快遞自動化分揀系統(tǒng)的開發(fā)

目錄1研究背景11.1研究背景11.2研究意義22文獻綜述22.1快遞自動化分揀系統(tǒng)國內外的發(fā)展狀況22.2快遞自動化分揀系統(tǒng)的發(fā)展方向63研究目標64研究內容65技術路線75.1系統(tǒng)總體解決方案75.2硬件系統(tǒng)設計86預期的研究成果及課題的創(chuàng)新點86.1預期的研究成果86.2課題的創(chuàng)新點87進度安排88參考文獻98快遞自動化分揀系統(tǒng)的開發(fā)快遞自動化分揀系統(tǒng)的開發(fā)機設113（）吳志祥摘要： 隨著多品種少批量社會需求模式的推進，商品的流通速度迅猛提高，流通方式卻是越來越復雜。因此，在人工成本不斷高漲的環(huán)境下，需要引入適當的機械化分揀系統(tǒng)，以減少作業(yè)錯誤的發(fā)生，提高商品流通作業(yè)率，最終實現(xiàn)JIT（JUST IN TIME)配送。本文將快速圖像識別技術和快遞自動化分揀裝置相結合，研究基于自動化分揀系統(tǒng)的開發(fā)，介紹了一種應用DSP 技術、視頻捕獲技術，結合FPGA 邏輯控制、USB 通訊等多項技術，能夠準確、快速識別物流系統(tǒng)商品大小、位置等信息的檢測裝置，可以有效解決自動分揀系統(tǒng)對復雜商品識別的難題。同時設計出相應的分揀裝置，從而快速準確完成物流行業(yè)自動化分揀。關鍵詞：機械化分揀，圖像識別，分揀裝置1研究背景1.1研究背景 物流就是將物品從供應地往接收地傳送的流動過程。根據現(xiàn)實需要，將儲存、運輸、搬運、裝卸、流通加工、包裝、信息處理、配送等基本功能的實施有機結合起來。它根據物品的種類、質量和數量，在最適當的時刻，以最低成本將其送到正確地點，并且準時完成物品信息的修改和傳輸及回收輸送工具的全過程。 隨著消費與生產在空間和時間上的分離不斷擴大，為了保障企業(yè)生產和社會經濟活動順利進行，并且能取得好的經濟效益;物流作為“需”、“供”之間橋梁，已發(fā)展成為了一門綜合性的學科。物流學理論基礎是多學科綜合，并融合了社會科學與自然科學，它既是經濟科學又是技術科學;同時，它還與其它學科有密切的聯(lián)系，如自動控制、計算機科學等。物流學研究對象一般是復雜的、多目標決策的動態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)分析時，既要考慮技術的科學性、先進性，又要考慮它的經濟指標。1.2研究意義 目前，現(xiàn)代物流作為一種比較先進的管理理念和組織方式，被認為是提高勞動生產率，企業(yè)降低物耗以外的第三利潤的源泉。由于超大規(guī)模集中配送的效率難題和成本優(yōu)勢，提高配送中心的運營效率這已成了大中型企業(yè)改善現(xiàn)代物流的重要舉措。作為配送中心的主要作業(yè)環(huán)節(jié)和核心設備，分揀系統(tǒng)的技術與分揀作業(yè)的效率也越來越受到工程界和的理論界關注。 我國現(xiàn)代物流發(fā)展比較晚，對自動分揀系統(tǒng)的研究也剛起步，分揀作業(yè)大部分都是采用的人工分揀，少數采用了機械分揀和人工分揀相結合的半自動分揀方式，而自動分揀所占比例非常低，其中一個非常重要原因是目前我國自動分揀系統(tǒng)技術還不夠成熟，跟國外相比差距甚遠。但自動分揀系統(tǒng)技術作為分揀領域中主要的發(fā)展趨勢，也是我國在分揀技術領域中的發(fā)展方向，有著半自動分揀和人工分揀不可比擬的優(yōu)勢 1.