CN108614564A - 一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，它是由信息处理系统、货架系统及移动机器人系统三部分组成；信息处理系统负责对外来的获评订单进行处理，生成信息素二维码，并将信息传送到货架系统中对应的货架，移动机器人个体ji识别地面的信息素二维码移动到对应的子货架ki取货位置进行取货，此时子货架ki识别移动机器人ji信息，更新货架系统信息待取物品信息，并将更新的信息传回到信息处理系统；本发明技术手段成熟，具有低耦合性和强拓展性，经济性好，维护成本低，可靠性高，具有推广应用前景。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于信息素导航的集群仓储移动机器人系统，它涉及物流仓储技术及集群机器人设计领域。
背景技术
随着“中国制造2025”的提出，全社会对于智能化、便捷化、柔性化的要求越来越高，这使得“人工智能+仓储”的模式在全社会获得了十足的发展空间。同时随着商品种类的日益丰富以及人工成本的快速攀升，智能化的关灯仓储也正在以加速的方式走进我们的生活。伴随着社会生产力水平的不断进步、居民生活水平的日益提高，电子商务成为人们消费的重要渠道之一，物流仓储成为各大电商所关注的重点。时效性以及准确性是物流仓储尤其是分拣配货流程的两个核心指标，传统“人到货”的分拣模式已经逐步被业界淘汰，一种智能化、高效化的仓储分拣模式正在大踏步的走入生产生活。
对于本发明我们选择了低耦合的方式设计和布局，具体的方案我们将从机器人的导航系统与智能集群仓储的控制系统两个角度进行介绍。
现有的仓储系统中机器人的导航系统主要采用两种方式：标记物导航与激光雷达导航。其中标记导航有电磁路线导航、光学路线导航以及二维码导航。电磁路线导航通过在地面布置电磁线圈，从而对机器人指引方向，但容易受到仓库内复杂的电磁环境的干扰使得机器人偏航；光学路线导航与电磁路线导航相似，通过布置光学引导线引导机器人运动；二维码导航通过在仓库内布置导航坐标二维码，机器人扫描二维码即可确定当前坐标，这种方法由于二维码在编码的过程中进行冗余设计，从而在二维码部分被遮挡的条件下依然可以读取正确的信息，不易受到干扰。激光导航是一种新兴的导航模式，通过对激光雷达动态扫描得到的数据进行建模，可以获得机器人的周围障碍信息，与机器人存储的全局地图进行耦合，即可实现机器人的避障与导航功能，但是由于其设备价格高昂，采用这种导航模式的机器人成本高于标记导航模式的机器人。
现有的仓储系统机器人的控制模式主要还是采取集中式控制方法，即通过上位机与所有机器人进行通讯，“点对点”地规划每个机器人的任务以及运动路线，这种方法具有结构简单、易于实现等优点，但是存在以下的问题：一是系统的可靠性低，由于集中式结构是通过上位机从而控制所有机器人，当上位机发生故障或者无线通信出现问题的时候，则使得全局或者部分机器人失控，容易导致系统崩溃；二是可扩展性差，当系统由于业务的需要进行扩展时，由于上位机的IO能力有限，系统对于大规模的机器人任务控制能力将受到限制，从而影响系统的扩展。
本发明针对于以上的问题及趋势提出了一种有效的解决方案。本方案主要将智能机器人应用于仓库中，形成一种以机器人为工作主体的智能集群仓储的模式。文中涉及到仓库内部的布局分配、功能区分配以及具体的实施框架。通过对智能集群仓储通过宏观设计层面进行功能性解耦，使得整个系统拥有更强的控制能力，同时又具备功能完整性及强拓展性，使得此方法可以在大中小型的智能集群仓储中都能够有效的应用。由于系统的强拓展性，就可以让一个智能仓库在进行后期改建扩建的过程中可以直接进行扩展，或者根据需求进行小规模的的改变，有效的节约了改造升级的成本。
系统进行了良好的解耦过程，在面对大型系统不会由于系统的复杂度增加而成指数性的增加系统硬件的运算需求，从而导致系统的崩溃。通过解耦将系统的大量运算转化到每一个机器人中分别进行，充分的展现了集群系统的优势。
综上所述，传统的人工分拣模式不能很好的胜任高分拣速度、高吞吐量的分拣环境，而现有的智能集群仓储机器人系统在大规模控制、可扩展性等方面存在很多不足，而这些不足在现阶段影响较小，但随着电商的发展，将影响仓储系统业务的扩展以及应对快速增长的物流分拣能力的需求。从长远来看，智能集群仓储的解决方案应具备更好的拓展性、良好的经济性，集群仓储的快速应用一定会更大助力智能制造的生根发芽，基于此提出了一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统。
发明内容
本发明主要提出了一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，通过该方法来实现仓储机器人系统的构造。该仓储机器人系统由信息处理系统，货架系统及移动机器人系统组成。主要构建以信息素为导航信息的智能集群仓储系统，来实现仓储的智能化。
