周建浩，董小雷，趙麗宏

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063000；2.唐山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，河北 唐山 063000)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的增長和電子商務(wù)行業(yè)的快速發(fā)展，快遞行業(yè)對快件包裹的自動分揀有強烈的市場需求。傳統(tǒng)交叉帶分揀系統(tǒng)存在占地面積大、成本高等問題，中小分揀中心難以承受，且傳統(tǒng)物流中心作業(yè)模式下人工工作量大、分揀效率低、出錯率高，不能滿足如今豐富的電子商務(wù)物流種類要求。所以迫切需要對商務(wù)物流中心分揀系統(tǒng)進行智能化、自動化的設(shè)計，以提升物流中心的分揀能力[1]，降低工人勞動強度，提高工作效率，實現(xiàn)快件分揀的自動化。針對此，本文從實際應(yīng)用出發(fā)，通過工業(yè)相機對二維碼地標的掃描,采用慣性導航技術(shù)為主、視覺導航為輔的多種傳感融合定位方式，對快件自動分揀機器人小車視覺導航定位進行研究。

1 慣性導航定位技術(shù)

1.1 平臺式慣性導航系統(tǒng)

平臺式慣性導航是將加速度計、陀螺儀等測量元件通過萬向支架安裝在慣性平臺上，然后將慣性平臺穩(wěn)定在預定坐標系內(nèi)，為測量元件提供一個測量基準，使其不受載體角運動的影響[2]。根據(jù)加速計的輸出導航計算機開始導航解算，進而得出載體的速度、位置等導航參數(shù)。平臺式慣性導航系統(tǒng)具有計算簡單、直接模擬導航坐標系、能夠隔離載體角運動、精度高等優(yōu)點，但也有結(jié)構(gòu)復雜、體積較大、制作成本高等缺點。平臺式慣性導航系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.2 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)

捷聯(lián)式慣性導航是直接將速度計和陀螺儀安裝在載體上，在計算機中實時計算載體與導航坐標系之間的關(guān)系，并實時計算姿態(tài)矩陣求得載體實時速度、位置等參數(shù)[3]。捷聯(lián)式慣性導航具有功能強、可靠性高、精度高、便于安裝維護等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于精確導航定位領(lǐng)域。加速度計和陀螺儀是慣性導航系統(tǒng)中的兩個重要器件，加速度計主要由敏感質(zhì)電位彈簧、阻尼器等組成，用于檢測平移運動的加速度，指向當?shù)氐拇咕€方向；陀螺儀是一種機械慣性導航傳感器，可以測得載體的加速度和旋轉(zhuǎn)角度，具有很高的定位導航精度[4]。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖1 平臺式慣性導航系統(tǒng)原理框圖

圖2 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)原理框圖

2 視覺導航定位技術(shù)

視覺導航主要是通過工業(yè)相機對路標圖像進行信息的獲取、傳輸、處理與解析，從而使分揀機器人能夠感知自己的位姿信息。視覺導航定位系統(tǒng)由硬件模塊和軟件模塊兩部分組成，硬件模塊由工業(yè)相機、地標圖像及電源等組成；軟件模塊由上位機和圖像解析軟件組成[5]。

2.1 硬件模塊

硬件模塊中的智能工業(yè)相機是一種可以把圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的工業(yè)視覺傳感器件。本文所選取的工業(yè)相機型號為迪美捷500萬像素黑白高速工業(yè)相機(如圖3所示)，相機內(nèi)置圖像處理功能，自帶64 MB緩存，能夠在高速視頻流下顯著節(jié)省CPU資源使圖像傳輸更穩(wěn)定，能夠通過Link與控制系統(tǒng)快速鏈接，將圖像信息以數(shù)字信號的方式傳入工控機。

本智能工業(yè)相機具有光學字符識別、讀取二維碼地標、精準校驗和程序控制等功能，其具體參數(shù)如表1所示。

二維碼圖像是一種黑白相間、用特定幾何圖形按一定規(guī)律在平面上分布的圖形，用于儲存分揀小車位置信息的數(shù)字數(shù)據(jù)，使分揀小車根據(jù)掃描二維碼圖像獲取的存儲信息檢測自身所處的位姿，對行走左右偏向的距離做出調(diào)整，從而確保小車運行的精度。二維碼圖標詳解如圖4所示。

圖3 工業(yè)相機

相機型號DMJ-U3C500有效像素2 592H×1 944 V(500萬)掃描速度(幀/秒)50 掃描方式逐行掃描輸出信號模擬性掃描標簽類型一維碼、二維碼、光學字符等通信協(xié)議以太網(wǎng)集成協(xié)議

圖4 二維碼圖標詳解

2.2 軟件模塊

軟件模塊主要由圖像解析軟件和上位機軟件組成，由智能工業(yè)相機掃描二維碼圖像并傳入上位機，通過上位機讀取界面對二維碼進行解析。

圖5為二維碼圖像解析界面，當定位圈由黃色變?yōu)榫G色時，表示二維碼圖片解析成功，通過圖片信息解讀出當前二維碼所在位置及小車位姿情況。其中左上角解析出的位置信息表示在世界坐標系下二維碼的坐標及相對于Y軸的偏角，然后通過Link快速傳入控制系統(tǒng)，通過掃描到的位置信息由控制系統(tǒng)對小車當前的運動狀態(tài)進行糾正，確保小車的運行精度[6]。

2.3 視覺定位系統(tǒng)工作原理

通過攝像機對獲取二維碼圖像信息的處理，經(jīng)過特殊的算法解析獲取分揀機器人小車的當前位置。視覺定位系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

3 結(jié)語

本文的自動分揀機器人采用慣性導航為主、視覺導航為輔的導航定位模式，即利用慣性導航作為導引技術(shù)，用視覺導航來糾正小車因為慣性導航長時間行走累計的誤差，對慣性導航系統(tǒng)參數(shù)進行重整。經(jīng)實驗證明:采用慣性導航與視覺導航多傳感融合定位導航的方式，使得分揀機器人小車運行更加穩(wěn)定，能夠有效地保證分揀小車的定位精度。

圖5 二維碼圖像解析界面

圖6 視覺定位系統(tǒng)工作流程

參考文獻：

[1] 胡正偉.清掃機器人定位及路徑規(guī)劃研究[D].秦皇島：燕山大學, 2010：44-47.

[2] 張漢斌.用于電商配送中心的物流倉儲搬運機器人(AGV)的研究[D].北京： 北京物資學院,2014：23-26.

[3] 趙現(xiàn)強.平臺式陸用慣性導航系統(tǒng)中控制回路的設(shè)計及實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2012：33-35.

[4] 王華.基于隱形二維碼的AGV自動導引系統(tǒng)研究[D].昆明：云南財經(jīng)大學,2016：29-32.

[5] 計怡峰.全向移動機器人慣性導航系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：東南大學,2016：41-44.

[6] 陳無畏,李碧春,孫海濤,等.基于視覺導航的AGV模糊—最優(yōu)控制研究[J].中國機械工程,2006,17(24):2546-2550.