CN111158236A - 基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统及方法，系统包括终端控制系统、显示模块、通信模块、电源模块和柔性存储空间，显示模块接受出入库指令，传感器模块对货物进行称重、测距和读取货物条形码，终端控制系统对多传感器数据信息融合处理并根据货位分配优化算法柔性分配存储空间以选取最优存储位置，最终发送指令控制三轴执行装置实现货物的出入库。本发明能够实现不同类型货物混合存放，可柔性调节分配的存储方式大大提高了货柜空间利用率，加快了货物存取效率，降低了人力成本，有利于拓展货柜垂直发展空间，减少货柜占地面积，具有较强的实用性和可靠性。

Description

基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统及方法

技术领域

本发明属于自动化仓储终端技术领域，具体涉及是一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统及方法。

背景技术

随着互联网的迅速发展，物流仓储服务的智能化、柔性化、仓储优化是现代仓储技术今后发展的重要趋势。于是自动化立体仓库技术应运而生，其不仅改变了仓储行业劳动密集、效率低下的落后面貌，而且大大拓展了仓库功能，使仓储系统从单纯的保管型向综合的流通型方向发展。现有的自动化立体仓库的发展中可以看出，虽然其集成了计算机信息管理和电气设备控制，但基本是针对大型仓储任务而言的，通常需要大型的仓储基地，制造成本较高，导致通用性不高。

随着智能化、小型化、集成化的思想在工业控制领域的普及，小型密集仓储系统的市场需求量逐步增大。小型密集仓储系统汲取了大型自动化立体仓库控制与管理的优点又有一定的区别，它将研究对象集中在了小型智能货柜中，充分考虑到当下智能货柜良好的发展前景。特别像快递行业，传统意义上快递柜虽然在一定程度上可以解决“最后100米”收件人与快递员时间节点不对应等难题，但是仍存在单元柜格规格单一，无法柔性调节单元存储空间，而且存在投放数量少和投放位置限制等缺陷，并且存取货物时仍需要快递员手动操作，而且当货柜设计高度达到一定程度，人往往会因为不可抗因素不便于存取较高处的货物，这既不利于人性化的存取操作同时也导致了较高处的存储空间难以利用，大大降低了货柜空间利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统及方法，能够针对不同类型货物进行混合存放，可柔性调节的存储空间大大提高了货柜内部空间的利用率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，包括终端控制系统、显示模块、通信模块、电源模块和柔性存储空间；

所述终端控制系统包括控制管理模块、传感器模块、步进电机驱动器和三轴执行装置，所述传感器模块包括激光测距模块、薄膜压力传感器模块以及摄像头模块；所述三轴执行装置包括可控制的XYZ三轴方向移动机构以及Z轴方向上的末端执行器；所述显示模块为一个触摸显示屏；通信模块负责整个控制系统的数据传输；所述柔性存储空间为具有可调节性的单元柜格；

显示模块接收出入库指令，传感器模块对货物进行称重、测距和读取货物条形码，通过通信模块传输数据到控制管理模块，终端控制系统对多传感器数据信息融合处理并根据货位分配优化算法柔性分配存储区域，最终发送指令控制三轴执行装置实现货物的出入库操作。

一种基于智能货柜终端系统的货物入库方法，包括以下步骤：

步骤1：通过人机交互操作界面选择入库，终端控制系统提示是否有空余位置可供存放，若无位置则放弃此次操作，若有位置则执行下一步；

步骤2：将贴有条形码一面的货物朝上放置，正对着载物平台顶端安装的摄像头，通过摄像头拍摄条形码图像，激光测距模块和薄膜压力传感器并行工作，通过通信模块将获得的数据信息经RS232串口发送至控制管理模块；

步骤3：控制管理模块调用条形码解码库识别条形码信息以作为此货物的特征信息；将激光测距模块测得的数据进行处理得到货物的高度与宽度，根据测得高度计算其所占用的空间，将薄膜压力传感器测得的数据通过通信模块传输到控制器进行分析和处理得到货物的质量信息，将上述三种信息按照ABC分类方法进行货物分类；

