基于物流倉儲的移動機器人系統設計與路徑規劃研究

翁楓 馬志剛 李春暉

摘要：移動機器人在物流倉儲領域的應用，能夠有效提高物流倉儲作業的效率，降低物流倉儲作業成本。文章闡述了移動機器人在物流倉儲領域中的應用優勢，分析了基于物流倉儲的移動機器人系統的硬件與軟件結構設計，進而探討了基于物流倉儲的移動機器人的路徑規劃方面，以供相關人員參考。

關鍵詞：物流倉儲；移動機器人；路徑規劃；上位機軟件；蜘蛛群居混合優化算法

進入二十一世紀以來，社會經濟快速發展，現代科技不斷進步，電子商務規模得以不斷擴大，大大促進了物流行業的發展。在以往的物流倉儲作業模式中，主要采用人工方式進行貨物挑選與搬運，不僅工作效率低下，而且工作失誤率也比較高，無法適應現代物流貨品種類多且批量小等方面的工作要求。面對這種情況，必須采用智能化與自動化的物流倉儲系統，因此，很有必要加強基于物流倉儲的移動機器人系統的設計與路徑規劃研究。

1.移動機器人在物流倉儲領域中的應用優勢

第一點，移動機器人員可替代人工方式來進行貨物搬運等作業，對于需多人搬運的貨物，只需一臺移動機器人即可在有限時間之內完成，如此就將人工勞動強度大大降低，從而促進物流倉儲作業效率的有效提升，進而促使作業成本的不斷下降。

第二點，移動機器人的顯著特點主要體現在自主性與智能性兩個方面，相比于傳送帶、AGV，移動機器人在倉儲物流領域的應用優勢更為明顯，其具有非常強大的交互能力以及對環境理解的能力。

第三點，隨著移動機器人技術的不斷發展，機器人系統逐步擁有自主構圖以及路徑規劃等功能。機器人系統功能的多樣化，在很大程度上增強了其自身的靈活性，促使其能夠進一步適應周邊環境，在各種物流環境中都能完成指定任務。

2.基于物流倉儲的移動機器人系統設計

2.1物流倉儲移動機器人的硬件設計

物流倉儲移動機器人的硬件結構采用模塊化設計，該設計方式主要是根據功能不同，將系統劃分成若干個相應模塊，不同模塊的功能與結構都具有獨立性，同時所有模塊能夠有效組合成一個具有諸多功能的整體。該設計方式融入了綠色設計理念，不僅能夠減少作業時間降低作業成本，還能為系統后續升級及其維護等方面提供極大便利。

本文以stm32為基礎來進行物流倉儲移動機器人系統的設計，通過金屬桿件來搭建其主體框架，并在不同部位固定相應的金屬件與螺母。本文所設計移動機器人系統主要由主控芯片、電源模塊、RFID讀卡模塊、紅外傳感器避障模塊、XBee無線通信模塊、舵機模塊以及QTI巡線模塊構成。在此基礎上組成的移動機器人的主要特征如下：

第一點，該機器人通過兩個連續旋轉的舵機對其移動部位結構進行有效控制，每分鐘最大轉動次數為60。

第二點，該移動機器人的機手包括六個角度的舵機，具有四個自由度。

第三點，該移動機器人安裝有QTI傳感裝置，以便于機器人巡線。

第四點，該移動機器人安裝有紅外傳感裝置，能夠使機器人有效避開相關障礙物。

第五點，該移動機器人安裝了XBee無線模塊，為機器人與計算機系統進行實時通信提供支持。

2.2物流倉儲移動機器人的軟件設計

第一點，下位機軟件設計。

下位機是移動機器人系統中能夠接收和執行控制指令的控制器，其中含有執行程序，改程序具有可修改性。下位機在接收到上位機的命令后，利用自身程序對命令進行解析，并按照命令對機器人進行有效控制，以及時充分地完成任務。同時物流倉儲移動機器人系統中的不同機器人的執行程序無較大差異，軟件組成與邏輯都相對簡單。

移動機器人的軟件結構是一個主循環，可通過持續查詢的方式來將上位機發送的數據信息接收過來，之后按照所獲數據與指令來執行不同的控制代碼。在軟件系統運行過程中，不可避免地要進行初始化操作。移動機器人軟件系統的初始化操作主要涉及到處理器內部資源的初始化、芯片外接設備的初始化，以及機手的初始化等。在該軟件系統運行過程中，若未運用Init（）函數，后續代碼將不能順利運行出相應結果。外接設備的初始化是主要是指輸入和輸出端口的初始化等，只有這樣，后續代碼才能順利驅動相應設備。移動機器人機手的初始化目的是為了防止移動機器人在作業過程中由于機手晃動較為劇烈而造成移動方向偏離現象的出現。在完成所有初始化操作后，移動機器人系統將進入主循環中，通過查詢方式來順利執行代碼。在主循環過程中，要完成QTI巡線控制以及機手操作等所有作業。

