本發(fā)明涉及物流自動化控制技術(shù)領(lǐng)域,具體地指一種激光掃描自動拆垛裝置及方法。
背景技術(shù):
近年來,國內(nèi)眾多的企業(yè)對成品庫自動化物流系統(tǒng)的改造方興未艾,而拆垛、碼垛機器人是其中必不可少的單機設(shè)備,主要承擔(dān)著物流系統(tǒng)中成品入庫、出庫的碼垛、拆垛工作,其實質(zhì)也是一種通用的工業(yè)搬運機器人。而且只需對該類機器人手爪卡具作簡單改型,就可以廣泛應(yīng)用于家電、食品、汽車等行業(yè)的自動化物流系統(tǒng)中,因此開發(fā)高性能、低成本、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碼垛拆垛機器將有廣闊的市場前景。其中,拆垛機是現(xiàn)代企業(yè)成品倉庫的主要作業(yè)機械,廣泛應(yīng)用于糧油、面粉、飼料、食鹽以及化肥、水泥等行業(yè)成品庫的各種包裝袋堆垛后的拆垛及裝車。雖然國內(nèi)現(xiàn)在具備多種功能各異的拆垛機設(shè)備,但多數(shù)存在著結(jié)構(gòu)簡單、功能單一、移動不便、操作困難等缺點。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處,提出了一種激光掃描自動拆垛裝置及方法,實現(xiàn)在暗黑環(huán)境下的自動拆垛工作。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明所設(shè)計的激光掃描自動拆垛裝置,其特殊之處在于,所述拆垛裝置包括安裝于貨物堆放處周圍的立體滑動導(dǎo)軌,所述立體滑動導(dǎo)軌上設(shè)置有與之滑動配合的移動滑塊,所述移動滑塊上設(shè)置有激光掃描儀、抓斗和嵌入式處理器,
所述激光掃描儀:用于采集與貨物的距離信息并傳輸至嵌入式處理器;
所述抓斗:包括舵機、機械臂和傳感器,所述舵機用于根據(jù)嵌入式處理器傳輸?shù)目刂浦噶钫{(diào)節(jié)控制機械臂的伸縮與開合;所述機械臂用于根據(jù)控制指令對貨物進(jìn)行拆卸;所述傳感器用于采集距離值;
所述嵌入式處理器:用于將激光掃描儀采集的與貨物的距離信息轉(zhuǎn)換為圖像信息,并計算出貨物大小、與抓斗的距離,向抓斗、立體滑動導(dǎo)軌傳輸控制指令,并根據(jù)抓斗上傳感器的采集值判斷是否抓到貨物;
所述立體滑動導(dǎo)軌:包括橫向?qū)к壓涂v向?qū)к墸鰴M向?qū)к壓涂v向?qū)к壏謩e在橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機的驅(qū)動下滑動,所述橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機根據(jù)嵌入式處理器傳輸?shù)目刂浦噶铗?qū)動導(dǎo)軌。
進(jìn)一步地,所述嵌入式處理器包括uart模塊、圖像轉(zhuǎn)化模塊、外部存儲器、圖像處理模塊、pwm模塊;
所述uart模塊:用于將獲取的激光掃描儀采集的與貨物的距離與角度信息發(fā)送至圖像轉(zhuǎn)換模塊、激光掃描儀的角度信息發(fā)送至存儲器;
所述圖像轉(zhuǎn)換模塊:用于將激光掃描儀采集的與貨物的距離與角度信息經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換為圖像灰度值,形成貨物圖像信息;
所述外部存儲器:用于存儲貨物圖像信息;
所述圖像處理模塊:用于根據(jù)存儲器里的存儲信息,經(jīng)過動態(tài)二值化處理得到貨物所在位置、輪廓以及與抓斗的平均距離,計算激光掃描儀的旋轉(zhuǎn)角度、抓斗機械臂的伸縮長度與開合大小、立體滑動導(dǎo)軌的橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機的驅(qū)動力大小,并發(fā)送至pwm模塊;