降低勞動強度 2.減少工作人員數量 3.降低分揀出錯率 4.提高分揀效率隨著社會不斷的發(fā)展，市場競爭也越來越激烈，因此，各大生產企業(yè)都迫切地需要改進自己落后的生產技術，從而提高生產效率，特別是在要進行材料自動分揀的企業(yè)。以往一直采用半自動分揀或人工分揀的方法，使生產效率非常低，生產成本相當高，導致企業(yè)的競爭能力差。材料自動分揀已成為了企業(yè)的唯一選擇。針對上述問題，研究一種高效率的材料自動分揀系統(tǒng)以勢在必行1。2文獻綜述2.1快遞自動化分揀系統(tǒng)國內外的發(fā)展狀況 從20世紀60年代開始，國外就己經開始著手于研究物流分揀系統(tǒng)的模型，如:配送中心選址的經典模型就是Harvey. Subcommand Richards. Muffin在1960年所提出來的，為亨氏公司(H.J.Heinz Company)開發(fā)，而后用于雀巢公司(Nestle Company)的物流配送。 20世紀80年代后，國外的物流分揀系統(tǒng)發(fā)展更加迅速，Aughan,Mark(1999)將分揀系統(tǒng)歸納為5個子系統(tǒng):合并前聚集、訂單挑選、感應、合并、搬運分揀，從而將訂單獲得與不同傳送帶有機地的結合起來成一個高效的物料分揀系統(tǒng);Masel D.T(2001)研究了現(xiàn)有的關于評估物料分揀固定形狀貨物的環(huán)形物料分揀系統(tǒng)的分揀時間的解析公式;Norman Saene JR(2002)從配送中心里物料搬運的角度研究了物料分揀系統(tǒng)傳送帶的構建，及如何搭配傳送帶，構建一個良好的物流分揀搬運系統(tǒng)。在二次世界大戰(zhàn)之后，美日的物流中心就已經廣泛的采用自動分揀機。而在，日本的醫(yī)療行業(yè)、連鎖商業(yè)(如高島屋、西友等)、化妝品制造行業(yè)(如花王、日本資生堂、大木等株式會社)等全自動分揀機更是普遍的應用2。在美國，自動分揀機的物流機械是撬動美國物流行業(yè)的杠桿之一。目前，美國的物流管理已經實現(xiàn)了高度的自動化、機械化和計算機化。在歐洲，英國、德國等國家的物流技術也高度發(fā)達，德國西門子公司在物流設備體系中不斷推出各類的自動分揀設備，且發(fā)揮著相當重要的作用。目前，國際上較先進的自動分揀機有小物品自動分揀機、小型中速自動分揀機、推塊式高速自動分揀機、高速水平自動分揀機、數字式揀位系統(tǒng)和全自動分揀機等，如圖1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 1.-7與圖1-8所示3: 由于我國市場經濟體制剛剛建立，現(xiàn)代物流的發(fā)展剛剛起步，所以還沒有形成一個比較完整的體系。但隨著我國改革開放的不斷深入，我國現(xiàn)代物流也將逐步進入發(fā)展階段.隨著國內的科學技術迅猛發(fā)展，特別是條形碼、檢測、自動控制等技術、計算機信息處理的應用和發(fā)展，我國的物流設備技術在20世紀90年代得到迅速發(fā)展，從引進國外的先進物流設備技術，到吸收其先進的技術成果，目前我國完全可以自主生產多種自動分揀機，如托盤式翻板式與交叉帶式分揀機等yob，如圖1-1, 1-2所示4，主要應用于配送中心、郵政、機場等部門，就應用領域和產品種類而言，要在我國實現(xiàn)物流的機械化、現(xiàn)代化還任重而道遠。