CN115780322A - 一种单电机型分拣设备的同步控制方法、系统及分拣设备 - Google Patents

一种单电机型分拣设备的同步控制方法、系统及分拣设备 Download PDF

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CN115780322A CN202310044346.0A CN202310044346A CN115780322A CN 115780322 A CN115780322 A CN 115780322A CN 202310044346 A CN202310044346 A CN 202310044346A CN 115780322 A CN115780322 A CN 115780322A
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Abstract

本发明属于物流机电设备领域，具体涉及一种单电机型分拣设备的同步控制方法、系统及分拣设备。该方案应用于采用单驱动电机的分拣设备中。同步控制方法包括如下步骤：S1：在空载状态下将分拣机构调试至同步状态，获取设备的目标速度；确定输送机和直线交叉带分拣机的传动关系。S2：采集驱动电机编码器参数计算理论预测速度。S3：直接测量直线交叉带分拣机的运行速度。S4：通过输送机间接测量直线交叉带分拣机的运行速度。S5：计算出分拣设备的实际的输出速度。S6：对驱动电机的电参数进行调整，以使得输出速度跟随目标速度。本发明解决了传统分拣设备成本高、控制难度大，待分拣物料易滚动、滑落、堆叠，影响分拣效率等问题。

Description

一种单电机型分拣设备的同步控制方法、系统及分拣设备
技术领域
本发明属于物流机电设备领域，具体涉及一种单电机型分拣设备的同步控制方法、系统及分拣设备。
背景技术
生产加工企业和物流运输企业在生产过程经常需要对不同类型的物料进行分拣，常规的物料流水线分拣设备通常由上位的输送机和下位的分拣机构成。输送机负责将待分拣的物料逐个、均匀地输送到分拣机上，分拣机则根据相应的分类规则将不同物料分别送到不同的后端包装产线或物流集中存储的不同区域。
现有分拣设备中的输送机大多采用带式输送机，针对特殊的输送物料还有采用设有物料固定机构的输送带。分拣机则以直线交叉带分拣机为主，直线交叉带分拣机包括链式输送机以及上方的分拣小车，分拣小车是一个与主线链条输送方法垂直的小型输送带，当主线输送带将负载物料的分拣小车输送到对应分拣窗口位置时，分拣小车再将物料从主线传送带一侧移出，完成不同物料的分拣过程。在这类分拣机构中，输送机和分拣机的输送速度匹配即为关键，输送机上的物料需要准确到达分拣机上的各个分拣小车处。如果输送机和分拣机的运输速度不匹配，则可能会导致待输送的物料掉落或在分拣机上堆叠，无法准确完成分拣。
针对上述现象，大部分的输送机和分拣机都采用独立的驱动系统和控制系统对二者的运输过程进行控制，并通过复杂的同步控制系统对输送机和分拣机的运输速度进行同步，这大大增加系统的硬件和控制难度。并且当输送机和分拣机上的物料负载状态发生变化时，产生的输送速度也可能会发生变化，这种变化也会对运输线的同步状态造成影响，并使得输送机和分拣机无法精准匹配。
此外，现有的输送机和分拣机间大多进行分层布设，并通过物料自由落体的方式完成物料转移，输送机上的物料在到达末端时自动坠落到下方的分拣机的首端。这种物料转移方式在处理不规则、易滚动的物料时也存在容易掉落和堆叠的风险。
发明内容
为了解决分拣设备成本高、控制难度大，待分拣物料在产线上易滚动、滑落、堆叠，进而影响分拣效率等问题，本发明提供一种单电机型分拣设备的同步控制方法、系统及分拣设备。
本发明采用以下技术方案实现：
一种单电机型分拣设备的同步控制方法，其应用于采用同一组驱动电机对输送机和直线交叉带分拣机的主线输送带进行驱动的分拣设备中，并对驱动电机的实际输出速度进行调节，以使得分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的运转状态保持同步。
特别地，本发明中的运转状态同步并不是指输送机和直线交叉带分拣机的主线运行速度相等，而指二者保持恒定的传动比，以使得输送机上输出的每个物料恰好落入到直线交叉带分拣机上对应的分拣小车处，并在后续流程中准确完成物料分拣。
本发明提供的同步控制方法包括如下步骤：
S1：在空载状态下将分拣机构调试至同步状态，获取当前状态下驱动电机的输出转速，将其作为分拣设备的目标速度V T ；并确定输送机和直线交叉带分拣机的传动关系。
S2：实时采集分拣设备在负载状态下的驱动电机的编码器参数，并根据编码器参数计算出当前状态下的理论预测速度V k 。
S3：通过光电传感器实时采集直线交叉带分拣机的运行速度，将其作为直接测量直线交叉带分拣机运行速度的第一观测值Z 1k 。
S4：通过光电传感器实时采集输送机的运行速度，并根据输送机和直线交叉带分拣机的传动关系，计算出间接测量直线交叉带分拣机运行速度的第二观测值Z 2k 。
S5：基于预测速度V k 、第一观测值Z 1k 和第二观测值Z 2k 计算出分拣设备当前运行状态下实际的输出速度
Figure SMS_1
。计算过程如下：
S51：分别以第一观测值Z 1k 和第二观测值Z 2k 为基准，采用卡尔曼滤波算法对预测速度V k 进行矫正处理，得到矫正后的第一矫正优化速度
Figure SMS_2
和第二矫正优化速度
Figure SMS_3
。
S52：计算第一矫正优化速度
Figure SMS_4
与理论预测速度V k 间的第一偏差
Figure SMS_5
，以及第二矫正优化速度
Figure SMS_6
与理论预测速度V k 间的第二偏差
Figure SMS_7
。
S53：根据第一偏差
Figure SMS_8
和第二偏差
Figure SMS_9
，对第一矫正优化速度
Figure SMS_10
和第二矫正优化速度
Figure SMS_11
进行融合处理，通过下式计算出多数据融合矫正的实际预测速度
Figure SMS_12
，将其作为驱动电机实际的输出速度：
