李興龍,王 佩,朱羅通,李 江,馬勛蘭

(貴州師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院,貴州 貴陽 550018)

0 引言

近年來,隨著科學(xué)的快速發(fā)展和技術(shù)的不斷革新,被稱為“信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速興起,得到了廣泛的推廣與應(yīng)用,如智慧交通、智慧物流、智慧醫(yī)療、智能安全以及智能家庭等。在互聯(lián)網(wǎng)浪潮的推動下,電子商務(wù)在全球范圍內(nèi)蓬勃興起,物流行業(yè)也隨之得到迅速發(fā)展,倉儲物流成了現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理中的重要環(huán)節(jié)。然而,隨著人們的物資需求越來越大,訂單數(shù)量也不斷增大,許多儲物倉庫的工作量與日俱增。傳統(tǒng)的人工分揀方式存在很多的不足之處,人力資源浪費、成本高昂、工作效率低下和錯誤率高等問題,都嚴(yán)重制約了物流行業(yè)的發(fā)展。在物流運輸過程中,部分地區(qū)的物流運輸存在大量的資源浪費,給企業(yè)帶來了巨大的損失。合理控制配送成本、降低運營風(fēng)險是企業(yè)改革的重中之重。

為了應(yīng)對日益增長的物流需求,利用機器人技術(shù)進行自動化分揀,成本較低并且具有較強的靈活性,更加適應(yīng)小型企業(yè)的發(fā)展需求,在物流行業(yè)中有著巨大的發(fā)展?jié)摿椭匾饬x。因此,自動化物流系統(tǒng)的研究與應(yīng)用作為一種高效、智能的解決方案,正逐漸成為現(xiàn)代物流領(lǐng)域的熱門研究方向之一。具有自動分揀功能的倉儲物流機器人作為其中的重要組成部分,通過結(jié)合機器人技術(shù)和自動化設(shè)備,引入先進的感知、識別和控制技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對倉庫內(nèi)物品快速準(zhǔn)確地自動識別、定位和分揀,補齊了人工分揀的短板,極大地提高了分揀速度和準(zhǔn)確性,同時降低了人力成本和錯誤率。該機器人為倉庫管理者提供了高效且自動化的倉儲物流解決方案,可以廣泛應(yīng)用于各大儲物倉庫進行無人化的物流管理,在一定程度上降低了配送過程中的損失。

目前,我國各地遍布著大量的儲物倉庫,但是由于對倉儲物流方面投入的研究成本較少,并沒有形成一套完整的無人化自動分揀體系,因此倉儲物流的工作仍然存在著很多不足之處。本文旨在研究和設(shè)計一種具有自動分揀功能的倉儲物流機器人,以應(yīng)對現(xiàn)代物流環(huán)境中的挑戰(zhàn)。本文通過對機器人的硬件和軟件系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進,實現(xiàn)對倉庫內(nèi)物品的自動化分揀,幫助提升物流分揀工作的效率和準(zhǔn)確性,并為進一步推動物流自動化發(fā)展提供有力支持。具有自動分揀功能的倉儲物流機器人將成為未來物流供應(yīng)鏈的重要組成部分,為降低物流成本、實現(xiàn)物流行業(yè)的高效運作作出積極貢獻。

1 總體設(shè)計

本文中的倉儲物流機器人以STM32單片機為核心控制器,選用STM32F103C8T6芯片為主控芯片。如圖1所示,機器人通過RFID技術(shù)讀取不同貨物上的電子標(biāo)簽從而獲得貨物信息以及需要存儲的貨架位置信息。主控芯片根據(jù)讀取電子標(biāo)簽得到的信息使機器運行到指定位置;機器人進行A*啟發(fā)式搜索算法,自動規(guī)劃最短路徑,傳至主控芯片,主控芯片根據(jù)反饋的路徑信息實現(xiàn)機器人的智能尋路功能;紅外傳感器將機器人運行時的路況信息反饋到主控芯片,主控芯片根據(jù)反饋信息控制機體上下臺階;稱重傳感器會稱量載物托盤上的貨物質(zhì)量;核心控制器根據(jù)貨物的質(zhì)量大小將它們分區(qū)域存儲在貨架的不同位置。

圖1 倉儲物流機器人總體設(shè)計

2 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)主要是由核心控制芯片、射頻識別模塊、智能循跡模塊、稱重及減震模塊、升降及上下臺階模塊等幾個部分組成。

