CN113148385B - 一种单入口立体自动存取柜及云端物料管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单入口立体自动存取柜及云端物料管理系统。包括存储柜立体机械结构、电梯机构、自动导引小车以及数据库管理系统；存储柜立体机械结构包括仓位、小车导轨、循迹线和循迹标识、电梯机构和单出入口，自动导引小车通过检测循迹线和循迹标识实现规定路线的直线行驶和转弯；通过叉臂升降改变仓位的储物盒的高度并移动储物盒的位置，完成储物盒的取出和存入；通过电梯机构将货物运输到单出入口的人工操作台；通过数据库管理系统，控制小车执行物料的自动运输功能；采用ZigBee组网方式实现自动导引小车、电梯机构和数据库管理系统三者之间的无线通讯。实现了存储柜内部货物自动运输功能；解决了当前各种小物料存取和管理困难的问题。

Description

一种单入口立体自动存取柜及云端物料管理系统
技术领域
本发明属于物料存取柜及管理系统领域，尤其是涉及一种单入口立体自动存取柜及云端物料管理系统。
背景技术
智能存储技术起源于美国和日本，是在二战以后提出的以解放劳动力，提高物料存储效率的一种新技术。20世纪60年代后随着自动导引小车(AGV)、移动式货架与旋转式货架等技术的成功研制，其自动化程度迅速增加；70年代集成化传感器的发明又增强了人们对智能存储的控制能力，但此时的智能存储只能做到各设备、各操作的单独运用，不能达到智能一体化的效果；80年代后随着计算机技术的快速发展，集成化存储技术诞生，智能存储的总体效益也随之迅速提高；21世纪以来，人工智能的迅速发展，智能自动化存储技术的诞生，它将智能存储技术水平提高到一个全新的高度。目前国内外各大电子商务公司加大投资力度，积极参与研究智能存储技术，通过智能化的管理来节约成本，提高物流效率。如今世界上的自动化仓库的建设数量呈现急剧扩大的趋势，并且发达国家对自动一体化存储的重视程度越来越高，这预示着自动一体化存储是未来智能存储的一种发展趋势。
国内外对智能存储系统的研究相当广泛深入，但目前各个产品应用面相对单一，市场应用范围有限，需求量不高。国内外企业对智能存储系统的研究大多应用于物流管理行业方面。虽然其研究资金充足，根据人工智能、大数据，利用机器人来实现智能全面一体化的现代智能仓库，但是其项目产品无法投入到基层社会生活中使用。近年来，国内外各大高校将智能存储技术向其他行业发展，出现了各种各样的智能存储系统，利用嵌入式、物联网相关知识，根据各个行业的特点，研究制造了各个行业所需的智能存储系统。例如，各大公共场所的自动售卖机，无需工作人员，用户可以独自购买物品；多种物品存放的智能存储柜，物品事先分类排序放入智能柜中，用户在柜前控制面板上输入所需的物品，智能柜自动打开存放相应物品的柜门，方便用户快速存取物品，减少了用户寻找物品位置的时间；还有已经在少数大型医院投入使用的自动化药房，医生根据患病者的情况，在药房管理系统中输入药品名称、药品数量进行远程下单，药房自动分拣订单上的药品并且打包运输到药房窗口，患病者网上付费后直接取药，全程无需工作人员干涉，大大减小了医院药房的劳动力。
目前市场上投入使用的智能存储柜绝大多数只是起到快速定位物品的作用，对于智能柜内部布局、分类、运输等没有做到进一步的研究。其次，其智能存储的管理系统尚未建成，没有实时管理系统记录用户使用智能柜的情况，如用户使用登记、用户使用权限、存储柜库存信息、提醒管理员及时补货等。这些问题极大的限制了智能存储柜的应用市场，对于各种小物料存储管理，其物品种类多、体积小、数量大，传统的智能存储柜无法高效的对其进行存储和管理，目前大部分还是使用锁和钥匙开门的柜子进行存储和管理。如各个实验室中电子器件的存储和管理，一方面，电子器件有着近乎苛刻的存储要求，若是存储环境不达标，电子器件的报废量极其巨大。另一方面，电子器件有着种类多、差异大等特点，给储存和管理带来一定难度。随着信息化技术的发展，传统的存储方式会带来效率不匹配和管理成本上升等一系列问题。智能存储系统不能仅仅满足于目前所具有的功能，智能存储系统必须合理分配存储空间，改善内部存储环境，物料自动运输存取，并且要实现信息化管理，对物品的存储信息动态管理，系统可以识别用户，并且记录用户的使用信息，实时检测储存系统所剩物料的存量，并及时提醒管理人员补充缺少的物料。
目前针对上述各种小物料存取和管理困难等问题，尚无高效的机械结构、自动存取控制方法以及能够实现智能管理的系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种单入口立体自动存取柜及云端物料管理系统，针对各种小物料存取和管理困难等问题。
本发明是这样实现的，
一种单入口立体自动存取柜，该存取柜包括：存储柜立体机械结构、电梯机构、自动导引小车以及数据库管理系统；其中：
存储柜立体机械结构包括仓位、小车导轨、循迹线和循迹标识、电梯机构和单出入口，存储柜立体机械结构采用长方体的立体机械结构，内部分成结构完全相同的多层存储空间，每层按照行和列的排列方式设置多个货物存储仓位，通过纵横交错的小车导轨将每层仓位分为多个区域；小车导轨采用TS型导轨结构，小车导轨两侧具有凸起挡板，挡板用于限制小车的运动方向，确保小车在预设的轨道上直线行驶；而井字形导轨十字口设计为圆盘式结构，留给小车足够的转弯空间；小车导轨上具有循迹线和循迹标识，其中直线导轨上循迹线为导轨中央的黑色粗直线，十字口设有十字形循迹线和十字路口标识；
