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(xiàn)綜述22.1快遞自動化分揀系統(tǒng)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r22.2快遞自動化分揀系統(tǒng)的發(fā)展方向63研究目標(biāo)64研究內(nèi)容65技術(shù)路線75.1系統(tǒng)總體解決方案75.2硬件系統(tǒng)設(shè)計86預(yù)期的研究成果及課題的創(chuàng)新點86.1預(yù)期的研究成果86.2課題的創(chuàng)新點87進(jìn)度安排88參考文獻(xiàn)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(jī)設(shè)113（）吳志祥摘要： 隨著多品種少批量社會需求模式的推進(jìn)，商品的流通速度迅猛提高，流通方式卻是越來越復(fù)雜。因此，在人工成本不斷高漲的環(huán)境下，需要引入適當(dāng)?shù)臋C(jī)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(shù)和快遞自動化分揀裝置相結(jié)合，研究基于自動化分揀系統(tǒng)的開發(fā)，介紹了一種應(yīng)用DSP 技術(shù)、視頻捕獲技術(shù)，結(jié)合FPGA 邏輯控制、USB 通訊等多項技術(shù)，能夠準(zhǔn)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(fù)雜商品識別的難題。同時設(shè)計出相應(yīng)的分揀裝置，從而快速準(zhǔn)確完成物流行業(yè)自動化分揀。關(guān)鍵詞：機(jī)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(yīng)地往接收地傳送的流動過程。根據(jù)現(xiàn)實需要，將儲存、運(yùn)輸、搬運(yùn)、裝卸、流通加工、包裝、信息處理、配送等基本功能的實施有機(jī)結(jié)合起來。它根據(jù)物品的種類、質(zhì)量和數(shù)量，在最適當(dāng)?shù)臅r刻，以最低成本將其送到正確地點，并且準(zhǔn)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(fèi)與生產(chǎn)在空間和時間上的分離不斷擴(kuò)大，為了保障企業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)活動順利進(jìn)行，并且能取得好的經(jīng)濟(jì)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(xué)科。物流學(xué)理論基礎(chǔ)是多學(xué)科綜合，并融合了社會科學(xué)與自然科學(xué)，它既是經(jīng)濟(jì)科學(xué)又是技術(shù)科學(xué);同時，它還與其它學(xué)科有密切的聯(lián)系，如自動控制、計算機(jī)科學(xué)等。物流學(xué)研究對象一般是復(fù)雜的、多目標(biāo)決策的動態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)分析時，既要考慮技術(shù)的科學(xué)性、先進(jìn)性，又要考慮它的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。1.2研究意義 目前，現(xiàn)代物流作為一種比較先進(jìn)的管理理念和組織方式，被認(rèn)為是提高勞動生產(chǎn)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(yùn)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(shè)備，分揀系統(tǒng)的技術(shù)與分揀作業(yè)的效率也越來越受到工程界和的理論界關(guān)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(shù)采用了機(jī)械分揀和人工分揀相結(jié)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(shù)還不夠成熟，跟國外相比差距甚遠(yuǎn)。但自動分揀系統(tǒng)技術(shù)作為分揀領(lǐng)域中主要的發(fā)展趨勢，也是我國在分揀技術(shù)領(lǐng)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(qiáng)度 2.減少工作人員數(shù)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(chǎn)企業(yè)都迫切地需要改進(jìn)自己落后的生產(chǎn)技術(shù)，從而提高生產(chǎn)效率，特別是在要進(jìn)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(chǎn)效率非常低，生產(chǎn)成本相當(dāng)高，導(dǎo)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(xiàn)綜述2.1快遞自動化分揀系統(tǒng)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 從20世紀(jì)60年代開始，國外就己經(jīng)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(jīng)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(jì)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(yīng)、合并、搬運(yùn)分揀，從而將訂單獲得與不同傳送帶有機(jī)地的結(jié)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(guān)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(yùn)的角度研究了物料分揀系統(tǒng)傳送帶的構(gòu)建，及如何搭配傳送帶，構(gòu)建一個良好的物流分揀搬運(yùn)系統(tǒng)。