步骤4：智能货柜终端控制系统结合目前货柜中已存货物的状态，根据货位分配算法计算最优货位坐标(X，Y)，并发送控制命令给三轴执行机构，通过Z 轴的末端执行器利用托盘实现柔性调节存储空间；

步骤5：终端控制系统发送控制指令至三轴执行装置，首先驱动Z轴方向的步进电机反转将货物移动到货柜本体内部，其次驱动XY两轴方向上的步进电机同时正转，将送到指定的目标位置(X，Y)；

步骤6：存储完毕后，显示模块收到结束控制指令并记录货物存储相关信息，完成当前的入库流程，驱动XYZ三轴方向上的步进电机进行反转，回归到原点即载物平台处。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)投入小、建设周期短、适应不同种类货物存放，这种小型密集仓储系统能够有效的弥补上述大型自动化立体仓库的缺陷与不足；(2)基于尺寸质量及条形码多信息融合并结合货位分配优化机制能够柔性分配存储空间，提高货柜空间利用率，提高货物存取效率；(3)自动化程度高，采用三轴执行装置，解决了货柜到达一定高度时存取不便的问题同时也代替了传统的人工存取货物，加快了货物存取节奏，降低了人力成本；(4) 可应用智能快递柜、自助寄存柜，在自动售货机行业中也具有较高的推广应用价值和社会意义，具有较强的实用性和可靠性。

附图说明

图1是本发明基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统示意图。

图2是本发明基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统的三轴执行装置结构示意图。

图3是本发明的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统的柔性存储空间内部结构示意图。

图4是本发明的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统的入库操作流程图。

图5是本发明的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统的出库操作流程图。

图6是本发明基于NSGA-II的自动化仓储货位分配优化方法的分类原则示意图。

图7是本发明基于NSGA-II的自动化仓储货位分配优化方法的货物ABC分类评价机制示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，包括终端控制系统、显示模块、通信模块、电源模块和柔性存储空间；

所述的终端控制系统包括控制管理模块1.1、传感器模块1.2、步进电机驱动器1.3和三轴执行装置1.4，传感器模块还包括激光测距模块、薄膜压力传感器模块以及摄像头模块；三轴执行装置1.4还包括可控制的XYZ三轴方向移动机构以及Z轴方向上的末端执行器；所述的显示模块1.5包括一个触摸显示屏；

所述的柔性存储空间包括依据不同类型存储货物而设计的具有可调节性的单元柜格，显示模块1.5接受出入库指令，传感器模块1.2对货物进行称重、测距和读取货物条形码，通过通信模块传输数据到控制管理模块1.1，终端控制系统对多传感器数据信息融合处理并根据货位分配优化算法柔性分配存储区域以选取最优存储位置，最终发送指令控制三轴执行装置实现货物的出入库操作，整个控制系统由电源模块供电。

进一步的，显示模块1.5用以实现智能货柜控制系统与外界联系，操作者通过触摸显示屏实现人机交互，输入出入库指令发送给智能货柜终端控制系统，可以实现控制货物存取操作。

进一步的，所述控制管理模块1.1以STM32控制器为核心，负责整个终端系统控制指令和传感器数据的分析和处理；所述激光测距模块安装在智能货柜载物平台的顶部和两方侧面，用以从多角度测量货物的长宽高尺寸信息；所述的薄膜压力传感器安装在载物平台的底面，用以测量货物的质量信息；所述的摄像头模块安装在出入库载物平台的顶部，正对载物平台的底面，通过拍摄货物的条形码图像，经过图像处理以识别货物上的条形码信息，最终将这三个数据信息进行处理融合，按权重系数建立综合评价机制，将货物分成ABC三类，A类货物主要存放在靠近出入库载物平台处，B类货物存放在扇形分区的中心部分以提高存取效率，C类货物由于存取频率较低因此存放在离出入库口距离较远柜格。将货位以货物存取频率为依据扇形分区，其中靠近出入库平台的存储空间即扇形边缘部分存放质量和尺寸较大且存取频率较高的A类货物，处于扇形分区中间存储空间存放质量和尺寸较为适中且存取频率不高的B类货物，而C类货物存放在离出入库平台最远位置处。