Figure SMS_13
；
上式中，
Figure SMS_14
表示第一矫正优化速度的加权因子；
Figure SMS_15
表示第二矫正优化速度的加权因子。
S6：根据获计算的输出速度
Figure SMS_16
对驱动电机的电参数进行调整，以使得驱动电机实际的输出速度
Figure SMS_17
跟随目标速度V T 。
作为本发明进一步的改进，步骤S1中，输送机和直线交叉带分拣机的传动比i的计算公式如下：
Figure SMS_18
；
上式中，V 1 表示直线交叉带分拣机的主线速度；V 2 表示上包输送机的主线运行速度；l 1 表示直线交叉带分拣机中相邻分拣小车的节距；l 2 表示上包输送机中相邻载物平台的节距；R 1 表示直线交叉带分拣机主线的圆弧段半径；R 2 表示上包输送机主线圆弧段的半径。
作为本发明进一步的改进，步骤S2中，理论预测速度V k 的计算公式如下：
Figure SMS_19
；
上式中，R 1 为直线交叉带分拣机主线的圆弧段半径，f为驱动电机脉冲频率，
Figure SMS_20
为驱动电机的固有步距角，n为驱动电机的细分数；i 1 为驱动电机输出到直线交叉带分拣机主线的传动比。
作为本发明进一步的改进，步骤S3中，光电传感器安装在直线交叉带分拣机下方，并在任意一个分拣小车到达时产生一个感应信号，感应信号切换周期为T 1 ；则第一观测值Z 1k 的计算公式如下：
Figure SMS_21
；
其中，l 1 表示直线交叉带分拣机中相邻分拣小车的节距；T 1（k-1） 表示上一个分拣小车到达时感应信号的时刻；T 1k 表示当前分拣小车到达时感应信号的时刻。
作为本发明进一步的改进，步骤S4中，光电传感器安装在输送机下方，并在任意一个载物平台到达时产生一个感应信号，感应信号切换周期为T 2 ；则第二观测值Z 2k 的计算公式如下：
Figure SMS_22
；
上式中，l 2 表示上包输送机中相邻载物平台的节距；T 2（k-1） 表示上一个载物平台到达时感应信号的时刻；T 2k 表示当前载物平台到达时感应信号的时刻。
作为本发明进一步的改进，在本实施例方案的步骤S51中，通过第一观测值Z 1k 和第二观测值Z 2k ，采用卡尔曼滤波算法对预测速度V k 进行矫正过程如下：
一、获取速度数据的预测方程为：
Figure SMS_23
其中，
Figure SMS_24
为t k 时刻先验速度，
Figure SMS_25
为t k 时刻系统的控制量，
Figure SMS_26
为t k 时刻较上一时刻电机脉冲频率的变化量，A、B为系统参数，w k 为过程噪声。
二、构建速度数据观测方程为：
Figure SMS_27
其中，Z k 为t k 时刻的速度观测值，H为测量系统参数，v k 为测量噪声。
三、对速度数据进行先验估计：
Figure SMS_28
其中，
Figure SMS_29
为现在状态预测结果，
Figure SMS_30
为上一状态预测结果，
Figure SMS_31
为现在状态的控制量。
四、更新系统协方差：
Figure SMS_32
其中，
Figure SMS_33
为
Figure SMS_34
对应的协方差，P (k-1) 为
Figure SMS_35
对应的协方差，Q为系统过程的协方差。
五、计算卡尔曼增益：
Figure SMS_36
其中，R为测量噪声v k 的协方差矩阵。
六、对速度数据进行后验估计：
Figure SMS_37
其中，
Figure SMS_38
为速度后验估计值。
七、对t k 时刻的协方差进行更新：
Figure SMS_39
其中，I为单位矩阵，P k 为t k 时刻系统协方差矩阵，
Figure SMS_40
为t k 时刻系统协方差矩阵预测值。
八、将速度数据的后验估计值
Figure SMS_41
作为矫正优化后的预测速度
Figure SMS_42
。
作为本发明进一步的改进，步骤S52中，第一偏差
Figure SMS_43
和第二偏差
Figure SMS_44
的计算公式如下：
Figure SMS_45
。
本发明还包括一种单电机型分拣设备的同步控制系统，该同步控制系统应用于采用同一组驱动电机对输送机和直线交叉带分拣机的主线输送带进行驱动的分拣设备中。并采用如前述的单电机型分拣设备的同步控制方法对驱动电机的输出转速V k 进行控制，以使得分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的运转状态保持同步。该同步控制系统包括：参数采集模块、理论速度生成模块、第一光电传感器、第二光电传感器、观测速度生成模块、预测值矫正模块、输出值融合模块、控制指令生成模块。
其中，参数采集模块用于实时获取驱动电机运行时的各项动态的电参数，如：驱动电机电压、电流、效率、功率因数、脉冲频率f，等等。以及分拣设备的各项静态的设备参数，如：驱动电机的固有步距角
Figure SMS_46
，驱动电机的细分数n；直线交叉带分拣机中相邻分拣小车的节距l 1 ；上包输送机中相邻载物平台的节距l 2 ；直线交叉带分拣机主线的圆弧段半径R 1 ；上包输送机主线圆弧段的半径R 2 ；等等。
理论速度生成模块，用于根据分拣机构在空载调试状态下的动态电参数和静态设备参数计算出电机的输出速度，将其作为分拣设备的目标速度V T 。以及根据分拣机构在负载状态的动态电参数和静态设备参数计算出电机实时的理论预测速度V k 。
第一光电传感器，其安装在直线交叉带分拣机下方，并在任意一个分拣小车到达时产生一个感应信号。
第二光电传感器，安装在输送机侧面，并在任意一个载物平台到达时产生一个感应信号。
观测速度生成模块，其用于根据第一光电传感器的检测结果生成表征直线交叉带分拣机运行速度直接观测结果的第一观测值Z 1k ；以及根据第二光电传感器的检测结果生成表征直线交叉带分拣机运行速度间接观测结果的第二观测值Z 2k 。
预测值矫正模块，其用于分别以第一观测值Z 1k 和第二观测值Z 2k 为基准，采用卡尔曼滤波算法对预测速度V k 进行矫正处理，得到矫正后的第一矫正优化速度
Figure SMS_47
