基于二维码使用的搬运车设计及其路径优化

2018-01-18

制造业自动化 2017年9期

（长安大学工程机械学院，西安 710061）

0 引言

早在二十世纪五十年代，搬运还要靠人工，不但速度跟不上，搬运率也跟不上。不合理，低效率地搬运加速了库存积压。大型生产企业中，搬运车是必须的运输工具，搬运的作用在实际生产与企业物流中不容小觑，产品空间移动，也就是物流作业，包括两种，一种是堆高运动，也就是物体在空间上的垂直运动；另一种叫搬运物流，也就是物体在水平方向的运动。

快速并且精准的识别搬运物，在规定的时间内，通过合理的运送路线将其运送在指定地点，是研究的重点。企业库存管理中，搬运车的高效运行节约了时间成本与人力成本，使库存管理智能化[1]。

搬运车经几代发展，已经从第一代人工搬运车发展到现在的智能搬运车，仓储物流系统更趋向于柔性与智能化，智能搬运车实现无人操作，作业快速，准确[2]。

1 问题分析

在生产企业仓储，或流水线上，常常需要搬运一些产品，但产品形状往往不规则，需要识别其特有形状。除了形状的特殊性外，颜色也可以作为识别标志，通过对目标物颜色的识别来判断是否是执行对象。在设计时也应该考虑避障问题，如何规避障碍物，制定最优路径，以最快的速度，精确执行任务。

首先，搬运车需要装置摄像头，收集图像信息，通过PC机进行数据分析处理，锁定任务目标，进行下一步任务。摄像头主要收集物体信息包括：颜色，形状等，对障碍物体等非任务目标的识别，例如人，厂内其他车辆以及非任务目标的任何物体。

对物体的大小以及距离信息识别研究考虑两种方法，一种是双目识别，另一种为单目识别。双目识别：利用两个摄像头分别采集目标物的信息，包括颜色，大小，距离等。单目识别则使用一个摄像头采集目标物的颜色，大小，距离信息。文章考虑成本等因素，使用单目识别采集目标物信息。

由于PC机的运行处理能力较强，所以将小型PC机装载在搬运车上作为搬运车上机位，下机为不需要较强的处理能力，故选用单片机，与上机位PC机进行数据交流。单片夹采集数据信息后传输至上机位，上机位进行分析处理后指挥下机位进行控制[2～4]。

2 搬运车硬件设计

2.1 处理器设计

搬运车下机位控制部分的核心就是处理器，它通过串口中断函数与WIFI连接，接受并控制执行上机位传来的信息，与此同时它还需要通过控制I/O口来实现搬运车的移动，摄像头和超声波等的运动[5]。搬运车控制过程还需3个定时器用于传输数据，航机控制与超声波测距定时，所以研究选用单片机型号为STC89C52。

2.2 超声波与WIFI模块

超声波由于其在空气中能够远距离传播，有较强的指向性，并且耗能慢，所以常被用于测距，它具有快速，方便，计算简单等特点，并且易于控制，能够满足工业上对测量精度的要求。

无线传输技术（WIFI：Wireless Fidelity），简称WIFI。主要建立无线连接，实现数据的收集，处理与传送功能，是整个系统的核心功能。

2.3 舵机设计

搬运车上，需要旋转的摄像头以及超声波都需要通过舵机进行控制，舵机按照其旋转较多可以分为1800和3600两种，研究中摄像头与超声波的采集数据一般只采集搬运车前方物体，所以研究选用旋转1800的舵机，同时也可以方便地调整摄像头以及超声波模块的角度。

2.4 其他硬件设计

搬运的运动需要电机控制，通过PWM信号控制其速度，三根控制线其中之一控制电机开关，剩余两根方向线控制电机正反转。搬运车还学要装置红外线传感器以实现搬运车的循迹功能。搬运车不但要求迅速执行任务，更需要对其速度进行控制，所以需设置速度检测模块。搬运车后轮处装有深槽齿轮，在其一侧装有光感传感器，车轮每经过一个轮齿传感器产生脉冲，在设定时间内将脉冲数据被单片机采集，通过分析确定当前车速[6]。搬运车整体如图1所示。

图1 搬运车

3 搬运车二维码识别控制系统

文章研究的搬运车控制方案主要包括两个部分，第一部分为二维码识别控制，第二部分为物体识别控制。二维码识别控制是指通过二维码扫描进行一些信息的传输，这种传输的方式有诸多优点，方便，快捷，保密性好，没有传统数据接收的条件与时间限制。

3.1 二维码

二维码（dimensional barcode），由一维条形码发展而来，它具有可读性，它其中储存着二进制数据，当设备对其进行扫描时，可以获取里面的信息与数据。与一维码相比较，二维码在编码上难度加大，发杂程度增加，但是它可以携带的信息量也随之增加。

