孫驛凱，李玉廷

（臨沂大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)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(shù)，人們借助計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新信息技術(shù)，可以構(gòu)建出機器人智能控制系統(tǒng)，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(yè)的人資成本，有助于快遞物流領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展。

1 系統(tǒng)用機器人分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)

在該智能系統(tǒng)控制下的機器人，其整體結(jié)構(gòu)包括車體機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動結(jié)構(gòu)、分揀執(zhí)行結(jié)構(gòu)、定位導(dǎo)航結(jié)構(gòu)、安全輔助結(jié)構(gòu)、通信結(jié)構(gòu)等部分。其中，車體結(jié)構(gòu)為機器人的主要框架負責(zé)承載其他結(jié)構(gòu)設(shè)施，且能夠決定其他機器人結(jié)構(gòu)裝置的部署布局；驅(qū)動結(jié)構(gòu)中包含軸承、驅(qū)動電機等裝置，控制系統(tǒng)與這些裝置相連可以控制機器人的運動轉(zhuǎn)向；分揀執(zhí)行結(jié)構(gòu)包含舉升電動缸、托盤兩個部分，控制系統(tǒng)通過與該結(jié)構(gòu)相連，能夠控制機器人的分揀行為，將快件運送到對應(yīng)的出件口；定位導(dǎo)航結(jié)構(gòu)的作用是告訴控制系統(tǒng)機器人所在的具體位置，幫助其做出后續(xù)的行為決策；安全輔助結(jié)構(gòu)即避障傳感器系統(tǒng)，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(tǒng)，使控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)則為控制系統(tǒng)與各個機器人運作結(jié)構(gòu)之間的連接紐帶，負責(zé)傳輸控制系統(tǒng)的控制指令，保證控制系統(tǒng)的有效運行。

1.2 任務(wù)流程

在智能控制系統(tǒng)的控制下，快件包裹自動分揀機器人的任務(wù)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(fā)給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會根據(jù)該項信息設(shè)計包裹的分揀方案；其次，待工作者將包裹托盤上后，系統(tǒng)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(jù)機器人結(jié)構(gòu)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(wù)執(zhí)行完畢后，機器人會將自身的電量狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，電量低于15%時系統(tǒng)會向其下達充電指令，并將空閑充電樁作為目的地發(fā)送給機器人，使其自行前往充電樁充電。

2 系統(tǒng)的機器人定位導(dǎo)航功能分析

2.1 定位

在智能控制系統(tǒng)的運行中，所應(yīng)用的機器人定位技術(shù)分為相對定位技術(shù)、絕對定位技術(shù)兩種：在相對定位技術(shù)的應(yīng)用中，設(shè)置在機器人結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳感器裝置會獲取當前、初始位置信息，然后發(fā)送給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)則會推算出兩者的相對關(guān)系，確定機器人的相對定位，作為控制決策制定的依據(jù)；在絕對定位技術(shù)的應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)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(jù)。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(wěn)定性較差，因此人們經(jīng)常會在地面、墻體等位置設(shè)置人工目標，幫助控制系統(tǒng)完成機器人絕對定位。

2.2 導(dǎo)航

在機器人的運行中，智能控制系統(tǒng)的導(dǎo)航功能通常是基于磁導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航這4種技術(shù)實現(xiàn)的。在此過程中，由于磁導(dǎo)航技術(shù)、激光導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用成本較高，而且容易被外界因素所干擾、對環(huán)境要求苛刻，因此，現(xiàn)階段智能控制系統(tǒng)導(dǎo)航功能運行所用的導(dǎo)航技術(shù)，以慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航為主。在慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用中，所需的設(shè)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(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)的導(dǎo)航功能。但是由于陀螺儀、加速度計在經(jīng)過一段時間的使用后會積累誤差，影響導(dǎo)航準確性，因此，需要定期對兩個裝置進行更換。在視覺導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用中，控制系統(tǒng)主要是依靠識別和處理傳感器收集到的環(huán)境圖像信息，得出機器人的當前位置、運行狀態(tài)，然后按照上述信息對機器人加以導(dǎo)航控制，實現(xiàn)機器人導(dǎo)航。

3 系統(tǒng)的機器智能調(diào)度分析

3.1 任務(wù)調(diào)度

系統(tǒng)對機器人開展的調(diào)度控制主要有兩種，即任務(wù)調(diào)度、沖突調(diào)度。其中，任務(wù)調(diào)度的系統(tǒng)控制內(nèi)容為，當場地上設(shè)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(tǒng)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(wù)調(diào)度效果。在決策過程中，系統(tǒng)通常會使用評價函數(shù)來得出最終的任務(wù)調(diào)度決策。該函數(shù)為g（n）=wfn+Pfntn，其中g(shù)（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(shù)，Pfn為排隊機器人數(shù)量，tn為單位包裹的作業(yè)時間。