自动导引小车通过检测循迹线和循迹标识实现规定路线的直线行驶和转弯；
存储柜内货物存储结构采用抽斗结构，货物存储于正方形的储物盒中，储物盒两侧具有支撑臂突起结构，仓位具有凹槽的仓架，储物盒与仓架之间凹凸结合，并且仓架高度大于储物盒高度，储物盒悬挂在仓架上时底部悬空，通过小车伸入支撑板至储物盒底部，进而通过叉臂升降改变储物盒的高度并移动储物盒的位置，完成储物盒的取出和存入；
电梯机构，其顶部放置一个步进电机，步进电机的转轴与放线滑轮相连，缆绳通过放线滑轮与升降仓相连，通过步进电机的正反旋转控制升降仓的上下移动，进而使升降仓移动到确定的储物层高度；在存储柜每层配置一个小车负责本层货物的存取工作，每层小车只需将货物运输到电梯机构，通过电梯机构将货物运输到单出入口的人工操作台；
数据库管理系统，控制小车执行物料的自动运输功能；用于收集、存储、管理物料信息、用户信息和系统使用信息并生成相应的存取日志；
采用ZigBee组网方式实现自动导引小车、电梯机构和数据库管理系统三者之间的无线通讯。
进一步地，所述升降仓包括四周的支撑架以及底部的底板，底板上设置传送带和称重模块，支撑架用于限制储物盒的运动，避免传送带传动导致储物盒掉落；称重模块采用压力传感器安装在升降仓底部，通过测量储物盒重力，估算出货物库存信息；传送带用于当升降仓移动至单出入口位置，传动货物运输到人工操作台，供用户存取货物。
进一步地，所述自动导引小车内置于存储柜机械结构内部，用于完成存储柜内货物的自动运输功能，包括主控制器、直流减速电机、电机驱动模块、电源模块、红外传感器、ZigBee无线通讯单元、ZigBee天线、超声波模块、存储器、以及新型叉臂机构，主控制器通过电机驱动模块与直流减速电机相连，电源模块输出口与主控制器电源输入口相连，主控制器通过GPIO口与红外传感器和超声波模块相连，主控制器通过UART接口与ZigBee无线通讯单元相连，ZigBee无线通讯单元与ZigBee天线直接相连，主控制器通过静态存储器接口与存储器相连，主控制器电源输出口和控制信号线与新型叉臂机构电源输入口和控制输入端相连；主控制器是自动导引小车的控制中心，用于控制直流减速电机、红外传感器、超声波模块、ZigBee无线通讯单元、存储器以及新型叉臂机构；直流减速电机通过主控制器的控制信号驱动小车在存储柜内按照特定路线行走，并可通过编码器返回的参数获取小车电机转速，进而精确控制小车行驶速度；红外传感器用于检测地面循迹线和循迹标识，获取小车当前偏离轨道参数，从而修正小车行驶轨迹；超声波模块用于测量小车在存储柜内距离前后边界的距离，通过计算进而确定小车的具体位置；ZigBee无线通讯单元通过自组网与电梯机构和数据库管理系统的上位机建立通讯联系，实现上位机、电梯机构和小车三者之间的无线通讯；存储器中存放存储柜地图信息和小车当前位置信息，包括各个货物位置信息和小车轨道信息；新型叉臂机构配合存储柜内仓位的抽斗结构，实现货物的自动运输功能。
进一步地，新型叉臂机构分为四层，第一层为第一层叉臂平板42，第二层为向左传动装置，向左传动装置通过第二层伺服电机采用齿轮齿条带动第一层叉臂平板向左伸出，同时设置了两条支撑杆帮助支撑，提高稳定性，第三层为向右传动装置，通过第三层伺服电机，将第一层和第二层整体看作一个叉臂平板向右伸出，第四层为升降机构，升降机构带动升降板，用于抬起货物与放下货物，通过两个丝杠步进电机进行控制。
进一步地，在小车导轨上布置黑色轨迹线，利用红外传感器循迹的方法，利用PID控制算法对其行驶路线进行矫正；当直线行驶时，通过红外传感器检测轨道上的黑色轨迹线，通过返回参数判断小车偏离轨道角度，将偏离量输入到控制器，通过PID控制算法调整小车左右电机转速比，修正小车行驶方向；在小车导轨十字口时，当小车检测到十字口标识时，根据预设旋转动作组，实现小车90°旋转；当小车驶入取货仓位附近时，通过超声波传感器测量小车距离前后存储柜墙壁距离准确计算小车位置，经过控制器调整小车位置使其准确停在仓位取货位置。
进一步地，小车在存储柜内自动行驶定位，小车存储器中存储了各个货物位置信息及地图信息，根据货物存储采用矩阵的排列方式，每个货物位置信息占用一个字节内存，地图信息包括存储柜规模大小、轨道横向条数、轨道纵向条数、十字口柜内坐标位置和货仓中心坐标位置；小车根据数据库管理系统传来的货物名称信息从存储器中查询到货物的具体位置，最优路径规划算法根据存储器中地图信息计算得出小车行驶到货物的最优路径。
进一步地，数据库管理系统通过ZigBee无线通讯单元向自动导引小车发送出库指令，出库指令信息包括出库标识和货物编号，小车接收到出库指令后，判断指令信息内容为某一具体货物出库操作，根据货物编号在存储器内搜索货物信息，得到货物的具体位置信息，调用最优路径规划算法得到小车行驶路线，根据行驶路线调用小车自动行驶功能块行驶到货仓位置，将储物盒移动到小车上，通过ZigBee无线通讯单元向电梯机构发送升降到当前层指令，小车重新规划路径行驶到电梯机构处，小车将货物移动到电梯上的仓架上，向电梯发送移动到单出入口指令，电梯机构接受并返回货物重量信息，小车向数据库管理系统发送出库成功信息，当电梯机构升降到单出入口时调用传送带送出功能，将货物运输到人工操作台，货物出库功能实现完成；对于货物入库的实现过程为：在