CN107703943A - 一种控制多个移动机器人并发运行的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制多个移动机器人并发运行的方法及其系统，属于仓储系统的自动化和智能化技术领域。所述控制方法包括以下步骤：由控制端对运载任务进行分配，为分配的移动机器人进行路径规划，并将路径规划结果发送给移动机器人，移动机器人上报实时位置状态信息，控制端综合处理所有移动机器人上报的位置状态信息判断可能的冲突状况并实时生成冲突避让信息发送给移动机器人，移动机器人在运行过程中根据该避让信息实时避让直至到达终点。所述控制系统包括任务分派模块、路径规划模块、冲突协调模块、消息通信模块、处理器和存储器。本发明尽量避免了移动机器人与控制系统间的有状态交互，可有效减少消息通信量，从而提高系统的整体运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及仓储系统的自动化和智能化技术领域，具体地说，是涉及控制多个移动机器人并发运行的方法及其系统。
背景技术
随着现代电子商务的迅速发展，客户订单量日益剧增，商品库存操作频率极高，品类繁多，数量庞大。传统运营方式下，数据化管理不完善、库位规划不合理、人工操作效率低下等问题严重制约了相关企业的发展。如何利用现代先进的供应链管理、物流业务优化和移动机器人控制技术，实现仓储管理的全流程可视化、自动化、智能化，提高库内和出入库作业效率，降低人力成本，是仓储物流行业亟待解决的问题。
现代化智能仓库大多采用移动机器人来实现库存的自动化操作，其中如何控制多个移动机器人并发运行是重要的研究课题。现有的控制多个移动机器人并发运行的系统，如美国亚马逊公司智能仓库中的控制系统(美国专利号：US7920962B2、US8412400B2、US8649899B2)，采用“移动机器人请求+控制系统应答”的方式进行路径行走控制。首先由控制系统将分配的任务发送给移动机器人，然后移动机器人向控制系统请求路径规划，控制系统规划好路径后再将路径信息发送给移动机器人，一个移动机器人要行走的路径会被划分成多个片段，移动机器人每要行走到一个路径片段前均要向控制系统发送预约该路径片段的请求，控制系统每次均判断该路径片段是否可行并将预约结果发送给移动机器人。在这种控制方式下，移动机器人和控制系统会进行大量的有状态交互(移动机器人每发送一个请求必须等待控制系统的应答)，当机器人数量过多时，会占用大量的消息通信信道，从而影响系统的整体运行效率。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处提供一种控制多个移动机器人并发运行的方法及其系统，本发明尽量避免了移动机器人与控制系统间的有状态交互，可以有效地减少消息通信量，从而提高系统的整体运行效率。
为到达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提出一种控制多个移动机器人并发运行的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤；
1)控制端将运载任务分配给移动机器人；
2)控制端根据分配给移动机器人的运载任务所指定的起点和终点以及其他移动机器人的行驶状态规划一条行驶路径；
3)控制端将步骤2)获得的被分配移动机器人的行驶路径与其他移动机器人的行驶路径进行比较，并将该行驶路径发送给被分配的移动机器人，若该移动机器人与其他任意一个移动机器人的行驶路径存在冲突区域，则在每个冲突区域处生成一个冲突观察者，每个冲突区域只涉及两个移动机器人之间的冲突，执行步骤4)；
4)相应移动机器人往终点行驶并实时向控制端发送自己的位置状态信息；
5)控制端根据接收到的所有移动机器人的位置状态信息触发各冲突观察者进行观察，判断是否出现冲突触发状况或冲突消失状况，所述冲突触发状况为较先驶入冲突区域的移动机器人的位置首次对较后驶入冲突区域的移动机器人的行驶路径造成堵塞的状况，所述冲突消失状况为较先驶入冲突区域的移动机器人最新的位置不再堵塞较后驶入冲突区域的移动机器人的行驶路径的状况：若冲突观察者判断出现冲突触发状况则控制端向较后驶入冲突区域的移动机器人发送设置避让信息，较后驶入冲突区域的移动机器人根据接收到的设置避让信息行驶至设置避让信息中指定的冲突避让点，若到达该点后仍存在堵塞情况则较后驶入冲突区域的移动机器人停止前进，否则继续前进，然后执行步骤6)；若冲突观察者判断出现冲突消失状况则向较后驶入冲突区域的移动机器人发送取消避让信息，控制端删除该冲突观察者，较后驶入冲突区域的移动机器人根据接收到的取消避让信息恢复行驶，然后执行步骤6)；若冲突触发状况或冲突消失状况均未出现，则执行步骤6)；