(一)发明的目的
针对现有技术中存在的缺陷及市场的空白，本发明的目的在于提出一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，能够实现仓储系统具备高效分拣多并发的分拣任务的能力同时，系统具备较强的经济性及拓展性，从而使企业的智能集群仓储实施难度降低，提高企业运营效率及收益。本系统结结合了集群控制的相关技术及算法，实现仓储系统的集群智能化；结合单片机及相关硬件实现了仓储硬件的智能化。
(二)技术方案
为了实现发明目的，本发明采用的技术方案是：
本发明是一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，它是由信息处理系统、货架系统及移动机器人系统三部分组成；它们之间的关系如图1所示：信息处理系统负责对外来的获评订单进行处理，生成信息素二维码，并将信息传送到货架系统中对应的货架，移动机器人个体ji识别地面的信息素二维码移动到对应的子货架ki取货位置进行取货，此时子货架ki识别移动机器人ji信息，更新货架系统信息待取物品信息，并将更新的信息传回到信息处理系统；
1.信息处理系统
所述信息处理系统是由计算机、通信模块及显示模块组成；其中通信模块即为具有无线通信功能的硬件，显示模块即为具有文字或者图像等显示功能的硬件；该计算机作为信息处理系统的上位机(可以直接发出操控命令的计算机，如个人电脑、工作站等)，称为上位机1(为了命名方便，各个硬件对应的后续编号表示该硬件对应的子系统编号，此处将信息处理系统编号为1、货架系统编号为2、移动机器人系统编号为3，因为此处的上位机出现在信息处理系统中，因此命名为上位机1)需要与外部系统通过有线网络的方式连接；该通信模块1以并联的方式通过转接器(如通用串行总线接口转晶体管-晶体管逻辑电平接口转换器，后文称“USB to TTL”转换器)连接到该上位机1；该显示模块1即电子显示屏布局在储物区的道路交叉口处，以并联的方式通过转接器(如通用串行总线接口转串行外设接口，后文称“USB to SPI”转换器)连接到该上位机1；
所述信息处理系统具有动态信息素二维码处理功能及发布功能、通信功能；
以上提及的两个功能即发布功能和通信功能都需要依托于上位机1，上位机1应该选择一个或一组计算能力较强的计算机(或服务器)，在本发明中选用的型号为“ThinkStation P510RAM 32G SSD 512G安装Windows7 64位系统”，后续过程中默认所有的该子系统功能模块(具有感知、交互等功能的一类硬件的总称)都有该硬件的支持；以下的所有功能模块描述都需要软硬件的配合才能实现对应的功能，在本发明中仅对硬件需求进行说明，对于软件算法(订单信息的具体拆分处理的方法)不做详细说明；
该动态信息素二维码处理功能及发布功能需要上位机1作为辅助，该上位机1根据接收的订单信息及仓库内的待搬运货品信息的更新，结合信息素处理方法(信息素：一种用于多个体或者多系统间交互的一种信息模式；信息数素处理方法：一种将订单信息拆分，计算，最终产生信息素的一种方法)产生动态二维码并发布，通过显示模块1显示出来；该显示模块1选用薄膜晶体管液晶显示屏(后文称，TFT-LCD显示屏)，具体型号为“ILI9341VST7789V”；
该通信功能需要一组或者多组通信模块，上位机1根据接收的订单信息，将订单信息进行拆分，并以一定的数据格式，通过通信模块1进行全局广播；该通信模块1选用zigbee模块(zigbee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术)，具体型号为“CC2530”)；
以上的硬件都将布局在仓库内部，目的是使仓库搬运信息的动态更新。
2.货架系统
所述货架系统中的每一个子货架ki是由单片机即上位机2、伺服电机2、RFID识别模块2及通信模块2组成；该单片机作为子货架ki的上位机，将其称为上位机2；该伺服电机2连接电源，并通过GPIO口(通用输入/输出端口)与该上位机2连接接收控制指令；该RFID识别模块2(RFID：射频识别技术，又称无线射频识别，是一种通信技术)，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触；RFID识别模块2：应用RFID技术进行信息识别的硬件；上文中已经说明，为了命名方便，各个硬件对应的后续编号表示该硬件对应的子系统编号，此处将信息处理系统编号为1、货架系统编号为2、移动机器人系统编号为3，此处的RFID识别模块出现在货架系统中，因此命名为RFID识别模块2)连接电源，并通过GPIO口与该上位机2连接；该通信模块2通过GPIO口与该上位机2连接；
所述系统中的每一个子货架ki具有通信功能、移动机器人身份识别功能及货物投放功能；