进一步的，所述的三轴执行装置1.4包括XYZ三轴滚珠丝杠、XYZ轴步进电机以及Z轴方向上的末端执行器，XYZ三轴滚珠丝杠、XYZ轴步进电机与 XYZ轴步进电机驱动器1.3协同工作，Z轴方向上的末端执行器用以承载托盘。其中将步进电机驱动器的接线口分别通过导线采用共阴极接法与电源和控制器 IO口相接，通过控制器发送脉冲个数控制指令实现步进电机在笛卡尔直角坐标系下三个方向上运动，通过控制脉冲频率实现步进电机速度快慢运动。Z轴的连接块上安装末端执行器用以抓取托盘。

进一步的，所述的通信模块负责实现激光测距模块和薄膜压力传感器基于 IIC协议与控制管理单元的通信，摄像头模块通过SCCB总线与控制管理单元相连；以及通过RS232串口实现对步进电机驱动器的控制指令的传输。电源模块 1.6由开关电源构成，实现对整个终端系统的供电，包括控制管理模块，传感器模块、步进电机及电机驱动器模块。

进一步的，可柔性存储空间包括多个不同大小的子单元柜格，每个单元柜格两侧安装细隔板条用以置放承载货物的托盘，托盘按Z轴方向水平移动实现托盘的出入库，通过控制Y轴方向选取合适的隔板条放置托盘可以实现子单元柜格空间大小的柔性调节。

本发明还提供一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统的货物入库方法，包括以下步骤：

步骤1：通过人机交互操作界面选择入库，终端控制系统提示是否有空余位置可供存放，若无位置则放弃此次操作，若有位置则执行下一步；

步骤2：将贴有条形码一面的货物朝上放置，正对着载物平台顶端安装的摄像头，通过摄像头拍摄条形码图像，激光测距模块和薄膜压力传感器并行工作，通过通信模块将获得的数据信息经RS232串口发送至控制管理模块；

步骤3：控制管理模块对获取的图像进行灰度处理，滤波、二值化操作进行条形码图像的定位，最终调用条形码解码库识别条形码信息以作为此货物的特征信息；将激光测距模块测得的数据进行处理得到货物的高度与宽度，根据测得高度计算其所占用的空间，将薄膜压力传感器测得的数据通过通信模块传输到控制器进行分析和处理得到货物的质量信息，将上述三种信息按照ABC分类方法进行货物分类；

步骤4：智能货柜终端控制系统结合目前货柜中已存货物的状态，货位分配算法即保证货架承重整体均匀，内部存放体积上小下大；尽量就近入库以提高效率，单位柜格的货物存取频率和运输货物时三轴移动平台总运行时间最小；在保证货物相关性和存储安全性的原则上计算最优货位坐标(X，Y)，并发送控制命令给三轴执行机构，通过Z轴的末端执行器利用托盘实现柔性调节存储空间；

步骤5：终端控制系统发送控制指令至三轴执行装置，首先驱动Z轴方向的步进电机反转将货物移动到货柜本体内部，其次驱动XY两轴方向上的步进电机同时正转以节省存储时间，将送到指定的目标位置(X，Y)；

步骤6：存储完毕后，触摸屏显示模块收到结束控制指令并记录货物存储相关信息，完成当前的入库流程，最终驱动XYZ三轴方向上的步进电机进行反转，回归到原点即载物平台处。