6)控制端判断被分配移动机器人是否达到运载任务终点，若是，则执行步骤7)；否则重复执行步骤4)～5)；
7)被分配移动机器人执行完相应运载任务后等待下一次运载任务；若还有下一个运载任务，则执行步骤1)。
本发明还提出一种根据所述控制多个移动机器人并发运行的方法的系统，其特征在于，该系统包括任务分派模块、路径规划模块、冲突协调模块、消息通信模块、处理器以及存储器；各模块及存储器均与处理器连接，所述消息通信模块与移动机器人连接；其中，
所述任务分派模块，用于生成分配给各移动机器人的运载任务；
所述路径规划模块，用于根据被分配的移动机器人的起点和终点以及其他移动机器人的行驶状态为被分配的移动机器人规划一条行驶路径；
所述冲突协调模块，用于在多个移动机器人同时运行存在路线冲突时对这些冲突状况进行避让，即该冲突协调模块在所述路径规划模块为移动机器人规划好行驶路径后，根据其他移动机器人的位置状态信息，生成冲突观察者，用于监控后续冲突状况的触发和取消；
所述消息通信模块，用于收发与外界沟通的信息；
所述处理器，用于处理执行各功能模块的指令；
所述存储器，用于存储该系统需要用到的各种信息。
本发明的特点及有益效果：本发明在分配任务后无需发送给移动机器人，而是在路径规划完成并预测完可能发生的冲突状况(生成冲突观察者)后再把完整的任务和路径信息发送给移动机器人，移动机器人只需实时上报任务状态(无需等待应答)，无需向控制系统发送路径片段的预约请求，只有当出现冲突状况时，才会给移动机器人发送冲突规避信息。本发明尽量避免了移动机器人与控制系统间的有状态交互，可以有效地减少消息通信量，从而提高系统的整体运行效率。
附图说明
图1是本发明所提出的控制多个移动机器人并发运行的方法的一种实施例的示意图。
图2是本发明实施例所涉及的冲突区域的示意图。
图3是本发明所提出的控制多个移动机器人并发运行的系统的一种实施例的结构示意图。
图4是本发明实施例所涉及的仓库场地布局的示意图。
图5是本发明实施例所涉及的库存货架的示意图。
图6是本发明实施例所涉及的移动订单车的示意图。
图7是本发明实施例所涉及的操作站位的示意图，其中图7a表示入库操作站位，图7b表示库内操作站位，图7c表示出库操作站位。
具体实施方式
下面通过本发明的实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
图1是本发明所提出的控制多个移动机器人并发运行的方法的一种实施例的流程示意图，具体包括以下步骤：
1)控制端将运载任务分配给移动机器人；本实施例的运载任务是根据库存操作订单转化而成；
2)控制端根据分配给移动机器人的运载任务所指定的起点和终点以及其他移动机器人的行驶状态规划一条行驶路径；控制端根据避让拥堵(即在路径规划时优先选择没有或尽量少的其他机器人行走的路段)或者路径最短原则进行路径规划；
3)控制端将步骤2)获得的被分配移动机器人的行驶路径与其他移动机器人的行驶路径进行比较，并将该行驶路径发送给被分配的移动机器人，若该移动机器人与其他任意一个移动机器人的行驶路径存在冲突区域，则在每个冲突区域处生成一个冲突观察者，每个冲突区域只涉及两个移动机器人之间的冲突，执行步骤4)；
4)相应移动机器人往终点行驶并实时(一般以1秒发送10次左右，周期发送)向控制端发送自己的位置状态信息；