以上提及的三个功能即通信功能、移动机器人身份识别功能及货物投放功能都需要依托于一个有一定计算能力的单片机，该单片机2选用raspberry B+安装Ubuntu mate16.04系统(raspberry B+是树莓派的一种型号，Ubuntu mate 16.04系统是乌班图系统的一个型号)，作为上位机2，后续过程中不再详细此需求，默认所有的功能模块都有该硬件的支持；以下的所有功能模块描述都需要软硬件的配合才能实现对应的功能，在本发明中仅对硬件需求进行说明，对于软件方法(控制货架相关活动的软件控制方法)不做详细说明；
该通信功能需要一个或多个通信模块2，子货架ki上位机2通过通信模块接收由信息处理系统以全局广播模式传出的数据，并判定接收的数据是否与自身有关，如果有关则保存，否者忽略；该通信模块2选用zigbee模块，具体型号为“CC2530”；
该移动机器人识别功能需要一个RFID识别模块2，当有移动机器ji人到达取货位置时，RFID模块被触发识别出移动机器人ji的信息并将信息传回到该上位机2中；该RFID识别模块2选用的具体型号为“KLM400”；
该货物投放功能需要多个伺服电机2，子货架ki上位机2接收到移动机器人ji信息后，将会给有搬运任务的伺服电机2发送指令，伺服电机2通过运动将待搬运的一个货品通过下降通道(货品从货架向下下降过程中的通道)及集货斗(在货架下降通道底部，用于对货品的收集，方便货品装载)投放到移动机器人ji的货仓中；该伺服电机2选用型号为“57BYG250B”；
以上的硬件都将搭载于子货架ki之上或周边，目的是实现货架的智能化；
3.移动机器人系统
所述移动机器人系统中的每一个移动机器人ji是由单片机、伺服电机、全向轮、摄像头、循迹传感器、超声波距离传感器、红外避障传感器、IC卡片及必要物理底盘框架组成；其中循迹传感器是用于对不同轨迹进行辨别跟踪的硬件、超声波距离传感器是利用超声波进行距离测定的硬件、红外避障传感器是利用红外线对行障碍物是否存在进行判定的硬件；该单片机由于对应的功能不同，选用了两种型号的，分别是单片机3.1作为移动机器人ji用的上位机3、单片机3.2作为移动机器人ji用的下位机3(与上位机功能类似，但是需要同时接受上位机的控制指令的计算机或者有一定计算功能的硬件)，上位机3与下位机3通过UART(通用异步收发传输器，通常被集成于其他通讯接口的连结上)串口连接，用于接收上位机3传输的控制指令；该伺服电机3由于对应的功能需求不同选用了两种伺服电机，伺服电机3.1是用在底盘上的三个伺服电机，分别连接到该下位机3的GPIO口，直接接收该下位机3的控制指令，伺服电机3.2是被作为卸货动力提供装置的电机，将其部分接口通过电源转换器与电源(电池)连接，其余控制接口连接到该上位机3的GPIO口，直接接收该上位机3的控制指令；全向轮3直接安装到伺服电机3.1的动力输出端；摄像头3通过CSI接口(相机串行接口)直接与该上位机3连接；该循迹传感器3通过GPIO口与该上位机3连接；该红外避障传感器3通过GPIO口与该上位机3连接；该IC卡片写入信息后直接粘贴到移动机器人ji底部即可；以上提及的所有模块即单片机3.1/3.2、伺服电机3.1/3.2、全向轮3、摄像头3、循迹传感器3、超声波距离传感器3、红外避障传感器3和IC卡片都需要安装在物理底盘框架的相应位置；
所述移动机器人系统中的每一个移动机器人ji具备基础运动(移动机器人的前后运动及转弯等运动功能)、二维码识别(将信息素二维码解码为数据)、自动避障(自动躲避障碍物)、循迹(寻找并按照既定的轨迹运动)、信息交互及货品装卸等功能，以下我们将会对移动机器人ji进行硬件搭建的方法叙述；
以上提及的所有功能即基础运动、二维码识别、自动避障、循迹、信息交互及货品装卸等功能都需要依托于一个有一定计算能力的单片机3.1，该单片机3.1选用raspberryB+安装Ubuntu mate 16.04系统，作为上位机3，后续过程中不再详细此需求，默认所有的功能模块即伺服电机、摄像头、循迹传感器、超声波距离传感器和红外避障传感器都有该硬件的支持；以下的所有功能模块描述都需要软硬件的配合才能实现对应的功能，在本发明中仅对硬件需求进行说明，对于软件方法(移动机器人根据信息素进行运动的软件控制方法)不做详细说明；
该基础运动功能需要单片机3.2、动力输出装置、全向轮及物理底盘框架，该单片机3.2作为动力输出装置的控制器，也称下位机3，通过接收该上位机3的控制信息，结合内置的PID(比例微分积分)控制算法来控制动力输出装置，使移动机器人ji向该上位机3要求的方向运动；该单片机3.2选用STM32单片机，具体型号为“F103C8T6”；该动力输出装置选用伺服电机3，具体型号为“RA640”；该全向轮3选用的具体型号为“omni wheel 14145”；该物理底盘框架选用轮对为3毫米的钢板制造；