和第二矫正优化速度
Figure SMS_48
；
输出值融合模块，其用于根据预先设计的融合算法，利用预测速度V k 、第一矫正优化速度
Figure SMS_49
和第二矫正优化速度
Figure SMS_50
计算出分拣设备当前运行状态下实际的输出速度
Figure SMS_51
。
控制指令生成模块，其用于根据实时输出的输出速度
Figure SMS_52
与目标速度V T 间的偏差，生成一个实时的控制指令。控制指令发送到驱动电机的控制器，用于对驱动电机的电参数进行调整，以使得驱动电机实际的输出速度
Figure SMS_53
跟随目标速度V T 。
本发明还包括一种分拣设备，分拣设备包括相邻且分层安装的输送机和直线交叉带分拣机。输送机将待分拣物料输送到下方的直线交叉带分拣机的首端，并使得输送机中的每个载物平台与直线交叉带分拣机中的每个分拣小车相对接。直线交叉带分拣机中的各个分拣小车按照预设的分拣规则将待分拣的物料从对应落料格口处排出。
特别地，本发明提供的分拣设备还包括：驱动装置和同步控制系统。驱动装置包括驱动电机和传动机构；驱动装置安装在输送机和直线交叉带分拣机之间，驱动电机通过传动机构同步驱动输送机和直线交叉带分拣机的主线运转。
同步控制系统采用如前述的单电机型分拣设备的同步控制系统。同步控制系统用于控制分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的运转状态保持同步，以保证在不同负载状态下，输送机中的各个载物平台均可以与直线交叉带分拣机中的各个分拣小车准确对接。
在本发明分拣设备进一步的改进方案中，输送机中的每个载物平台中均安装有一个第一限位机构。第一限位机构包括一个第一档板和一个V型卡槽，第一挡板位于载物平台后端一侧，并朝向输送机后端的一侧倾斜45°。V型卡槽贴合在第一挡板上并在而二者之间构成一个用于容纳待分拣物料的置物空间。第一挡板的前端呈梳齿状。
直线交叉带分拣机中的每个分拣小车上均设置有一组第二限位机构。第二限位机构包含安装在分拣小车前端的一个第二挡板；第二挡板朝直线交叉带分拣机前端的一侧倾斜45°；第二挡板前端呈梳齿状。
输送机中的每个载物平台运动至处于竖直状态时，恰好与直线交叉带分拣机前端的第一个处于水平状态的分拣小车对接。此时，第一限位机构中的第一挡板和第二限位机构中的第二挡板前端的梳齿状结构恰好“咬合”，并使得第一挡板和第二挡板构成一个用于将待分拣物料从载物平台输送到分拣小车上的倾斜向下的“衔接滑道”。且直线交叉带分拣机中靠后一个分拣小车上的第二挡板作为限制前一个分拣小车上的接收的物料在滑落过程中脱轨的“限位挡板”。
本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
本发明采用单个电机驱动输送机和直线交叉带分拣机的主线，并通过设计出的同步控制系统对电机的输出进行调整。进而保证在不同的负载状态下，输送机和直线交叉带分拣机均可以保持最佳的传动比；二者的传送过程保持同步，不发生物料偏移。
本发明的同步控制系统通过对不同来源的速度监测数据进行矫正和融合处理，进而确定分拣设备在运行过程中的实际输出速度，并通过调整驱动电机的运行参数使得输出速度可以准确跟随目标速度，进而保证分拣设备的平稳运行。
本发明还对输送机上的载物平台和直线交叉带上的分拣小车进行结构改良，通过增设第一限位机构和第二限位机构，使得物料在输送机和直线交叉带分拣机上的运输过程更加平稳，防止物料滑动、掉落或堆叠。同时，经过巧妙设计的第一限位机构和第二限位机构还可以在物料转移阶段组合成一个倾斜的滑道，使得物料的落料过程更加有序，避免物料在坠落过程中脱轨。这使得本发明提供的分拣设备不仅适用于常规物料的分拣，更可以适用于完成环形、球形以及柱状的特殊物料的分拣工作。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例1中涉及的单电机型分拣设备的结构简图。
图2为本发明实施例1中提供的一种单电机型分拣设备的同步控制方法的步骤流程图。
图3为表征单电机型分拣设备连接状态的参数示意图。
图4为本发明实施例1中输送速度融合过程的步骤图。
图5为表现实施例1提供的一种单电机型分拣设备的同步控制方法的原理的逻辑框图。
图6为本发明实施例2中提供的一种单电机型分拣设备的同步控制系统的系统框架图。
图7为本发明实施例3中提供的分拣设备的产品结构示意图。
图8为本发明实施例3的分拣设备中输送机的结构示意图。
图9为图8中每个载物平台上的安装的第一限位机构的结构示意图。
图10为本发明实施例3的分拣设备中安装有第二限位机构的分拣小车的结构示意图。
图11为本发明实施例3中分拣设备中第一限位机构和第二限位机构交汇对接时的状态示意图。
图中标记为：
1、输送机、2、直线交叉带分拣机；3、驱动装置；4、落料格口；11、载物平台；12、第一限位机构；21、分拣小车、22、第二限位机构；121、V型卡槽；122、第一挡板。
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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种单电机型分拣设备的同步控制方法，其应用于采用同一组驱动电机对输送机和直线交叉带分拣机的主线输送带进行驱动的分拣设备中，并对驱动电机的实际输出速度进行调节，以使得分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的运转状态保持同步。图1为本实施例中应用的分拣设备的典型结构图。从图中可以看出，该设备的输送机和直线交叉带分拣机中的主线输送带沿同一个方向布置，并采用同一台电机和相应的传动机构继续驱动。即电机转动时，输送机和直线交叉带分拣机会按照预设的传动比同步运转。
特别地，本实施例中的“运转状态同步”并不是指输送机和直线交叉带分拣机的主线输送到运行速度相等，而是指二者保持恒定的传动比，以使得输送机上输出的每个物料恰好落入到直线交叉带分拣机上的对应的分拣小车处，并在后续流程中准确完成物料分拣。从图1中可以看到，输送机上均匀分布有多个载物平台，而直线交叉带分拣机上均匀分布有多个分拣小车。本实施例中保持二者运转状态同步就是指每个载物平台中的物料从输送机末端落下时，恰好落入到下方直线交叉带分拣机中的每个对应的分拣小车中。