5)控制端根据接收到的所有移动机器人的位置状态信息触发各冲突观察者进行观察，判断是否出现冲突触发状况或冲突消失状况，所述冲突触发状况为较先驶入冲突区域的移动机器人的位置首次对较后驶入冲突区域的移动机器人的行驶路径造成堵塞的状况，所述冲突消失状况为较先驶入冲突区域的移动机器人最新的位置不再堵塞较后驶入冲突区域的移动机器人的行驶路径的状况：若冲突观察者判断出现冲突触发状况则控制端向较后驶入冲突区域的移动机器人发送设置避让信息，较后驶入冲突区域的移动机器人根据接收到的设置避让信息行驶至设置避让信息中指定的冲突避让点，若到达该点后仍存在堵塞情况则较后驶入冲突区域的移动机器人停止前进，否则继续前进，然后执行步骤6)；若冲突观察者判断出现冲突消失状况则向较后驶入冲突区域的移动机器人发送取消避让信息，控制端删除该冲突观察者，较后驶入冲突区域的移动机器人根据接收到的取消避让信息恢复行驶，然后执行步骤6)；若冲突触发状况或冲突消失状况均未出现，则执行步骤6)。图2是本发明一个实施例中冲突区域90的示意图，在该图中，控制端给移动机器人40a规划的行驶路径为：节点8a-节点8b-节点8c-节点8d-节点8e-节点8f-节点8g，此时有另一个移动机器人40b正在行驶的路径为：节点8k-节点8j-节点8i-节点8d-节点8c-节点8h；在该例中生成的冲突观察者所要观察的冲突区域90的位置包括节点8b、8c、8d、8i；为移动机器人40a设置的冲突避让点为节点8b，为移动机器人40b设置的冲突避让点为节点8i；如果移动机器人40b较移动机器人40a先进入冲突区域，则控制端向移动机器人40a发送设置避让信息(设置避让信息中指定节点8b为避让点)，当移动机器人40a行驶至避让点的节点8b时，若移动机器人40b仍位于冲突区域90内，则移动机器人40a停止前进，待移动机器人40b离开冲突区域后，控制端向移动机器人40a发送取消避让信息，并由控制端删除该冲突观察者，移动机器人40a按照原始规划路径继续前进；反之，如果移动机器人40a较移动机器人40b先进入冲突区域90，则控制端向移动机器人40b发送设置避让信息(设置避让信息中指定8i为避让点)，当移动机器人40b行驶至避让点的节点8i时，若移动机器人40a仍位于冲突区域90内，则移动机器人40b停止前进，待移动机器人40a离开冲突区域90后，控制端向移动机器人40b发送取消避让信息，并由控制端删除该冲突观察者，移动机器人40b按照原始规划路径继续前进。
6)控制端判断被分配移动机器人是否达到运载任务终点，若是，则执行步骤7)；否则重复执行步骤4)～5)；
7)被分配移动机器人执行相应运载任务后等待下一次运载任务；若还有下一个运载任务，则执行步骤1)。
所述步骤1)中的任务分配操作可按照如下方式进行：该任务分配操作可周期(根据任务的频繁程度选择周期长短)性地执行，控制端周期性地将正在排队的运载任务与空闲的移动机器人进行匹配得到分配方案；或者根据移动机器人空闲事件触发任务分派操作，即一旦有移动机器人空闲，将排队的首个运载任务分配给该移动机器人。
基于上述控制多个移动机器人并发运行的方法，本发明还提出一种控制多个移动机器人并发运行的系统50，图3是本发明所提出的控制多个移动机器人并发运行的系统的一种实施例的结构示意图，该系统包括任务分派模块57、路径规划模块58、冲突协调模块59、消息通信模块55、处理器51以及存储器52；各模块及存储器52均与处理器51连接，消息通信模块55与移动机器人连接；其中，
所述任务分派模块57，用于生成分配给各移动机器人的运载任务；该任务分派模块周期地执行任务分派活动，每次都将正在排队的运载任务与空闲的移动机器人进行匹配得到分配方案；或者该任务分派模块由移动机器人空闲事件触发任务分派活动，一旦有移动机器人空闲，将排队的首个运载任务分配给该移动机器人；
所述路径规划模块58，用于根据被分配的移动机器人的起点和终点以及其他移动机器人的行驶状态为被分配的移动机器人规划一条行驶路径；该路径规划模块在为移动机器人规划行驶路径时考虑其他移动机器人的行驶状态，选择避免拥堵路段或是根据路径最短原则进行路径规划；
所述冲突协调模块59，用于在多个移动机器人同时运行存在路线冲突时对这些冲突状况进行避让；具体地，该冲突协调模块59在路径规划模块58为移动机器人规划好行驶路径后，根据其他移动机器人的位置状态信息，生成冲突观察者，用于监控后续冲突状况的触发和取消；
所述消息通信模块55，用于收发与外界沟通的信息，包括本控制系统50发送给移动机器人的行驶路径信息、冲突避让信息、移动机器人发送给本控制系统50的位置状态信息等；根据控制系统的功能要求(如移动机器人位置监控、电量监控、姿态监控等)，通信的信息可以涉及各种信息；信息通信的方式可以是无线的，也可以是有线的；
所述处理器51，用于处理执行各功能模块的指令；该处理器51可采用通用计算机、微型计算机，也可以是可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列系统(FPGAs)；
