張 芹 孫永明 夏水斌 郭 鵬

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司計(jì)量中心 武漢 430080）（2.深圳市國電科技通信有限公司 深圳 518031）（3.湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司 武漢 430077）

1 引言

目前自動化倉儲主要停留在自動化水平，由貨架、堆垛機(jī)、進(jìn)出庫輸送機(jī)、自動控制系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)組成［1］，可根據(jù)指令自動完成貨物的存取工作，并對倉儲貨物進(jìn)行自動化管理，使物料移動和儲存更加合理［2］。但是當(dāng)這種自動化倉儲在進(jìn)行選擇工作時，需要人為在倉儲中進(jìn)行貨物的識別，這大大降低了倉儲的運(yùn)營效率［3］。

近年來，由于射頻識別（RFID）技術(shù)的普遍使用，它已成為目標(biāo)定位領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［4～6］。RFID系統(tǒng)使用無線電傳輸將能量發(fā)送到標(biāo)簽，該標(biāo)簽又將唯一的識別碼發(fā)送回鏈接到信息管理系統(tǒng)的讀取器。如果將具有唯一代碼的RFID標(biāo)簽嵌入到對象中，則可以大大簡化對象的識別。此外，RFID 具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如非接觸通信、長壽命、高數(shù)據(jù)速率、非視線可讀性和低成本［7］。由于上述原因，RFID技術(shù)經(jīng)常被用于識別導(dǎo)航和操縱等。

本文研究了自動化立體智能倉儲中的多模式智能存儲與檢索系統(tǒng)。利用RFID技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行粗略定位，并利用計(jì)算機(jī)視覺對目標(biāo)進(jìn)行精確定位。不僅降低了機(jī)器人控制的復(fù)雜度，而且充分利用了圖像處理的結(jié)果。

2 自動化智能倉儲系統(tǒng)

2.1 倉儲系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代物流技術(shù)的飛速發(fā)展，自動化智能倉儲作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分已被廣泛應(yīng)用。自動化技術(shù)在倉儲中的應(yīng)用經(jīng)歷了四個階段：人工倉儲階段、機(jī)械倉儲階段、自動倉儲階段和智能倉儲階段。在第一階段，物資的運(yùn)輸、儲存和管理由人來實(shí)現(xiàn)。在第二階段，物料可以通過輸送帶、車輛和升降機(jī)移動和攜帶。在第三階段，伺服機(jī)構(gòu)可以由人在自動化倉儲中操縱。在最后階段，將人工智能技術(shù)應(yīng)用到自動化智能倉儲中具有廣闊的前景［8］，如圖1所示。

圖1 自動化智能倉儲示意圖

2.2 RFID定位系統(tǒng)

RFID 系統(tǒng)主要包括三個部分：閱讀器、天線和RFID 標(biāo)簽［9］。由于RFID 標(biāo)簽的獨(dú)特性，閱讀器可以在目標(biāo)附著在RFID 標(biāo)簽上后定位和跟蹤目標(biāo)。由于被動標(biāo)簽價格便宜、使用壽命長、重量輕、占用空間小的特點(diǎn)，其主要用于附著在目標(biāo)物體上。閱讀器可以通過RS232 與主機(jī)進(jìn)行通信。CCD 攝像機(jī)安裝在升降機(jī)的吊臂末端，可以利用物體的顏色和形狀來區(qū)分目標(biāo)。受LANDMARC定位系統(tǒng)［10］的啟發(fā)，本文利用會議標(biāo)簽用于自動化智能倉儲，分為5 行6 列的會議標(biāo)簽分布在托盤的底部，如圖2所示。

每個會議標(biāo)簽的實(shí)際位置記錄在其中。此外，數(shù)據(jù)庫中每個被考慮的目標(biāo)物體也附著在一個RFID 標(biāo)簽上，該標(biāo)簽稱為目標(biāo)標(biāo)簽。當(dāng)閱讀器檢測到會議標(biāo)簽和目標(biāo)標(biāo)簽時，機(jī)器人可以知道其檢測區(qū)域中真實(shí)目標(biāo)的名稱和數(shù)量，這可以減少數(shù)據(jù)庫中匹配項(xiàng)目的數(shù)量，也可以計(jì)算物體的粗略位置。

圖2 參考標(biāo)簽的分布

在圖2 中，方框表示會議標(biāo)簽，圓圈表示RFID天線的檢測范圍。其他顏色的形狀意味著不同的目標(biāo)。從圖2 中可以得出結(jié)論，在RFID 的檢測范圍內(nèi)，有6個會議標(biāo)簽和3個目標(biāo)，因此目標(biāo)的粗略位置可以計(jì)算為