在二次世界大戰(zhàn)之后，美日的物流中心就已經(jīng)廣泛的采用自動分揀機(jī)。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(jī)更是普遍的應(yīng)用2。在美國，自動分揀機(jī)的物流機(jī)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(jīng)實現(xiàn)了高度的自動化、機(jī)械化和計算機(jī)化。在歐洲，英國、德國等國家的物流技術(shù)也高度發(fā)達(dá)，德國西門子公司在物流設(shè)備體系中不斷推出各類的自動分揀設(shè)備，且發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。目前，國際上較先進(jìn)的自動分揀機(jī)有小物品自動分揀機(jī)、小型中速自動分揀機(jī)、推塊式高速自動分揀機(jī)、高速水平自動分揀機(jī)、數(shù)字式揀位系統(tǒng)和全自動分揀機(jī)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(jīng)濟(jì)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(jìn)入發(fā)展階段.隨著國內(nèi)的科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，特別是條形碼、檢測、自動控制等技術(shù)、計算機(jī)信息處理的應(yīng)用和發(fā)展，我國的物流設(shè)備技術(shù)在20世紀(jì)90年代得到迅速發(fā)展，從引進(jìn)國外的先進(jìn)物流設(shè)備技術(shù)，到吸收其先進(jìn)的技術(shù)成果，目前我國完全可以自主生產(chǎn)多種自動分揀機(jī)，如托盤式翻板式與交叉帶式分揀機(jī)等yob，如圖1-1, 1-2所示4，主要應(yīng)用于配送中心、郵政、機(jī)場等部門，就應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品種類而言，要在我國實現(xiàn)物流的機(jī)械化、現(xiàn)代化還任重而道遠(yuǎn)。綜上所述，可見我國快遞自動分揀設(shè)備技術(shù)的研究與應(yīng)用和發(fā)達(dá)國家相比還有相差甚遠(yuǎn)，盡快開發(fā)研制先進(jìn)的自動分揀機(jī)，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(chǔ)。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(jīng)歷了從分立元件，小規(guī)模集成電路，單片機(jī)到工業(yè)控制機(jī)、可編程控制器的發(fā)展歷程采用工業(yè)控制機(jī)、可編程控制器作為分揀裝置的控制主機(jī)使自動分揀裝置及系統(tǒng)的功能、效率、可靠性達(dá)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(guān)和條形碼識別技術(shù)，這兩類技術(shù)與裝備對于實現(xiàn)普通商品的識別與分揀可以有效應(yīng)付，但對商品的標(biāo)準(zhǔn)化包裝要求較高，傳統(tǒng)的檢測方法存在著信息不準(zhǔn)確、傳輸速度慢、輸出結(jié)果單一等缺點，對于商品的大小、位置信息都無法準(zhǔn)確判斷，而且將全部數(shù)據(jù)處理工作交到了計算機(jī)和PLC 控制裝置，給控制系統(tǒng)增加了負(fù)擔(dān)。此外許多生產(chǎn)線的物流速度極快，采用常規(guī)分揀控制技術(shù)很難實現(xiàn)這些快速流動商品的動態(tài)準(zhǔn)確識別。因此對于許多復(fù)雜商品，往往需要加入快速圖像識別技術(shù)才能準(zhǔn)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(wù)。3研究目標(biāo)本課題意在設(shè)計開發(fā)一款自動化分揀系統(tǒng)，主要應(yīng)用于快遞物流行業(yè)，完成對快遞分揀準(zhǔn)確性與時效性。具體的研究開發(fā)目標(biāo)如下：（1）加入快速圖像識別技術(shù)（2）設(shè)計整套自動化分揀裝置4研究內(nèi)容針對本課題的研究目標(biāo)，將研究內(nèi)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(shè)備詳細(xì)設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加快速圖像識別技術(shù)，綜合運(yùn)用，應(yīng)用到快遞領(lǐng)域的分揀平臺。 根據(jù)要求選擇了視頻捕捉DSP 平臺處理的方法來實現(xiàn)。對應(yīng)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(jìn)行硬件設(shè)計。對于視頻圖像的識別，我們采用了DSP（數(shù)字信號處理器）嵌入式平臺實現(xiàn)，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，對環(huán)境要求低，適于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的使用。