所述存储器52，用于存储系统需要用到的各种信息(如运载任务信息、行驶路径信息、冲突避让信息等)；该存储器可采用随机存取存储器(RAM)、只读内存器(ROM)、磁盘、软盘等。
本发明系统可集中设置在仓库机房的计算机中，也可分散式布置在仓库中多处设置的计算机中。本发明系统内的各个模块均采用本领域常规编程技术予以实现。
本发明可应用于设置在如图4所示仓库场地10中的多个移动机器人的并发运行控制。该仓库场地10内，设有入库操作站位11a、出库操作站位11c、库内操作站位11b、空闲停靠站位11d和车辆充电站位11e共五类站位，其中入库操作站位11a和出库操作站位11c分别设置在仓库的入口和出口，库内操作站位11b设置在库存货架30的旁边，移动机器人40在仓库场地10内部的各站位之间来回穿梭。
在不同的实施例中，移动机器人40和操作站位11的数量可能是不一样的，可以根据实际的仓库布局情况和业务流程进行部署规划。
图5是本发明实施例所涉及的库存货架的示意图。本发明所涉及的库存货架30为典型的各类无需搬运的库存货架。该实施例中库存货架30的框架31上放置多个载货筐41b，载货筐41b里面用于存放拆零商品21，且每个载货筐41b所在位置设置有电子看板提示装置32，各库位按照位置邻近原则分组，即根据订单操作要求，可以将若干相邻的框架31分成一组，每组旁边设置一个库内操作站位11b，由该站位的操作人员60b负责该组货架的库存操作。当需要取货或放货时，电子看板提示装置32可以提示取货或放货商品的位置和数量信息，方便操作人员60b准确、快速地进行操作。
另一种实施例中，库存货架30上没有载货筐41b，而是由框架31分成不同的隔断分别存储拆零商品21。
另一种实施例中，电子看板提示装置32不存在，仅由移动机器人40上的显示器一体机46进行提示。
图6是本发明实施例所涉及的移动机器人40的结构示意图，该移动机器人为移动订单车。移动订单车40包括：车体42、设置于所述车体42底部的车轮43、与车轮43传动连接的驱动机构、以及导航控制单元(图中未示出)，导航控制单元接收所述控制多个移动机器人并发运行的系统50发送的运载任务，控制驱动机构驱动车轮43行驶至指定位置，车体42上固定有竖直方向设置的安装架44，所述安装架44上固定有若干层用于支撑载货筐41a的支撑板45，安装架44的顶部固定有显示器一体机46、扫描枪47，显示器一体机46和扫描枪47相连接。显示器一体机46用于取货或放货库位、品名、编码、数量的显示。扫描枪47用于货物条码扫描，条码扫描后显示器一体机46会显示该拆零商品21信息以及需要放置的载货筐41a位置。所述置架支撑板45上设置有用于标识该支撑板位置信息的身份标识装置，所述身份标识装置至少显示有该身份标识装置所对应的载货筐41a位置编码48。所述导航控制单元及显示器一体机46均通过无线网络接入所述控制多个移动机器人并发运行的系统50。
图7是本发明实施例所涉及的操作站位的示意图，其中图7a表示入库操作站位，图7b表示库内操作站位，图7c表示出库操作站位。
入库操作站位11a用于与移动机器人40对接，操作人员60a将补货的整存商品20拆零后用移动机器人40上的扫描枪47扫描确认后根据显示器一体机46的提示放入移动机器人上的载货筐41a中，此时每个载货筐41a对应一类入库拆零商品21，由移动机器人按照控制多个移动机器人并发运行的系统要求运往仓库场地内的库内操作站位11b补给库存。
库内操作站位11b用于与移动机器人40对接，当执行补给上架操作时，操作人员60b根据移动机器人40上的显示器一体机46的提示从移动机器人上的载货筐41a中取出用于补货的拆零商品21，经过扫描枪47扫描确认后放入库存货架30上的载货筐41b中；当执行出库拣选操作时，操作人员60b根据移动机器人40上的显示器一体机46的提示，从库存货架30上的载货筐41b中拣选拆零商品21，经过移动机器人上40上的扫描枪47扫描确认后放入移动机器人上的载货筐41a中；当执行库内移货操作时，操作人员60b根据根据移动机器人40上的显示器一体机46的提示，从库存货架30上的载货筐41b中取出拆零商品21，经过移动机器人上40上的扫描枪47扫描确认后放入移动机器人上的载货筐41a中，或者从移动机器人40上的载货筐41a中取出拆零商品21，经过扫描枪47扫描确认后放入库存货架30上的载货筐41b中。