所述pwm模塊:用于發(fā)送pwm波至激光掃描儀、抓斗舵機和立體滑動導(dǎo)軌的橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機。
更進(jìn)一步地,所述激光掃描儀包括安裝在激光頭上的伺服電機,所述伺服電機根據(jù)嵌入式處理器的控制指令調(diào)整激光頭的旋轉(zhuǎn)速度,并將激光頭的角度信息通過串口通訊發(fā)送至嵌入式處理器。
更進(jìn)一步地,所述嵌入式處理器還包括pid模塊和定時器中斷模塊,所述pid模塊用于對抓斗的運動進(jìn)行控制,達(dá)到閉環(huán)控制的目的,使得抓斗精確并快速地進(jìn)行貨物的拆卸,所述定時器中斷模塊用于控制pid模塊的運行周期。
更進(jìn)一步地,所述嵌入式處理器還包括dma模塊:用于將圖像轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的圖像信息快速傳輸至外部存儲器中。
更進(jìn)一步地,所述立體滑動導(dǎo)軌包括用于固定和支撐的四個底座,所述橫向?qū)к壓涂v向?qū)к壈惭b于底座上。
更進(jìn)一步地,所述激光掃描自動拆垛裝置還包括藍(lán)牙模塊和wifi模塊:所述藍(lán)牙模塊用于將圖像轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換出的圖像信息發(fā)送至上位機,所述wifi模塊用于與pc通訊。
一種用于上述激光掃描自動拆垛裝置的方法,其特殊之處在于,包括如下步驟:
1)所述激光掃描儀采集與貨物的距離信息并發(fā)送至嵌入式處理器;
2)所述嵌入式處理器根據(jù)激光掃描儀與貨物的距離信息轉(zhuǎn)為為圖像信息,并對圖像進(jìn)行動態(tài)二值化處理,獲得貨物的大小、與抓斗的距離;
3)所述嵌入式處理器計算抓斗機械臂的伸縮長度與開合大小、立體滑動導(dǎo)軌的橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機的驅(qū)動力大小,并轉(zhuǎn)換為控制指令;
4)所述橫向?qū)к壓涂v向?qū)к壏謩e在橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機的驅(qū)動下滑動;所述抓斗根據(jù)控制指令對貨物進(jìn)行拆卸;
5)所述抓斗的傳感器采集距離值,并傳輸至嵌入式處理器,所述嵌入式處理器判斷是否抓到貨物,是則拆垛結(jié)束,否則返回步驟3)。
優(yōu)選地,所述步驟1)的具體步驟包括:
11)控制橫向步進(jìn)電機、縱向步進(jìn)電機,使激光掃描儀位于橫向?qū)к壍闹胁?、縱向?qū)к壍捻敳浚?/p>
12)所述激光掃描儀采集旋轉(zhuǎn)-45°~+45°的距離信息并發(fā)送至嵌入式處理器;
13)所述嵌入式處理器控制縱向步進(jìn)電機步進(jìn),步進(jìn)數(shù)量加1;
14)重復(fù)步驟12)、13)直至步進(jìn)數(shù)量達(dá)到設(shè)定值,此時激光掃描儀位于縱向?qū)к壍牡撞俊?/p>
優(yōu)選地,所述步驟5)中通過抓斗上的傳感器獲得機械臂與實際貨物之間的距離誤差,嵌入式處理器通過增量式pid算法消除誤差并對貨物進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取,增量式pid算法的公式如下所示:
preverror=lasterror;
lasterror=error;
error=get_value;
iincpid=(proportion*(error-lasterror)+integral*lasterror+derivative*(error-2*lasterror+preverror));