其中，N 是會議標(biāo)記的數(shù)量。

2.3 計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)視覺可以認(rèn)為是用照相機(jī)代替人的眼睛，用計(jì)算機(jī)代替人的大腦，從而完成對環(huán)境和對象的識別和解釋。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)主要由三個部分組成：圖像獲取、圖像處理與分析、輸出或演示［11］。圖像信息中的海量數(shù)據(jù)是圖像處理的一大難點(diǎn)，需要對圖像信息進(jìn)行高速處理，并且應(yīng)該加入專用圖像處理器，而一般圖像處理可以直接發(fā)送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)完成的工作主要有圖像底層處理、圖像特征提取、模式識別和理解等［12］。

計(jì)算機(jī)視覺是一門發(fā)展非常迅速的新興學(xué)科，自20 世紀(jì)80 年代以來，機(jī)器人視覺的研究經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展階段。從簡單的二值圖像處理到高分辨率、多灰度級的圖像處理［13］，從一般的二維信息處理到三維視覺機(jī)制以及模型和算法的研究都取得了很大的進(jìn)展［14］。隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的飛速發(fā)展，人工智能、并行處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)器人視覺系統(tǒng)在許多復(fù)雜視覺過程中的實(shí)際應(yīng)用研究。目前，機(jī)器人視覺已廣泛應(yīng)用于視覺檢測、機(jī)器人視覺引導(dǎo)和自動裝配領(lǐng)域。

機(jī)器人視覺系統(tǒng)首先利用CCD 攝象機(jī)對圖像進(jìn)行提取并變換為數(shù)字信號，然后利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)對圖像數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而得到各種需要的圖像目標(biāo)特征值，實(shí)現(xiàn)模式識別、坐標(biāo)計(jì)算、灰度分布圖等多種功能。根據(jù)其結(jié)果完成顯示圖像、輸出數(shù)據(jù)、發(fā)出指令、完成與執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)調(diào)整位置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動化過程。與人工視覺相比，機(jī)器視覺的優(yōu)點(diǎn)是精確、快速、可靠和數(shù)字化［15］。

當(dāng)確定目標(biāo)的粗糙位置時，操縱器使用機(jī)載攝像機(jī)識別目標(biāo)。本文采用顏色和形狀信息對目標(biāo)進(jìn)行識別，攝像機(jī)提供的視頻存儲在RGB 空間中。為了減少光線的影響，本文將RGB空間轉(zhuǎn)換為YCbCr空間，可以把光照和色調(diào)分開。由于參數(shù)易于計(jì)算且檢測率高，高斯模型用于顏色檢測。對于變換到Y(jié)CbCr空間的圖像，計(jì)算與目標(biāo)的相似度為

將相似性圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，并且白色區(qū)域是目標(biāo)可能存在的感興趣區(qū)域。由于感興趣區(qū)域還包含與目標(biāo)顏色相似的其他區(qū)域，因此利用形狀信息用于準(zhǔn)確的目標(biāo)提取。中值濾波是一種減少邊緣模糊的非線性平滑方法，其思想是將圖像中的當(dāng)前點(diǎn)替換為其鄰域亮度的中值。鄰域亮度的中值不受單個噪聲尖峰的影響，因此中值平滑可以很好地消除脈沖噪聲。此外，由于中值濾波不會使邊緣模糊，所以它可以迭代使用。在每個像素位置處對矩形窗口內(nèi)的像素進(jìn)行排序，當(dāng)窗口在一行中移動一列時，對其內(nèi)容的唯一更改是丟失最左邊的列并用新的右列替換它。中值平滑是更一般的秩濾波技術(shù)的特例，其思想是將某些鄰域中的像素排序成序列。中值濾波還可以保留圖像的邊緣效果，便于邊緣提取且易于實(shí)現(xiàn)。

本文采用線性替換的方法增強(qiáng)圖像的對比度，通過灰度范圍的線性替換來增加背景與貨物的對比度，達(dá)到增強(qiáng)邊緣特征的效果，有利于邊緣檢測。假設(shè)輸入圖像f(x，y)的灰度范圍為[a，b]，輸出圖像g(x，y)的灰度范圍為[m，n]，則對比度的梯度增強(qiáng)可以表示為

無論是人工視覺還是機(jī)器視覺，圖像的邊緣信息都是最重要的，圖像的邊緣具有勾勒區(qū)域形狀、定義部分屬性和傳遞大部分圖像信息的優(yōu)點(diǎn)，因此，邊緣檢測可以看作是處理許多圖像的關(guān)鍵。邊緣通常用于圖像分析以尋找區(qū)域邊界，假設(shè)區(qū)域具有均勻的亮度，則其邊界位于圖像函數(shù)變化的像素處，因此在沒有噪聲的理想情況下，邊界由具有高邊緣幅度的像素組成?？梢钥闯?，邊界及其邊緣垂直于梯度的方向。

