快遞自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1、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(dòng)化分揀系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r22.2快遞自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的發(fā)展方向63研究目標(biāo)64研究?jī)?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(jì)86預(yù)期的研究成果及課題的創(chuàng)新點(diǎn)86.1預(yù)期的研究成果86.2課題的創(chuàng)新點(diǎn)87進(jìn)度安排88參考文獻(xiàn)9快遞自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)機(jī)設(shè)113（10112428）吳志祥摘要： 隨著多品種少批量社會(huì)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(lái)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(cuò)誤的發(fā)生，提高商品流通作業(yè)率，最終實(shí)現(xiàn)JIT（JUST

2、IN TIME)配送。本文將快速圖像識(shí)別技術(shù)和快遞自動(dòng)化分揀裝置相結(jié)合，研究基于自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的開(kāi)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(xiàng)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確、快速識(shí)別物流系統(tǒng)商品大小、位置等信息的檢測(cè)裝置，可以有效解決自動(dòng)分揀系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜商品識(shí)別的難題。同時(shí)設(shè)計(jì)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(dòng)化分揀。關(guān)鍵詞：機(jī)械化分揀，圖像識(shí)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(dòng)過(guò)程。根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，將儲(chǔ)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(shí)施有機(jī)結(jié)合起來(lái)。它根據(jù)物品的種類(lèi)、質(zhì)量和數(shù)量，在

3、最適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，以最低成本將其送到正確地點(diǎn)，并且準(zhǔn)時(shí)完成物品信息的修改和傳輸及回收輸送工具的全過(guò)程。 隨著消費(fèi)與生產(chǎn)在空間和時(shí)間上的分離不斷擴(kuò)大，為了保障企業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)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(mén)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(huì)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(shí)，它還與其它學(xué)科有密切的聯(lián)系，如自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。物流學(xué)研究對(duì)象一般是復(fù)雜的、多目標(biāo)決策的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)分析時(shí)，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

4、認(rèn)為是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，企業(yè)降低物耗以外的第三利潤(rùn)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(shì)，提高配送中心的運(yùn)營(yíng)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(lái)越受到工程界和的理論界關(guān)注。 我國(guó)現(xiàn)代物流發(fā)展比較晚，對(duì)自動(dòng)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(dòng)分揀方式，而自動(dòng)分揀所占比例非常低，其中一個(gè)非常重要原因是目前我國(guó)自動(dòng)分揀系統(tǒng)技術(shù)還不夠成熟，跟國(guó)外相比差距甚遠(yuǎn)。但自動(dòng)分揀系統(tǒng)技術(shù)作為分揀領(lǐng)域中主要的發(fā)展趨勢(shì)，也是我國(guó)在分揀技術(shù)領(lǐng)域中的發(fā)展方向，有著半

5、自動(dòng)分揀和人工分揀不可比擬的優(yōu)勢(shì) 1.降低勞動(dòng)強(qiáng)度 2.減少工作人員數(shù)量 3.降低分揀出錯(cuò)率 4.提高分揀效率隨著社會(huì)不斷的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)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(dòng)分揀的企業(yè)。以往一直采用半自動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)能力差。材料自動(dòng)分揀已成為了企業(yè)的唯一選擇。針對(duì)上述問(wèn)題，研究一種高效率的材料自動(dòng)分揀系統(tǒng)以勢(shì)在必行1。2文獻(xiàn)綜述2.1快遞自動(dòng)化分揀系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外就己經(jīng)開(kāi)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

6、Harvey. Subcommand Richards. Muffin在1960年所提出來(lái)的，為亨氏公司 Company)開(kāi)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(guó)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(gè)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(lái)成一個(gè)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(píng)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(shí)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

7、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(gè)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(dòng)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(huì)社)等全自動(dòng)分揀機(jī)更是普遍的應(yīng)用2。在美國(guó)，自動(dòng)分揀機(jī)的物流機(jī)械是撬動(dòng)美國(guó)物流行業(yè)的杠桿之一。目前，美國(guó)的物流管理已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化、機(jī)械化和計(jì)算機(jī)化。在歐洲，英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的物流技術(shù)也高度發(fā)達(dá)，德國(guó)西門(mén)子公司在物流設(shè)備體系中不斷推出各類(lèi)的自動(dòng)分揀設(shè)備，且發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。目前，國(guó)際上較先進(jìn)的自動(dòng)分揀機(jī)有小物品自動(dòng)分揀機(jī)、小型中速自動(dòng)分揀機(jī)、推塊式高