其中,get_value是傳感器測得的距離誤差值,error是本次的誤差值,lasterror是上個測量周期的誤差值,preverror是上上個測量周期的誤差值,iincpid是需要增加的輸出量。proportion是比例系數(shù),作用是對偏差瞬間作出反應(yīng);integral是積分系數(shù),作用是消除靜態(tài)誤差;derivative是微分系數(shù),作用是阻止偏差的變化。三個系數(shù)協(xié)調(diào)作用達(dá)到消除誤差的目的。
本發(fā)明在滑動導(dǎo)軌上設(shè)有連接于嵌入式處理器的激光掃描測距傳感器,激光掃描儀可將各個方向測得的數(shù)據(jù)傳遞到嵌入式處理器,嵌入式處理器通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到掃描貨物的輪廓和與激光掃描儀之間的距離,并通過抓斗根據(jù)嵌入式處理器的控制指令移動到目標(biāo)位置進(jìn)行抓取工作,激光掃描儀不停地掃描,實時更新拆垛情況,并將該情況通過藍(lán)牙傳輸實時傳遞到電腦上供操作人員監(jiān)控。本發(fā)明無論在明亮或者黑暗的環(huán)境下都能正常工作,適用于復(fù)雜的拆垛工作,彌補了傳統(tǒng)拆垛機適應(yīng)能力弱、功能單一和視覺能力差的缺點,智能化得到了很大的提升。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下突出特點:
1)將激光頭不停地旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到全方位掃描的目的,并且可以通過pwm控制激光頭掃描的速度,使得激光頭在不丟失數(shù)據(jù)的情況下,達(dá)到最佳的掃描狀態(tài)。
2)立體滑動導(dǎo)軌采用橫縱均可移動的導(dǎo)軌,是抓斗能夠達(dá)到平面內(nèi)的各個位置。
3)激光掃描儀相比于攝像頭,能夠更好的適應(yīng)黑暗的環(huán)境,并且基本上不受環(huán)境溫度的影響。
4)激光掃描拆剁機相比于傳統(tǒng)拆剁機,能夠及時發(fā)現(xiàn)因為抓斗失誤而未被拆卸下來的貨物。
5)此拆剁裝置裝有藍(lán)牙模塊,能夠?qū)崟r的將掃描數(shù)據(jù)傳遞到電腦,方便了操作人員的實時監(jiān)控,能夠及時的處理緊急情況。
6)處理多個距離數(shù)據(jù)時采用了動態(tài)閾值的方法,使得單片機能夠快速得到貨物的準(zhǔn)確輪廓和貨物與抓斗的準(zhǔn)確距離。
7)嵌入式處理器通過控制兩臺步進(jìn)電機的同步運行,使得抓斗直線到達(dá)目的位置,縮短了時間節(jié)約了能耗。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中嵌入式處理器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為本發(fā)明的方法流程圖。
圖中:激光掃描儀1,抓斗2,嵌入式處理器3,uart模塊3-1,圖像轉(zhuǎn)化模塊3-2,存儲器3-3,圖像處理模塊3-4,pwm模塊3-5,pid模塊3-6,定時器中斷模塊3-7,dma模塊3-8,立體滑動導(dǎo)軌4,橫向?qū)к?-1、縱向?qū)к?-2,橫向步進(jìn)電機4-3,縱向步進(jìn)電機4-4,底座4-5,移動滑塊5,藍(lán)牙模塊6,wifi模塊7。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖1所示,本發(fā)明一種激光掃描自動拆垛裝置包括安裝于貨物堆放處a周圍的立體滑動導(dǎo)軌4,立體滑動導(dǎo)軌4上設(shè)置有與之滑動配合的移動滑塊5,移動滑塊5上設(shè)置有激光掃描儀1、抓斗2和嵌入式處理器3。