用户将货物推到单出入口内后，数据库管理系统通过ZigBee无线通讯单元向自动导引小车发送入库指令，入库指令信息与出库指令信息格式相同，包括入库标识和货物编号，小车接收到入库指令后，判断指令信息内容为某一具体货物入库操作，通过ZigBee无线通讯单元向电梯机构发送升降到当前层指令，小车启动新型叉臂机构将货物从电梯仓中移动到小车上，小车向电梯机构和数据库管理系统发送入库完成指令，电梯机构接到指令后返回到单出入口位置，小车根据货物编号在存储器内搜索货物信息，得到货物的具体位置信息，调用最优路径规划算法得到小车行驶路线，根据行驶路线调用小车自动行驶功能块行驶到货仓位置，启动新型叉臂机构将储物盒移动到仓架上，小车重新规划路径行驶到待命位置，等待下一次出入库操作指令，货物入库功能实现完成。
进一步地，数据库管理系统包括上位机、ZigBee无线通讯单元、ZigBee天线、摄像头模块、语音模块和触摸屏，上位机通过USB转串口与ZigBee无线通讯单元相连，ZigBee无线通讯单元与ZigBee天线直接相连，上位机通过CSI接口与摄像头连接，上位机通过USB接口与触摸屏、语音模块连接。上位机工作在Linux操作系统环境下，用于设计数据库管理系统，动态存储物料数据信息和用户数据，利用JavaScript设计系统网页应用界面，整个物料数据信息和用户数据存储于数据库中；通过触摸屏建立良好的人机交互界面，便于用户使用，摄像头模块用于人脸识别，判断用户身份信息，为用户匹配相应的使用权限，语音模块用于智能人机交互，实现用户语音输入智能操作系统。
一种云端物料管理系统，布置在云端与存取柜通过无线数据传输。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明实现了存储柜内部货物自动存取运输功能，智能存取柜的智能信息化管理，解决了当前各种小物料存取和管理困难的问题，具有储物占地面积小、空间大、信息管理效率高等优点。存储柜机械结构实现货物存储空间的合理分配，自动导引小车(AGV)的自主导航定位；自动导引小车、新型叉臂机构和电梯机构的设计实现了存储柜内部货物自动运输功能；数据库管理系统的设计解放了管理人员，实现了智能存取柜的智能信息化管理，解决了当前各种小物料存取和管理困难的问题。
附图说明
图1为本发明存储柜内部单层机械结构图；
图2货物存储仓位结构图；
图3自动导引小车及新型叉臂机构结构图；
图4电梯机构整体结构图；
图5电梯机构中升降仓结构图；
图6电梯机构中装入仓储盒结构图；
图7自动导引小车(AGV)框图；
图8电梯机构框图；
图9数据库管理系统框图；
图10单入口立体自动存取柜及云端物料管理系统功能示意图；
图11自动导引小车(AGV)软件运行流程图(a)为出库入库流程，(b)小车行驶流程图；
图12电梯机构软件运行流程图；
图13数据库管理系统软件运行流程图，(a)物料取出流程图；(b)物料存入流程图；(c)物料录入流程图；(d)系统登录流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1结合图2-6以及图10所示，一种单入口立体自动存取柜，以及包括该存取柜的云端物料管理系统，该存取柜包括：存储柜立体机械结构、电梯机构、自动导引小车4，自动导引小车4上具有新型叉臂机构5以及数据库管理系统；其中：
存储柜立体机械结构可以扩大物料的存储空间、提高物料的存取效率。其包括仓位6、小车导轨1、循迹线和循迹标识3、电梯机构和单出入口，设置在一个底板9上，仓位6设置在存储台8上(见图1)。整个存储柜结构采用长方体的立体机械结构，内部分成结构完全相同的两层存储空间设计，每层按照行和列的排列方式设置多个货物存储仓位，通过井字形小车导轨将每层仓位分为六个区域。
存储柜内小车导轨的设计便于小车自主导航定位，采用TS型导轨结构，导轨两侧具有凸起挡板2，挡板用于限制小车的运动方向，确保小车在预设的轨道上直线行驶。轨道上设置小车导轨，而井字形导轨十字口设计为圆盘式结构，留给小车足够的转弯空间。并在轨道两边设置小型挡板，使其能够很好的限制小车的行走方向，小车导轨上具有循迹线和循迹标识，其中直线导轨上循迹线为导轨中央的黑色粗直线，十字口设有十字形循迹线和十字路口标识。自动导引小车(AGV)通过检测循迹线和循迹标识实现规定路线的直线行驶和转弯。存储柜内货物存储仓采用抽斗结构(见图2)，货物存储于正方形储物盒中，储物盒7两侧具有支撑臂62突起结构，而仓位设计为具有凹槽63的仓架64，储物盒与仓架之间凹凸结合，储物盒具有盒盖61，有效实现储物盒的稳定放置，并且四个角的仓架高度大于储物盒高度，储物盒悬挂在仓架上时底部悬空，通过伸入支撑板至储物盒底部，进而通过叉臂升降改变储物盒的高度并移动储物盒的位置，完成储物盒的取出和存入。
