關于快件包裹自動分揀機器人智能控制系統的研究

孫驛凱，李玉廷

（臨沂大學自動化與電氣工程學院，山東臨沂 276005）

0 引言

機器人自動分揀是一項新興的快遞物流技術，人們借助計算機技術、互聯網技術等高新信息技術，可以構建出機器人智能控制系統，使機器人準確、自動地分揀快件包裹，大大釋放人力資源，降低快遞物流行業的人資成本，有助于快遞物流領域的現代化發展。

1 系統用機器人分析

1.1 整體結構

在該智能系統控制下的機器人，其整體結構包括車體機械結構、驅動結構、分揀執行結構、定位導航結構、安全輔助結構、通信結構等部分。其中，車體結構為機器人的主要框架負責承載其他結構設施，且能夠決定其他機器人結構裝置的部署布局；驅動結構中包含軸承、驅動電機等裝置，控制系統與這些裝置相連可以控制機器人的運動轉向；分揀執行結構包含舉升電動缸、托盤兩個部分，控制系統通過與該結構相連，能夠控制機器人的分揀行為，將快件運送到對應的出件口；定位導航結構的作用是告訴控制系統機器人所在的具體位置，幫助其做出后續的行為決策；安全輔助結構即避障傳感器系統，能夠感知運行路線中障礙物的存在情況，并報告給控制系統，使控制系統能夠控制機器人做出避讓行為，提高機器人運行效果；通信結構則為控制系統與各個機器人運作結構之間的連接紐帶，負責傳輸控制系統的控制指令，保證控制系統的有效運行。

1.2 任務流程

在智能控制系統的控制下，快件包裹自動分揀機器人的任務流程為：首先，待標簽掃描完畢后，計算機會將包裹的運送目的發給智能控制系統，系統會根據該項信息設計包裹的分揀方案；其次，待工作者將包裹托盤上后，系統會按照之前制定好的分揀方案向機器人下達行為指令，并根據機器人結構中的傳感器等裝置收集機器人的運行信息，以便于及時制定、下達避障等指令，保證機器人的正常運行；最后，當分件任務執行完畢后，機器人會將自身的電量狀態反饋給控制系統，電量低于15%時系統會向其下達充電指令，并將空閑充電樁作為目的地發送給機器人，使其自行前往充電樁充電。

2 系統的機器人定位導航功能分析

2.1 定位

在智能控制系統的運行中，所應用的機器人定位技術分為相對定位技術、絕對定位技術兩種：在相對定位技術的應用中，設置在機器人結構內的傳感器裝置會獲取當前、初始位置信息，然后發送給智能控制系統，系統則會推算出兩者的相對關系，確定機器人的相對定位，作為控制決策制定的依據；在絕對定位技術的應用中，傳感器裝置會對機器人所在位置上識別存在于附近具有一定特征的目標，并將信息數據傳輸給控制系統，系統會基于此推算出機器人的絕對定位，然后同樣將其作為控制決策制定的依據。一般來說，絕對定位所需的定位目標通常被分為兩種，即自然目標、人工目標，但由于自然目標穩定性較差，因此人們經常會在地面、墻體等位置設置人工目標，幫助控制系統完成機器人絕對定位。

2.2 導航

在機器人的運行中，智能控制系統的導航功能通常是基于磁導航、慣性導航、激光導航、視覺導航這4種技術實現的。在此過程中，由于磁導航技術、激光導航技術的應用成本較高，而且容易被外界因素所干擾、對環境要求苛刻，因此，現階段智能控制系統導航功能運行所用的導航技術，以慣性導航、視覺導航為主。在慣性導航技術的應用中，所需的設施為加速度計、陀螺儀，這兩個裝置的作用是收集機器人的行動信息，然后系統即可按照行動信息，使用積分運算得出機器人的移動坐標系及其在坐標系上的位置，實現系統的導航功能。但是由于陀螺儀、加速度計在經過一段時間的使用后會積累誤差，影響導航準確性，因此，需要定期對兩個裝置進行更換。在視覺導航技術的應用中，控制系統主要是依靠識別和處理傳感器收集到的環境圖像信息，得出機器人的當前位置、運行狀態，然后按照上述信息對機器人加以導航控制，實現機器人導航。

3 系統的機器智能調度分析

3.1 任務調度

系統對機器人開展的調度控制主要有兩種，即任務調度、沖突調度。其中，任務調度的系統控制內容為，當場地上設有多個進件口時，按照時間代價最小原則，幫助機器人對進件口進行選擇。在此過程中，系統需要將當前位置到與進件口之間的路程長度、路程擁堵情況、排隊等待情況等納入到選擇考量中，再做出進口選擇決策，增強任務調度效果。在決策過程中，系統通常會使用評價函數來得出最終的任務調度決策。該函數為g（n）=wfn+Pfntn，其中g（n）為總代價，fn為選擇最佳路徑時當前位置到進件口的代價，w為擁堵系數，Pfn為排隊機器人數量，tn為單位包裹的作業時間。