该二维码识别功能需要的一个高清摄像头，通过该摄像头3对行走的路面信息进行拍摄，并将信息传输到该上位机3，该上位机3通过识别方法捕捉到二维码信息，并进行识别解码，提取信息素，随后根据运动选择方法(一种用于运动方向及运动速度选择的软件控制方法)选择接下来的运动方向；该摄像头3选用的型号为“Raspberry Pi Camera ModuleV2DEV-14028”；
该自动避障功能需要的硬件包含一个超声波距离传感器3及两个红外避障传感器3，通过超声波距离传感器3及红外避障传感器3的回传信息，结合控制方法，该上位机3对下一步的运动进行规划，将控制指令传输到下位机3，产生下一步运动；该超声波距离传感器3选用型号为“ks103 1cm-8M”；该红外避障传感器3选用的型号为“N-C-0101-3”；
该循迹功能需要的硬件是一组循迹传感器3，通过循迹传感器3的回传信息，结合避障方法(躲避障碍的一种软件控制方法)及相应的PID控制方法，将下一步的运动指令传输到该下位机3，产生下一步运动；该循迹传感器3选用8位循迹导航传感器，具体型号是“CCF-G08-OC”；
该信息交互功能需要一个静态的IC卡片，该IC卡片内部写入对应车辆的ID信息，直接粘贴在移动机器人ji底部，该IC卡的尺寸是直径为20厘米的圆形；
该货品装卸功能是需要一个大小合适的货仓及卸货动力装置安装在移动机器人ji上部，当上位机3通过摄像头3确定目前位置为子货架ki的出货口时，移动机器人ji停止运动，等待装载货品后，走出子货架ki底部，快速移动到出货口，进行货品卸载作业；在货品卸载时，需要该上位机3通过摄像头3识别二维码，判定移动机器人ji移动到卸载位置，通该上位机3对伺服电机3.2发送控制指令，使货品卸载，在货品卸载后，延时一下，该上位机3再次发送指令，使货仓3复位；该货仓3选用的是半径为30厘米深度为10厘米的圆形无盖箱体；该卸货动力装置3选用的伺服电机作为动力输出，具体型号为“DK-DJ-24/540”；
以上的硬件都将安装在物理底盘框架之上，目的是使移动机器人ji实现智能化；
对于以上所述的信息处理系统、货架系统及移动机器人系统中，所有的硬件构成都可以根据实际需要进行一定的更换，目的是满足更好的智能仓库的物流需求。
(三)优点和功效
本发明具有如下的创新点：
1、低耦合性：本发明通过系统功能分割的方式将产品分为两个主要部分，信息处理系统及机器人系统分别通过对二维码的编码和解码来实现信息处理系统与移动机器人系统的交互，达到了低耦合的目的。
2、强拓展性：本发明采用了分布式集群控制方式，总控系统无需与所有的机器人建立点对点实时控制的连接，而是采用构建分拣订单信息素的方式间接地控制所有机器人，从而降低了控制的复杂度。由于每个机器人通过信息处理系统的地面二维码获取搬运任务信息素，对于整个系统来讲就不会出现由于系统中货物种类或者机器人的数量增加而产生的计算复杂度呈现指数增长的情况，从而使得系统具有了更高的拓展性。
3、经济性好：本发明使用的硬件多数为标准件，制造及搭建成本上都有较好的经济性，同时在进行后期维护时也会降低维护成本。
4、实施简单：本发明大多使用的是市场上比较成熟的技术手段，实施难度较低，可靠性较高。
综上，这种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，可以较方便直接的解决智能集群仓储系统搭建的相关问题。
附图说明
图1是本发明的系统整体硬件结构关系框图。
图2是货架系统子货架ki示意图。
图3是移动机器人ji示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
图1中的上位机Ⅰ型号为“ThinkStation P510RAM 32G SSD 512G安装Windows764位系统”；
图1中的上位机Ⅱ和上位机Ⅲ型号为“raspberry B+安装Ubuntu mate 16.04”；
图1中的为信息交互；
图2中的①部分为货品下降通道；
图2中的②部分为集货斗；
图2中的③部分为货架隔板；
图3中的①部分为货仓；
图3中的②部分为卸货动力装置连接关节；
图3中的③部分为全向轮。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案更加清楚，下面将结合附图及具体实施案例进行详细描述。应当理解，此处所描述的实施实例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的目的在于提出一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，能够实现仓储系统具备高效分拣多并发的分拣任务的能力同时，系统具备较强的经济性及拓展性，从而使企业的智能集群仓储实施难度降低，提高企业运营效率及收益。本系统结结合了集群控制的相关技术及算法，实现仓储系统的集群智能化；结合单片机及相关硬件实现了仓储硬件的智能化。
