CN105974885B - 一种基于图像的包件分拣机纠偏控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像的包件分拣机纠偏控制系统，所述分拣机用于包件分拣时，所述纠偏控制系统包括控制单元、执行单元、图像采集单元和图像计算单元，控制单元用于分拣机主环控制，通过执行单元控制托盘皮带运转，执行单元根据控制单元命令完成托盘皮带运转，实现物体纠偏功能，图像采集单元为安装在主环上方，用于实时采集物体所在托盘图像，图像计算单元获取图像，定位托盘和物体并计算物体相对于托盘中心的x、y方向偏移值。
Description
技术领域
本发明属于物流设备技术领域，特别涉及一种基于图像的包件分拣机纠偏控制系统。
背景技术
近年来，电子商务行业飞速增长，网购的需求日益增多，因此也带来了物流行业的蓬勃发展，海量的邮件或包裹需要被及时、准确并且安全地进行分拣与运输。由于被分拣包件的数量增长迅猛，在物流分拣过程中，原本落后的人工分拣方法因其效率低下、人工费用高以及劳动强度大等因素逐渐被抛弃并且由各种自动化分拣设备如包件分拣机等所取代。通过这些最新的分拣设备，分拣效率可以大大提高。
但是在实践中，现有的包件分拣机亦有其局限性。目前机器控制还无法达到如人一般心灵手巧，对于某些特殊包裹例如外形不规则物体、表面较光滑物体、比较轻的物体等，在其上包分拣时，通过自动或半自动供包台等设备将物体传送到主环上托盘的过程中可能出现偏差，物体没有位于托盘理想的中心点，从而导致物体落格时可能无法准确落格，出现诸如物体掉出格口或者物体被错误分拣至其它目的地格口的情况，影响了分拣安全以及分拣的准确率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像的包件分拣机纠偏控制系统，目的在于克服现有技术中的缺点实现将包件分拣机托盘上未居中的包裹、扁平件等物体进行自动纠偏对中，提高物体落格的准确率。
一种基于图像的包件分拣机纠偏控制系统，所述分拣机用于包件分拣时，分拣机的托盘沿分拣机主环运行方向定义为x方向，在托盘平面上垂直于主环运行方向为y方向，垂直于托盘平面的方向为z方向，托盘随主环传输线沿x方向运行，同时托盘皮带可沿y方向左右转动，将包件从供包台接入托盘或者将包件从托盘上卸载到指定目的格口，
所述纠偏控制系统包括控制单元、执行单元、图像采集单元和图像计算单元，
控制单元，用于分拣机主环控制，通过执行单元控制托盘皮带运转，
执行单元根据控制单元命令完成托盘皮带运转，实现物体纠偏功能，
图像采集单元为安装在主环上方，用于实时采集物体所在托盘图像，
图像计算单元获取图像，定位托盘和物体并计算物体相对于托盘中心的x、y方向偏移值，
其中，图像计算单元对于物体在x、y方向偏移值计算过程如下，其中，物体即为所述的包件，
步骤A2.1、控制单元将分拣机托盘基准触发信号实时发送给图像采集单元，基准触发信号包含托盘脉冲和托盘号；
步骤A2.1、控制单元通知图像采集单元采集待测物体所在托盘图像；
步骤A2.2、图像采集单元根据托盘基准触发信号采集托盘图像，将图像和对应托盘号发送给图像计算单元；
步骤A2.3、图像计算单元根据图像识别算法定位图像中托盘位置和物体位置，计算物体距离托盘中心的x、y方向偏移值(dx，dy)。
进一步的，控制单元完成纠偏控制的过程如下：
步骤B1、控制单元根据y方向偏移值dy计算托盘皮带运转方向和运行时间；
步骤B2、控制单元通知执行单元皮带运转方向和运行时间，执行单元控制托盘皮带运转，将物体移动到y方向中线位置；
步骤B3、控制单元根据x方向偏移值和主环的运行速度，计算落格时间偏移量：
上式中vm为主环速度，dx为x方向偏移值，均为已知量；