利用DSP 集成電路芯片其運(yùn)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(gòu)成以高速DSP 為核心的復(fù)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(yīng)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(jìn)行硬件設(shè)計。對于視頻圖像的識別，我們采用了DSP（數(shù)字信號處理器）嵌入式平臺實現(xiàn)，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，對環(huán)境要求低，適于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的使用。利用DSP 集成電路芯片其運(yùn)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(gòu)成以高速DSP 為核心的復(fù)雜計算和控制的嵌入式自動分揀控制系統(tǒng)5。5技術(shù)路線5.1系統(tǒng)總體解決方案 本設(shè)計的目的是運(yùn)用DSP 技術(shù)實現(xiàn)對分揀機(jī)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(jīng)上包臺進(jìn)入到環(huán)形的分揀軌道，當(dāng)貨包運(yùn)行到對應(yīng)的格口時，承載貨包的托盤小車交叉帶轉(zhuǎn)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(yùn)行過程中，可能由于某些因素的影響，如交叉帶未轉(zhuǎn)動，使貨包沒有落入對應(yīng)的格口，而隨軌道的運(yùn)行又轉(zhuǎn)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(dǎo)致后面的上包故障。所以我們需要在上包臺的前面設(shè)置一定的檢測機(jī)制，當(dāng)有貨包隨軌道轉(zhuǎn)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(yīng)處理，分揀機(jī)的這個功能就是回包檢測。上包與落包的檢測任務(wù)也是自動識別系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)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(guān)的方式進(jìn)行貨包信息獲取，即在分揀機(jī)的軌道兩側(cè)，安裝有一對透過式紅外光電開關(guān)，稱為主同步光電開關(guān)，其位置主要根據(jù)分揀機(jī)速度、上包機(jī)位置及上包速度來確定，一般應(yīng)放在上包機(jī)前方(在分揀機(jī)運(yùn)行方向上)。主同步光電開關(guān)用于計數(shù)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?shù)據(jù)同步跟蹤及落包等。這種用光電開關(guān)進(jìn)行檢測的方法，不能得到準(zhǔn)確的貨包位置，而一般的交叉帶式托盤分揀機(jī)能夠根據(jù)貨包的大小、位置確定托盤帶的啟動時間和轉(zhuǎn)速，所以需要改進(jìn)技術(shù)，采樣新的方式進(jìn)行檢測。5.2硬件系統(tǒng)設(shè)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(gòu)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(chǎn)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(shù)字圖像信號預(yù)處理的工作，包括對接收的R、G、B 三種基色的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合和適當(dāng)?shù)谋壤儞Q等，以使DSP 能進(jìn)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(fù)責(zé)對預(yù)處理后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(jīng)過顏色校正后的R、G、B 數(shù)字信號，通過LCD 驅(qū)動電路實現(xiàn)在LCD 顯示屏上的顯示8。6預(yù)期的研究成果及課題的創(chuàng)新點6.1預(yù)期的研究成果 本課題預(yù)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(chǎn)品。（2） 設(shè)計出穩(wěn)定可靠的快遞自動分揀設(shè)備，實現(xiàn)人工勞動強(qiáng)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(shù)和分揀裝置的結(jié)合，既有硬件的設(shè)計，又有軟件方面的結(jié)合，最重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)分揀的快速性及準(zhǔn)確性。7進(jìn)度安排第一階段：1到4 周在老師的指導(dǎo)下，查閱相關(guān)資料完成文獻(xiàn)翻譯和開題報告第二階段：5到14周在老師的指導(dǎo)下，翻閱資料，利用AutoCAD和Solidworks軟件完成快遞自動分揀裝置設(shè)計，分析其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)，并利用DSP 集成電路芯片其運(yùn)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(gòu)成以高速DSP 為核心的復(fù)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(jìn)行修改第四階段：17周準(zhǔn)備答辯8參考文獻(xiàn)1張斌.物料自動分揀實驗系統(tǒng)設(shè)計與研究。碩士學(xué)位論文.湖南師范大學(xué).201