本发明是一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，见图1所示，它是由信息处理系统、货架系统及移动机器人系统三部分组成。它们之间的关系是：信息处理系统负责对外来的获评订单进行处理，生成信息素二维码，并将信息传送到货架系统中对应的货架，移动机器人个体ji识别地面的信息素二维码移动到对应的货架k取货位置进行取货，此时子货架ki识别移动机器人信息，更新货架系统信息待取物品信息，并将更新的信息传回到信息处理系统。下面将会对信息处理系统、货架系统及移动机器人系统进行详细的实施方式说明。
1.信息处理系统
所述信息处理系统是由计算机、通信模块及显示模块组成。该计算机作为信息处理系统的上位机1需要与外部系统通过有线网络的方式连该通信模块1以并联的方式通过转接器(如“USB to TTL”转换器)连接到该上位机1；该显示模块1即电子显示屏布局在储物区的道路交叉口处，以并联的方式通过转接器(如“USB to SPI”转换器)连接到该上位机1；
所述系统具有动态信息素二维码处理功能及发布功能，通信功能。
以上提及的两个功能即发布功能和通信功能都需要依托于上位机1，上位机1应该选择一个或一组计算能力较强的计算机(或服务器)，在本发明中选用的型号为“ThinkStation P510 RAM 32G SSD 512G安装Windows7 64位系统”，后续过程中默认所有的该子系统功能模块(具有感知、交互等功能的一类硬件的总称)都有该硬件的支持；以下的所有功能模块描述都需要软硬件的配合才能实现对应的功能，在本发明中仅对硬件需求进行说明，对于软件算法(订单信息的具体拆分处理的方法)不做详细说明；
该动态信息素二维码处理功能及发布功能需要上位机1作为辅助，该上位机1根据接收的订单信息及仓库内的待搬运货品信息的更新，结合信息素处理方法(信息素：一种用于多个体或者多系统间交互的一种信息模式；信息数处理方法：一种将订单信息拆分，计算，最终产生信息素的一种方法)产生动态二维码并发布，通过显示模块1显示出来；显示模块将会通过有线的方式布局于仓库的各个路口；该显示模块1选用TFT-LCD显示屏，具体型号为“ILI9341V ST7789V”；
该通信功能需要一组或者多组通信模块，上位机1根据接收的订单信息，将订单信息进行拆分，并以一定的数据格式，通过通信模块1进行全局广播；模块将会通过有线的方式大量布局于仓库的顶部；该通信模块1选用zigbee模块，具体型号为“CC2530”；
以上的硬件都将布局在仓库内部，目的是使仓库搬运信息的动态更新。
2.货架系统
所述货架系统中的每一个子货架ki是由单片机、伺服电机、RFID识别模块及通信模块组成；该单片机2作为子货架ki的上位机，将其称为上位机2；该伺服电机2连接电源，并通过GPIO口与该上位机2连接接收控制指令；该RFID识别模块2连接电源，并通过GPIO口与该上位机2连接；该通信模块2通过GPIO口与该上位机2连接；
所述系统中的每一个子货架ki具有通信功能、移动机器人身份识别功能及货物投放功能；
以上提及的三个功能即通信功能、移动机器人身份识别功能及货物投放功能都需要依托于一个有一定计算能力的单片机，该单片机2选用raspberry B+安装Ubuntu mate16.04系统，作为上位机2，后续过程中不再详细此需求，默认所有的功能模块都有该硬件的支持；以下的所有功能模块描述都需要软硬件的配合才能实现对应的功能，在本发明中仅对硬件需求进行说明，对于软件算法不做详细说明；
该通信功能需要一个或多个通信模块2，子货架ki上位机2通过通信模块接收由信息处理系统以全局广播模式传出的数据，并判定接收的数据是否与自身有关，如果有关则保存，否者忽略。该通信模块可以布局在货架顶部，该通信模块2选用zigbee模块，具体型号为“CC2530”；
该移动机器人识别功能需要一个RFID识别模块2，当有移动机器ji人到达取货位置时，RFID识别模块2被触发识别出移动机器人ji的信息并将信息传回到该上位机2中；该RFID识别模块2布局时放置在集货斗的正下方，用于识别移动机器人是否到来及移动机器人的身份信息；该RFID识别模块2选用的具体型号为“KLM400”；
该货物投放功能需要多个伺服电机2，子货架ki上位机2接收到移动机器人ji信息后，将会给有搬运任务的伺服电机2发送指令，伺服电机2通过运动将待搬运的一个货品货物下降通道中(图2的①部分)，然后通过集货斗(图2的②部分)投放到移动机器人ji的货仓中；该伺服电机2选用型号为“57BYG250B”；
以上的硬件都将搭载于子货架ki之上或周边，目的是实现货架的智能化。
3.移动机器人系统