激光掃描儀1:用于采集與貨物的距離信息并傳輸至嵌入式處理器3。激光掃描儀1包括安裝在激光頭上的旋轉(zhuǎn)電機,旋轉(zhuǎn)電機根據(jù)嵌入式處理器3的控制指令調(diào)整激光頭至相應(yīng)角度,并將激光頭的角度信息發(fā)送至嵌入式處理器3。激光掃描儀1采用低成本360度二維激光掃描測距系統(tǒng)(rplidar),這個傳感器采用串口通信,與uart模塊3-1通訊。
抓斗2:包括舵機、機械臂和傳感器,舵機用于根據(jù)嵌入式處理器3傳輸?shù)目刂浦噶钫{(diào)節(jié)控制機械臂的伸縮與開合;機械臂用于根據(jù)控制指令對貨物進(jìn)行拆卸;傳感器用于采集距離值。
嵌入式處理器3:用于將激光掃描儀1采集的與貨物的距離信息轉(zhuǎn)換為圖像信息,并計算出貨物大小、與抓斗2的距離,向抓斗2、立體滑動導(dǎo)軌4傳輸控制指令,并根據(jù)抓斗2上傳感器的采集值判斷是否抓到貨物。嵌入式處理器3通過pwm控制激光頭掃描的速度,使得激光頭在不丟失數(shù)據(jù)的情況下,達(dá)到最佳的掃描狀態(tài)。
立體滑動導(dǎo)軌4:包括橫向?qū)к?-1、縱向?qū)к?-2和用于固定和支撐的四個底座4-5,立體滑動導(dǎo)軌4包括橫向?qū)к?-1和縱向?qū)к?-1安裝于底座4-5上,便于對滑動導(dǎo)軌進(jìn)行安裝和調(diào)整。橫向?qū)к?-1和縱向?qū)к?-2分別在橫向步進(jìn)電機4-3和縱向步進(jìn)電機4-4的驅(qū)動下滑動,橫向步進(jìn)電機4-3和縱向步進(jìn)電機4-4根據(jù)嵌入式處理器3傳輸?shù)目刂浦噶铗?qū)動導(dǎo)軌。
為了給步進(jìn)電機驅(qū)動及單片機電路板供電,需要220v轉(zhuǎn)直流電源12v電源模塊,該模塊安裝于立體滑動導(dǎo)軌4邊緣;12v轉(zhuǎn)5v及5v轉(zhuǎn)3.3v電源芯片安裝在單片機電路板上,所用芯片型號分別是lm2940和lm1117。整個裝置接上220v交流電即可正常工作。
嵌入式處理器3基于cortex-m4內(nèi)核的32位mcu實現(xiàn),該微處理器處理速度快,功耗低,并且自帶看門狗功能,能夠防止程序跑飛的情況,在跑飛的時候立刻停止操作。另外通過降壓模塊和ad采集模塊對電池電量實時監(jiān)控,當(dāng)嵌入式處理器3和激光掃描儀1供電不足時能夠立即向上位機發(fā)送信號,并且停機。每次激光掃描前,嵌入式處理器3都會獲取激光掃描儀1的健康狀況,從而保證激光掃描儀1在正常的情況下運作。這些安全措施都保證了此儀器的正常運行。
如圖2所示,嵌入式處理器3包括uart模塊3-1、圖像轉(zhuǎn)化模塊3-2、外部存儲器3-3、圖像處理模塊3-4、pwm模塊3-5、pid模塊3-6、定時器中斷模塊3-7、dma模塊3-8。其中,uart模塊3-1用于將獲取的激光掃描儀1采集的與貨物的距離信息發(fā)送至圖像轉(zhuǎn)換模塊3-2、激光掃描儀1的角度信息發(fā)送至存儲器3-3;圖像轉(zhuǎn)換模塊3-2用于將激光掃描儀1采集的與貨物的距離信息經(jīng)過動態(tài)二值化處理轉(zhuǎn)換為圖像信息;外部存儲器3-3用于存儲圖像信息,由于內(nèi)部存儲器容量有限,添加外部擴展器與嵌入式處理器3相連,用于存儲貨物圖像信息;圖像處理模塊3-4用于根據(jù)存儲器3-3里的存儲信息,經(jīng)過動態(tài)二值化處理得到貨物所在位置、輪廓以及與抓斗的平均距離,計算激光掃描儀1的旋轉(zhuǎn)角度、抓斗2機械臂的伸縮長度與開合大小、立體滑動導(dǎo)軌4的橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機的驅(qū)動力大小,并發(fā)送至pwm模塊3-5;pwm模塊3-5根據(jù)圖像處理模塊3-4輸出的控制指令,通過嵌入式處理器定時器的pwm輸出功能,直接獲取多個通道的pwm波,并發(fā)送至立體滑動導(dǎo)軌4的橫向步進(jìn)電機4-3和縱向步進(jìn)電機4-4驅(qū)動、激光掃描儀1中的小型伺服電機和抓斗2舵機。pid模塊3-6用于對抓斗2的運動進(jìn)行控制,定時器中斷模塊3-7用于控制pid模塊3-6的運行周期。dma模塊3-8用于將圖像轉(zhuǎn)換模塊3-2轉(zhuǎn)換后的圖像信息快速傳輸至外部存儲器3-3。
