论文部分内容阅读
摘要：为保证物流分拣机器人的稳定性和可拓展性，该文提出一种基于虚拟仪器技术开发的磁带引导物流分拣机器人。该机器人以嵌入式设备myRIO为控制核心，LabVIEW为基础开发软件，包含了视觉识别模块、侧翻预警模块、定位导航避障系统、高位自卸机构等。各模块由上位机统一进行控制与编程设计，操纵机器人实现预定功能。
关键词：物流分拣机器人；虚拟仪器技术；上位机控制系统；视觉识别系统；定位导航避障系统
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0201-02
近些年，我国电子商务发展十分迅速，随之而来的就是我国快递行业的大爆发。据统计，仅在2017年1-9月份，全国快递服务企业总业务量就已经达到了273.9亿件，传统的配送中心物流作业模式早已无法满足现代物流企业的需要。堆垛、拆码作业方面，利用工业机器人取代传统滑动下落式堆码机的趋势已经不可避免。自从1954年英国采用地下埋线电磁感应导向车以来，到20世纪90年代，全世界拥有自动导引搬运车（automated guided vehicle，AGV）达十万台以上[1]。
虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件可以创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求[2]。基于虚拟仪器技术进行AGV系统的设计与开发，可拓展性好，可极大提高设备利用率，降低成本。
导引技术为AGV技术的核心组成部分，目前采用的技术有视觉引导、激光引导、磁带引导以及GPS导航技术等，其中视觉引导容易受环境影响，稳定性差；激光引导成本高昂[3]；GPS定位导航技术则在大型AGV（最大40t）上应用较多。相比较磁带引导技术较为成熟，抗干扰能力强，成本低，易于控制，可适用于各种工作场合，目前应用最为广泛。
鉴于上述分析，本文提出一种基于虚拟仪器系统开发的磁带引导物流分拣机器人。其以嵌入式设备myRIO为控制核心，LabVIEW为基础开发软件，包含了视觉识别模块、侧翻预警模块、定位导航避障系统、高位自卸机构等。各模块由上位机统一进行控制与编程设计，操纵机器人实现预定功能。
1 系统方案的整体设计
通过视觉识别系统，完成对物流包裹的扫码及数据库匹配，并将匹配的信息反馈至智能终端，智能终端控制机器人选择正确的磁带导轨路线，到达指定地点进行货物倾倒，并在此过程中完成侧翻预警及自动避障等相关安全保障功能。
2 上位机控制系统
上位机整体程序在一个循环框图中进行，协调各功能单元，不同单元通过事件触发。运行时，首先由磁感应器回传信息，通过模拟信号口读入，因为有无磁感应是通过回传的电压值的大小判断，所以设置阈值来判断是否在该感应点有磁条；接着通过磁导轨运行控制程序判断磁条边沿上方感应点电压的高低，进一步判断车体是否相对于磁条发生偏移，若发生偏移，那么控制车体向相反的方向做微小调整，如果没有偏移则继续沿磁条前进。针对地标识别，在磁条的交叉处开一个一定大小的空白矩形区域，使得磁感应器在经过此处时所有的电压输出全为低电压，触发转动事件。通过磁带导轨路径的规划部分，可以在程序框图中设计小车的行驶路径，根据每次地标位置的触发来确定下一次将要发生的动作，从而到达指定倾倒地点进行货物倾倒。
针对四个直流电机的驱动控制，可通过总体主程序输入系统需要的速度和行进方式。因麦克纳姆轮采用全方向移动，所以需要控制每一个电机有不同的转向和转速，从而控制麦轮向不同的方向旋转。
3 视觉识别系统
基于虚拟仪器平台开发的条形码扫描系统程序框图设计如下。
为缩小体积，增大条形码扫描范围，方便机器人整体结构布局设计，条形码扫描系统采用普通小型摄像头直接与myRIO进行连接，通过上位机LabVIEW进行程序编辑，烧录至下位机控制摄像头进行条形码识别。通过第三方数据库访问工具包LabSQL，可实现多种方式访问SQL Server数据库。LabSQL通过调用自动化引用句柄，获得相关方法，执行SQL相关功能，最终封装成子VI[4]，进而实现上位机中数据库信息比对工作。
为方便编程工作的进行，开发者可以借助NI Vision Assistant进行辅助编辑。该辅助软件可以快速生成一些机器视觉的相关程序，从而降低开发难度。
4 定位导航避障系统
4.1 磁带引导系统
