[發(fā)明專利]基于可柔性分配存儲空間的智能貨柜終端系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2019-12-22
• 公開（公告）號: CN111158236B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設計）人: 樊衛(wèi)華;李玲玉;徐川;沈超
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

1.一種基于可柔性分配存儲空間的智能貨柜終端系統(tǒng)，其特征在于：包括終端控制系統(tǒng)、顯示模塊、通信模塊、電源模塊和柔性存儲空間；

所述終端控制系統(tǒng)包括控制管理模塊、傳感器模塊、步進電機驅動器和三軸執(zhí)行裝置，所述傳感器模塊包括激光測距模塊、薄膜壓力傳感器模塊以及攝像頭模塊；所述三軸執(zhí)行裝置包括可控制的XYZ三軸方向移動機構以及Z軸方向上的末端執(zhí)行器；所述顯示模塊為一個觸摸顯示屏；通信模塊負責整個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；所述柔性存儲空間為具有可調節(jié)性的單元柜格；

顯示模塊接收出入庫指令，傳感器模塊對貨物進行稱重、測距和讀取貨物條形碼，通過通信模塊傳輸數(shù)據(jù)到控制管理模塊，終端控制系統(tǒng)對多傳感器數(shù)據(jù)信息融合處理并根據(jù)貨位分配優(yōu)化算法柔性分配存儲區(qū)域，最終發(fā)送指令控制三軸執(zhí)行裝置實現(xiàn)貨物的出入庫操作；

所述控制管理模塊以STM32控制器為核心，負責整個終端系統(tǒng)控制指令和傳感器數(shù)據(jù)的分析和處理；所述激光測距模塊安裝在智能貨柜載物平臺的頂部和兩方側面，用于從多角度測量貨物的長寬高尺寸信息；所述薄膜壓力傳感器安裝在載物平臺的底面，用于測量貨物的質量信息；所述攝像頭模塊安裝在出入庫載物平臺的頂部，正對載物平臺的底面，通過拍攝貨物的條形碼圖像，經(jīng)過圖像處理以識別貨物上的條形碼信息，最終將這三個數(shù)據(jù)信息進行處理融合，按權重系數(shù)建立綜合評價機制，將貨物分成ABC三類，同時將貨區(qū)以貨物存取頻率為依據(jù)進行扇形分區(qū)，A類貨物存放在靠近出入庫載物平臺即扇形分區(qū)邊緣位置處，B類貨物存放在扇形分區(qū)的中心部分，C類貨物存放在離出入庫口距離較遠柜格即扇形中心處；

建立綜合評價機制的條件如下：自動化倉儲貨柜總載重為M，第i層j列的貨物質量為m_ij，整個倉儲空間的尺寸S分為大中小三類S_ij，其對應的存取頻率p_ij取值區(qū)間為[0,1]，若根據(jù)條形碼信息判斷多個貨物為同一入庫者則定義這些貨物之間的相關性為α＝1，否則α＝0，質量、尺寸和條形碼相關性三類判別權重分別為w1，w2，w3，E為最終評價結果；具體的ABC分類法綜合評價機制公式如下：

其中

評價機制結果分類判定如下：

2.根據(jù)權利要求1所述的基于可柔性分配存儲空間的智能貨柜終端系統(tǒng)，其特征在于：所述三軸執(zhí)行裝置包括XYZ三軸滾珠絲杠、XYZ軸步進電機以及Z軸方向上的末端執(zhí)行器，XYZ三軸滾珠絲杠、XYZ軸步進電機與步進電機驅動器協(xié)同工作，Z軸方向上的末端執(zhí)行器用以承載托盤；將步進電機驅動器的接線口分別通過導線采用共陰極接法與電源和控制器IO口相接，通過控制器發(fā)送脈沖個數(shù)控制指令實現(xiàn)步進電機在笛卡爾直角坐標系下三個方向上運動，通過控制脈沖頻率實現(xiàn)步進電機速度快慢運動；Z軸的連接塊上安裝末端執(zhí)行器用以抓取托盤。

3.根據(jù)權利要求1所述的基于可柔性分配存儲空間的智能貨柜終端系統(tǒng)，其特征在于：所述的通信模塊負責實現(xiàn)激光測距模塊和薄膜壓力傳感器基于IIC協(xié)議與控制管理單元的通信，攝像頭模塊通過SCCB總線與控制管理單元相連；以及通過RS232串口實現(xiàn)對步進電機驅動器的控制指令的傳輸；電源模塊由開關電源構成，實現(xiàn)對整個終端系統(tǒng)的供電。

4.根據(jù)權利要求1所述的基于可柔性分配存儲空間的智能貨柜終端系統(tǒng)，其特征在于：所述的存儲區(qū)包括多個不同大小的子單元柜格，每個單元柜格兩側安裝隔板條用以置放承載貨物的托盤，托盤按Z軸方向水平移動實現(xiàn)托盤的出入庫，通過控制Y軸方向選取隔板條放置托盤，實現(xiàn)子單元柜格空間大小的柔性調節(jié)。

5.一種基于權利要求1所述智能貨柜終端系統(tǒng)的貨物入庫方法，其特征在于，包括以下幾個步驟：

步驟1：通過人機交互操作界面選擇入庫，終端控制系統(tǒng)提示是否有空余位置可供存放，若無位置則放棄此次操作，若有位置則執(zhí)行下一步；

步驟2：將貼有條形碼一面的貨物朝上放置，正對著載物平臺頂端安裝的攝像頭，通過攝像頭拍攝條形碼圖像，激光測距模塊和薄膜壓力傳感器并行工作，通過通信模塊將獲得的數(shù)據(jù)信息經(jīng)RS232串口發(fā)送至控制管理模塊；

步驟3：控制管理模塊調用條形碼解碼庫識別條形碼信息以作為此貨物的特征信息；將激光測距模塊測得的數(shù)據(jù)進行處理得到貨物的高度與寬度，根據(jù)測得高度計算其所占用的空間，將薄膜壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸?shù)娇刂破鬟M行分析和處理得到貨物的質量信息，將上述三種信息按照ABC分類方法進行貨物分類；

步驟4：智能貨柜終端控制系統(tǒng)結合目前貨柜中已存貨物的狀態(tài)，根據(jù)貨位分配算法計算最優(yōu)貨位坐標(X，Y)，并發(fā)送控制命令給三軸執(zhí)行機構，通過Z軸的末端執(zhí)行器利用托盤實現(xiàn)柔性調節(jié)存儲空間；所述貨位分配算法的數(shù)學模型如下：

約束條件為：且i,j為正整數(shù)

其中，f₁為單元柜格貨物的質量與其所在層的乘積之和，m_ij為第i層j列的貨物質量；f₂為貨物的存取頻率p_ij和三軸移動平臺運行時間乘積總和；t_ij為第i層j列的貨物搬運到出庫口所需要時間；三軸移動平臺垂直運行速度為v_x，水平運行速度為v_y，橫向運行速度v_z，其中單位柜格底長為L米，高度為H米，深度為D米；

步驟5：終端控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令至三軸執(zhí)行裝置，首先驅動Z軸方向的步進電機反轉將貨物移動到貨柜本體內部，其次驅動XY兩軸方向上的步進電機同時正轉，將送到指定的目標位置(X，Y)；

步驟6：存儲完畢后，顯示模塊收到結束控制指令并記錄貨物存儲相關信息，完成當前的入庫流程，驅動XYZ三軸方向上的步進電機進行反轉，回歸到原點即載物平臺處。