参见图4-6以及图8，电梯机构采用现代电梯结构，包括主控制器、ZigBee通讯单元、步进电机101、缆绳104、升降仓103、传送带、重物105和称重模块组成(见图8)。电梯机构顶部放置一个步进电机，电机转轴与放线滑轮相连，缆绳通过放线滑轮与升降仓相连，通过电机的正反旋转控制升降仓的上下移动，进而使升降仓移动到确定的储物层高度(见附图4)，电梯机构四个角设置支架102用于支撑。电梯机构的设计可以有效实现多个小车协同工作，即存储柜每层配置一个自动导引小车(AGV)负责本层货物的存取工作，每层小车只需将货物运输到电梯机构，通过电梯机构将货物运输到单出入口的人工操作台。升降仓上具有支撑架1013、传送带16和称重模块(见附图5-6)，支撑架用于限制储物盒的运动，避免传送带传动导致储物盒掉落；称重模块采用压力传感器安装在升降仓底部1014，通过测量储物盒重力，估算出货物库存信息；传送带用于当升降仓移动至单出入口位置，传动货物运输到人工操作台，供用户存取货物。支撑架顶部设置支撑平台1017，设置第二电机1011，通过带动皮带1012，连接升降仓底部的转轮，在转轮上设置减速器1015，入口的设计有效的避免了用户各个货物存储位置之间走动，全部货物由一个出入口进出，方便存储柜物料存取和管理，提高了存储柜的存储效率。
参见图3以及图7所示，自动导引小车(AGV)内置于存储柜机械结构内部，用于完成存储柜内货物的自动运输功能。主要由主控制器、直流减速电机47(带编码器)、电机驱动模块、电源模块、红外传感器、ZigBee无线通讯单元、ZigBee天线、超声波模块、存储器、以及新型叉臂机构(见图3)。主控制器通过电机驱动模块与直流减速电机相连，电源模块输出口与主控制器电源输入口相连，主控制器通过GPIO口与红外传感器和超声波模块相连，主控制器通过UART接口与ZigBee无线通讯单元相连，ZigBee无线通讯单元与ZigBee天线直接相连，主控制器通过静态存储器接口与存储器相连，主控制器电源输出口和控制信号线与新型叉臂机构电源输入口和控制输入端相连。主控制器是自动导引小车(AGV)的控制中心，用于控制直流减速电机、红外传感器、超声波模块、ZigBee无线通讯单元、存储器和新型叉臂机构。直流减速电机通过主控制器的控制信号驱动小车在存储柜内按照特定路线行走，并可通过编码器返回的参数获取小车电机转速，进而精确控制小车行驶速度；红外传感器用于检测地面循迹线和循迹标识，获取小车当前偏离轨道参数，从而修正小车行驶轨迹；超声波模块用于测量小车在存储柜内距离前后边界的距离，通过计算进而确定小车的具体位置；ZigBee无线通讯单元通过自组网与电梯机构和数据库管理系统上位机建立通讯联系，实现上位机、电梯机构和小车三者之间的无线通讯；存储器中主要存放存储柜地图信息和小车当前位置信息，包括各个货物位置信息和小车轨道信息；新型叉臂机构配合存储柜内仓位的抽斗结构，实现货物的自动运输功能。
数据库管理系统为自动存取柜及物料管理系统的核心。一方面，其用于控制自动导引小车(AGV)执行物料的自动运输功能；另一方面，其用于收集、存储、管理物料信息、用户信息和系统使用信息并生成相应的存取日志，实现存储柜的智能化管理。包括上位机、ZigBee无线通讯单元、ZigBee天线、摄像头模块、语音模块和触摸屏等构成(见图9)。上位机通过USB转串口与ZigBee无线通讯单元相连，ZigBee无线通讯单元与ZigBee天线直接相连，上位机通过CSI接口与摄像头连接，上位机通过USB接口与触摸屏、语音模块连接。上位机工作在Linux操作系统环境下，便于设计数据库管理系统，动态存储物料数据信息和用户数据，利用JavaScript设计系统网页应用界面，整个物料数据信息和用户数据存储于数据库中。通过触摸屏建立良好的人机交互界面，便于用户使用自动存取柜及物料管理系统，摄像头模块用于人脸识别，判断用户身份信息，为用户匹配相应的使用权限，语音模块用于智能人机交互，实现用户语音输入智能操作系统。
硬件具体实施方式如下：存储柜立体机械结构各单元实现如下：存储柜外壳采用304不锈钢，仓位材料采用聚丙烯-PP材料，支撑结构采用7075-铝合金材料支架横梁，通过机械加工技术加工成固定支架，搭成多层结构，中间支撑层采用工程塑料ABS，小车导轨采用聚氯乙烯-PVC材质，保证小车导轨防滑稳定，同时导轨设计采用TS型导轨，限制自动导引小车(AGV)移动方向，循迹标识采用黑色PVC防水胶带作为地面标识，存储柜中电梯机构采用12V供电、每分钟200转的直流减速电机作为升降驱动电机，缆绳选用钢丝绳，缆绳两端通过钢丝绳夹固定，绳子穿过三个放线滑轮，两个放线滑轮固定在升降仓顶部，剩余一个与重物块相连，利用蜗轮蜗杆减速器实现电机与放线滑轮之间的动力传递，电梯机构上的传送带装置采用42系列步进电机，其扭矩为0.55N·m,采用两相四线引线式出线方式，供电电压为12V-24V，同步轮选用5M100齿槽、带宽20mm、内孔为圆孔的同步轮，同步齿形带选用1000橡胶、20mm宽同步带，其与同步轮结构吻合，滚筒采用输送带滚筒，有效增大摩擦力，传送带皮带选择无缝输送传送皮带，具有耐磨防滑防静电的功能。
自动导引小车(AGV)各单元实现如下：主控制器采用STM32F407ZET6，小车轮胎采用四个航模级减震轮胎，电机采用直流减速电机，电机驱动器采用12V供电、逻辑工作电压为5V的L298N，新型叉臂取物机构中抬起结构采用T8直线丝杆步进电机、8导程，选用丝杆长为100mm，出线方式为两相四线，丝杆直径为8mm，螺距2mm，支撑面板采用亚克力板，通过光雕机形成预定形状，红外传感器选用四路红外检测接受模块LQ_R4CHVB，超声波模块选用US-100型号，颜色传感器选用TCS3200型号，小车供电选用可充电电池，型号为6000mah，30CT接口型航模电池，ZigBee无线通讯单元选用CC2530无线串口模块。