本实施例的分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的驱动系统采用了单电机方案。相对于常规方案中输送机和直线交叉带分拣机采用分体式多电机独立控制的方案而言；本实施例方案的机械结构更加简单，因此硬件成本会相应降低。但是，单电机方案也会存在相应的缺点，例如，在驱动电机保持相同输出功率的条件下，如果输送机和直线交叉带分拣机上负载状态的不一致，则可能会导致二者的实际运转速度发生偏差，这会导致输送机和直线交叉带分拣机的实际运转速度出现不同步，进而影响分拣设备的正常工作。
针对这一问题，本实施例特别设计了一种单电机型分拣设备的同步控制方法，该同步控制方法的主要目标是保持输送机和直线交叉带分拣机的实际运转速度保持“恒定”，进而克服输送机和直线交叉带分拣机在负载状态发生变化时，二者的运转速度逐渐偏离正常状态的问题。
具体地，如图2所示，本实施提供一种单电机型分拣设备的同步控制方法包括如下步骤：
S1：在空载状态下将分拣机构调试至同步状态，获取当前状态下驱动电机的输出速度，将其作为分拣设备的目标速度V T ；并确定输送机和直线交叉带分拣机的传动关系。
在空载状态下，分拣设备处于最佳的工况；此时，调试完成的分拣设备通常可以保持绝对同步。因此，采集到的当前状态下的驱动电机的输出速度时，可以将其认为是能够让输送机和直线交叉带分拣机保持同步的目标速度。同时，当前状态下输送机和直线交叉带分拣机的传动比也是二者的理想传动比。
在本实施例中，当通过同步带、减速器等机械部件组成连接机构，连接直线交叉带分拣机主线与输送机主线，以达到输送机主线运行与直线交叉带分拣机主线运行同步。连接的示意图大致如图3所示。
图3中，假设直线交叉带小车节距为l 1 ，直线交叉带主线速度为V 1 。输送机载物机构节距为l 2 ，输送机主线运行速度为V 2 。要保证输送机每个载物平台均匹配直线交叉带上的一个分拣小车，需保证上包输送机运行一个载物机构节距的时间等于直线交叉带主线运行一个小车节距的时间。即
Figure SMS_54
因此，当直线交叉带主线圆弧段半径R 1 为，上包输送机主线圆弧段半径为R 2 时，可以得到直线交叉带分拣机与输送机的传动比为：
Figure SMS_55
。
S2：实时采集分拣设备在负载状态下的驱动电机的编码器参数，并根据编码器参数计算出当前状态下的理论预测速度V k 。
理论预测速度是基于电机输出的电参数而计算出的驱动电机理论上的输出速度。需要说明的是，考虑到传送过程中的损耗，以及输送机和直线交叉带分拣机上负载状态的差异，输送机和直线交叉带分拣机上真实的驱动速度会和理论预测速度之间存在偏差。
具体地，本实施例理论预测速度V k 的计算公式如下：
Figure SMS_56
；
上式中，R 1 为直线交叉带分拣机主线的圆弧段半径，f为驱动电机脉冲频率，
Figure SMS_57
为驱动电机的固有步距角，n为驱动电机的细分数；i 1 为驱动电机输出到直线交叉带分拣机主线的传动比。
S3：通过光电传感器实时采集直线交叉带分拣机的运行速度，将其作为直接测量直线交叉带分拣机运行速度的第一观测值Z 1k 。
本实施例中，光电传感器安装在直线交叉带分拣机下方，并在任意一个分拣小车到达时产生一个感应信号，感应信号切换周期为T 1 ；则第一观测值Z 1k 的计算公式如下：
Figure SMS_58
；
其中，l 1 表示直线交叉带分拣机中相邻分拣小车的节距；T 1（k-1） 表示上一个分拣小车到达时感应信号的时刻；T 1k 表示当前分拣小车到达时感应信号的时刻。
S4：通过光电传感器实时采集输送机的运行速度，并根据输送机和直线交叉带分拣机的传动关系，计算出间接测量直线交叉带分拣机运行速度的第二观测值Z 2k 。
光电传感器安装在输送机下方，并在任意一个载物平台到达时产生一个感应信号，感应信号切换周期为T 2 ；则第二观测值Z 2k 的计算公式如下：
Figure SMS_59
；
上式中，l 2 表示上包输送机中相邻载物平台的节距；T 2（k-1） 表示上一个载物平台到达时感应信号的时刻；T 2k 表示当前载物平台到达时感应信号的时刻。
S5：基于预测速度V k 、第一观测值Z 1k 和第二观测值Z 2k 计算出分拣设备当前运行状态下实际的输出速度
Figure SMS_60
。
具体地，在本实施例中，实际的输出速度
Figure SMS_61
计算过程如下：
S51：分别以第一观测值Z 1k 和第二观测值Z 2k 为基准，采用卡尔曼滤波算法对预测速度V k 进行矫正处理，得到矫正后的第一矫正优化速度
Figure SMS_62
和第二矫正优化速度
Figure SMS_63
；
S52：计算第一矫正优化速度
Figure SMS_64
与理论预测速度V k 间的第一偏差
Figure SMS_65
，以及第二矫正优化速度
Figure SMS_66
与理论预测速度V k 间的第二偏差
Figure SMS_67
。
第一偏差
Figure SMS_68
和第二偏差
Figure SMS_69
的计算公式如下：
Figure SMS_70
。
S53：根据第一偏差
Figure SMS_71
和第二偏差
Figure SMS_72
，对第一矫正优化速度
Figure SMS_73
和第二矫正优化速度
Figure SMS_74
进行融合处理，通过下式计算出多数据融合矫正的实际预测速度，将其作为驱动电机实际的输出速度
Figure SMS_75
：
Figure SMS_76
；
上式中，
Figure SMS_77
表示第一预测速度的加权因子；
Figure SMS_78
表示第二预测速度的加权因子。