本發(fā)明激光掃描自動拆垛裝置還包括藍(lán)牙模塊6,藍(lán)牙模塊6用于將圖像轉(zhuǎn)換模塊3-2轉(zhuǎn)換出的圖像信息發(fā)送至上位機。此外,為了便于控制人員實時觀測該系統(tǒng)的運行狀態(tài),還在該系統(tǒng)中加入了wifi模塊7,通過采用esp8266wifi模塊,實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的通訊,達(dá)到遠(yuǎn)程與pc通訊的目的,從而實現(xiàn)將嵌入式處理器3處理后的數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)器上供用戶實時獲取。
本發(fā)明工作時,激光掃描儀1會不斷的掃描貨物與抓斗2的距離,并且通過嵌入式處理器3迅速處理得到的數(shù)據(jù),得到貨物輪廓,然后通過計算得到步進(jìn)電機需要移動的步數(shù)。同時,通過藍(lán)牙模塊6將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機,方便人們實時觀測貨物的拆卸情況。
如圖3所示,基于上述激光掃描自動拆垛裝置的方法,包括如下步驟:
1)嵌入式處理器3、橫向步進(jìn)電機4-3和縱向步進(jìn)電機4-4復(fù)位。
2)控制橫向步進(jìn)電機4-3、縱向步進(jìn)電機4-4,使激光掃描儀1位于橫向?qū)к?-1的中部、縱向?qū)к?-2的頂部;
3)激光掃描儀1采集旋轉(zhuǎn)-45°~+45°的距離信息并發(fā)送至嵌入式處理器3;因為這一部分?jǐn)?shù)據(jù)是掃描到貨物的有效數(shù)據(jù)。
4)嵌入式處理器3控制縱向步進(jìn)電機4-4步進(jìn),步進(jìn)數(shù)量加1;
5)重復(fù)步驟3)、4)直至步進(jìn)數(shù)量達(dá)到設(shè)定值,本實施例中設(shè)置為90步,此時激光掃描儀1位于縱向?qū)к?-2的底部。
6)嵌入式處理器3根據(jù)激光掃描儀1與貨物的距離信息轉(zhuǎn)為為圖像信息,并對圖像進(jìn)行動態(tài)二值化處理,獲得貨物的大小、與抓斗2的距離。當(dāng)步進(jìn)電機運行到指定步數(shù)的時候,步進(jìn)電機停止,嵌入式處理器3立刻將存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并組合成一幅圖像,通過動態(tài)二值化的方法對圖像進(jìn)行處理,得到貨物的輪廓。
同時通過藍(lán)牙模塊7傳到上位機進(jìn)行顯示,便于操作者觀察。處理完的數(shù)據(jù)再通過藍(lán)牙模塊7發(fā)送到電腦,電腦串口接收到數(shù)據(jù)后傳給上位機進(jìn)行顯示,通過距離的不同來設(shè)置不同的灰度值,通過不同的灰度值能夠清楚的看到貨物的位置,供控制人員觀測。
雖然激光掃描儀1是360°全角度掃描,但是需要采集的范圍是90°,當(dāng)嵌入式處理器3檢測到激光頭在此范圍,通過pwm模塊3-5控制激光掃描儀1放慢采集速度,而超過這個范圍的數(shù)據(jù)可以舍棄并加快采集速度。由于采集到的數(shù)據(jù)是點到面的距離,采用下面公式轉(zhuǎn)化成面到面的距離:
direct_dst=|distance*cos(angle*π/180.0)|
其中direct_dst為直線距離,distance為激光掃描儀實際所測距離,angle為傳感器轉(zhuǎn)過的角度。