8、速自動(dòng)分揀機(jī)、高速水平自動(dòng)分揀機(jī)、數(shù)字式揀位系統(tǒng)和全自動(dòng)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(guó)市場(chǎng)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(méi)有形成一個(gè)比較完整的體系。但隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷深入，我國(guó)現(xiàn)代物流也將逐步進(jìn)入發(fā)展階段.隨著國(guó)內(nèi)的科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，特別是條形碼、檢測(cè)、自動(dòng)控制等技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理的應(yīng)用和發(fā)展，我國(guó)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(guó)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(guó)完全可以自主生產(chǎn)多種自動(dòng)分揀機(jī)，如托盤(pán)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)

9、用于配送中心、郵政、機(jī)場(chǎng)等部門(mén)，就應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品種類(lèi)而言，要在我國(guó)實(shí)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(jiàn)我國(guó)快遞自動(dòng)分揀設(shè)備技術(shù)的研究與應(yīng)用和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有相差甚遠(yuǎn)，盡快開(kāi)發(fā)研制先進(jìn)的自動(dòng)分揀機(jī)，可為我國(guó)企業(yè)成功的實(shí)現(xiàn)物流高效益打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.2快遞自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的發(fā)展方向 自動(dòng)分揀裝置的控制部分是自動(dòng)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(dòng)分揀裝置及系統(tǒng)的功能、效率、可靠性達(dá)到了一個(gè)新的水平。自動(dòng)分揀系統(tǒng)獲取商品信息主要采用光電開(kāi)關(guān)和條形碼識(shí)別技術(shù)，這兩類(lèi)技術(shù)與裝備

10、對(duì)于實(shí)現(xiàn)普通商品的識(shí)別與分揀可以有效應(yīng)付，但對(duì)商品的標(biāo)準(zhǔn)化包裝要求較高，傳統(tǒng)的檢測(cè)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(diǎn)，對(duì)于商品的大小、位置信息都無(wú)法準(zhǔn)確判斷，而且將全部數(shù)據(jù)處理工作交到了計(jì)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(shí)現(xiàn)這些快速流動(dòng)商品的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確識(shí)別。因此對(duì)于許多復(fù)雜商品，往往需要加入快速圖像識(shí)別技術(shù)才能準(zhǔn)確、快速識(shí)別物流商品的大小、位置等信息，有效完成自動(dòng)分揀任務(wù)。3研究目標(biāo)本課題意在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款自動(dòng)化分揀系統(tǒng)，主要應(yīng)用于快遞物流行業(yè)，完成對(duì)快遞分揀準(zhǔn)確性與時(shí)效性。具體的研究開(kāi)發(fā)目標(biāo)如下：（1）加入快速

11、圖像識(shí)別技術(shù)（2）設(shè)計(jì)整套自動(dòng)化分揀裝置4研究?jī)?nèi)容針對(duì)本課題的研究目標(biāo)，將研究?jī)?nèi)容作如下劃分： 本課題所研究和開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)是基于自動(dòng)分揀設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加快速圖像識(shí)別技術(shù)，綜合運(yùn)用，應(yīng)用到快遞領(lǐng)域的分揀平臺(tái)。 根據(jù)要求選擇了視頻捕捉DSP 平臺(tái)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)這個(gè)方案，確定了系統(tǒng)使用的DSP 平臺(tái)、外圍電路和視頻采樣電路，依次進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。對(duì)于視頻圖像的識(shí)別，我們采用了DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，對(duì)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(shì)實(shí)現(xiàn)貨物信息的快速、動(dòng)態(tài)提取與識(shí)別，從而構(gòu)成以高速DSP 為核心的復(fù)

12、雜計(jì)算和控制的嵌入式自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)。頻捕捉DSP 平臺(tái)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)這個(gè)方案，確定了系統(tǒng)使用的DSP 平臺(tái)、外圍電路和視頻采樣電路，依次進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。對(duì)于視頻圖像的識(shí)別，我們采用了DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，對(duì)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(shì)實(shí)現(xiàn)貨物信息的快速、動(dòng)態(tài)提取與識(shí)別，從而構(gòu)成以高速DSP 為核心的復(fù)雜計(jì)算和控制的嵌入式自動(dòng)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(jì)的目的是運(yùn)用DSP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)分揀機(jī)的上包、回包及落包檢測(cè)等功能。以回包檢測(cè)為例，在分揀過(guò)程中，貨包經(jīng)上包臺(tái)進(jìn)入到