在本实施例的方案中，为了确定分拣设备中驱动电机输出给直线交叉带分拣机或输送机的真实输出速度，避免单一来源数据时，测量设备精度不足造成的数据误差对同步控制策略的精准度造成影响。特地设计了步骤S3和步骤S4中两种不同的路径进行测量。步骤S3是通过安装在直线交叉带分拣机的上传感器直接进行速度测量，而步骤S4则是通过安装在输送机上的传感器进行间接测量。特别地，本实施例以不同来源的观测速度的数值为基准，在步骤S5中采用卡尔曼滤波算法对理论预测速度进行矫正，然后再通过相应的融合算法对不同来源的数据的矫正优化结果进行融合处理，进而得到可靠的输出速度。计算驱动电机实际的输出速度
Figure SMS_79
的整体过程大致如图4所示。图4方法计算出的矫正后的融合输出速度的结果较为可靠，该数据可以作为后期为使得驱动电机保持恒定输出时而对驱动电机的功率进行调整的依据。
特别地，在本实施例方案的步骤S51中，通过第一观测值Z 1k ，采用卡尔曼滤波算法对预测速度V k 进行矫正处理，得到矫正后的第一矫正优化速度
Figure SMS_80
的过程如下：
一、获取速度数据的预测方程为：
Figure SMS_81
其中，
Figure SMS_82
为t k 时刻先验速度，
Figure SMS_83
为t k 时刻系统的控制量，
Figure SMS_84
为t k 时刻较上一时刻电机脉冲频率的变化量，A、B为系统参数，w 1k 为过程噪声。
二、构建速度数据观测方程为：
Figure SMS_85
其中，Z 1k 为t k 时刻的速度观测值，H为测量系统参数，v 1k 为测量噪声。
三、对速度数据进行先验估计：
Figure SMS_86
其中，
Figure SMS_87
为现在状态预测结果，
Figure SMS_88
为上一状态预测结果，
Figure SMS_89
为现在状态的控制量。
四、更新系统协方差：
Figure SMS_90
其中，
Figure SMS_91
为
Figure SMS_92
对应的协方差，P 1(k-1) 为
Figure SMS_93
对应的协方差，Q为系统过程的协方差。
五、计算卡尔曼增益：
Figure SMS_94
其中，R为测量噪声的v 1k 协方差矩阵。
六、对速度数据进行后验估计：
Figure SMS_95
其中，
Figure SMS_96
为速度后验估计值。
七、对t k 时刻的协方差进行更新：
Figure SMS_97
其中，I为单位矩阵，P 1k 为t k 时刻系统协方差矩阵，
Figure SMS_98
为t k 时刻系统协方差矩阵预测值。
八、将速度数据的后验估计值
Figure SMS_99
作为矫正优化后的第一矫正优化速度
Figure SMS_100
。
相应地，通过第二观测值Z 2k ，采用卡尔曼滤波算法对预测速度V k 进行矫正处理，得到矫正后的第二矫正优化速度
Figure SMS_101
的过程如下：
一、获取速度数据的预测方程为：
Figure SMS_102
其中，
Figure SMS_103
为t k 时刻速度，
Figure SMS_104
为t k 时刻系统的控制量，
Figure SMS_105
为t k 时刻较上一时刻电机脉冲频率的变化量，A、B为系统参数，w 2k 为过程噪声。
二、构建速度数据观测方程为：
Figure SMS_106
其中，Z 2k 为t k 时刻的速度测量值，H为t k 测量系统参数，v 2k 为测量噪声。
三、对速度数据进行先验估计：
Figure SMS_107
其中，
Figure SMS_108
为现在状态预测结果，
Figure SMS_109
为上一状态预测结果，
Figure SMS_110
为现在状态的控制量。
四、更新系统协方差：
Figure SMS_111
其中，
Figure SMS_112
为
Figure SMS_113
对应的协方差，P 2(k-1) 为
Figure SMS_114
对应的协方差，Q为系统过程的协方差。
五、计算卡尔曼增益：
Figure SMS_115
其中，R为测量噪声v 1k 的协方差矩阵。
六、对速度数据进行后验估计：
Figure SMS_116
其中，
Figure SMS_117
为速度后验估计值。
七、对t k 时刻的协方差进行更新：
Figure SMS_118
其中，I为单位矩阵，P 2k 为t k 时刻系统斜方差矩阵，
Figure SMS_119
为t k 时刻系统斜方差矩阵预测值。
八、将速度数据的后验估计值
Figure SMS_120
作为矫正优化后的第二矫正优化速度
Figure SMS_121
。
S6：根据获计算的输出速度
Figure SMS_122
对驱动电机的电参数进行调整，以使得驱动电机实际的输出速度
Figure SMS_123
跟随目标速度V T 。
本实施例提供的方案的具体逻辑大致如图5所示，首先，在分拣设备空载测试阶段确定可以使得分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机达到同步状态的一个目标速度，以及对应状态下输送机和直线交叉带分拣机的理想速度关系（线速度比）。
其次，在分拣设备实际负载运行阶段根据驱动电机的编码器参数计算出驱动电机在当前状态下的理论预测速度。同时，通过直线交叉带分拣机和输送机上分别安装的光电传感器，独立测量驱动电机输出到直线交叉带分拣机和输送机的直接观测速度，并将输送机的直接观测速度根据理想传动关系转换为直线交叉带分拣机的间接观测速度。
接下来，分别以直接观测速度和间接观测速度为基准，采用卡尔曼滤波算法对测量的数值误差进行矫正，得到第一矫正优化速度和第二矫正优化速度；然后计算第一矫正优化速度、第二矫正优化速度与理论预测速度间的偏差，根据偏差值对第一矫正优化速度和第二矫正优化速度进行融合，修正不同来源数据的误差；进而得到一个可以用来表征驱动电机输出给直线交叉带分拣机或输送机的真实的输出速度的可靠的结果；即：输出速度
Figure SMS_124
。