綜上所述，可見我國快遞自動分揀設備技術的研究與應用和發(fā)達國家相比還有相差甚遠，盡快開發(fā)研制先進的自動分揀機，可為我國企業(yè)成功的實現(xiàn)物流高效益打下堅實的基礎。2.2快遞自動化分揀系統(tǒng)的發(fā)展方向 自動分揀裝置的控制部分是自動分揀裝置的核心，經歷了從分立元件，小規(guī)模集成電路，單片機到工業(yè)控制機、可編程控制器的發(fā)展歷程采用工業(yè)控制機、可編程控制器作為分揀裝置的控制主機使自動分揀裝置及系統(tǒng)的功能、效率、可靠性達到了一個新的水平。自動分揀系統(tǒng)獲取商品信息主要采用光電開關和條形碼識別技術，這兩類技術與裝備對于實現(xiàn)普通商品的識別與分揀可以有效應付，但對商品的標準化包裝要求較高，傳統(tǒng)的檢測方法存在著信息不準確、傳輸速度慢、輸出結果單一等缺點，對于商品的大小、位置信息都無法準確判斷，而且將全部數據處理工作交到了計算機和PLC 控制裝置，給控制系統(tǒng)增加了負擔。此外許多生產線的物流速度極快，采用常規(guī)分揀控制技術很難實現(xiàn)這些快速流動商品的動態(tài)準確識別。因此對于許多復雜商品，往往需要加入快速圖像識別技術才能準確、快速識別物流商品的大小、位置等信息，有效完成自動分揀任務。3研究目標本課題意在設計開發(fā)一款自動化分揀系統(tǒng)，主要應用于快遞物流行業(yè)，完成對快遞分揀準確性與時效性。具體的研究開發(fā)目標如下：（1）加入快速圖像識別技術（2）設計整套自動化分揀裝置4研究內容針對本課題的研究目標，將研究內容作如下劃分： 本課題所研究和開發(fā)的系統(tǒng)是基于自動分揀設備詳細設計的基礎上，增加快速圖像識別技術，綜合運用，應用到快遞領域的分揀平臺。 根據要求選擇了視頻捕捉DSP 平臺處理的方法來實現(xiàn)。對應這個方案，確定了系統(tǒng)使用的DSP 平臺、外圍電路和視頻采樣電路，依次進行硬件設計。對于視頻圖像的識別，我們采用了DSP（數字信號處理器）嵌入式平臺實現(xiàn)，穩(wěn)定性高，結構簡單、成本低，對環(huán)境要求低，適于工業(yè)生產環(huán)境的使用。利用DSP 集成電路芯片其運算速度高的優(yōu)勢實現(xiàn)貨物信息的快速、動態(tài)提取與識別，從而構成以高速DSP 為核心的復雜計算和控制的嵌入式自動分揀控制系統(tǒng)。頻捕捉DSP 平臺處理的方法來實現(xiàn)。對應這個方案，確定了系統(tǒng)使用的DSP 平臺、外圍電路和視頻采樣電路，依次進行硬件設計。對于視頻圖像的識別，我們采用了DSP（數字信號處理器）嵌入式平臺實現(xiàn)，穩(wěn)定性高，結構簡單、成本低，對環(huán)境要求低，適于工業(yè)生產環(huán)境的使用。利用DSP 集成電路芯片其運算速度高的優(yōu)勢實現(xiàn)貨物信息的快速、動態(tài)提取與識別，從而構成以高速DSP 為核心的復雜計算和控制的嵌入式自動分揀控制系統(tǒng)5。5技術路線5.1系統(tǒng)總體解決方案 本設計的目的是運用DSP 技術實現(xiàn)對分揀機的上包、回包及落包檢測等功能。以回包檢測為例，在分揀過程中，貨包經上包臺進入到環(huán)形的分揀軌道，當貨包運行到對應的格口時，承載貨包的托盤小車交叉帶轉動，使貨包落入分揀格口，這個過程完成了貨物的自動分揀。但在實際運行過程中，可能由于某些因素的影響，如交叉帶未轉動，使貨包沒有落入對應的格口，而隨軌道的運行又轉回到上包臺，這種情況下，如果系統(tǒng)不知道貨包的循環(huán)返回，就會導致后面的上包故障。