步骤B4、控制单元在正常居中物体落格时间的基础上提前或延迟tdis通知执行单元皮带运转方向和运行时间，执行单元控制托盘皮带运转，托盘开始转动下包，落包效果完全等同于将包件移动在托盘居中位置再落格。
进一步的，所述的步骤B1中，控制单元根据y方向偏移值dy计算托盘皮带运转方向和运行时间，可以分为以下按两种皮带运转方式分析计算y方向居中策略：
(1)如果托盘皮带按启动--匀速运转--停止方式运行，设va为皮带运行速度，那么皮带运行时间为：
这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置；
(2)如果托盘皮带按启动--匀加速运转--匀速运行--匀减速运行--停止方式运行，设加速度a，最大调偏速度为vmax，当托盘皮带从静止(速度0)按加速度a匀加速到最大调偏速度vmax，再按加速度a匀减速到0的转动距离为：
皮带调偏规则如下：
(a)当dy≤ddef时，则托盘皮带从静止按加速度a运行时间为：
再按加速度a从当前速度匀减速为0的时间也为tdis。这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置；(b)当dy＞ddef时，则托盘皮带从静止按加速度a运行时间为：
接着按最大速度运行时间为：
再按加速度a从当前速度匀减速为0的时间也为tdis1。这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置。
进一步的，控制单元为带网卡的计算机、PLC、电路板等智能模块，用于分拣机主环控制，根据图像采集单元和图像计算单元得出物体偏移值后，根据物体偏移值计算托盘皮带运转方向和时间，通知执行单元控制托盘皮带运转，
执行单元为控制板和电机传动部件组成的智能托盘控制系统，根据控制单元命令完成托盘皮带运转，实现物体纠偏功能，
图像采集单元、图像计算单元与控制单元通过网络线与网络交换机相连；控制单元与执行单元通过红外或漏缆通讯；
图像采集单元为安装在主环上方的具有图像采集功能的OBR阅读器装置，实时采集物体所在托盘图像；
图像计算单元为带网卡的计算机，获取图像并定位托盘和物体并计算物体相对于托盘中心的x、y方向偏移值。
进一步的，托盘上的物体即为包件，包括包裹和扁平件。
本发明将托盘上沿分拣机主环运行x方向物体的长度定义为物体长度，将物体沿y方向物体的长度定义为物体宽度，将物体沿z方向物体的长度定义为物体高度；将托盘中心定义为托盘沿x、y方向外接矩形的中心点，物体中心定义为物体沿x、y方向外接矩形的中心点，将物体中心与托盘中心沿x、y方向的距离定义为物体在托盘上偏移值(dx，dy)。物体与托盘位置及偏移如图5所示，图中标注了物体在托盘中所处位置及相对托盘中心的偏移值。dx为物体沿x方向偏移，dx＝0物体x方向无偏移，dx>0物体要逆主环运行方向向后偏移，dx<0物体要顺主环运行方向向前偏移，才能实现物体沿x方向居中；dy为物体沿y方向偏移，dy＝0物体y方向无偏移，dy>0物体要沿托盘皮带方向左偏移，dy<0物体要沿托盘皮带方向右偏移，才能实现物体沿y方向居中。
本发明提出了一种基于图像采集装置和图像处理算法，对包件分拣机主环上运动物体进行自动检测，通过采集运动中托盘和物体的实时数据，计算物体相对于托盘中心的偏移值，如经检测发现托盘上有未居中物体，则根据偏移值计算托盘皮带运转方向和时间，通知托盘皮带运转自动实现纠偏对中，从而达到提高物体落格准确率的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中基于两种偏移值算法的纠偏控制系统功能结构图。
图2为本发明实施例中基于测距偏移值算法的纠偏控制系统功能结构图。
图3为本发明实施例中基于图像偏移值算法的纠偏控制系统功能结构图。