最后，判断输出速度是否可以准确地跟随目标速度：是的话不做处理。若是出现偏差，则向驱动电机的控制器下达指令，调整驱动电机的输出功率等参数。并保持在波动状态下的输出速度与目标速度的误差总能处于预设的偏差范围内。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供一种单电机型分拣设备的同步控制系统，该同步控制系统应用于输送机和直线交叉带分拣机采用同一组驱动电机进行驱动的分拣设备中。并采用如实施例1中的单电机型分拣设备的同步控制方法对驱动电机的输出速度V k 进行控制，以使得分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的运转状态保持同步。
本实施例提供一种单电机型分拣设备的同步控制系统即为实施例1中同步控制方法的一套具体的软硬件系统。如图6所示，该同步控制系统包括：参数采集模块、理论速度生成模块、第一光电传感器、第二光电传感器、观测速度生成模块、预测值矫正模块、输出值融合模块、控制指令生成模块。
其中，参数采集模块用于实时获取驱动电机运行时的各项动态的电参数，如：驱动电机电压、电流、效率、功率因数、脉冲频率f，等等。以及分拣设备的各项静态的设备参数，如：驱动电机的固有步距角
Figure SMS_125
，驱动电机的细分数n；直线交叉带分拣机中相邻分拣小车的节距l 1 ；上包输送机中相邻载物平台的节距l 2 ；直线交叉带分拣机主线的圆弧段半径R 1 ；上包输送机主线圆弧段的半径R 2 ；等等。
理论速度生成模块用于根据分拣机构在空载调试状态下的动态电参数和静态设备参数计算出电机的输出转速，将其作为分拣设备的目标速度V T 。以及根据分拣机构在负载状态的动态电参数和静态设备参数计算出电机实时的理论预测速度V k 。
第一光电传感器，其安装在直线交叉带分拣机下方，并在任意一个分拣小车到达时产生一个感应信号。
第二光电传感器，安装在输送机侧面，并在任意一个载物平台到达时产生一个感应信号。
观测速度生成模块，其用于根据第一光电传感器的检测结果生成表征直线交叉带分拣机运行速度直接观测结果的第一观测值Z 1k ；以及根据第二光电传感器的检测结果生成表征直线交叉带分拣机运行速度间接观测结果的第二观测值Z 2k 。
预测值矫正模块，其用于分别以第一观测值Z 1k 和第二观测值Z 2k 为基准，采用卡尔曼滤波算法对预测速度V k 进行矫正处理，得到矫正后的第一矫正优化速度
Figure SMS_126
和第二矫正优化速度
Figure SMS_127
。
输出值融合模块，其用于根据预先设计的融合算法，利用预测速度V k 、第一矫正优化速度
Figure SMS_128
和第二矫正优化速度
Figure SMS_129
计算出分拣设备当前运行状态下实际的输出速度
Figure SMS_130
。
控制指令生成模块，其用于根据实时输出的输出速度
Figure SMS_131
与目标速度V T 间的偏差，生成一个实时的控制指令。控制指令发送到驱动电机的控制器，用于对驱动电机的电参数进行调整，以使得驱动电机实际的输出速度
Figure SMS_132
跟随目标速度V T 。
实施例3
本实施例提供一种分拣设备，如图7所示，分拣设备包括相邻且分层安装的输送机1和直线交叉带分拣机2。输送机1将待分拣物料输送到下方的直线交叉带分拣机2的首端，并使得输送机1中的每个载物平台11与直线交叉带分拣机2中的每个分拣小车相对接。直线交叉带分拣机2中的各个分拣小车按照预设的分拣规则将待分拣的物料从对应落料格口4处排出。
特别地，本实施例提供的分拣设备还包括：驱动装置3和同步控制系统。驱动装置3包括驱动电机和传动机构；驱动装置3安装在输送机1和直线交叉带分拣机2之间，驱动电机通过传动机构同步驱动输送机1和直线交叉带分拣机2的主线运转。同步控制系统采用如实施例2的单电机型分拣设备的同步控制系统。同步控制系统用于控制分拣设备中输送机1和直线交叉带分拣机2的运转状态保持同步，以保证在不同负载状态下，输送机1中的各个载物平台11均可以与直线交叉带分拣机2中的各个分拣小车准确对接。由此可见，本实施例的分拣设备和实施例1、2一样，从同步控制方向对单电机驱动型分拣设备进行了改良，从而提高了输送机1和直线交叉带分拣机2在不同负载状态下的同步性，降低了分拣设备运行过程中发生掉包、物料堆积和物料掉落等问题的概率。
除此之外，本实施例在实施例1和2的基础上进一步对分拣设备的结构进行改良。具体地，如图8所示，本实施例提供的输送机1中的每个载物平台11中均安装有一个第一限位机构12。如图9所示，每个第一限位机构12中均包括一个第一档板121和一个V型卡槽121，第一挡板位于载物平台11后端一侧，并朝向输送机1后端的一侧倾斜45°。V型卡槽121贴合在第一挡板上表面；V型卡槽121和第一档板121之间构成一个用于容纳待分拣物料的置物空间。
常规载物平台11主要用于输送一些规则的、不容易发生滑动或滚动的物料，例如各类快递包裹、板状或块状的产品等。但是对于一些齿轮、滚珠、或柱状的零部件，采用普通的载物平台11进行输送时，输送物料和载物平台11之间非常容易发生相对滑动，并导致物料脱离输送机1或出现物料堆叠。而在本实施例改良后的方案中，载物平台11上的第一限位机构12中V型卡槽121中的两个侧板与第一档板121恰好可以向上方承载的物料提供三个不同位置的支撑点，这可以对任何形状的物料进行托举和稳定支撑。保证物料在输送机1上的输送阶段不会发生移动或脱轨现象。
特别地，本实施例中第一挡板的前端呈梳齿状。第一档板121的梳齿状结构主要用于和其它机构配合使用。具体的应用方式详见下文。
从图中10中可以看到，本实施例的分拣设备中，直线交叉带分拣机2中的每个分拣小车上均设置有一组第二限位机构22。如图10所示，第二限位机构22包含安装在分拣小车前端的一个第二挡板。分拣小车21在直线交叉带分拣机2上是连续分布的，每个分拣小车上安装的第二挡板相当于一个“栅栏”，将各个分拣小车隔离开来，这可以阻止不同分拣小车上物料因发生相对滑动或滚动导致“窜料”，保证了每个分拣小车21上的物料都可以被准确分拣到对应区域。
特别地，本实施例中每个分拣小车21上的第二挡板朝直线交叉带分拣机2前端的一侧倾斜45°，且第二挡板的前端也呈梳齿状。当采用这种特殊的结构之后，如图11所示，输送机1中的每个载物平台11运动至处于竖直状态时，恰好与直线交叉带分拣机2前端的第一个处于水平状态的分拣小车21对接。此时，第一限位机构12中的第一挡板和第二限位机构22中的第二挡板前端的梳齿状结构恰好“咬合”，并使得第一挡板和第二挡板构成一个用于将待分拣物料从载物平台11输送到分拣小车上的倾斜向下的“衔接滑道”。且直线交叉带分拣机2中靠后一个分拣小车上的第二挡板作为限制前一个分拣小车21上的接收的物料在滑落过程中脱轨的“限位挡板”。