该系统采用的技术方案是：在场地上用磁条粘贴出需要的行进路线，在每一条磁条的交叉点处裁剪出一个小矩形。上位机磁导轨程序指引装有磁传感器的机器人沿着既定粘贴路线不偏移的前进。当机器人在途经这些交叉点时，会自动识别地标，明确此时的位置和接下来将要进行的动作。
系统通过磁感应信号实现导引，其灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设简单易行。通过G语言图形化编程方式，在开发和维修上都变的更加的方便。示意图如下。
4.2 红外测距传感器模块避障系统
红外避障系统通过红外线距离传感器感知是否有发生碰撞的危险。在硬件上可设置一定的安全距离，一旦小于安全距离，车体就会被强制停止，直到障碍被移开才会继续运行。
硬件设备：红外测距传感器；
功能描述：（1）用于采集機器人和障碍物的距离，可供myRIO和PC用户了解环境；（2）用于机器人判断障碍物是否在其可控范围，并采取相应的措施；
性能参数： （1）检测距离：10-80cm；（2）数字输出；
尺寸：29.5*13*13.5mm；
电源电压：4.5V-5.5V；
具体功能：实现行进遇到障碍物自动停止并寻找无障碍方向继续行进，且避障距离非固定，可由使用人员自行修改；
功能原理：若在规定的避障距离内存在障碍物，则传感器输出低电平，输出数字信号为0；障碍物清除则转为输出高电平，输出数字信号为1。
工作流程图如下：
程序框图设计如下：
5 结语
AGV是现在物流系统研究的热点之一，本文介绍的基于虚拟仪器系统开发的磁带引导物流分拣机器人经济性好，拥有很强的稳定性和可拓展性。采用普通小型摄像头的视觉识别系统拥有较大的扫描范围，且方便的植入机器人内部；磁带引导系统通过G语言图形化编程方式，在开发和维修上都变的更加的方便；红外测距传感器模块避障等相关系统可有效处理机器人运行过程中的各种突发性事件，提高了整个系统的安全可靠性。各系统通过上位机统一进行控制与程序编辑，进而操纵下位机完成预定任务。
参考文献：
[1] 程全国，物流技术与装备[M].2版.北京：高等教育出版社，2013.
[2] 姜薇，浅谈虚拟仪器[J].卷宗，2014.
[3] 郑炳坤，赖乙宗，叶峰，磁导航AGV控制系统的设计与实现[J].自动化与仪表， 2014.
[4] 常英丽，姚桂艳.LabVIEW与SQL数据库的连接[J].仪器与仪表，2007.
【通联编辑：代影】
关键词：物流分拣机器人；虚拟仪器技术；上位机控制系统；视觉识别系统；定位导航避障系统
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0201-02
近些年，我国电子商务发展十分迅速，随之而来的就是我国快递行业的大爆发。据统计，仅在2017年1-9月份，全国快递服务企业总业务量就已经达到了273.9亿件，传统的配送中心物流作业模式早已无法满足现代物流企业的需要。堆垛、拆码作业方面，利用工业机器人取代传统滑动下落式堆码机的趋势已经不可避免。自从1954年英国采用地下埋线电磁感应导向车以来，到20世纪90年代，全世界拥有自动导引搬运车（automated guided vehicle，AGV）达十万台以上[1]。
虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件可以创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求[2]。基于虚拟仪器技术进行AGV系统的设计与开发，可拓展性好，可极大提高设备利用率，降低成本。
导引技术为AGV技术的核心组成部分，目前采用的技术有视觉引导、激光引导、磁带引导以及GPS导航技术等，其中视觉引导容易受环境影响，稳定性差；激光引导成本高昂[3]；GPS定位导航技术则在大型AGV（最大40t）上应用较多。相比较磁带引导技术较为成熟，抗干扰能力强，成本低，易于控制，可适用于各种工作场合，目前应用最为广泛。
鉴于上述分析，本文提出一种基于虚拟仪器系统开发的磁带引导物流分拣机器人。其以嵌入式设备myRIO为控制核心，LabVIEW为基础开发软件，包含了视觉识别模块、侧翻预警模块、定位导航避障系统、高位自卸机构等。各模块由上位机统一进行控制与编程设计，操纵机器人实现预定功能。
1 系统方案的整体设计
