的都可以放在 information 內，若是有自己的完整流程，例如升級 AGV 內的軟體，可以使用 action 的流程，但如果中間有更多複雜機制，則建議另外使用其他管道通訊，最後結果回傳在 actionStatus 即可，不要任意擴充協定的格式，避免其他品牌車輛不相容

協定內沒有定義 AGV 本身狀態，我要如何判斷

VDA5050將AGV的狀態定義彈性留給車隊系統自行決定，可依照 nodeStates、edgeStates、driving、actionStates 等資訊來判斷，以 open source 的車隊系統 openTCS 為例，AGV 狀態的對照方式如下：

UNKNOWN：AGV 未連線
UNAVAILABLE：state=>operatingMode 為車隊無法控制時
EXECUTING：state 有未完成的點、線或 action 時
IDLE：不符合其他狀態皆為此狀態
ERROR：state 有任何 FATAL 等級的 error

所以整合部分狀態還是以車隊系統定義的為主

Reference: StateMapping.java

[AGV] 初探VDA5050 v2通訊協定

大綱

什麼是VDA5050?

協定要求與規格

對不同角色帶來什麼好處

協定規範概要

移動交握流程說明

車隊端

AGV端

協定特性