所述的货位分配算法的数学模型如下：

约束条件为：

且i,j为正整数；

其中，f₁为单元柜格货物的质量与其所在层的乘积之和，m_ij为第i层j列的货物质量；f₂为货物的存取频率p_ij和三轴移动平台运行时间乘积总和；t_ij为第i层j列的货物搬运到出库口所需要时间；三轴移动平台垂直运行速度为v_x，水平运行速度为v_y，横向运行速度v_z，其中单位柜格底长为L米，高度为H米，深度为D米。

即保证货架承重整体均匀，内部存放体积上小下大；尽量就近入库以提高效率，单位柜格的货物存取频率和运输货物时三轴移动平台总运行时间最小；在保证货物相关性和存储安全性的原则上进行货位最优存储位置的求解；

货物分类还需遵循的原则包括重力原则、货物存取最短路径原则、黄金区域分配原则、安全性原则。重力原则，分散存取防止存放不当造成柜格受力不均；货物存取最短路径原则，尽量将货物安排在入库存取平台近的柜格存放。黄金区域分配原则，即将高频率存取的货物优先离出库口较近处存放；安全性原则，体积较大的应放置在仓储区下方以保持稳定性增加安全性。结合图6和图7，以重力原则和货物存取路径原则以及黄金区域分配原则作为说明，如图6所示，保证重型货物放置在仓储区底部，货物质量分配均匀，由底部到顶部质量应由重到轻，防止存放不当造成柜格受力不均。如图7所示，根据货物存取最短路径原则和黄金区域分配原则，存取频率高的货物应尽量安排在离出入库存取平台近的黄金区域存放。

建立综合评价机制的条件如下：自动化仓储货柜总载重为M，第i层j列的货物质量为m_ij，整个仓储空间的尺寸S分为大中小三类S_ij，其对应的存取频率p_ij取值区间为[0,1]，若根据条形码信息判断多个货物为同一入库者则定义这些货物之间的相关性为α＝1，否则α＝0，质量、尺寸和条形码相关性三类判别权重分别为w1，w2，w3，E为最终评价结果；具体的ABC分类法综合评价机制公式如下：

其中

评价机制结果分类判定如下：

其中，E＝40％时为B类货物，E＝80％时为C类货物。

确定自动化仓储货位分配方法的优化目标和约束条件，将单位柜格根据实际使用状况即存取货物类型进行扇形分区，在每一库区中进行货位分配优化，货位分配优化目标与约束条件为：

(1)货架承重整体均匀，内部存放体积上小下大，即需要单位柜格货物质量与所在层列坐标位置的乘积之和最小；

(2)尽量就近入库以提高效率，单位柜格的货物存取频率和运输货物时三轴移动平台总运行时间最小；

(3)在保证货物相关性和存储安全性的原则上提高运行效率；

建立与之相对应的自动化仓储货位分配优化方法的有约束的多目标优化问题数学模型，如式(1)～(3)。

由于该模型属于非线性、不确定的、多目标随机系统的组合优化问题，因此采用基于NSGA-II的方法求解权该多目标优化问题数学模型，获得最优的Pareto 解集。为了简化问题，这里假设三轴移动平台的运行速度一致即 v_x:v_y:v_z＝1:1:1；这里做出如下假设层数为m，列数为n，存储货物为K个，货物存取频率为p_ij，将货位优化问题的目标函数转换成评价函数，γ取较小值，这里选取为0.05：

具体求解方法为：

(1)根据多目标优化问题数学模型确定该货位优化分配问题的目标函数为转换成NSGA-II算法的评价函数，染色体采用整数排列编码方式进行编码，每个染色体就是一种货位优化分配方案，染色体上共有K个基因代表有K个货物，每个基因长度为2，其值表示货物存储的货位坐标(i,j)，随机产生指定NAGA-II 优化算法的初始种群P_o的数目为40即40个随机货位分配方案，最大遗传代数为400，并求解对应的评价函数值，根据个体排序级别分配相应的适应度值。