3.2 沖突調度

沖突調度是指在道路交叉時，為了避免機器人運行碰撞，系統會在兩個機器人同時到達一點時，對其運行做出合理調度，使一個機器人先行，達到規避碰撞的效果。一般來說，系統會將縱向道路定位為主干道，橫向道路則定位為輔路，然后在沖突調度時，讓位于主干道的機器人先行、位于輔路的機器人讓行。在此過程中，系統會讓位于輔路的機器人，接收到坐標點被占用的信息，使其在原地等待讓行，待位于主路的機器人通行完畢后才會解除坐標點占用，讓輔路處的機器人通行。在此過程中，通過設置占用等待指令來實現沖突調度，能夠簡化讓行指令的結構，提高系統指令生成效率，增強沖突調度功能的實現效果。

4 系統數據功能

智能控制系統的數據功能主要有兩種，即后臺數據管理功能和歷史數據記錄功能。

（1）后臺數據管理。在后臺數據管理功能的運行中，控制系統會借助路徑規劃算法，將規劃好的運行路徑發送給機器人，同時也會將該路徑數據存儲到數據庫，當后續的機器人申請同樣的運行路徑時，控制系統則無需再次規劃路徑，而是直接從數據庫中提取路徑信息，再將其發送給機器人，減少控制系統的決策工作量，也縮短了機器人的等待時間，有助于自動化快遞包裹分揀效率的提升。在此過程中，路徑信息均由坐標表示，而且智能控制系統的后臺數據管理體系支持在TextBox（文本框）上進行路徑修改、增刪、查詢，以便于工作者更好地管理機器人。

（2）歷史數據記錄。在控制系統的運行中，歷史數據記錄功能的主要作用是保存機器人運行期間產生的各類信息數據，以供工作者隨時加以查看、校驗。通常歷史數據記錄功能記錄的數據類型包括出件口數據、進件口數據、快遞包裹記錄、交通沖突記錄、登錄賬戶記錄等，而且支持歷史記錄的查詢、刪除、導出，導出的文件格式為Excel表格文件。其中，出件口數據記錄格式為“機器人名稱+進件口名稱+次數”，進件口數據記錄格式為“機器人名稱+包裹目的地+次數”。快遞包裹數據記錄以天為記錄單位的表格格式，內容包括每個快件的目的地、出件時間、操作員、機器人名稱等。交通沖突數據記錄格式為坐標，記錄內容為坐標點信息以及經過該坐標點的機器人數量，由此可以看出機器人運行的交通擁堵情況，登錄數據記錄內容為登錄、退出時間[1]。

5 系統前端功能

智能控制系統在作業過程中，會運行兩個關鍵的前端功能，即監控功能和參數設置功能，以保證機器人的正常運作，提高自動化分揀業務的執行效果。

（1）在監控功能方面，系統主要依靠內部的監控模塊、用戶模塊、分揀任務完成量現實模塊、消息面板模塊，來實現該項功能。在該項功能的運行中，監控模塊可以利用VS2010的GDI（Graphics Device Interface，圖形設備接口）+畫面功能，結合其他模塊所提供的信息數據，模擬出場地與機器人，以實現對其運行狀態的實時監控。在此過程中，模擬的監控視頻會被保留在數據庫中，工作者可以隨時調取觀看，滿足其快遞包裹分揀工作管理需求。此外，該功能還支持工作者選取某一機器人，單獨查看其運行狀態監控，同時還可以通過消息面板查閱該機器人的通信記錄，提高人工監管工作的便捷性與針對性，有助于自動化分揀工作水平的提升[2]。

（2）參數設置功能。參數設置功能的主要作用是，支持工作者對場地信息的修改，以確保場地改建、擴建之后，該套智能控制系統以及機器人依然可以正常使用。在該項功能下，工作者可以修改的參數包括進出件口數量、名稱、位置、顯示顏色，機器人顯示顏色、卸貨方式以及道路方向指示標識顏色、樣式等多種參數。待修改完畢后，工作者退出重新登錄，即可使修改后的參數生效。在此過程中，考慮到信息安全問題，在設計控制系統時通常會為該項功能設置專門的權限機制，只有管理員可以分配相應的訪問權限。同時，在配套信息安全防護系統方面，人們一般也會針對該項功能的運行體系設置防護措施，以增強智能控制系統運行的穩定性[3]。

6 結論

綜上所述，增強智能控制系統的建設效果，能夠提升快遞物流產業的自動化水平。在快遞物流運營中，借助快件分揀機器人智能控制系統設施，可以提高快件分揀效率、降低分揀工作成本、增強自動分揀機器人運行的穩定性，從而加快推動快遞物流產業的優化發展。