数据库管理系统各单元实现如下：主控制器选用树莓派4代8GB开发板，触摸屏选用10寸高清电容触摸屏，分辨率为1024*600，麦克风选用ReSpeaker4-Mic Array语音模块，摄像头选用NoIR Camera V2树莓派摄像头。
本发明采用单入口存储柜机械结构完成货物的存储。其内部货物单元格大小适中，采用矩阵排列方式按照货物种类存储货物，两个货物之间的存储间隙小，储物占地面积小，存储空间大，存储效率高，存储柜内部具有许多货物仓位标志、小车轨道和循迹线等标识记号，便于内部自动导引小车(AGV)的自主导航定位，其内部电梯机构用于将货物从小车运输到单出入口的人工操作台上，实现多个小车协同工作，极大的提高了货物存取的效率。电梯机构上的称重模块，通过测量储物盒重力计算得到货物库存数量，便于及时发现库存不足的货物，提醒管理人员及时补充货物，实现货物的库存管理。存储柜内部货物存储单元采用抽斗结构，储物盒两端具有支撑臂，悬挂在仓架上，其底部悬空，配合自动导引小车(AGV)上的新型叉臂机构，实现货物的自动运输功能。
为了实现智能存储柜内货物的自动出入库功能，首先需要解决自动导引小车、电梯机构和数据库管理系统三者之间的协同工作。本发明采用ZigBee组网方式实现三者之间的无线通讯，利用ZigBee串口透传模式实现小车与电梯机构，小车与数据库管理系统之间的双向通讯，无线数据传输起始加入握手应答信号，保证信号传输双方正常工作，提高数据传输的有效性。为了实现小车在存储柜内自动行驶定位，小车存储器中存储了各个货物位置信息及地图信息，根据货物存储采用矩阵的排列方式，每个货物位置信息占用一个字节内存，其前四位代表行号，后四位代表列号，地图信息主要包括存储柜规模大小(长、宽)、轨道横向条数、轨道纵向条数、十字口柜内坐标位置和货仓中心坐标位置等。小车根据数据库传来的货物名称信息从存储器中查询到货物的具体位置，最优路径规划算法根据存储器中地图信息计算得出小车行驶到货物的最优路径。
本发明利用自动导引小车(AGV)实现货物的自动运输功能。自动导引小车(AGV)通过ZigBee通讯单元与电梯机构和数据库管理系统之间建立无线通讯。小车运输货物的功能完全由数据库管理系统控制。
货物的出入库实现起始于数据库控制指令，结束于小车的完成信号。对于货物出库的实现过程为：参见图11(a)当数据库管理系统通过ZigBee通讯单元向小车发送特定货物出库指令后，小车按照指令内容从货物仓位将货物运输到电梯机构处，通过向电梯机构发送出库指令，完成货物的出库操作；当数据库管理系统发送特定货物入库指令后，小车向电梯机构发送入库指令，然后从电梯机构上将货物运输到货物仓位，最终返回待命位置，完成货物入库操作。图11(b)自动导引小车(AGV)行驶在存储柜内小车轨道上，通过红外传感器检测小车轨道上的循迹线，计算获得小车的偏移距离和偏移角度，从而通过主控制器利用PID控制算法，闭环控制调节小车两侧电机转速，实现小车的循迹行驶。参见通过小车上前后的两个超声波模块测量小车距离存储柜边界的距离，计算得出小车在存储柜内的实时位置，通过调度存储器内的货物位置信息、轨道结构信息，结合当前小车具体位置，计算获得小车的最优行驶路线。小车行驶到特定货物存储位置后，利用新型叉臂机构实现货物的存和取；
对于小车存取货物装置的设计，传统的利用传送带实现货物搬运的方式必须在每个货仓位置安装传送带装置，而且小车必须和每个传送带协同工作实现仓位货物到小车上的转移，这样设计效率相对较低，并且成本较高。因此，采用自主发明的新型叉臂机构及与之配合的仓位抽斗结构实现货物在仓位和小车之间的转移。这种叉臂结构可以使小车在窄通道工作时，不需要左右转向即可实现左右货物均可转移。这种新型叉臂机构在窄道工作时，不需要小车左右转向即可实现左右均可取货。
新型叉臂机构总体分为四层(见图3)，新型叉臂机构分为四层，第一层为第一层叉臂平板42，第二层为向左传动装置，向左传动装置通过第二层伺服电机54采用齿轮齿条带动第一层叉臂平板向左伸出，同时设置了两条支撑杆帮助支撑，提高稳定性，第三层为向右传动装置，通过第三层伺服电机44，将第一层和第二层整体看作一个叉臂平板向右伸出，第四层为升降机构52，升降机构带动升降板，用于抬起货物与放下货物，通过两个丝杠步进电机进行控制。同时设置了两条支撑杆帮助支撑，提高稳定性，通过四个丝杠步进电机进行控制，结合存储柜内货物仓位抽斗结构的设计，解决了货物自动运输的困难，极大的提高了存储柜系统的自动化水平。具体的，小车包括车轮48，安装在支撑底板45上，支撑底板45底部设置直流减速电机47，升降装置52设置在支撑底板45上，通过步进电机53带动升降装置52，在支撑底板45上设置两个支撑杆49，连同升降机构52的螺杆41支撑一升降板46，升降板上方设置平行的固定杆50，第三层伺服电机44通过齿轮齿条51带动第二层叉臂平板43在固定杆50上向右移动。在第二层叉臂平板43上设置第二固定杆，第一层叉臂平板42通过第二层伺服电机54在第二固定杆上向左移动。
对于货物运输到单出入口处的电梯机构和传送装置的设计，通过对传统货梯升降结构进行改良，设计出一种双边受力平衡的运输电梯机构。电梯机构顶部放置一个直流减速电机，电机转轴与放线滑轮相连，缆绳通过放线滑轮与升降仓相连，通过电机的正反旋转控制升降仓的上下移动，通过红外传感器检测特定高度标志，实现电梯上升高度的控制。电梯机构将每层货物运输至单出入口位置后，通过电梯机构上的传送带装置将货物从单出入口处运输到人工操作区，供使用者进行货物的存取。传送带上放置与仓位抽斗结构一样的支撑架，实现小车和电梯机构之间的货物移动。传送带底部放置压力传感器，通过储物盒重力的作用，测量储物盒中货物的余量。通过该电梯机构与传送装置能够实现两层小车存取货并行操作，提高存取货物的效率。