2.1 核心控制芯片

集成電路將電路中許多元器件集中制作在一塊半導(dǎo)體晶片上,大大壓縮了電子線路的體積,在各行各業(yè)中都有著極其重要的作用。本文所用到的STM32系列的單片機本質(zhì)上也是一個集成電路,在人們的日常生活中被廣泛應(yīng)用,該系列單片機功能強大,穩(wěn)定性好,而且還能調(diào)用自身官方提供的具有強大功能的庫文件,簡化了程序的編寫,相對于其他單片機而言價格較低,十分適合入門學(xué)習(xí)。本文采用STM32F103C8T6作為倉儲物流機器人的核心控制芯片。該芯片是一款由STMicroelectronics公司生產(chǎn)的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器芯片,具有豐富的外設(shè)和強大的處理能力,適用于各種嵌入式應(yīng)用。運行頻率高達72 MHz,具有高性能和低功耗的特點,能夠滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求。此外,該款芯片還內(nèi)置了多個外設(shè),包括多個通用定時器、串口、SPI、I2C、ADC等,可以滿足各種應(yīng)用的需求。在本文的研究中,STM32F103C8T6作為核心控制芯片,可以通過I/O口與其他模塊進行通信,將各個模塊及其傳感器反饋的信息與主控制程序完成交互,進行數(shù)據(jù)的傳輸與處理,從而操控所有模塊進行工作,實現(xiàn)本文所述的各項功能。

2.2 RFID模塊

識別技術(shù)作為信息采集的重要技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),比較常見的有飯卡、門禁卡、公交卡、身份證等的識別,商場里零售數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計以及快遞物流中貨物的自動定位等。識別技術(shù)的出現(xiàn)幫助人們快速完成信息交互,使人們的生活更加便捷。

本文設(shè)計的物流機器人就是利用RFID技術(shù)來實現(xiàn)貨物信息識別功能的。本文選用的RFID-RC522模塊采用MFRC522芯片,可以通過無線射頻的方式進行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信。此外,它還可以利用無線射頻對貨物上的電子標(biāo)簽進行讀寫,從而識別貨物信息并進行數(shù)據(jù)交換。射頻識別速度極快,并且可以同時對多個目標(biāo)進行識別,極大地提高了工作效率。

物流機器人通過RFID讀取器自動識別電子標(biāo)簽后獲取貨物信息,并隨貨物狀態(tài)的改變對標(biāo)簽信息進行更改[1]。設(shè)備通過射頻終端讀取貨架上的標(biāo)簽信息,能自動選取空貨架。在貨物上架后,實時更新并記錄貨物的物流信息,通過Wi-Fi模塊傳到計算機系統(tǒng),便于打印入庫、出庫清單和儲物倉庫的后續(xù)管理[2]。

2.3 智能尋路模塊

2.3.1 GPS定位

目前,衛(wèi)星信號覆蓋面積十分廣闊,使用GPS定位速度快,也相對比較穩(wěn)定,因此本項目采用GPS模塊進行定位。GPS模塊采用NMEA協(xié)議,可以接收、解析衛(wèi)星的廣播C/A碼信號,通過運算與每個衛(wèi)星的偽距離,采用距離交會法求出經(jīng)度、緯度、高度和時間修正量這4個參數(shù),并通過串口通信將它接收到的信號反饋給主控芯片進行處理。

GPS模塊接收到衛(wèi)星信號后,通過STM32單片機的通信串口完成交互,主控芯片計算并記錄機器人此時的位置情況,對機器人進行下一步的跟蹤和定位,實現(xiàn)實時位置信息共享,以便于確定機器人的位置狀態(tài),并進一步根據(jù)GPS定位技術(shù)進行物流機器人的導(dǎo)航[3]。

2.3.2 A*搜索算法

機器人動態(tài)路徑規(guī)劃可以通過許多種算法來實現(xiàn),正確地選擇一種算法可以大大提高機器人的尋路效率,本文采用A*算法(A-star algorithm)進行線路規(guī)劃。A*算法是一種基于啟發(fā)式搜索的尋路算法,是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的直接搜索方法,被廣泛使用,例如路線規(guī)劃、游戲AI等。A*算法通過估計從起點到目標(biāo)的最短路徑長度,不斷地選擇當(dāng)前狀態(tài)下最優(yōu)的節(jié)點進行擴展,直到找到目標(biāo)節(jié)點或者無法繼續(xù)擴展為止。該算法綜合了廣度優(yōu)先搜索和最佳優(yōu)先搜索的特點,能夠在保證找到最優(yōu)解的同時,盡可能減少搜索的時間和空間復(fù)雜度。