3.2 具体实施方案

一般工厂内会设置多个仓库，仓库之间有一定距离，二维码识别控制方案则可以使搬运车快速识别这些仓库，文章采用二维码识别与控制中心AGV相结合的方案。由于仓库众多，位置不明确，仓库间障碍物亦不确定，故采用寻线方式来查找仓库最为合适，同时可以有效规避障碍物准确到达指定仓库。但考虑到搬运车需在各个仓库之间切换，必须增加一个回转中心。考虑到一次需调动多辆搬运车，会出现信息传送延迟现象及传输错误，文章采取第三方二维码扫描的控制方法，将需要控制的具体内容制作成二维码，等待搬运车的识别扫描[7]。

控制原理如图2所示。控制中心根据搬运车所要去的仓库设计好搬运路线。搬运车位于起始位置，即回转中心处等待任务，控制中心将任务发送至上机位，并指挥回转中心转至给定轨道，并将搬运行进任务发送至上机位。搬运车随即按照设计的路线行进。需要搬运的物品的位置，颜色，重量等信息被制成二维码于显示屏显示，等到扫描。搬运差到达目的地后，摄像头转过一定角度，扫描显示屏上二维码后上传至上机位进行识别，若不能识别继续扫描直至识别。获得搬运物信息后开始执行搬运任务，电子屏刷新显示新的二维码。搬运动作执行完毕后原路返回，控制中心收到上机位发送的搬运完成指令，控制中心收到指令后指挥回转中心转动至放置目标搬运物路线，搬运车按指定路线到达后，摄像头旋转一定角度，扫描二维码，此二维码为目标搬运物所要放置的位置，识别后执行卸载任务。完成卸载后，搬运车返回转中心，并向控制中心发送卸载完毕指令[8～10]。

图2 控制原理图

3.3 目标搬运物识别

3.3.1 目标搬运物识别色彩识别

摄像头采集目标搬运物的图像信息采用HSV模型信息，HSV色彩空间可根据人类视觉分析情况进行变化。这个模型中颜色的参数分别是：色调H，饱和度S，明度V。图像采集还有另一种RGB模型，它几乎涵盖了人类肉眼可是别的大部分色彩信息，图3为两种模式下，搬运车摄像头采集图像信息识别后的对比图。上边为RGB模型下识别结果，下边为HSV模型下识别效果，结果表明HSV识别效果在区分背景色与被识别物颜色效果更佳[11,12]。

图3 色彩识别结果

3.3.2 目标搬运物识别形状识别

在车间，目标搬运物以及障碍物往往不具备规则的形状，例如在搬运用于再制造的零部件时，由于零部件大多数属于废旧产品，已经出现破损情况，直接导致了其几何形状的改变。这就需要搬运车能够精准识别不规则搬运物以及障碍物的形状，快速锁定搬运目标，执行搬运任务。

不规则形状搬运物识别，由于特殊形状没有规则几何信息，无法像规则几何形状那样提取特征进行信息比对，所以采用相似性对比。不规则形状识别时，先采集图像，再进行二值化处理，分割图形。用分割后的图形与对比库中的图形比对，选择相似度最高的，则认为是该图形[13]。对车牌苏E8889X进行不规则图形识别实验，结果如图4所示。

图4 形状识别结果

3.3.3 路径规划

为了规避前行过程中的障碍物，是搬运车顺利到达目的地，应采用路径规划。路径规划指从一个已知点(Xs，Ys，Zs)到目标位置(Xo，Yo，Zo)之间规划出一条耗时最短，路径最优的方法，而且可以避开障碍物。经过分析使用Bezier曲线进路径规划较为合适。目前使用最多的是英国学者所提出的n次Bezier定义：

Pi(0≤i≤n)是曲线的第i个控制点，依次连接P0到Pn，形成折线图形，这个图形就是关于Bezier的控制多边形。Bi,n(u)的n次Bernstein多项表达式：

若已知四个控制点，(x0,y0)，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，则可得到一条关于Bezier的3次曲线。

3.3.4 路径规划效果测试

研究采用惩罚函数在求解Bezier最优路径中，这样可以使函数有约束转变为无约束非线性优化问题，并将惩罚函数作适应度函数，运用粒子群优化算法求得。搬运车初始位置：（350，-300，π/3），目标位置：（750，-150，π/6），初始速度：V0=1.5m/s，最大速度为：Vz=2m/s。四周两个障碍物，其坐标：障碍物1：（400，-150）；障碍物2：（600，-250）。R(搬运车)=R(障碍物)=25cm，安全距离：10cm，惩罚因子c1=c2=c3=100。求解后结果如图5所示。