图4为本发明实施例中基于两种偏移值算法的纠偏控制方法流程图。
图5是本发明实施例中物体偏移值计算示意图；
图6是本发明实施例中测距方法的物体头尾计算示意图。
具体实施方式
为了便于描述，本发明的术语对应如下：
在包件分拣机中，将托盘沿分拣机主环运行方向定义为x方向，在托盘平面上垂直于主环运行方向为y方向，垂直于托盘平面的方向为z方向。托盘随主环传输线沿x方向运行，同时托盘皮带可沿y方向左右转动，将物体从供包台接入托盘或者将物体从托盘上卸载到指定目的格口。
将托盘上沿分拣机主环运行x方向物体的长度定义为物体长度，将物体沿y方向物体的长度定义为物体宽度，将物体沿z方向物体的长度定义为物体高度；将托盘中心定义为托盘沿x、y方向外接矩形的中心点，物体中心定义为物体沿x、y方向外接矩形的中心点，将物体中心与托盘中心沿x、y方向的距离定义为物体在托盘上偏移值(dx，dy)。物体与托盘位置及偏移如图5所示，图中标注了物体在托盘中所处位置及相对托盘中心的偏移值。dx为物体沿x方向偏移，dx＝0物体x方向无偏移，dx>0物体要逆主环运行方向向后偏移，dx<0物体要顺主环运行方向向前偏移，才能实现物体沿x方向居中；dy为物体沿y方向偏移，dy＝0物体y方向无偏移，dy>0物体要沿托盘皮带方向左偏移，dy<0物体要沿托盘皮带方向右偏移，才能实现物体沿y方向居中。
本发明改变了现有技术中的控制流程，在原有的物体供包到物体落格的流程中，增加了基于测距采集装置和基于图像采集装置的实时纠偏控制功能，本发明对包件分拣机主环上运动物体进行自动检测，计算物体相对于托盘的偏移值，如经检测发现托盘上有未居中物体，则根据偏移值计算托盘皮带运转方向和时间，通知托盘皮带运转自动实现纠偏对中，从而达到提高物体落格准确率的目的。
纠偏过程包括计算物体偏移值和控制纠偏落格两个环节。本发明提出了两种物体偏移值计算方法，一种基于测距采集装置和激光测距算法，另一种基于图像采集装置和图像处理算法，这两种偏移值计算方法各有特点，当物体高度高于某一阈值时，测距偏移值计算结果较准；当物体高度低于某一阈值时，图像偏移值计算结果较准。其原因是当物体高度过低，物体与托盘皮带面很接近时，激光测距不能对物体进行有效定位，测距结果可信度不足；而当物体高度过高，采集图像中阴影部分较多，会影响图像中物体定位准确度。本发明的纠偏系统可将两种方法综合起来，当物体高度大于或等于某个阈值时，采用测距偏移值进行物体纠偏；当物体高度小于某个阈值时，采用图像偏移值进行物体纠偏，这样可以有效地弥补两种偏移值计算方法的缺陷，对所有物体均能准确定位和纠偏落格。在实际使用中，本发明也可根据物体实际情况，只采用本发明中一种偏移值计算方法构建纠偏系统。
实施例1基于两种偏移值算法的纠偏控制系统
本发明提出了两种偏移值计算方法，一种基于测距采集装置和激光测距算法，另一种基于图像采集装置和图像处理算法。纠偏系统可采用两种算法相结合的方式构建。图1所示为基于两种算法的纠偏控制系统功能结构图，该系统包括位于分拣机主环上方的测距采集单元、图像采集单元、测距计算单元、图像计算单元、控制单元和执行单元。
测距采集单元为安装在主环上方的激光测距仪装置，它通过激光测量物体与测距装置间的距离，并将距离数据传输给上位机，实时获取托盘和物体测距数据；
测距计算单元为带网卡和串口卡的计算机，接收测距仪的数据，并通过特定的算法计算物体x、y方向偏移值和物体高度；
图像采集单元为安装在主环上方的具有图像采集功能的OBR阅读器装置，实时采集物体所在托盘图像；
图像计算单元为带网卡的计算机，获取图像并根据特定的算法定位托盘和物体并计算物体相对于托盘中心的x、y方向偏移值；