出库操作站位11c用于与移动机器人对接，出库操作人员60c用手持终端扫描移动订单车上的载货筐41a对应支撑板45上的载货筐位置编码48以确认订单，并复核打包，此时每个载货框41a对应一个出库订单。
除了以上操作站位，在仓库场地中还设有两类功能站位：空闲停靠站位11d和车辆充电站位11e。空闲停靠站位11d用于存放空闲且电量充足的移动机器人40。车辆充电站位11e用于为电量不足的移动机器人40充电。
另一种实施例中，各操作站位11没有操作人员60，而是由机器人进行自动操作。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种控制多个移动机器人并发运行的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤；
1)控制端将运载任务分配给移动机器人；
2)控制端根据分配给移动机器人的运载任务所指定的起点和终点以及其他移动机器人的行驶状态规划一条行驶路径；
3)控制端将步骤2)获得的被分配移动机器人的行驶路径与其他移动机器人的行驶路径进行比较，并将该行驶路径发送给被分配的移动机器人，若该移动机器人与其他任意一个移动机器人的行驶路径存在冲突区域，则在每个冲突区域处生成一个冲突观察者，每个冲突区域只涉及两个移动机器人之间的冲突，执行步骤4)；
4)相应移动机器人往终点行驶并实时向控制端发送自己的位置状态信息；
5)控制端根据接收到的所有移动机器人的位置状态信息触发各冲突观察者进行观察，判断是否出现冲突触发状况或冲突消失状况，所述冲突触发状况为较先驶入冲突区域的移动机器人的位置首次对较后驶入冲突区域的移动机器人的行驶路径造成堵塞的状况，所述冲突消失状况为较先驶入冲突区域的移动机器人最新的位置不再堵塞较后驶入冲突区域的移动机器人的行驶路径的状况：若冲突观察者判断出现冲突触发状况则控制端向较后驶入冲突区域的移动机器人发送设置避让信息，较后驶入冲突区域的移动机器人根据接收到的设置避让信息行驶至设置避让信息中指定的冲突避让点，若到达该点后仍存在堵塞情况则较后驶入冲突区域的移动机器人停止前进，否则继续前进，然后执行步骤6)；若冲突观察者判断出现冲突消失状况则向较后驶入冲突区域的移动机器人发送取消避让信息，控制端删除该冲突观察者，较后驶入冲突区域的移动机器人根据接收到的取消避让信息恢复行驶，然后执行步骤6)；若冲突触发状况或冲突消失状况均未出现，则执行步骤6)；
6)控制端判断被分配移动机器人是否达到运载任务终点，若是，则执行步骤7)；否则重复执行步骤4)～5)；
7)被分配移动机器人执行完相应运载任务后等待下一次运载任务；若还有下一个运载任务，则执行步骤1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的任务分配操作按照如下方式进行：控制端周期性地将正在排队的运载任务与空闲的移动机器人进行匹配得到分配方案；或者根据移动机器人空闲事件触发任务分派操作，即一旦有移动机器人空闲，将排队的首个运载任务分配给该移动机器人。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中为移动机器人规划的行驶路径通过避让拥堵或路径最短原则生成。
4.一种根据权利要求1～3任意一项所述控制多个移动机器人并发运行的方法的系统，其特征在于，该系统包括任务分派模块、路径规划模块、冲突协调模块、消息通信模块、处理器以及存储器；各模块及存储器均与处理器连接，所述消息通信模块与移动机器人连接；其中，
所述任务分派模块，用于生成分配给各移动机器人的运载任务；
所述路径规划模块，用于根据被分配的移动机器人的起点和终点以及其他移动机器人的行驶状态为被分配的移动机器人规划一条行驶路径；
所述冲突协调模块，用于在多个移动机器人同时运行存在路线冲突时对这些冲突状况进行避让，即该冲突协调模块在所述路径规划模块为移动机器人规划好行驶路径后，根据其他移动机器人的位置状态信息，生成冲突观察者，用于监控后续冲突状况的触发和取消；
所述消息通信模块，用于收发与外界沟通的信息；
所述处理器，用于处理执行各功能模块的指令；
所述存储器，用于存储该系统需要用到的各种信息。
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