在物流倉儲移動機器人系統運行過程中，主要通過硬件結構相同的三個移動機器人的機手來執行任務，并在移動機器人機手上安裝不同的傳感裝置，來開展出入庫作業。物流倉儲移動機器人系統的功能包括巡線功能、避免追尾功能、各位置物料抓取功能、物料與貨架信息記錄功能，以及無線通信功能。其中巡線功能主要以作業場地中的黑色路徑為基準，本文針對該功能選用QTI巡線傳感器。防追尾功能主要用于避免同一路線上不同機器人間的追尾現象，本文針對該功能選用了紅外測距傳感裝置。對不同位置不同高度物料的抓取，可選用4自由度機手。對于移動機器人系統的物料系統記錄功能，本文選用了RFID電子標簽卡對不同物料進行標記，并通過RFID讀卡器將標簽卡信息有效讀取出來。對于移動機器人系統的無線通信功能，本文選用了基于Zigbee通信協議的XBee模塊。

第二點，上位機軟件設計。

本文通過VC++6.0來進行系統上位機軟件設計，因而設計出的軟件需要在計算機操作系統中運行。上位機軟件采用了線程編程方式，在很大程度上增強了系統消息實時性。該軟件基面主要包括搜索區、任務選擇區、機器人指令區、物料跟蹤區、掃描物料區、機器人連接指令區和串口通信區。

其中，串口通信區主要用來連接不同串口。機器人連接指令區的指示燈主要用于相應機器人的系統連接，指示燈變紅代表機器人已經連接到系統中，而指示燈變黑則代表機器人脫離了系統控制。

掃描物料區：移動機器人在執行任務的過程中，需要對全部物料進行入庫預掃描，具體來講，就是將物料的ID號存儲在其表面的粘貼的RFID電子標簽中。若不對物料進行入庫預掃描操作，移動機器人在執行任務的過程中，系統將無法更新各個貨架上的物料信息。

機器人指令區：忙碌與待發是移動機器人系統常見的兩種指令，任務指令編輯框內所呈現的是移動機器人之前執行的任務信息。在移動機器人執行任務的過程中，執行指令是忙碌。如果這時系統向忙碌狀態下的移動機器人發送任務命令，該命令沒有效果。移動機器人完成任務回到起始位后，相應指令是待發，這時系統方能向移動機器人發送任務指令。

物料跟蹤區：在貨架上的物料出現變化后，物料跟蹤區會將物料出入庫信息記錄并儲存下來。

任務選擇區：針對不同的機器人，物流倉儲移動機器人系統都是采用獨立方式阿力發送相應任務指令的。各移動機器人主要承擔出庫、入庫以及閑置等任務，如果系統發送出庫任務指令時，需要有相應的出貨口可供選擇。如果系統發送入庫任務指令時，需要有相應的入貨口可供選擇。在選擇完任務指令后，系統還需要對貨架號進行選擇，之后才能點擊執行任務按鈕，將全面的任務指令發送出去。如果點擊暫停按鈕，移動機器人將會暫時停止執行任務。

搜索區：搜索功能是為了在物料較少時，能夠按照物料名對貨架上該物料的位置與數量進行搜索，同時還能點擊搜索空架按鈕將空貨架的編號搜索出來，以便于物料入庫。

3.基于蜘蛛群居混合優化算法的移動機器人路徑規劃

可將基于物流倉儲的移動機器人路徑規劃視為一個尋優過程，通過不同雌雄蜘蛛位置的迭代與信息交互，來實現對物流倉儲移動機器人的路徑規劃。主要規劃流程如下：

第一步，進行相關參數的設定，這些參數主要包括初始點、終點、蜘蛛數量、搜索空間維數以及最大迭代次數等。第二步，隨機分配不同性別的蜘蛛群體。第三步，對存在可行路徑與否進行合理判斷。第四步，根據優化后的算法開展雌雄蜘蛛間的交互與協作，并將對應的迭代路徑有效記錄下來。第五步，對比適應值與己設定最小適應值的大小，如果前者大于后者，就重新開始上述流程，如果前者小于后者，就進行后續流程。第六步，如果滿足了最大迭代書，就將最短路徑傳輸出來，并合理保存該路徑長度。

4.結語

總之，移動機器人系統在現代物流倉儲領域中的應用，不僅有利于提高物流倉儲作業的整體水平，還對物流倉儲作業效益的提升等方面，有著十分重要的現實意義。因此，設計人員必須充分了解移動機器人在物流倉儲領域中的應用優勢，根據物流倉儲作業的具體特點，合理設計移動機器人系統的硬件與軟件結構，并通過蜘蛛群居混合算法有效規劃移動機器人的作業路徑，從而充分發揮移動機器人系統在物流倉儲領域中的作用。