货物的出入库实现起始于数据库控制指令，结束于小车的完成信号。对于货物出库的实现过程为：数据库管理系统通过ZigBee无线通讯单元向自动导引小车发送出库指令，出库指令信息包括出库标识和货物编号，小车接收到出库指令后，判断指令信息内容为某一具体货物出库操作，根据货物编号在存储器内搜索货物信息，得到货物的具体位置信息，调用最优路径规划算法得到小车行驶路线，根据行驶路线调用小车自动行驶功能块行驶到货仓位置，启动新型叉臂机构将储物盒移动到小车上，通过ZigBee无线通讯单元向电梯机构发送升降到当前层指令，小车重新规划路径行驶到电梯处，小车启动新型叉臂机构将货物移动到电梯上的仓架上，向电梯发送移动到单出入口指令，电梯接受并返回货物重量信息，小车向数据库管理系统发送出库成功信息(包含货物重量信息)，当电梯升降到单出入口时调用传送带送出功能，将货物运输到人工操作台，货物出库功能实现完成。对于货物入库的实现过程为：在用户将货物推到单出入口内后，数据库管理系统通过ZigBee无线通讯单元向自动导引小车发送入库指令，入库指令信息与出库指令信息格式相同，包括入库标识和货物编号，小车接收到入库指令后，判断指令信息内容为某一具体货物入库操作，通过ZigBee无线通讯单元向电梯机构发送升降到当前层指令，小车启动新型叉臂机构将货物从电梯仓中移动到小车上，小车向电梯机构和数据库管理系统发送入库完成指令，电梯机构接到指令后返回到单出入口位置，小车根据货物编号在存储器内搜索货物信息，得到货物的具体位置信息，调用最优路径规划算法得到小车行驶路线，根据行驶路线调用小车自动行驶功能块行驶到货仓位置，启动新型叉臂机构将储物盒移动到仓架上，小车重新规划路径行驶到待命位置，等待下一次出入库操作指令，货物入库功能实现完成。
参见图12所示，电梯机构软件运行流程图，通过ZigBee无线通讯单元相应小车，循环等待接收小车的控制指令，通过解码指令内容，确定指令任务，升降到小车当前层，电机驱动升降仓移动，通过红外传感器检测到位置标识，通过ZigBee无线通讯单元向小车发送完成命令，当升降到小车当前层判断为否时，判断升降到单出口指令，电机驱动升降仓移动，红外传感器检测到位置标识，驱动传送带将货物送出单出入口，调用称重模块，将货物重量信息返回给小车。
为了实现智能存储柜系统的智能化管理，本发明专门设计了数据库管理系统。系统具有物料信息自主管理、用户信息管理和自动生成存储日志的功能，有效实现了信息管理的高效性、安全性，提高了信息管理的效率和质量。本系统采用树莓派作为上位机构建小型数据库、存储日志和系统应用界面等。小型数据库主要用于物料信息和用户信息的动态管理，实现数据存储、更新、查询等主要功能；存储日志主要用于记录智能存储柜系统使用情况，记录每次使用者信息、使用时间、使用内容等；系统应用界面主要用于用户操作使用整个系统，为用户提供良好的人机交互界面，实现用户存取货物、查询存储柜货物信息、查询存储日志、用户信息的录入和删除、用户登录等功能。小型数据库通过定义数据信息字典来实现所需信息的存储，当有新的数据信息加入数据库时，可以通过修改相应数据关系增加新的条目，扩充字典内容。小型数据库中存储的物料信息包括：物料名称、物料编号、物料类型、存储时间、物料库存、备注等；存储的用户信息包括：用户姓名、用户编号、联系方式、用户等级、备注等；存储日志信息内容包括：使用时间、使用者姓名和编号、具体使用操作信息，如：用户信息更改、货物信息更改、存取货物名称和数量、数据库信息查询等功能。
数据库管理系统的整体功能细分成三个功能模块来实现，第一个是系统维护模块，该模块具有判断用户身份等级、定义用户使用权限、数据库信息修改等功能，数据修改包括用户信息的增添、删除、更新。为了实现系统等级化、层次化的管理，将用户分为系统管理员和普通用户两个等级，系统管理员拥有数据库管理系统的所有功能权限，而普通用户只拥有货物查询、货物存取的功能，普通用户由系统管理员录入数据库或从数据库删除。在系统登录过程中，系统获取用户输入的身份信息，从数据库的用户信息表中检索，若未检索到用户信息，向用户返回错误界面，若检索到用户信息，则根据数据库中用户身份信息为用户匹配相应使用权限。第二个是物料存取模块，该模块具有货物存取、货物信息修改等功能。在物料的存取过程中，系统根据用户的输入收集货物存取信息，根据收集到的信息修改数据库中货物的相关信息，实现货物信息的动态管理。第三个是数据查询模块，该模块具有生成存储日志和数据查询等功能。在用户使用系统时，系统自动根据用户使用系统的情况生成相对应的存储日志，系统管理员可以调用系统的查询功能，得到直观的查询窗口，获得系统存储的一系列数据，具有一定灵活性，主要提供物料存储信息(物料名称、库存)、用户身份信息(用户姓名、联系方式、等级权限)和系统存储日志表。
参见图13数据库管理系统软件运行流程图，图13(a)物料取出，通过获得用户编号和物料编号，查询数据库表，判断用户是否有效，当有权限时，通过物料编号查表，库存是否足够后，生成取出信息存入数据库日志表中。