7)嵌入式處理器3處理圖像數(shù)據(jù)并控制抓斗2自動地到達(dá)目標(biāo)位置進(jìn)行貨物的抓取工作。嵌入式處理器3通過抓斗2上的傳感器判斷抓取貨物是否成功,采用距離傳感器時將抓取后的距離值與設(shè)定值比較。
當(dāng)數(shù)據(jù)處理完成后,嵌入式處理器3產(chǎn)生中斷,在中斷程序中通過pid模塊3-6的位置式pid算法控制導(dǎo)軌上的兩個步進(jìn)電機使得抓斗到達(dá)貨物中心位置。然后通過增量式pid算法控制抓斗2中的兩個舵機工作,使得抓斗2張開和所算出來貨物輪廓一樣的大小,對貨物進(jìn)行抓取。其中增量式pid的優(yōu)勢在于可以避免著重現(xiàn)象的發(fā)生,而位置式pid的優(yōu)勢在于控制精確。
通過抓斗2上的傳感器獲得機械臂與實際物體之間的距離誤差,通過增量式pid消除誤差并對貨物進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取,增量式pid的公式如下所示:
preverror=lasterror;
lasterror=error;
error=get_value;
iincpid=(proportion*(error-lasterror)+integral*lasterror+derivative*(error-2*lasterror+preverror));
其中g(shù)et_value是傳感器測得的距離誤差值,error是本次的誤差值,lasterror是上個測量周期的誤差值,preverror是上上個測量周期的誤差值,iincpid是需要增加的輸出量,proportion是比例系數(shù),作用是對偏差瞬間作出反應(yīng);integral是積分系數(shù),作用是消除靜態(tài)誤差;derivative是微分系數(shù),作用是阻止偏差的變化。三個系數(shù)協(xié)調(diào)作用達(dá)到消除誤差的目的。
設(shè)定一個距離誤差,在誤差范圍內(nèi)的距離視為同一個距離。通過廣度遍歷的算法,快速遍歷所有的數(shù)據(jù),將整個二維數(shù)組里的數(shù)據(jù)分成幾塊區(qū)域。通過對不同區(qū)域進(jìn)行分析,便可找到貨物所在區(qū)域。嵌入式處理器3很快便可得到貨物的輪廓和距離機械臂的高度,對貨物有精確的定位。廣度遍歷算法的優(yōu)勢在于處理數(shù)據(jù)快,數(shù)據(jù)區(qū)分很明顯。
8)當(dāng)抓取工作完成后,激光掃描儀1又會進(jìn)行新的一輪掃描,返回步驟1)。如此循環(huán),實現(xiàn)智能化拆垛功能。
本發(fā)明在保證效率的同時,能夠及時處理拆卸時出現(xiàn)的意外情況,另外對于擺放隨意的貨物也能按次序進(jìn)行拆卸,適應(yīng)于拆卸任何碼垛方式的貨物,即使在黑暗中也能正常運行。
另外本實施例的激光掃描系統(tǒng)不僅僅適用于拆垛系統(tǒng),更可以應(yīng)用于各個方面,特別是那些環(huán)境惡劣或者燈光黑暗的地方,相比于攝像頭對貨物輪廓的采集,此激光掃描裝置不局限于光線因素,并且測量貨物距離的精度非常高,可以應(yīng)用于山洞內(nèi)部輪廓的掃描、湖底地形的掃描和家庭智能機器人等方面。
應(yīng)當(dāng)理解的是,對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說,可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換,而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明專利所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。本說明書中未作詳細(xì)描述的部分屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。