如下式染色体表示一个货位优化方案：

其中以出入库平台作为货位原点，上述染色体中a₁₁表示存放在坐标(1,1) 位置的货物，即货位第一层第一列。

(2)对排序后评价函数值对应的货位优化方案即种群P_o，，采用轮盘赌函数进行选择、采用多点交叉函数进行染色体中货位坐标基因进行重组、采用多项式变异算子，从父代得到新的子代种群Q_o，其中多点交叉操作如下，由于货位的分配是序优化问题，评价函数值取决于货物在货架的位置，因此采用多点映射交叉算子：

取部分染色体中的进行说明，假设多点交叉前的两种部分的货位分配情况如下：

其中p₁，p₂分别表示一个4层4列的货位分配情况，p₁中数字13代表存放在货位坐标(1,1)位置的货物编号，矩形框圈出的部分为需要进行多点交叉的4个货位。

多点交叉后的两种货位分配情况如下：

经过多点交叉后的p₁变成C₁，p₂变成C₂，黑色粗线矩形框中为交叉后的货位变化，细线矩形框标注了多点交叉后产生了重复货物，其中C₁中编号7、13、 16号货物重复，C₂中编号4、8、12号货物重复。

但仅仅多点交叉会产生货物重复现象，需要采用映射关系替换重复位置。

将C₁和C₂交叉部分保留，替换C₁和C₂对应的未交叉的重复货位，即C₁的7 号货物与C₂的4号货物映射替换，C₁的13号货物与C₂的8号货物映射替换，C₁的16号货物与C₂的12号货物映射替换，交叉映射后的替换结果为C′₁，C′₂。

且每一次交叉变异操作尽量保证空货位在离出入库口最远位置的上方侧。

(3)为了保持货位优化分配方案的多样性，将父代种群P_t与子代种群Q_t合并，得到新的货位优化分配方案种群合集R_t，进化代数初始化为t＝0，根据目标函数值大小对个体进行非支配排序，根据个体排序级别分配相应的适应度值，得到最优前端F_i(i＝1,2,…)，即最优货位优化分配方案；

(4)对全部最优前端F_i按照拥挤距离进行排序，根据非支配关系以及个体拥挤度采取锦标赛策略选取最优的货位分配方案，形成新的父代种群P_t+1；

(5)对父代种群P_t+1执行多点交叉和多项式变异操作，生成子种群Q_t+1，以进化代数为400终止条件，若当前进化代数超过终止条件则结束迭代，并求解输出最终结果，否则返回步骤(3)，继续执行以下步骤；

(6)输出此时货位分配优化结果。

本发明还提供一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统的货物出库方法，包括以下步骤：

步骤1：操作者首先通过人机交互操作界面按下触摸屏终端的出库按钮，根据入库操作完成时显示的货物存储相关信息，操作者在显示界面上输入该信息，若无此货物则显示错误，放弃此次操作，若有则确认继续操作；

步骤2：智能货柜终端系统根据接受到的货物相关位置信息，通过控制器计算出该货物的存储位置；

步骤3：控制系统发送控制命令给三轴执行机构，首先驱动Z轴方向上的步进电机反转即后退至货柜本体内部操作，再驱动XY轴方向的步进电机正转到目标位置(X，Y)处，接着驱动Z轴方向上的步进电机正转至目标托盘位置下方， Y轴方向上略向上移动少许距离，此时驱动Z轴电机在水平方向上后退，最终驱动XY两轴方向上的步进电机反转至原点即载物平台处

步骤4：操作者从智能货柜载物平台处取走货物，出库完毕。触摸屏显示模块收到结束指令并删除相关的货物存储信息，完成当前的出库流程。

本发明能够针对不同类型货物进行混合存放，可柔性调节的存储空间大大提高了货柜内部空间的利用率，投放安装时也可借助建筑物墙体以便减少投放成本和投放位置限制性，自动化的三轴执行装置既解决了货柜高度存取不便的问题也代替了传统的人工存取货物，加快了货物存取节奏，具有较强的实用性、可靠性、自动化程度高等特点。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