所以我們需要在上包臺的前面設置一定的檢測機制，當有貨包隨軌道轉回來的時候，能夠及時將回包的信息通知系統(tǒng)，以便做出相應處理，分揀機的這個功能就是回包檢測。上包與落包的檢測任務也是自動識別系統(tǒng)運行的故障，阻止誤揀、漏檢事故的發(fā)生，上包、回包及落包檢測功能對于保證整個系統(tǒng)的安全運行有著重要作用。傳統(tǒng)的上包、回包及落包檢測采用光電開關的方式進行貨包信息獲取，即在分揀機的軌道兩側，安裝有一對透過式紅外光電開關，稱為主同步光電開關，其位置主要根據分揀機速度、上包機位置及上包速度來確定，一般應放在上包機前方(在分揀機運行方向上)。主同步光電開關用于計數托盤小車，并發(fā)出同步脈沖，將得到的信息傳給PLC6?？刂仆缴习?、數據同步跟蹤及落包等。這種用光電開關進行檢測的方法，不能得到準確的貨包位置，而一般的交叉帶式托盤分揀機能夠根據貨包的大小、位置確定托盤帶的啟動時間和轉速，所以需要改進技術，采樣新的方式進行檢測。5.2硬件系統(tǒng)設計 系統(tǒng)中，其硬件系統(tǒng)由主控CPU（DSP）、邏輯控制（FPGA）、視頻采樣（CMOS 圖像傳感器）、通訊（USB 或RS485）、存儲器（SDRAM和外接Flash 存儲卡）等部分構成，包括以下幾個功能模塊：由DSP 電路、FPGA 電路、存儲器電路、采樣電路等模塊組成7。采用FPGA 產生圖像傳感器所需的點頻、行場同步信號以及控制寄存器的控制時序，同時，它還完成對CMOS 彩色圖像象傳感器輸出的數字圖像信號預處理的工作，包括對接收的R、G、B 三種基色的原始數據進行重新組合和適當的比例變換等，以使DSP 能進行更加有序的快速處理。另外，DSP 對SDRAM和外接Flash 存儲卡的訪問以及SDRAM的刷新等操作也通過FPGA 實現(xiàn)。DSP 負責對預處理后的原始數據進行顏色校正、JPEG 壓縮、存儲、圖像識別，并提供通用的USB 或RS485 接口，以實現(xiàn)圖像及資料的上傳。經過顏色校正后的R、G、B 數字信號，通過LCD 驅動電路實現(xiàn)在LCD 顯示屏上的顯示8。6預期的研究成果及課題的創(chuàng)新點6.1預期的研究成果 本課題預期的研究成果是開發(fā)出一套完整的快遞自動分揀系統(tǒng)。主要包括如下幾項研究成果。（1） 開發(fā)出一套完成的快遞自動化分揀平臺。能夠智能快速地分揀物流產品。（2） 設計出穩(wěn)定可靠的快遞自動分揀設備，實現(xiàn)人工勞動強度的降低。6.2課題的創(chuàng)新點 本課題的創(chuàng)新點在于快速圖像識別技術和分揀裝置的結合，既有硬件的設計，又有軟件方面的結合，最重要的是能夠實現(xiàn)分揀的快速性及準確性。7進度安排第一階段：1到4 周在老師的指導下，查閱相關資料完成文獻翻譯和開題報告第二階段：5到14周在老師的指導下，翻閱資料，利用AutoCAD和Solidworks軟件完成快遞自動分揀裝置設計，分析其運動學和動力學，并利用DSP 集成電路芯片其運算速度高的優(yōu)勢實現(xiàn)貨物信息的快速、動態(tài)提取與識別，從而構成以高速DSP 為核心的復雜計算和控制的嵌入式自動分揀控制系統(tǒng)。第三階段：15到16周檢查錯誤遺漏之處，進行修改第四階段：17周準備答辯8參考文獻1張斌.物料自動分揀實驗系統(tǒng)設計與研究。碩士學位論文.湖南師范大學.201