所述移动机器人系统中的每一个移动机器人ji是由单片机、伺服电机、全向轮、摄像头、寻迹传感器、超声波距离传感器、红外避障传感器、IC卡片及必要物理底盘框架组成。该单片机由于对应的功能不同，选用了两种型号的，分别是单片机3.1作为移动机器人ji用的上位机3、单片机3.2作为移动机器人ji用的下位机3串口连接，用于接收上位机3传输的控制指令；该伺服电机3由于对应的功能需求不同选用了两种伺服电机，伺服电机3.1是用在地盘上的三个伺服电机，分别连接到该下位机3的GPIO口，直接接收该下位机3的控制指令，伺服电机3.2是被作为卸货动力提供装置的电机，将其部分接口通过电源转换器与电源(电池)连接，其余控制接口连接到该上位机3的GPIO口，直接接收该上位机3的控制指令；全向轮3直接安装到伺服电机3.1的动力输出端；摄像头3通过CSI接口直接与该上位机3连接；该寻迹传感器3通过GPIO口与该上位机3连接；该红外避障传感器3通过GPIO口与该上位机3连接；该IC卡片写入信息后直接粘贴到移动机器人ji底部即可；以上提及的所有模块即单片机3.1/3.2、伺服电机3.1/3.2、全向轮3、摄像头3、寻迹传感器3、超声波距离传感器3、红外避障传感器3和IC卡片都需要安装在物理底盘框架的相应位置；
所述移动机器人系统中的每一个移动机器人ji具备基础运动、二维码识别、自动避障、寻迹、信息交互及货品装卸等功能，以下我们将会对移动机器人ji进行硬件搭建的方法叙述；
以上提及的所有功能即基础运动、二维码识别、自动避障、寻迹、信息交互及货品装卸等功能都需要依托于一个有一定计算能力的单片机3.1，该单片机3.1选用raspberryB+安装Ubuntu mate 16.04系统，作为上位机3，后续过程中不再详细此需求，默认所有的功能模块即伺服电机、摄像头、寻迹传感器、超声波距离传感器和红外避障传感器都有该硬件的支持；以下的所有功能模块描述都需要软硬件的配合才能实现对应的功能，在本发明中仅对硬件需求进行说明，对于软件算法不做详细说明；
该基础运动功能需要单片机3.2、动力输出装置、全向轮及物理底盘框架，该单片机3.2作为动力输出装置的控制器，也称下位机3，通过接收该上位机3的控制信息，结合内置的PID(比例微分积分)控制算法来控制动力输出装置，使移动机器人ji向该上位机3要求的方向运动；该单片机3.2选用STM32单片机，具体型号为“F103C8T6”；该动力输出装置选用伺服电机3，具体型号为“RA640”；该全向轮3选用的具体型号为“omni wheel 14145”；该物理底盘框架选用轮对为3毫米的钢板制造；
该二维码识别功能需要的一个1080P的摄像头，通过该摄像头3对行走的路面信息进行拍摄，并将信息传输到该上位机3，该上位机3通过识别算法捕捉到二维码信息，并进行识别解码，提取信息素，随后根据运动选择算法选择接下来的运动方向；该摄像头3将会安放在机器人的的底盘正前方上部，以方便二维码识别，该摄像头3选用的型号为“RaspberryPi Camera Module V2DEV-14028”；
该自动避障功能需要的硬件包含一个超声波距离传感器3及两个红外避障传感器3，通过超声波距离传感器3及红外避障传感器3的回传信息，结合控制算法，该上位机3对下一步的运动进行规划，将控制指令传输到下位机3，产生下一步运动；该超声波传感器3安放在移动平台的正前方，该红外避障传感器3安放在移动平台左右两边；该超声波测距传感器3选用型号为“ks1031cm-8M”；该红外避障传感器3选用的型号为“N-C-0101-3”；
该寻迹功能需要的硬件是一组寻迹传感器3，通过寻迹传感器3的回传信息，结合避障算法(躲避障碍的一种软件控制算法)及相应的PID控制算法，将下一步的运动指令传输到该下位机3，产生下一步运动；该寻迹传感器3将会安放在底盘下部正中间，以方便进行寻迹；该寻迹传感器3选用8位寻迹导航传感器，具体型号是“CCF-G08-OC”；
该信息交互功能需要一个静态的IC卡片，该IC卡片内部写入对应车辆的ID信息，直接粘贴在移动机器人ji底部，其余安放在底盘下部的装置都安放在IC卡之上，该IC卡的尺寸是直径为20厘米的圆形；
该货品装卸功能是需要一个大小合适的货仓及卸货动力装置安装在移动机器人ji上部，当上位机3通过摄像头3确定目前位置为子货架ki的出货口时，移动机器人ji停止运动，等待装载货品后，走出子货架ki底部，快速移动到出货口，进行货品卸载作业；在货品卸载时，需要该上位机3通过摄像头3识别二维码，判定移动机器人ji移动到卸载位置，通该上位机3对伺服电机3.2发送控制指令，使货品卸载，在货品卸载后，延时一下，该上位机3再次发送指令，使货仓3复位；该货仓3安装在底盘上部，通过连接关节(图3的②部分)与底盘连接，该关节用于伺服电机3.2对于货仓的控制。该货仓3选用的是半径为30厘米深度为10厘米的圆形无盖箱体；该卸货动力装置3选用的伺服电机作为动力输出，具体型号为“DK-DJ-24/540”；