如图1所示，本发明的基于可柔性分配存储区域的智能货柜终端系统包括终端控制系统、显示模块、通信模块、电源模块和柔性存储区域五个部分，所述的终端控制系统包括控制管理模块1.1、传感器模块1.2、步进电机驱动器1.3和三轴执行装置1.4，其中控制管理单元以STM32控制器为核心，传感器模块还包括激光测距模块、薄膜压力传感器模块、以及摄像头模块；三轴执行装置1.4包括可控制的XZY三轴方向移动机构以及Z轴方向上的末端执行器；所述的显示模块1.5包括一个触摸显示屏；所述的电源模块1.6包括开关电源，为整个终端控制系统供电；所述的存储区包括依据不同类型存储货物而设计的具有可调节特性的单元柜格，操作者通过在人机交互界面输入出入库指令给终端控制器，控制器通过对通信模块发送来的货物信息进行判断并发送控制指令给三轴移动装置对货物的出入库操作。

如图2所示，三轴执行装置包括XYZ轴滚珠丝杠2.1、步进电机2.2，步进电机的工作由步进电机驱动器1.3来驱动协同工作，Z轴方向上的末端执行器2.3 用以承载托盘。XYZ三轴通过轴间连接块2.4相连，三轴的电机驱动器采用共阴极接法与电源模块和控制器IO口相接，电机驱动器接口与步进电机相位接口一一相连，用于终端控制系统通过通信模块发送不同的脉冲个数和脉冲频率给电机驱动器，以控制步进电机的运动方向和转动速度。Z轴的轴间连接块上安装末端执行器2.3用以抓取托盘。

如图3所示，柔性存储空间包括多个可调节的子单元柜格，通过细挡板条将垂直的存储空间灵活调节子单元存储空间，依据不同尺寸大小和质量轻重选取合适的隔板条，托盘按Z轴方向水平移动实现托盘的出入库，通过控制Y轴方向选取合适的隔板条放置托盘，这种存储设计具有可柔性分配调节的操作特点。

如图4所示，智能货柜终端系统的入库操作主要包括以下几个步骤：

步骤1：操作者首先通过人机交互操作界面按下触摸屏显示模块的入库按钮，系统将提示是否有空余位置可供存放，若无位置则放弃此次操作，若有位置则确认此次操作继续；

步骤2：将贴有条形码一面的货物朝上放置，正对着载物平台顶端安装的摄像头，通过摄像头拍摄条形码图像，此时激光测距模块和薄膜压力传感器并行工作，通过通信模块将获得的数据信息利用RS232串口发送至控制器，；

步骤3：控制器对获取的图像进行灰度处理，滤波、二值化操作定位条形码图像并最终调用条形码解码库识别条形码信息以作为此货物的特征信息，以便后期的出库操作。将激光测距模块测得的数据进行处理得到货物的高度与宽度，根据测得高度计算其所占用的空间，将薄膜压力传感器测得的数据进行处理得到货物的质量信息，将上述三种信息按照ABC分类方法进行货物分类，A类货物主要存放在靠近出入库载物平台处，B类货物存放在扇形分区的中心部分以提高存取效率，C类货物由于存取频率较低因此存放在离出入库口距离较远柜格。

步骤4：智能货柜终端控制系统结合目前货柜中已存货物的状态，执行货位分配算法，即保证货架承重整体均匀，内部存放体积上小下大；尽量就近入库以提高效率，单位柜格的货物存取频率和运输货物时三轴移动平台总运行时间最小；在保证货物相关性和存储安全性的原则上计算最优货位坐标(X，Y)，首先驱动Z轴方向的步进电机反转将货物移动到货柜本体内部，其次驱动XY两轴方向上的步进电机正转将送到指定的目标位置(X，Y)，Z轴的末端执行器通过托盘可以实现柔性存储空间的调节。

步骤5：控制系统发送命令至三轴执行装置，首先驱动Z轴方向的步进电机反转将货物移动到货柜本体内部，其次驱动XY两轴方向上的步进电机同时正转以节省存储时间，将送到指定的目标位置(X，Y)。