通过视觉识别系统，完成对物流包裹的扫码及数据库匹配，并将匹配的信息反馈至智能终端，智能终端控制机器人选择正确的磁带导轨路线，到达指定地点进行货物倾倒，并在此过程中完成侧翻预警及自动避障等相关安全保障功能。
2 上位机控制系统
上位机整体程序在一个循环框图中进行，协调各功能单元，不同单元通过事件触发。运行时，首先由磁感应器回传信息，通过模拟信号口读入，因为有无磁感应是通过回传的电压值的大小判断，所以设置阈值来判断是否在该感应点有磁条；接着通过磁导轨运行控制程序判断磁条边沿上方感应点电压的高低，进一步判断车体是否相对于磁条发生偏移，若发生偏移，那么控制车体向相反的方向做微小调整，如果没有偏移则继续沿磁条前进。针对地标识别，在磁条的交叉处开一个一定大小的空白矩形区域，使得磁感应器在经过此处时所有的电压输出全为低电压，触发转动事件。通过磁带导轨路径的规划部分，可以在程序框图中设计小车的行驶路径，根据每次地标位置的触发来确定下一次将要发生的动作，从而到达指定倾倒地点进行货物倾倒。
针对四个直流电机的驱动控制，可通过总体主程序输入系统需要的速度和行进方式。因麦克纳姆轮采用全方向移动，所以需要控制每一个电机有不同的转向和转速，从而控制麦轮向不同的方向旋转。
3 视觉识别系统
基于虚拟仪器平台开发的条形码扫描系统程序框图设计如下。
为缩小体积，增大条形码扫描范围，方便机器人整体结构布局设计，条形码扫描系统采用普通小型摄像头直接与myRIO进行连接，通过上位机LabVIEW进行程序编辑，烧录至下位机控制摄像头进行条形码识别。通过第三方数据库访问工具包LabSQL，可实现多种方式访问SQL Server数据库。LabSQL通过调用自动化引用句柄，获得相关方法，执行SQL相关功能，最终封装成子VI[4]，进而实现上位机中数据库信息比对工作。
为方便编程工作的进行，开发者可以借助NI Vision Assistant进行辅助编辑。该辅助软件可以快速生成一些机器视觉的相关程序，从而降低开发难度。
4 定位导航避障系统
4.1 磁带引导系统
该系统采用的技术方案是：在场地上用磁条粘贴出需要的行进路线，在每一条磁条的交叉点处裁剪出一个小矩形。上位机磁导轨程序指引装有磁传感器的机器人沿着既定粘贴路线不偏移的前进。当机器人在途经这些交叉点时，会自动识别地标，明确此时的位置和接下来将要进行的动作。
系统通过磁感应信号实现导引，其灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设简单易行。通过G语言图形化编程方式，在开发和维修上都变的更加的方便。示意图如下。
4.2 红外测距传感器模块避障系统
红外避障系统通过红外线距离传感器感知是否有发生碰撞的危险。在硬件上可设置一定的安全距离，一旦小于安全距离，车体就会被强制停止，直到障碍被移开才会继续运行。
硬件设备：红外测距传感器；
功能描述：（1）用于采集機器人和障碍物的距离，可供myRIO和PC用户了解环境；（2）用于机器人判断障碍物是否在其可控范围，并采取相应的措施；
性能参数： （1）检测距离：10-80cm；（2）数字输出；
尺寸：29.5*13*13.5mm；
电源电压：4.5V-5.5V；
具体功能：实现行进遇到障碍物自动停止并寻找无障碍方向继续行进，且避障距离非固定，可由使用人员自行修改；
功能原理：若在规定的避障距离内存在障碍物，则传感器输出低电平，输出数字信号为0；障碍物清除则转为输出高电平，输出数字信号为1。
工作流程图如下：
程序框图设计如下：
5 结语
AGV是现在物流系统研究的热点之一，本文介绍的基于虚拟仪器系统开发的磁带引导物流分拣机器人经济性好，拥有很强的稳定性和可拓展性。采用普通小型摄像头的视觉识别系统拥有较大的扫描范围，且方便的植入机器人内部；磁带引导系统通过G语言图形化编程方式，在开发和维修上都变的更加的方便；红外测距传感器模块避障等相关系统可有效处理机器人运行过程中的各种突发性事件，提高了整个系统的安全可靠性。各系统通过上位机统一进行控制与程序编辑，进而操纵下位机完成预定任务。
参考文献：
[1] 程全国，物流技术与装备[M].2版.北京：高等教育出版社，2013.
[2] 姜薇，浅谈虚拟仪器[J].卷宗，2014.
[3] 郑炳坤，赖乙宗，叶峰，磁导航AGV控制系统的设计与实现[J].自动化与仪表， 2014.
[4] 常英丽，姚桂艳.LabVIEW与SQL数据库的连接[J].仪器与仪表，2007.
【通联编辑：代影】