图13(b)物料存入，通过获得物料编号和用户编号，判断物料是否破损，存储柜是否还有足够空间，当有时，生成存入信息，存入数据库日志表中。
图13(c)物料录入，录入物料基本信息，信息是否完整，判断各字段是否合法，插入到数据库中。
图13(d)系统登录，验证用户名，密码是否正确，然后识别用户类型。
为了用户高效率的使用整套智能存储系统，本发明专门设计了网页版用户应用界面，为用户提供良好的人机交互环境。采用HTML、CSS、JavaScript等开发语言，以及jQuery，Bootstrap等框架创建Web页面，使用Tomcat服务器与浏览器的客户端交互，实现前端后端信息的请求与响应。整套系统的所有功能都呈现在用户应用界面，用户只需在应用界面进行操作即可完成对整套系统的控制，实现物料存储的自动化管理。
单入口立体自动存取柜及云端物料管理系统实现了存储柜内部货物自动存取运输功能，智能存取柜的智能信息化管理，解决了当前各种小物料存取和管理困难的问题，具有储物占地面积小、空间大、信息管理效率高等优点。
单入口立体自动存取柜及云端物料管理系统采用数据库管理系统实现物料的智能化管理。通过本地数据库和数据库管理系统实现物料信息和用户信息的存储和更新，为了用户高效率使用整个存储系统，自主设计了Web用户界面，为用户提供良好的人机交互。在物料数据库管理系统中，通过HTML、CSS、JavaScript等开发语言，以及jQuery，Bootstrap等框架创建Web页面，为系统搭建友好美观的用户交互界面。在Web开发的过程中，使用Tomcat服务器与浏览器的客户端交互，实现前端后端信息的请求与响应。采用MySQL数据库作为后台数据库，整个系统使用MVC三层架构管理各个模块，分别实现模型、界面和控制器，使得数据库在健壮性，代码重用和组织结构结构方面有着强大的功能，便于条理清晰、详细组织各个模块。其中使用了Servlet技术以及SpringMVC，Struts2等框架实现控制器，一方面获取客户端传递的参数，另一方面存储数据并进行资源的跳转。在处理数据库的业务逻辑方面，使用Spring集成JavaEE开发中众多API以及各种优秀框架，通过封装有效降低API调用的难度。在后端的持久层开发中，使用了JDBC技术以及MyBatis、Hibernate框架实现系统与数据库的交互，利用前端发送的请求实现数据的添加、删除和更替。
采用智能控制技术、数据库技术、智能定位技术、语音识别技术、无线传输技术、物联网技术、最优路径规划、智能算法等技术实现物料存取的自动化管理。通过自主设计的存储柜机械结构实现货物存储空间的合理分配，自动导引小车(AGV)的自主导航定位；自动导引小车、新型叉臂机构和电梯机构的设计实现了存储柜内部货物自动运输功能；数据库管理系统的设计解放了管理人员，实现了智能存取柜的智能信息化管理，解决了当前各种小物料存取和管理困难的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单入口立体自动存取柜，其特征在于，该存取柜包括：存储柜立体机械结构、电梯机构、自动导引小车以及数据库管理系统；其中：
存储柜立体机械结构包括仓位、小车导轨、循迹线和循迹标识、电梯机构和单出入口，存储柜立体机械结构采用长方体的立体机械结构，内部分成结构完全相同的多层存储空间，每层按照行和列的排列方式设置多个货物存储仓位，通过纵横交错的小车导轨将每层仓位分为多个区域；小车导轨采用TS型导轨结构，小车导轨两侧具有凸起挡板，挡板用于限制小车的运动方向，确保小车在预设的轨道上直线行驶；而井字形导轨十字口设计为圆盘式结构，留给小车足够的转弯空间；小车导轨上具有循迹线和循迹标识，其中直线导轨上循迹线为导轨中央的黑色粗直线，十字口设有十字形循迹线和十字路口标识；
自动导引小车通过检测循迹线和循迹标识实现规定路线的直线行驶和转弯；
存储柜内货物存储结构采用抽斗结构，货物存储于正方形的储物盒中，储物盒两侧具有支撑臂突起结构，仓位具有凹槽的仓架，储物盒与仓架之间凹凸结合，并且仓架高度大于储物盒高度，储物盒悬挂在仓架上时底部悬空，通过小车伸入支撑板至储物盒底部，进而通过叉臂升降改变储物盒的高度并移动储物盒的位置，完成储物盒的取出和存入；
电梯机构，其顶部放置一个步进电机，步进电机的转轴与放线滑轮相连，缆绳通过放线滑轮与升降仓相连，通过步进电机的正反旋转控制升降仓的上下移动，进而使升降仓移动到确定的储物层高度；在存储柜每层配置一个小车负责本层货物的存取工作，每层小车只需将货物运输到电梯机构，通过电梯机构将货物运输到单出入口的人工操作台；
数据库管理系统，控制小车执行物料的自动运输功能；用于收集、存储、管理物料信息、用户信息和系统使用信息并生成相应的存取日志；
采用ZigBee组网方式实现自动导引小车、电梯机构和数据库管理系统三者之间的无线通讯；