步骤6：存储完毕后，人机操作界面显示模块收到结束指令和记录货物存储相关信息，完成当前的入库流程，最终驱动XYZ三轴方向上的步进电机进行反转，回归到原点。

如图5所示，智能货柜终端系统的出库操作主要包括以下几个步骤：：

步骤1：操作者首先通过人机交互操作界面按下触摸屏显示模块的出库按钮，根据入库操作完成时显示的货物存储相关信息，操作者在显示界面上输入该信息，若无此货物则显示错误，放弃此次操作，若有则确认继续操作；

步骤2：智能货柜终端系统根据接受到的货物相关位置信息，通过控制器计算出该货物的存储位置；

步骤3：控制系统发送控制指令给三轴执行机构，首先驱动Z轴方向上的步进电机反转即后退至货柜本体内部操作，再驱动XY轴方向的步进电机正转到目标位置(X，Y)处，接着驱动Z轴方向上的步进电机正转至目标托盘位置下方， Y轴方向上略向上移动少许距离，此时驱动Z轴电机在水平方向上后退，最终驱动XY两轴方向上的步进电机反转至原点即载物平台处

步骤4：操作者从出入库载物平台处取走货物，出库完毕。触摸屏显示模块收到结束指令并删除相关的货物存储信息，完成当前的出库流程。

综上所述，本发明基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统区别与传统大型自动化立体仓库的投入大、建设周期长、存储货物种类固定、人工存取效率低等缺点，致力于小型智能货柜仓储系统能够有效的弥补上述缺陷与不足；其次采样货物的多种特征信息融合并结合货位分配优化机制能够柔性分配存储空间，极大程度上提高货柜空间利用率；自动化程度高，采用三轴执行装置，三轴方向上自动控制，有效的解决了货柜高度过高时存取不便的问题，同时取代传统的人工存取货物，加快了货物存取效率，降低了人力成本；本发明的实用性强、应用面广，可应用目前的智能快递柜、自助寄存柜，在自动售货机行业中也具有较高的推广应用价值和社会意义。

Claims (8)

1.一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：包括终端控制系统、显示模块、通信模块、电源模块和柔性存储空间；

所述终端控制系统包括控制管理模块、传感器模块、步进电机驱动器和三轴执行装置，所述传感器模块包括激光测距模块、薄膜压力传感器模块以及摄像头模块；所述三轴执行装置包括可控制的XYZ三轴方向移动机构以及Z轴方向上的末端执行器；所述显示模块为一个触摸显示屏；通信模块负责整个控制系统的数据传输；所述柔性存储空间为具有可调节性的单元柜格；

显示模块接收出入库指令，传感器模块对货物进行称重、测距和读取货物条形码，通过通信模块传输数据到控制管理模块，终端控制系统对多传感器数据信息融合处理并根据货位分配优化算法柔性分配存储区域，最终发送指令控制三轴执行装置实现货物的出入库操作。

2.根据权利要求1所述的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：所述控制管理模块以STM32控制器为核心，负责整个终端系统控制指令和传感器数据的分析和处理；所述激光测距模块安装在智能货柜载物平台的顶部和两方侧面，用于从多角度测量货物的长宽高尺寸信息；所述薄膜压力传感器安装在载物平台的底面，用于测量货物的质量信息；所述摄像头模块安装在出入库载物平台的顶部，正对载物平台的底面，通过拍摄货物的条形码图像，经过图像处理以识别货物上的条形码信息，最终将这三个数据信息进行处理融合，按权重系数建立综合评价机制，将货物分成ABC三类，同时将货区以货物存取频率为依据进行扇形分区，A类货物存放在靠近出入库载物平台即扇形分区边缘位置处，B类货物存放在扇形分区的中心部分，C类货物存放在离出入库口距离较远柜格即扇形中心处。