控制单元为带网卡的计算机、PLC、电路板等智能模块，用于分拣机主环控制，它综合激光测距偏移值结果和图像偏移值结果，得出物体偏移值后根据物体偏移值计算托盘皮带运转方向和时间，通知执行单元控制托盘皮带运转。
执行单元为控制板、电机等传动部件组成的智能托盘控制系统，它根据控制单元命令完成托盘皮带运转，实现物体纠偏功能。
控制单元与测距计算单元通过串口线和网络线相连；测距采集单元、图像采集单元、测距计算单元、图像计算单元与控制单元通过网络线与网络交换机相连；控制单元与执行单元通过红外或漏缆通讯。
本系统采用激光测距与图像识别相结合的方法，控制流程如图4所示，控制原理简述如下：
1.在分拣机上方安装激光测距装置，控制单元将托盘基准触发信号实时发送给测距计算单元，测距计算单元根据触发信号获取对应托盘的实时距离数据、基准触发信号和托盘参数计算物体高度和x、y方向偏移值；测距纠偏计算方法原理如图6所示。
2.在分拣机上方安装图像采集装置，图像采集单元根据控制单元发送的触发信号采集待测物体所在托盘图像，图像计算单元对所采集图像进行处理，根据图像处理算法定位图像中托盘和物体位置，计算物体x、y方向偏移值；图像纠偏计算方法如图5所示。
3.控制单元根据物体高度分析激光测距偏移值和图像偏移值，综合得出物体相对于托盘中心的偏移值结果；
4.控制单元根据物体偏移值控制托盘皮带运转，将物体实际移动至托盘y方向中线，同时在通知物体落格前根据x方向偏移值改变物体落格时间，逻辑上等同于将所测物体统一移动至托盘中心再落格，进而达到在供包不断变化的情况下仍能准确实现物体落格。
根据上述控制原理，本发明实现了托盘上的物体(包裹、扁平件等)自动纠偏对中，由于在逻辑上相当于将所测物体统一移动到了托盘中心位置再落格，所以能克服现有技术中供包不准的缺点，在实际应用中将大大提高了包件落格的准确率。
考虑激光测距和图像处理两种方式各有利弊，本实施案例中的纠偏系统采用了激光测距和图像处理两种方式相结合的方法，通过设置物体高度阈值参数，当物体高度大于或等于某个阈值时，采用测距偏移值进行物体纠偏；当物体高度小于某个阈值时，采用图像偏移值进行物体纠偏，这样可以有效地弥补两者纠偏方法的缺陷，对所有物体均能准确定位。所述的纠偏控制方法，包括以下步骤：
步骤A、计算偏移值
步骤A1、计算测距偏移值
步骤A1.1、控制单元将分拣机托盘基准触发信号实时发送给测距计算单元，基准触发信号包含托盘脉冲和托盘号；测距计算单元根据分拣机托盘实际尺寸设置托盘节距、托盘x方向相对托盘基准触发信号偏移的起始值和终止值(xtray1，xtray2)、托盘y方向起始值和终止值(ytray1，ytray2)。
步骤A1.2、测距计算单元根据托盘节距和托盘基准触发信号计算主环的运行速度。
步骤A1.3、当主环空转(托盘上无物体)时，测距装置获取托盘的实时坐标数据，传送给测距计算单元，测距计算单元根据托盘基准触发信号计算托盘z方向值ztray1。
步骤A1.4、当托盘上物体经过分拣机主环上方的测距装置时，测距装置不断获取物体的实时坐标数据，传送给测距计算单元。
步骤A1.5、测距计算单元根据激光测距数据、托盘基准触发信号以及主环的运行速度，计算物体所在托盘号、计算物体在x方向相对托盘基准触发信号偏移的起始值和终止值(xmail1，xmail2)、计算物体在y方向的起始值和终止值(ymail1，ymail2)、计算物体在z方向值最小zmail1。
步骤A1.6、测距计算单元根据托盘和物体在x方向、y方向的起始值和终止值,计算被测物体中心相对于托盘中心位置是否有前后左右的偏移，如果有偏移则计算出偏移值(dx，dy)：
步骤A1.7、测距计算单元根据托盘和物体在z方向数据,计算被测物体的高度h：
h＝ztray1-zmail1
步骤A1.8、测距计算单元将被测物体的托盘号、x与y方向的偏移值和物体高度发送给控制单元。