在本实施例提供的技术方案中，输送机1用于输送物料，直线交叉带分拣机2用于对接收到的物料进行分拣，二者本身是独立工作的两个设备。但是在物料从输送机1运送到直线交叉带分拣机2上的转运阶段，第一限位机构12和第二限位机构22中的两个挡板会发生交会对接，并构成一个过渡机构。使得载物平台11上的物料可以沿一条倾斜的滑道从上方滑落到下方的分拣小车上。这种特殊的结构设计，使得本实施例的分拣设备相对于常规方案中输送机1输送的物料自由落体到分拣小车上而言，物料因在坠落时因发生跳动或弹起而出现脱轨和物料堆积的风险大大降低了。这进一步提升了分拣设备运行的稳定性。
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 (10)

1.一种单电机型分拣设备的同步控制方法，其应用于采用同一组驱动电机对输送机和直线交叉带分拣机的主线输送带进行驱动的分拣设备中，并对驱动电机的实际输出速度进行调节，以使得分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的运转状态保持同步；其特征在于，所述同步控制方法包括如下步骤：
S1：在空载状态下将分拣机构调试至同步状态，获取当前状态下驱动电机的输出速度，将其作为分拣设备的目标速度VT；并确定输送机和直线交叉带分拣机的传动关系；
S2：实时采集分拣设备在负载状态下的驱动电机的编码器参数，并根据编码器参数计算出当前状态下的理论预测速度Vk；
S3：通过光电传感器实时采集直线交叉带分拣机的运行速度，将其作为直接测量直线交叉带分拣机运行速度的第一观测值Z1k；
S4：通过光电传感器实时采集输送机的运行速度，并根据输送机和直线交叉带分拣机的传动关系，计算出间接测量直线交叉带分拣机运行速度的第二观测值Z2k；
S5：基于预测速度Vk、第一观测值Z1k和第二观测值Z2k计算出分拣设备当前运行状态下实际的输出速度
Figure QLYQS_1
；计算过程如下：
S51：分别以第一观测值Z1k和第二观测值Z2k为基准，采用卡尔曼滤波算法对预测速度Vk进行矫正处理，得到矫正后的第一矫正优化速度
Figure QLYQS_2
和第二矫正优化速度
Figure QLYQS_3
；
S52：计算第一矫正优化速度
Figure QLYQS_4
与理论预测速度Vk间的第一偏差
Figure QLYQS_5
，以及第二矫正优化速度
Figure QLYQS_6
与理论预测速度Vk间的第二偏差
Figure QLYQS_7
；
S53：根据第一偏差
Figure QLYQS_8
和第二偏差
Figure QLYQS_9
，对第一矫正优化速度
Figure QLYQS_10
和第二矫正优化速度
Figure QLYQS_11
通过下式计算出多数据融合矫正的实际预测速度，将其作为驱动电机实际的输出速度
Figure QLYQS_12
：
Figure QLYQS_13
；
上式中，
Figure QLYQS_14
表示第一矫正优化速度的加权因子；
Figure QLYQS_15
表示第二矫正优化速度的加权因子；
S6：根据获计算的输出速度
Figure QLYQS_16
对驱动电机的电参数进行调整，以使得驱动电机实际的输出速度
Figure QLYQS_17
跟随目标速度VT。
2.如权利要求1所述的单电机型分拣设备的同步控制方法，其特征在于：步骤S1中，输送机和直线交叉带分拣机的传动比i的计算公式如下：
Figure QLYQS_18
；
上式中，V1表示直线交叉带分拣机的主线运行速度；V2表示上包输送机的主线运行速度；l1表示直线交叉带分拣机中相邻分拣小车的节距；l2表示上包输送机中相邻载物平台的节距；R1表示直线交叉带分拣机主线的圆弧段半径；R2表示上包输送机主线圆弧段的半径。
3.如权利要求2所述的单电机型分拣设备的同步控制方法，其特征在于：步骤S2中，理论预测速度Vk的计算公式如下：
Figure QLYQS_19
；
上式中，R1为直线交叉带分拣机主线的圆弧段半径，f为驱动电机脉冲频率，
Figure QLYQS_20
为驱动电机的固有步距角，n为驱动电机的细分数；i1为驱动电机输出到直线交叉带分拣机主线的传动比。
4.如权利要求3所述的单电机型分拣设备的同步控制方法，其特征在于：步骤S3中，光电传感器安装在直线交叉带分拣机下方，并在任意一个分拣小车到达时产生一个感应信号，感应信号切换周期为T1；则第一观测值Z1k的计算公式如下：
Figure QLYQS_21
；
其中，l1表示直线交叉带分拣机中相邻分拣小车的节距；T 1（k-1） 表示上一个分拣小车到达时感应信号的时刻；T 1k 表示当前分拣小车到达时感应信号的时刻。
5.如权利要求4所述的单电机型分拣设备的同步控制方法，其特征在于：步骤S4中，光电传感器安装在输送机下方，并在任意一个载物平台到达时产生一个感应信号，感应信号切换周期为T2；则第二观测值Z2k的计算公式如下：
Figure QLYQS_22
；
上式中，l2表示上包输送机中相邻载物平台的节距；T 2（k-1） 表示上一个载物平台到达时感应信号的时刻；T 2k表示当前载物平台到达时感应信号的时刻。
6.如权利要求5所述的单电机型分拣设备的同步控制方法，其特征在于：步骤S51中，通过第一观测值Z1k和第二观测值Z2k，采用卡尔曼滤波算法对预测速度Vk进行矫正过程如下：
一、获取速度数据的预测方程为：
Figure QLYQS_23
；
其中，
Figure QLYQS_24
为t k 时刻先验速度，
Figure QLYQS_25
为t k 时刻系统的控制量，
Figure QLYQS_26
为t k 时刻较上一时刻电机脉冲频率的变化量，A、B为系统参数，w k 为过程噪声；
二、构建速度数据观测方程为：
Figure QLYQS_27