以上的硬件都将安装在底盘框架之上，目的是使移动机器人ji实现智能化。
对于以上所述的信息处理系统、货架系统及移动机器人系统中，所有的硬件构成都可以根据实际需要进行一定的更换，目的是满足更好的智能仓库的物流需求。以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，其特征在于：它是由信息处理系统、货架系统及移动机器人系统三部分组成；它们之间的关系是：信息处理系统负责对外来的获评订单进行处理，生成信息素二维码，并将信息传送到货架系统中对应的货架，移动机器人个体ji识别地面的信息素二维码移动到对应的子货架ki取货位置进行取货，此时子货架ki识别移动机器人ji信息，更新货架系统信息待取物品信息，并将更新的信息传回到信息处理系统；
1.信息处理系统
所述信息处理系统是由计算机即上位机1、通信模块1及显示模块1组成；其中通信模块1即为具有无线通信功能的硬件，显示模块1即为具有文字及图像显示功能的硬件；该计算机作为信息处理系统的上位机1(即能直接发出操控命令的计算机)，需要与外部系统通过有线网络的方式连接；该通信模块1以并联的方式通过转接器(如通用串行总线接口转晶体管-晶体管逻辑电平接口转换器，后文称“USB to TTL”转换器)连接到该上位机1；该显示模块1即电子显示屏布局在储物区的道路交叉口处，以并联的方式通过转接器(如通用串行总线接口转串行外设接口，后文称“USB to SPI”转换器)连接到该上位机1；
所述信息处理系统具有动态信息素二维码处理功能及发布功能、通信功能；
以上提及的两个功能即发布功能和通信功能都需要依托于上位机1，上位机1应该选择一个及一组计算能力强的计算机，后续过程中默认所有的该子系统功能模块都有该硬件的支持；该动态信息素二维码处理功能及发布功能需要上位机1作为辅助，该上位机1根据接收的订单信息及仓库内的待搬运货品信息的更新，结合信息素处理方法产生动态二维码并发布，通过显示模块1显示出来；
该通信功能需要一组及多组通信模块1，上位机1根据接收的订单信息，将订单信息进行拆分，并以一预定的数据格式，通过通信模块1进行全局广播；
以上的硬件都将布局在仓库内部，目的是使仓库搬运信息的动态更新；
2.货架系统
所述货架系统中的每一个子货架ki是由单片机即上位机2、伺服电机2、RFID识别模块2及通信模块2组成；该单片机作为子货架ki的上位机，将其称为上位机2；该伺服电机2连接电源，并通过GPIO口(通用输入/输出端口)与该上位机2连接接收控制指令；该RFID识别模块2连接电源，并通过GPIO口与该上位机2连接；该通信模块2通过GPIO口与该上位机2连接；
所述系统中的每一个子货架ki具有通信功能、移动机器人身份识别功能及货物投放功能；
以上提及的三个功能即通信功能、移动机器人身份识别功能及货物投放功能都需要依托于一个有一预定计算能力的单片机，该单片机作为上位机2，默认所有的功能模块都有该硬件的支持；
该通信功能需要一个及多个通信模块2，子货架ki上位机2通过通信模块接收由信息处理系统以全局广播模式传出的数据，并判定接收的数据是否与自身有关，如果有关则保存，否者忽略；该移动机器人识别功能需要一个RFID识别模块2，当有移动机器ji人到达取货位置时，RFID模块被触发识别出移动机器人ji的信息并将信息传回到该上位机2中；该货物投放功能需要多个伺服电机2，子货架ki上位机2接收到移动机器人ji信息后，将会给有搬运任务的伺服电机2发送指令，伺服电机2通过运动将待搬运的一个货品通过下降通道及集货斗投放到移动机器人ji的货仓中；
以上的硬件都将搭载于子货架ki之上及周边，目的是实现货架的智能化；
3.移动机器人系统
所述移动机器人系统中的每一个移动机器人ji是由单片机、伺服电机、全向轮、摄像头、循迹传感器、超声波距离传感器、红外避障传感器、IC卡片及必要物理底盘框架组成；其中循迹传感器是用于对不同轨迹进行辨别跟踪的硬件、超声波距离传感器是利用超声波进行距离测定的硬件、红外避障传感器是利用红外线对行障碍物是否存在进行判定的硬件；该单片机由于对应的功能不同，选用了两种型号的，分别是单片机3.1作为移动机器人ji用的上位机3、单片机3.2作为移动机器人ji用的下位机3，上位机3与下位机3通过UART串口连接，用于接收上位机3传输的控制指令；该伺服电机3由于对应的功能需求不同选用了两种伺服电机，伺服电机3.1是用在底盘上的三个伺服电机，分别连接到该下位机3的GPIO口，直接接收该下位机3的控制指令，伺服电机3.2是被作为卸货动力提供装置的电机，将其部分接口通过电源转换器与电源连接，其余控制接口连接到该上位机3的GPIO口，直接接收该上位机3的控制指令；全向轮3直接安装到伺服电机3.1的动力输出端；摄像头3通过CSI接口直接与该上位机3连接；该循迹传感器3通过GPIO口与该上位机3连接；该红外避障传感器3通过GPIO口与该上位机3连接；该IC卡片写入信息后直接粘贴到移动机器人ji底部即可；以上提及的所有模块即单片机3.1/3.2、伺服电机3.1/3.2、全向轮3、摄像头3、循迹传感器3、超声波距离传感器3、红外避障传感器3和IC卡片都需要安装在物理底盘框架的相应位置；