步骤A2、计算图像偏移值
步骤A2.1、控制单元将分拣机托盘基准触发信号实时发送给图像采集单元，基准触发信号包含托盘脉冲和托盘号。
步骤A2.1、控制单元通知图像采集单元采集待测物体所在托盘图像；
步骤A2.2、图像采集单元根据托盘基准触发信号采集托盘图像，将图像和对应托盘号发送给图像计算单元。
步骤A2.3、图像计算单元根据图像识别算法定位图像中托盘位置和物体位置，计算物体距离托盘中心的x、y方向偏移值(dx，dy)。
步骤A3、综合偏移值结果
步骤A3.1、如果系统采用两种偏移值算法，控制单元需要综合测距计算单元和图像计算单元获取的物体偏移值结果，当物体高度h大于等于设定值时，以测距计算结果为准；当物体小于设定值时，以图像计算结果为准。
步骤A3.2、如果系统采用一种偏移值算法，控制单元将该算法计算的偏移值作为获取的物体偏移值。
步骤B、控制纠偏落格
步骤B1、控制单元根据y方向偏移值dy计算托盘皮带运转方向和运行时间。
以下按两种常见皮带运转方式分析计算y方向居中策略。
(1)如果托盘皮带按启动--匀速运转--停止方式运行，设va为皮带运行速度，那么皮带运行时间为：
这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置。
(2)如果托盘皮带按启动--匀加速运转--匀速运行--匀减速运行--停止方式运行，设加速度a，最大调偏速度为vmax，当托盘皮带从静止(速度0)按加速度a匀加速到最大调偏速度vmax，再按加速度a匀减速到0的转动距离为：
皮带调偏规则如下：
(a)当dy≤ddef时，则托盘皮带从静止按加速度a运行时间为：
再按加速度a从当前速度匀减速为0的时间也为tdis。这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置；
(b)当dy＞ddef时，则托盘皮带从静止按加速度a运行时间为：
接着按最大速度运行时间为：
再按加速度a从当前速度匀减速为0的时间也为tdis1。这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置；
上述为两种常见皮带运转方式y方向居中策略，其他皮带运转方式可以类似计算。
步骤B2、控制单元通知执行单元皮带运转方向和运行时间，执行单元控制托盘皮带运转，将物体移动到y方向中线位置。
步骤B3、控制单元根据x方向偏移值和主环的运行速度，计算落格时间偏移量：
上式中vm为主环速度，dx为x方向偏移值。均为已知。
步骤B4、控制单元在正常居中物体落格时间的基础上提前或延迟tdis通知执行单元皮带运转方向和运行时间，执行单元控制托盘皮带运转，托盘开始转动下包，落包效果完全等同于将包件移动在托盘居中位置再落格。
实施例2基于测距偏移值算法的纠偏控制系统
本发明提出了两种偏移值计算方法，在实际使用中，根据待分拣物体特性，可采用一种算法构建纠偏控制系统，如图2所示为基于测距算法的纠偏控制系统功能结构图，该系统包括位于分拣机主环上方的测距采集单元、测距计算单元、控制单元和执行单元。各单元定义与实施例1相同。
由于只采用一种基于激光测距的偏移值计算方法，控制单元不需要再综合两种偏移值结果，直接将测距偏移值作为物体偏移结果，据此计算托盘皮带运转方向和时间，通知执行单元控制托盘皮带运转，实现物体纠偏功能。
本实施例纠偏控制方法的步骤在实施例1中步骤的基础上删除步骤A2。
实施例3基于图像偏移值算法的纠偏控制系统
本发明提出了两种偏移值计算方法，在实际使用中，根据待分拣物体特性，可采用一种算法构建纠偏控制系统，如图3所示为基于图像处理算法的纠偏控制系统功能结构图，该系统包括位于分拣机主环上方的图像采集单元、图像计算单元、控制单元和执行单元。各单元定义与实施例1相同。