3.2 沖突調(diào)度

沖突調(diào)度是指在道路交叉時，為了避免機器人運行碰撞，系統(tǒng)會在兩個機器人同時到達一點時，對其運行做出合理調(diào)度，使一個機器人先行，達到規(guī)避碰撞的效果。一般來說，系統(tǒng)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(diào)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(tǒng)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(shè)置占用等待指令來實現(xiàn)沖突調(diào)度，能夠簡化讓行指令的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)指令生成效率，增強沖突調(diào)度功能的實現(xiàn)效果。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)功能

智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)功能主要有兩種，即后臺數(shù)據(jù)管理功能和歷史數(shù)據(jù)記錄功能。

（1）后臺數(shù)據(jù)管理。在后臺數(shù)據(jù)管理功能的運行中，控制系統(tǒng)會借助路徑規(guī)劃算法，將規(guī)劃好的運行路徑發(fā)送給機器人，同時也會將該路徑數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，當后續(xù)的機器人申請同樣的運行路徑時，控制系統(tǒng)則無需再次規(guī)劃路徑，而是直接從數(shù)據(jù)庫中提取路徑信息，再將其發(fā)送給機器人，減少控制系統(tǒng)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(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄。在控制系統(tǒng)的運行中，歷史數(shù)據(jù)記錄功能的主要作用是保存機器人運行期間產(chǎn)生的各類信息數(shù)據(jù)，以供工作者隨時加以查看、校驗。通常歷史數(shù)據(jù)記錄功能記錄的數(shù)據(jù)類型包括出件口數(shù)據(jù)、進件口數(shù)據(jù)、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(dǎo)出，導(dǎo)出的文件格式為Excel表格文件。其中，出件口數(shù)據(jù)記錄格式為“機器人名稱+進件口名稱+次數(shù)”，進件口數(shù)據(jù)記錄格式為“機器人名稱+包裹目的地+次數(shù)”?？爝f包裹數(shù)據(jù)記錄以天為記錄單位的表格格式，內(nèi)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(shù)據(jù)記錄格式為坐標，記錄內(nèi)容為坐標點信息以及經(jīng)過該坐標點的機器人數(shù)量，由此可以看出機器人運行的交通擁堵情況，登錄數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容為登錄、退出時間[1]。

5 系統(tǒng)前端功能

智能控制系統(tǒng)在作業(yè)過程中，會運行兩個關(guān)鍵的前端功能，即監(jiān)控功能和參數(shù)設(shè)置功能，以保證機器人的正常運作，提高自動化分揀業(yè)務(wù)的執(zhí)行效果。

（1）在監(jiān)控功能方面，系統(tǒng)主要依靠內(nèi)部的監(jiān)控模塊、用戶模塊、分揀任務(wù)完成量現(xiàn)實模塊、消息面板模塊，來實現(xiàn)該項功能。在該項功能的運行中，監(jiān)控模塊可以利用VS2010的GDI（Graphics Device Interface，圖形設(shè)備接口）+畫面功能，結(jié)合其他模塊所提供的信息數(shù)據(jù)，模擬出場地與機器人，以實現(xiàn)對其運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。在此過程中，模擬的監(jiān)控視頻會被保留在數(shù)據(jù)庫中，工作者可以隨時調(diào)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(tài)監(jiān)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(jiān)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(shù)設(shè)置功能。參數(shù)設(shè)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(tǒng)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(shù)包括進出件口數(shù)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(shù)。待修改完畢后，工作者退出重新登錄，即可使修改后的參數(shù)生效。在此過程中，考慮到信息安全問題，在設(shè)計控制系統(tǒng)時通常會為該項功能設(shè)置專門的權(quán)限機制，只有管理員可以分配相應(yīng)的訪問權(quán)限。同時，在配套信息安全防護系統(tǒng)方面，人們一般也會針對該項功能的運行體系設(shè)置防護措施，以增強智能控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[3]。

6 結(jié)論

綜上所述，增強智能控制系統(tǒng)的建設(shè)效果，能夠提升快遞物流產(chǎn)業(yè)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(tǒng)設(shè)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(wěn)定性，從而加快推動快遞物流產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化發(fā)展。