3.根据权利要求2所述的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：建立综合评价机制的条件如下：自动化仓储货柜总载重为M，第i层j列的货物质量为m_ij，整个仓储空间的尺寸S分为大中小三类S_ij，其对应的存取频率p_ij取值区间为[0,1]，若根据条形码信息判断多个货物为同一入库者则定义这些货物之间的相关性为α＝1，否则α＝0，质量、尺寸和条形码相关性三类判别权重分别为w1，w2，w3，E为最终评价结果；具体的ABC分类法综合评价机制公式如下：

其中

评价机制结果分类判定如下：

4.根据权利要求1所述的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：所述三轴执行装置包括XYZ三轴滚珠丝杠、XYZ轴步进电机以及Z轴方向上的末端执行器，XYZ三轴滚珠丝杠、XYZ轴步进电机与步进电机驱动器协同工作，Z轴方向上的末端执行器用以承载托盘；将步进电机驱动器的接线口分别通过导线采用共阴极接法与电源和控制器IO口相接，通过控制器发送脉冲个数控制指令实现步进电机在笛卡尔直角坐标系下三个方向上运动，通过控制脉冲频率实现步进电机速度快慢运动；Z轴的连接块上安装末端执行器用以抓取托盘。

5.根据权利要求1所述的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：所述的通信模块负责实现激光测距模块和薄膜压力传感器基于IIC协议与控制管理单元的通信，摄像头模块通过SCCB总线与控制管理单元相连；以及通过RS232串口实现对步进电机驱动器的控制指令的传输；电源模块由开关电源构成，实现对整个终端系统的供电。

6.根据权利要求1所述的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：所述的存储区包括多个不同大小的子单元柜格，每个单元柜格两侧安装隔板条用以置放承载货物的托盘，托盘按Z轴方向水平移动实现托盘的出入库，通过控制Y轴方向选取隔板条放置托盘，实现子单元柜格空间大小的柔性调节。

7.一种基于权利要求1-6任意一项所述智能货柜终端系统的货物入库方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过人机交互操作界面选择入库，终端控制系统提示是否有空余位置可供存放，若无位置则放弃此次操作，若有位置则执行下一步；

步骤2：将贴有条形码一面的货物朝上放置，正对着载物平台顶端安装的摄像头，通过摄像头拍摄条形码图像，激光测距模块和薄膜压力传感器并行工作，通过通信模块将获得的数据信息经RS232串口发送至控制管理模块；

步骤3：控制管理模块调用条形码解码库识别条形码信息以作为此货物的特征信息；将激光测距模块测得的数据进行处理得到货物的高度与宽度，根据测得高度计算其所占用的空间，将薄膜压力传感器测得的数据通过通信模块传输到控制器进行分析和处理得到货物的质量信息，将上述三种信息按照ABC分类方法进行货物分类；

步骤4：智能货柜终端控制系统结合目前货柜中已存货物的状态，根据货位分配算法计算最优货位坐标(X，Y)，并发送控制命令给三轴执行机构，通过Z轴的末端执行器利用托盘实现柔性调节存储空间；

步骤5：终端控制系统发送控制指令至三轴执行装置，首先驱动Z轴方向的步进电机反转将货物移动到货柜本体内部，其次驱动XY两轴方向上的步进电机同时正转，将送到指定的目标位置(X，Y)；

步骤6：存储完毕后，显示模块收到结束控制指令并记录货物存储相关信息，完成当前的入库流程，驱动XYZ三轴方向上的步进电机进行反转，回归到原点即载物平台处。

8.根据权利要求7所述的入库方法，其特征在于，所述货位分配算法的数学模型如下：

约束条件为：

且i,j为正整数

其中，f₁为单元柜格货物的质量与其所在层的乘积之和，m_ij为第i层j列的货物质量；f₂为货物的存取频率p_ij和三轴移动平台运行时间乘积总和；t_ij为第i层j列的货物搬运到出库口所需要时间；三轴移动平台垂直运行速度为v_x，水平运行速度为v_y，横向运行速度v_z，其中单位柜格底长为L米，高度为H米，深度为D米。

Images