所述移动机器人系统中的每一个移动机器人ji具备基础运动、二维码识别、自动避障、循迹、信息交互及货品装卸功能，以下我们将会对移动机器人ji进行硬件搭建的方法叙述；
以上提及的所有功能即基础运动、二维码识别、自动避障、循迹、信息交互及货品装卸等功能都需要依托于一个有一定计算能力的单片机3.1；作为上位机3，默认所有的功能模块即伺服电机、摄像头、循迹传感器、超声波距离传感器和红外避障传感器都有该硬件的支持；该基础运动功能需要单片机3.2、动力输出装置、全向轮及物理底盘框架，该单片机3.2作为动力输出装置的控制器，也称下位机3，通过接收该上位机3的控制信息，结合内置的PID控制算法来控制动力输出装置，使移动机器人ji向该上位机3要求的方向运动；
该二维码识别功能需要的一个高清摄像头，通过该摄像头3对行走的路面信息进行拍摄，并将信息传输到该上位机3，该上位机3通过识别方法捕捉到二维码信息，并进行识别解码，提取信息素，随后根据运动选择方法选择接下来的运动方向；
该自动避障功能需要的硬件包含一个超声波距离传感器3及两个红外避障传感器3，通过超声波距离传感器3及红外避障传感器3的回传信息，结合控制方法，该上位机3对下一步的运动进行规划，将控制指令传输到下位机3，产生下一步运动；该超声波距离传感器3选用型号为“ks103 1cm-8M”；该红外避障传感器3选用的型号为“N-C-0101-3”；
该循迹功能需要的硬件是一组循迹传感器3，通过循迹传感器3的回传信息，结合避障方法及相应的PID控制方法，将下一步的运动指令传输到该下位机3，产生下一步运动；
该信息交互功能需要一个静态的IC卡片，该IC卡片内部写入对应车辆的ID信息，直接粘贴在移动机器人ji底部；
该货品装卸功能是需要一个大小合适的货仓及卸货动力装置安装在移动机器人ji上部，当上位机3通过摄像头3确定目前位置为子货架ki的出货口时，移动机器人ji停止运动，等待装载货品后，走出子货架ki底部，快速移动到出货口，进行货品卸载作业；在货品卸载时，需要该上位机3通过摄像头3识别二维码，判定移动机器人ji移动到卸载位置，通该上位机3对伺服电机3.2发送控制指令，使货品卸载，在货品卸载后，延时一下，该上位机3再次发送指令，使货仓3复位；
以上的硬件都将安装在物理底盘框架之上，目的是使移动机器人ji实现智能化；
对于以上所述的信息处理系统、货架系统及移动机器人系统中，所有的硬件构成都能根据实际需要进行一定的更换，目的是满足更好的智能仓库的物流需求。
2.根据权利要求1所述的一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，其特征在于：所述信息处理系统中的上位机1选用型号为“ThinkStation P510 RAM 32G SSD 512G安装Windows7 64位系统”；通信模块1选用zigbee模块，具体型号为“CC2530”；显示模块1选用薄膜晶体管液晶显示屏即TFT-LCD显示屏，具体型号为“ILI9341V ST7789V”。
3.根据权利要求1所述的一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，其特征在于：所述货架系统中的上位机2选用raspberry B+安装Ubuntu mate 16.04系统；伺服电机2选用型号为“57BYG250B”；RFID识别模块2选用的具体型号为“KLM400”；通信模块2选用zigbee模块，具体型号为“CC2530”。
4.根据权利要求1所述的一种基于信息素导航的智能集群仓储机器人系统，其特征在于：所述移动机器人系统中的上位机3，其单片机3.1选用raspberry B+安装Ubuntu mate16.04系统，单片机3.2选用STM32单片机，具体型号为“F103C8T6”；该动力输出装置选用伺服电机3，具体型号为“RA640”；该全向轮3选用的具体型号为“omni wheel 14145”；该物理底盘框架选用轮对为3毫米的钢板制造；该摄像头3选用的型号为“Raspberry Pi CameraModule V2 DEV-14028”；该循迹传感器3选用8位循迹导航传感器，具体型号是“CCF-G08-OC”；该IC卡的尺寸是直径为20厘米的圆形；该货仓3选用的是半径为30厘米深度为10厘米的圆形无盖箱体；该卸货动力装置3选用的伺服电机作为动力输出，具体型号为“DK-DJ-24/540”。
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