13、環(huán)形的分揀軌道，當(dāng)貨包運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的格口時(shí)，承載貨包的托盤(pán)小車(chē)交叉帶轉(zhuǎn)動(dòng)，使貨包落入分揀格口，這個(gè)過(guò)程完成了貨物的自動(dòng)分揀。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可能由于某些因素的影響，如交叉帶未轉(zhuǎn)動(dòng)，使貨包沒(méi)有落入對(duì)應(yīng)的格口，而隨軌道的運(yùn)行又轉(zhuǎn)回到上包臺(tái)，這種情況下，如果系統(tǒng)不知道貨包的循環(huán)返回，就會(huì)導(dǎo)致后面的上包故障。所以我們需要在上包臺(tái)的前面設(shè)置一定的檢測(cè)機(jī)制，當(dāng)有貨包隨軌道轉(zhuǎn)回來(lái)的時(shí)候，能夠及時(shí)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(gè)功能就是回包檢測(cè)。上包與落包的檢測(cè)任務(wù)也是自動(dòng)識(shí)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(cè)功能對(duì)于保證整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要作用。傳統(tǒng)的

14、上包、回包及落包檢測(cè)采用光電開(kāi)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(duì)透過(guò)式紅外光電開(kāi)關(guān)，稱為主同步光電開(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)用于計(jì)數(shù)托盤(pán)小車(chē)，并發(fā)出同步脈沖，將得到的信息傳給PLC6。控制同步上包、數(shù)據(jù)同步跟蹤及落包等。這種用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)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(pán)分揀機(jī)能夠根據(jù)貨包的大小、位置確定托盤(pán)帶的啟動(dòng)時(shí)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(cè)。5.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)中，其硬件系統(tǒng)由主控CPU（DSP）、邏輯控制（FPGA）、視頻采樣

15、（CMOS 圖像傳感器）、通訊（USB 或RS485）、存儲(chǔ)器（SDRAM和外接Flash 存儲(chǔ)卡）等部分構(gòu)成，包括以下幾個(gè)功能模塊：由DSP 電路、FPGA 電路、存儲(chǔ)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(diǎn)頻、行場(chǎng)同步信號(hào)以及控制寄存器的控制時(shí)序，同時(shí)，它還完成對(duì)CMOS 彩色圖像象傳感器輸出的數(shù)字圖像信號(hào)預(yù)處理的工作，包括對(duì)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(duì)SDRAM和外接Flash 存儲(chǔ)卡的訪問(wèn)以及SDRAM的刷新等操作也通過(guò)FPGA 實(shí)現(xiàn)。DSP 負(fù)責(zé)對(duì)預(yù)處理后的原始數(shù)據(jù)

16、進(jìn)行顏色校正、JPEG 壓縮、存儲(chǔ)、圖像識(shí)別，并提供通用的USB 或RS485 接口，以實(shí)現(xiàn)圖像及資料的上傳。經(jīng)過(guò)顏色校正后的R、G、B 數(shù)字信號(hào)，通過(guò)LCD 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)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(diǎn)6.1預(yù)期的研究成果 本課題預(yù)期的研究成果是開(kāi)發(fā)出一套完整的快遞自動(dòng)分揀系統(tǒng)。主要包括如下幾項(xiàng)研究成果。（1） 開(kāi)發(fā)出一套完成的快遞自動(dòng)化分揀平臺(tái)。能夠智能快速地分揀物流產(chǎn)品。（2） 設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的快遞自動(dòng)分揀設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人工勞動(dòng)強(qiáng)度的降低。6.2課題的創(chuàng)新點(diǎn) 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)在于快速圖像識(shí)別技術(shù)和分揀裝置的結(jié)合，既有硬件的設(shè)計(jì)，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(kāi)題報(bào)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(dòng)分揀裝置設(shè)計(jì)，分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，并利用DSP 集成電路芯片其運(yùn)算速度高的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)貨物信息的快速、動(dòng)態(tài)提取與識(shí)別，從而構(gòu)成以高速DSP 為核心的復(fù)雜計(jì)算和控制的嵌入式自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)。第三階段：15到16周檢查錯(cuò)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(dòng)分揀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。碩士學(xué)位論文.湖南師范大學(xué).2010