所述自动导引小车内置于存储柜机械结构内部，用于完成存储柜内货物的自动运输功能，包括主控制器、直流减速电机、电机驱动模块、电源模块、红外传感器、ZigBee无线通讯单元、ZigBee天线、超声波模块、存储器、以及新型叉臂机构，主控制器通过电机驱动模块与直流减速电机相连，电源模块输出口与主控制器电源输入口相连，主控制器通过GPIO口与红外传感器和超声波模块相连，主控制器通过UART接口与ZigBee无线通讯单元相连，ZigBee无线通讯单元与ZigBee天线直接相连，主控制器通过静态存储器接口与存储器相连，主控制器电源输出口和控制信号线与新型叉臂机构电源输入口和控制输入端相连；主控制器是自动导引小车的控制中心，用于控制直流减速电机、红外传感器、超声波模块、ZigBee无线通讯单元、存储器以及新型叉臂机构；直流减速电机通过主控制器的控制信号驱动小车在存储柜内按照特定路线行走，并可通过编码器返回的参数获取小车电机转速，进而精确控制小车行驶速度；红外传感器用于检测地面循迹线和循迹标识，获取小车当前偏离轨道参数，从而修正小车行驶轨迹；超声波模块用于测量小车在存储柜内距离前后边界的距离，通过计算进而确定小车的具体位置；ZigBee无线通讯单元通过自组网与电梯机构和数据库管理系统的上位机建立通讯联系，实现上位机、电梯机构和小车三者之间的无线通讯；存储器中存放存储柜地图信息和小车当前位置信息，包括各个货物位置信息和小车轨道信息；新型叉臂机构配合存储柜内仓位的抽斗结构，实现货物的自动运输功能；
新型叉臂机构分为四层，第一层为第一层叉臂平板，第二层为向左传动装置，向左传动装置通过第二层伺服电机采用齿轮齿条带动第一层叉臂平板向左伸出，同时设置了两条支撑杆帮助支撑，提高稳定性，第三层为向右传动装置，通过第三层伺服电机，将第一层和第二层整体看作一个叉臂平板向右伸出，第四层为升降机构，升降机构带动升降板，用于抬起货物与放下货物，通过两个丝杠步进电机进行控制；
小车在存储柜内自动行驶定位，小车存储器中存储了各个货物位置信息及地图信息，根据货物存储采用矩阵的排列方式，每个货物位置信息占用一个字节内存，地图信息包括存储柜规模大小、轨道横向条数、轨道纵向条数、十字口柜内坐标位置和货仓中心坐标位置；小车根据数据库管理系统传来的货物名称信息从存储器中查询到货物的具体位置，最优路径规划算法根据存储器中地图信息计算得出小车行驶到货物的最优路径；
数据库管理系统通过ZigBee无线通讯单元向自动导引小车发送出库指令，出库指令信息包括出库标识和货物编号，小车接收到出库指令后，判断指令信息内容为某一具体货物出库操作，根据货物编号在存储器内搜索货物信息，得到货物的具体位置信息，调用最优路径规划算法得到小车行驶路线，根据行驶路线调用小车自动行驶功能块行驶到货仓位置，将储物盒移动到小车上，通过ZigBee无线通讯单元向电梯机构发送升降到当前层指令，小车重新规划路径行驶到电梯机构处，小车将货物移动到电梯上的仓架上，向电梯发送移动到单出入口指令，电梯机构接受并返回货物重量信息，小车向数据库管理系统发送出库成功信息，当电梯机构升降到单出入口时调用传送带送出功能，将货物运输到人工操作台，货物出库功能实现完成；对于货物入库的实现过程为：在用户将货物推到单出入口内后，数据库管理系统通过ZigBee无线通讯单元向自动导引小车发送入库指令，入库指令信息与出库指令信息格式相同，包括入库标识和货物编号，小车接收到入库指令后，判断指令信息内容为某一具体货物入库操作，通过ZigBee无线通讯单元向电梯机构发送升降到当前层指令，小车启动新型叉臂机构将货物从电梯仓中移动到小车上，小车向电梯机构和数据库管理系统发送入库完成指令，电梯机构接到指令后返回到单出入口位置，小车根据货物编号在存储器内搜索货物信息，得到货物的具体位置信息，调用最优路径规划算法得到小车行驶路线，根据行驶路线调用小车自动行驶功能块行驶到货仓位置，启动新型叉臂机构将储物盒移动到仓架上，小车重新规划路径行驶到待命位置，等待下一次出入库操作指令，货物入库功能实现完成。
2.按照权利要求1所述的存取柜，其特征在于，所述升降仓包括四周的支撑架以及底部的底板，底板上设置传送带和称重模块，支撑架用于限制储物盒的运动，避免传送带传动导致储物盒掉落；称重模块采用压力传感器安装在升降仓底部，通过测量储物盒重力，估算出货物库存信息；传送带用于当升降仓移动至单出入口位置，传动货物运输到人工操作台，供用户存取货物。
3.按照权利要求1所述的存取柜，其特征在于，在小车导轨上布置黑色轨迹线，利用红外传感器循迹的方法，利用PID控制算法对其行驶路线进行矫正；当直线行驶时，通过红外传感器检测轨道上的黑色轨迹线，通过返回参数判断小车偏离轨道角度，将偏离量输入到控制器，通过PID控制算法调整小车左右电机转速比，修正小车行驶方向；在小车导轨十字口时，当小车检测到十字口标识时，根据预设旋转动作组，实现小车90°旋转；当小车驶入取货仓位附近时，通过超声波传感器测量小车距离前后存储柜墙壁距离准确计算小车位置，经过控制器调整小车位置使其准确停在仓位取货位置。
4.按照权利要求1所述的存取柜，其特征在于，数据库管理系统包括上位机、ZigBee无线通讯单元、ZigBee天线、摄像头模块、语音模块和触摸屏，上位机通过USB转串口与ZigBee无线通讯单元相连，ZigBee无线通讯单元与ZigBee天线直接相连，上位机通过CSI接口与摄像头连接，上位机通过USB接口与触摸屏、语音模块连接；上位机工作在Linux操作系统环境下，用于设计数据库管理系统，动态存储物料数据信息和用户数据，利用JavaScript设计系统网页应用界面，整个物料数据信息和用户数据存储于数据库中；通过触摸屏建立良好的人机交互界面，便于用户使用，摄像头模块用于人脸识别，判断用户身份信息，为用户匹配相应的使用权限，语音模块用于智能人机交互，实现用户语音输入智能操作系统。
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