；
其中，Z k 为t k 时刻的速度观测值，H为测量系统参数，v k 为测量噪声；
三、对速度数据进行先验估计：
Figure QLYQS_28
；
其中，
Figure QLYQS_29
为现在状态预测结果，
Figure QLYQS_30
为上一状态预测结果，
Figure QLYQS_31
为现在状态的控制量；
四、更新系统协方差：
Figure QLYQS_32
；
其中，
Figure QLYQS_33
为
Figure QLYQS_34
对应的协方差，P （k-1） 为
Figure QLYQS_35
对应的协方差，Q为系统过程的协方差；
五、计算卡尔曼增益：
Figure QLYQS_36
；
其中，R为测量噪声v k 的协方差矩阵；
六、对速度数据进行后验估计：
Figure QLYQS_37
；
其中，
Figure QLYQS_38
为速度后验估计值；
七、对t k 时刻的协方差进行更新：
Figure QLYQS_39
；
其中，I为单位矩阵，P k 为t k 时刻系统协方差矩阵，
Figure QLYQS_40
为t k 时刻系统协方差矩阵预测值；
八、将速度数据的后验估计值
Figure QLYQS_41
作为矫正优化后的预测速度
Figure QLYQS_42
。
7.如权利要求6所述的单电机型分拣设备的同步控制方法，其特征在于：步骤S52中，第一偏差
Figure QLYQS_43
和第二偏差
Figure QLYQS_44
的计算公式如下：
Figure QLYQS_45
。
8.一种单电机型分拣设备的同步控制系统，其特征在于，其应用于采用同一组驱动电机对输送机和直线交叉带分拣机的主线输送带进行驱动的分拣设备中，并采用如权利要求1-7中任意一项所述的单电机型分拣设备的同步控制方法对驱动电机的输出速度Vk进行控制，以使得分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的运转状态保持同步；所述同步控制系统包括：
参数采集模块，其用于实时获取驱动电机运行时的各项动态的电参数，包括驱动电机脉冲频率f；以及分拣设备的各项静态的设备参数，包括：驱动电机的固有步距角
Figure QLYQS_46
；驱动电机的细分数n；直线交叉带分拣机中相邻分拣小车的节距l1；上包输送机中相邻载物平台的节距l2；直线交叉带分拣机主线的圆弧段半径R1；上包输送机主线圆弧段的半径R2；
理论速度生成模块，其用于根据分拣机构在空载调试状态的动态电参数和静态设备参数计算出电机的输出转速，将其作为分拣设备的目标速度VT；以及根据分拣机构在负载状态的动态电参数和静态设备参数计算出电机实时的理论预测速度Vk；
第一光电传感器，其安装在直线交叉带分拣机下方，并在任意一个分拣小车到达时产生一个感应信号；
第二光电传感器，安装在输送机侧面，并在任意一个载物平台到达时产生一个感应信号；
观测速度生成模块，其用于根据第一光电传感器的检测结果生成表征直线交叉带分拣机运行速度直接观测结果的第一观测值Z1k；以及根据第二光电传感器的检测结果生成表征直线交叉带分拣机运行速度间接观测结果的第二观测值Z2k；
预测值矫正模块，其用于分别以第一观测值Z1k和第二观测值Z2k为基准，采用卡尔曼滤波算法对预测速度Vk进行矫正处理，得到矫正后的第一矫正优化速度
Figure QLYQS_47
和第二矫正优化速度
Figure QLYQS_48
；
输出值融合模块，其用于根据预先设计的融合算法，利用预测速度Vk、第一矫正优化速度
Figure QLYQS_49
和第二矫正优化速度
Figure QLYQS_50
计算出分拣设备当前运行状态下实际的输出速度
Figure QLYQS_51
；以及
控制指令生成模块，其用于根据实时输出的输出速度
Figure QLYQS_52
与目标速度VT间的偏差，生成一个实时的控制指令；所述控制指令发送到驱动电机的控制器，用于对驱动电机的电参数进行调整，以使得驱动电机实际的输出速度
Figure QLYQS_53
跟随目标速度VT。
9.一种分拣设备，其包括相邻且分层安装的输送机和直线交叉带分拣机；所述输送机将待分拣物料输送到下方的直线交叉带分拣机的首端，并使得输送机中的每个载物平台与直线交叉带分拣机中的每个分拣小车相对接；所述直线交叉带分拣机中的各个分拣小车按照预设的分拣规则将待分拣的物料从对应落料格口处排出；其特征在于，所述分拣设备还包括：
驱动装置，其包括驱动电机和传动机构；所述驱动装置安装在输送机和直线交叉带分拣机之间，所述驱动电机通过传动机构同步驱动输送机和直线交叉带分拣机的主线运转；
同步控制系统，其采用如权利要求8所述的单电机型分拣设备的同步控制系统；所述同步控制系统用于控制分拣设备中输送机和直线交叉带分拣机的运转状态保持同步，以保证在不同负载状态下，输送机中的各个载物平台均可以与直线交叉带分拣机中的各个分拣小车准确对接。
10.如权利要求9所述的分拣设备，其特征在于：
所述输送机中的每个载物平台中均安装有一个第一限位机构，所述第一限位机构包括一个第一档板和一个V型卡槽，所述第一挡板位于载物平台后端一侧，并朝向输送机后端的一侧倾斜45°；所述V型卡槽贴合在第一挡板上并在而二者之间构成一个用于容纳待分拣物料的置物空间；所述第一挡板的前端呈梳齿状；
所述直线交叉带分拣机中的每个分拣小车上均设置有一组第二限位机构；所述第二限位机构包含安装在分拣小车前端的一个第二挡板；所述第二挡板朝直线交叉带分拣机前端的一侧倾斜45°；所述第二挡板前端呈梳齿状；
所述输送机中的每个载物平台运动至处于竖直状态时，恰好与直线交叉带分拣机前端的处于水平状态的第一个分拣小车对接；此时，第一限位机构中的第一挡板和第二限位机构中的第二挡板前端的梳齿状结构恰好“咬合”，并使得第一挡板和第二挡板构成一个用于将待分拣物料从载物平台输送到分拣小车上的倾斜向下的“衔接滑道”；且直线交叉带分拣机中靠后一个分拣小车上的第二挡板作为限制前一个分拣小车上的接收的物料在滑落过程中脱轨的“限位挡板”。
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