3 系統(tǒng)的機(jī)器人控制技術(shù)

3.1 系統(tǒng)框架

本文所設(shè)計(jì)的自動化智能倉儲有四排自動貨架，包括120 個貨艙，分成兩個隧道，一個自動堆垛機(jī)，兩個儲存和檢索平臺，一個六自由度的SK6 機(jī)械，如圖3所示。

圖3 自動化倉庫的組成

其中，A 為操作平臺；B 為輸送機(jī)；C 為稱重平臺；D 為旋轉(zhuǎn)平臺；E 為機(jī)械手；G 為貨架；H 為堆垛機(jī)；G為裝庫和出庫平臺

3.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

倉儲使用Yaskawa 生產(chǎn)的SK6。SK6 的控制器是YASNAC MRC II，它采用交互式編程語言INFORM II，有兩種編程方式：演示和遠(yuǎn)程控制。本文將這兩種方法結(jié)合起來以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以物流自動化智能倉儲的裝庫作業(yè)為例，如圖4所示。

圖4 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

首先，本文把待進(jìn)庫的貨物放在均勻的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)上，在貨物運(yùn)輸過程中，條形碼識別器讀取貨物上粘貼的條形碼，并將其信息傳輸?shù)绞芸赜?jì)算機(jī)，然后在稱重機(jī)上稱重。同時，啟動機(jī)器人，機(jī)器人手臂向稱重機(jī)上方轉(zhuǎn)動，攝像機(jī)通過安裝在主控計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡將圖像采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)，并計(jì)算中心點(diǎn)到變換機(jī)器人的工作坐標(biāo)點(diǎn)的距離。安裝在機(jī)器人手上的吸盤抓取貨物并把它們放入貨架。然后堆垛機(jī)啟動，將貨物分配給儲存空間。反之，出庫的工作過程相反。

3.3 倉儲控制系統(tǒng)

自動化智能倉儲控制系統(tǒng)包括管理與監(jiān)控計(jì)算機(jī)、主PLC和下位PLC，它們通過Modibus和無線網(wǎng)絡(luò)連接，可以構(gòu)成一個完整的多級計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。整個自動化智能倉儲系統(tǒng)集貨物存儲、檢索、分配和運(yùn)輸于一體，實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)無需人工操作的智能化倉儲。在機(jī)器人控制過程中，采用演示編程與遠(yuǎn)程通信相結(jié)合的方法，將貨物的中心點(diǎn)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制指令從主控機(jī)傳送給機(jī)器人控制器，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的靈活控制和貨物運(yùn)輸。

圖5 自動化智能倉儲控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)信息的互操作性和上下文互聯(lián)，還需建立信息表示和獲取模型，為機(jī)器人提供不同級別的信息指令。在傳統(tǒng)模式中，機(jī)器人與傳感設(shè)備之間的關(guān)系是一對一的對應(yīng)模式，機(jī)器人與計(jì)算環(huán)境預(yù)先是固定且極為有限。而在智能空間中，計(jì)算資源和各種設(shè)備往往是公開和共享。智能空間中的信息服務(wù)不僅能夠提供原始信號，還能夠提供基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的多級信息。本文提出了一種基于分布式數(shù)據(jù)融合樹的信息采集系統(tǒng)，為用戶提供多層次的信息，實(shí)驗(yàn)表明基于多模式信息采集的機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠提高定位精度和訪問效率。

4 實(shí)驗(yàn)分析

以自動檢索操作為例。將目標(biāo)放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，機(jī)械手首先利用RFID對目標(biāo)進(jìn)行定位，然后利用車載視覺對目標(biāo)進(jìn)行識別和跟蹤，最后抓住目標(biāo)并放置在稱重平臺上。從許多實(shí)驗(yàn)中，我們可以得出這樣的結(jié)論：

1）機(jī)械手可以精確地跟蹤計(jì)劃路徑。

2）主機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)文件，正確生成命令序列，并將數(shù)據(jù)保存到變量中，控制機(jī)器人抓取目標(biāo)。

3）本文靈活運(yùn)用了演示和遠(yuǎn)程模式，不僅可以簡化編程，而且可以提高自動存儲和檢索系統(tǒng)的靈活性。

圖6 給出了不同方法的效率。可以看出，該方法采用RFID 和視覺提供的多模式信息，可以提高50%的效率。

5 結(jié)語

自動化智能倉儲是現(xiàn)代物流的重要組成部分，如何提高商品識別和揀選效率是現(xiàn)代物流技術(shù)中的關(guān)鍵問題。本文將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到自動化智能倉儲中，提出了一種基于RFID 和視覺技術(shù)的目標(biāo)識別、定位和存儲、檢索方案，以提高自動存儲和檢索系統(tǒng)的效率。實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的可行性。

圖6 檢索系統(tǒng)效率