A*算法的核心思想是通過定義一個啟發(fā)函數(shù),評估每個節(jié)點的優(yōu)先級。啟發(fā)函數(shù)通常是一個估計值,用來估計從當(dāng)前節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點的代價,然后綜合考慮節(jié)點的代價和啟發(fā)函數(shù)的估計值,選擇最有希望的節(jié)點進行擴展。A*算法維護一個優(yōu)先隊列,每次從隊列中選擇代價加啟發(fā)函數(shù)估計值最小的節(jié)點進行擴展。

整個過程中,A*算法需要維護兩個列表:開放列表和關(guān)閉列表。開放列表存儲待探索的節(jié)點,關(guān)閉列表存儲已經(jīng)探索過的節(jié)點。算法通過計算每個節(jié)點的啟發(fā)式函數(shù)值(估計到目標(biāo)節(jié)點的距離)和代價函數(shù)值(從起始節(jié)點到當(dāng)前節(jié)點的實際代價),選擇代價函數(shù)值最小的節(jié)點進行探索。具體計算公式如下所示:

f*(n)=g*(n)+h*(n)

其中,f*(n):從初始狀態(tài)經(jīng)由狀態(tài)n到目標(biāo)狀態(tài)的最小代價估計;g*(n):從初始狀態(tài)到狀態(tài)n的最小代價;h*(n):從狀態(tài)n到目標(biāo)狀態(tài)的路徑的最小估計代價。

可行性分析:若h(n)h*(n),搜索范圍小,效率高,不一定得到最優(yōu)解。

本文將A*算法運用于分揀機器人,它會從起點開始,根據(jù)計算最小代價估計,動態(tài)地選擇下一個代價最低的節(jié)點進行搜索,從而在較短時間內(nèi)以盡可能快地找到最短路徑,到達指定的貨架,具有高效性。

2.3.3 超聲波避障

超聲波避障是一種常用的電子模塊,可以幫助設(shè)備實現(xiàn)自動避障功能,常用于機器人、智能車輛、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域,以提高安全性和可靠性。超聲波避障技術(shù)是利用超聲波在遇到障礙物時會被反射,結(jié)合信號發(fā)射及接收之間的時間差、發(fā)射器和接收器之間的距離,測算出信號發(fā)射器和障礙物之間的距離,從而及時對障礙物進行躲避達到避障效果。超聲波測距傳播距離遠、范圍廣、速度快、計算處理簡單,能對各種不同的介質(zhì)進行反射,因此被廣泛使用在各種測距裝置中。

本文采用超聲波避障傳感器實現(xiàn)自動避障功能。超聲波避障傳感器體積小、功耗低、抗噪聲干擾能力強,且相比紅外避障,不易被周圍環(huán)境干擾。將超聲波避障模塊(包括超聲波發(fā)射器和接收器)連接到物流機器人的控制電路上,利用程序設(shè)置機器人通過發(fā)射器周期性地發(fā)射一個超聲波信號,信號會在儲物倉庫里擴散,遇到障礙物時便反射回來。在接收器接收到經(jīng)儲物倉庫里物體反射回來的超聲波信號時,會將信息反饋給主控芯片。主控芯片根據(jù)超聲波信號的強度及傳播速度對反射回來的信號進行處理,可以計算出障礙物的位置和距離[4]。根據(jù)機器人和障礙物兩者之間的距離,電機驅(qū)動器會驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動帶動車輪采取相應(yīng)的措施,例如停止前進、轉(zhuǎn)向或改變路徑[5],實現(xiàn)自動避障,避免了物流機器人的碰撞和損壞。

2.4 稱重及減震模塊

2.4.1 稱重模塊

生活中有各種各樣的稱重裝置,例如家用的起重稱、超市里的食品稱以及稱量大型車輛的地磅等,它們的稱重原理類似,都是基于一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號的稱重傳感器。其中,轉(zhuǎn)換方式為電阻應(yīng)變式的稱重傳感器使用最為廣泛,它基于應(yīng)變反應(yīng),將應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。

本文采用HX711芯片實現(xiàn)稱重功能。HX711芯片是一款專為精度要求高的稱重傳感器而設(shè)計的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片,最大可精確到1 g。該芯片的時鐘輸入引腳(PD_SCK)及數(shù)據(jù)輸出引腳(DOUT)組成串口通信線,與主控芯片進行通信。根據(jù)倉庫的實際情況設(shè)置多個質(zhì)量閾值,當(dāng)機器上貨物的質(zhì)量處于一定范圍時,會優(yōu)先將質(zhì)量較大的貨物放置在下層。