由于只采用一种基于激光测距的偏移值计算方法，控制单元不需要再综合两种偏移值结果，直接将图像偏移值作为物体偏移结果，据此计算托盘皮带运转方向和时间，通知执行单元控制托盘皮带运转，实现物体纠偏功能。
本实施例纠偏控制方法的步骤在实施例1中步骤的基础上删除步骤A1。
Claims (2)
1.一种基于图像的包件分拣机纠偏控制系统，所述分拣机用于包件分拣时，将包件从供包台接入托盘或者将包件从托盘上卸载到指定目的格口，
分拣机托盘沿分拣机主环运行方向定义为x方向，在托盘平面上垂直于主环运行方向为y方向，垂直于托盘平面的方向为z方向，托盘随主环传输线沿x方向运行，同时托盘皮带可沿y方向左右转动，
所述纠偏控制系统包括控制单元、执行单元、图像采集单元和图像计算单元，
控制单元，用于分拣机主环控制，通过执行单元控制托盘皮带运转，
执行单元根据控制单元命令完成托盘皮带运转，实现物体纠偏功能，
图像采集单元为安装在主环上方，用于实时采集物体所在托盘图像，
图像计算单元获取图像，定位托盘和物体并计算物体相对于托盘中心的x、y方向偏移值，
其中，图像计算单元对于物体在x、y方向偏移值计算过程如下，其中，物体即为所述的包件，
步骤A2.1、控制单元将分拣机托盘基准触发信号实时发送给图像采集单元，基准触发信号包含托盘脉冲和托盘号，控制单元通知图像采集单元采集待测物体所在托盘图像；
步骤A2.2、图像采集单元根据托盘基准触发信号采集托盘图像，将图像和对应托盘号发送给图像计算单元；
步骤A2.3、图像计算单元根据图像识别算法定位图像中托盘位置和物体位置，计算物体距离托盘中心的x、y方向偏移值(dx，dy)，
控制单元完成纠偏控制的过程如下：
步骤B1、控制单元根据y方向偏移值dy计算托盘皮带运转方向和运行时间；
步骤B2、控制单元通知执行单元皮带运转方向和运行时间，执行单元控制托盘皮带运转，将物体移动到y方向中线位置；
步骤B3、控制单元根据x方向偏移值和主环的运行速度，计算落格时间偏移量：
上式中vm为主环速度，dx为x方向偏移值，均为已知量；
步骤B4、控制单元在正常居中物体落格时间的基础上提前或延迟tdis4通知执行单元皮带运转方向和运行时间，执行单元控制托盘皮带运转，托盘转动下包。
2.如权利要求1所述的基于图像的包件分拣机纠偏控制系统，其特征在于，所述的步骤B1中，控制单元根据y方向偏移值dy计算托盘皮带运转方向和运行时间，分为以下按两种皮带运转方式分析计算y方向居中策略：
(1)如果托盘皮带按启动--匀速运转--停止方式运行，设va为皮带运行速度，那么皮带运行时间为：
这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置，ddef是托盘皮带运行距离；
(2)如果托盘皮带按启动--匀加速运转--匀速运行--匀减速运行--停止方式运行，设加速度a，最大调偏速度为vmax，当托盘皮带从静止(速度0)按加速度a匀加速到最大调偏速度vmax，再按加速度a匀减速到0的转动距离为：
皮带调偏规则如下：
(a)当dy≤ddef1时，则托盘皮带从静止按加速度a运行时间为：
再按加速度a从当前速度匀减速为0的时间也为tdis3，这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置；
(b)当dy＞ddef1时，则托盘皮带从静止按加速度a运行时间为：
接着按最大速度运行时间为：
再按加速度a从当前速度匀减速为0的时间也为tdis1，这样，当托盘皮带完全停止运动时，物体移动距离为dy，物体正好停在托盘y方向中心位置。
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