2.4.2 減震模塊

對于物流倉庫內(nèi)一些不平坦的路面,本文采用彈簧連接減震器的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)減震功能。通過活塞運動產(chǎn)生阻尼力來對彈簧被壓縮后的拉伸起到阻尼作用[6]。這種減震方式能盡量減少車身與彈簧和減震器之間的相對運動,減震速度快、效果好,能有效地保證貨物的完整性,并延長機器人的使用壽命。

2.5 升降及上下臺階模塊

2.5.1 升降

生活中的升降結(jié)構(gòu)隨處可見,工地上的起重機、小區(qū)里的電梯都用到了升降,為人或物帶來高度上的變化,極大地方便了人們的生活和工作。

本文中的升降采用直流電機組件。直流電機組件是一種可以將電能經(jīng)過一系列復(fù)雜的變換之后轉(zhuǎn)換成機械能用來做功的裝置,是機械傳動結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的一個十分重要的組成和控制部分,因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、可靠性高、抗電磁干擾影響強等優(yōu)點,被廣泛地應(yīng)用在人們生活中的各個地方,例如電動車、無人機、人工智能機器人等。此外,直流電機還擁有良好的調(diào)速特性,這使得它在工業(yè)化進程中也承擔(dān)了一個極其重要的角色,包括汽車、建筑、航空航天在內(nèi)的許多領(lǐng)域的調(diào)速系統(tǒng)都需要用到直流電機。直流電機效率及可靠性高,工作壽命長,維護簡便且成本低,應(yīng)用廣泛,是電力拖動的良好驅(qū)動。

本文采用的直流減速電機能將直流電源的輸入與輸出轉(zhuǎn)換為模擬量,通過主控芯片進行控制,為升降模塊減速傳動結(jié)構(gòu)提供驅(qū)動力。將減速電機連接一對豎直導(dǎo)軌,減速電機通過把電動機的動力通過齒輪(或者蝸輪蝸桿)減速機,大大降低轉(zhuǎn)速,增加減速電機的輸出扭矩,從而驅(qū)動貨物托盤在豎直導(dǎo)軌上自由移動,完成上升或下降。

2.5.2 上下臺階

在原本升降系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加紅外傳感器和電機組件,便可以實現(xiàn)上下臺階功能。紅外傳感器是一種非常常見且有用的傳感器,根據(jù)紅外光可反射的物理性質(zhì),利用物體發(fā)出的紅外輻射與傳感器接收到的紅外輻射之間的差異來進行檢測和測量,優(yōu)點是靈敏度高,反應(yīng)快,能快速感知物體,可以在許多應(yīng)用中發(fā)揮作用,常用來避障、距離測量、溫度測量等。

本文在物流機器人上搭載了足夠的傳感器,用來檢測前方是否具有階梯式障礙物,并通過感知臺階的高度和位置,使物流機器人做出相應(yīng)的動作。正常行駛狀態(tài)下,電動馬達會驅(qū)動輪子在水平地面上前進或后退。當(dāng)物流機器人上的紅外傳感器檢測到前方具有階梯式的障礙之后,減速電機開始運轉(zhuǎn),依次將機體的各個部分進行抬升或下降,然后通過以上步驟的循環(huán)迭代,完成整個上下臺階的動作[7]。

3 結(jié)語

倉儲物流機器人結(jié)合了多種模塊,與一些具有一定局限性的機械設(shè)備相比更加靈活,能夠在各大儲物倉庫自動完成分揀并存儲貨物的整個流程。RFID技術(shù)識別貨物的相關(guān)信息讓數(shù)據(jù)信息更加準(zhǔn)確,稱重減震功能分區(qū)域存儲貨物,便于統(tǒng)計管理,并且使貨物在運輸過程中不易損壞,保障了貨物的質(zhì)量。該機器人還有抬升機構(gòu)幫助升降和上下臺階以適應(yīng)不同環(huán)境。機器人正在以肉眼可見的速度滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?不僅是物流行業(yè),以后許多行業(yè)都會呈現(xiàn)機器化趨勢。本文設(shè)計的倉儲物流機器人具有性能好、工作效率高等特點,能幫助分揀人員從一些危險的工作環(huán)境中解放出來,降低了安全事故的發(fā)生率及安全事故發(fā)生時造成的損失,在自動化生產(chǎn)的進程中具有良好的發(fā)展前景。