基于RFID地理信息的计算机机器人群调度技术研究

第一章 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景随着互联网与移动互联网行业的快速发展，网上购物逐渐成为了人们新的生活方式。最近几年双十一;逐渐成为了全国网民的购物狂欢节，每年都不断的创造着新的成交额记录，而这逐年攀升的成交额背后是对快递以及其他物流行业不断提高的要求。以 2021 年双十一为例，主流电商成交额在 2000 亿元人民币以上，仅天猫商城一家成交金额就达到 1207 亿，24小时内成交订单 6.75 亿笔，同比 2021 年增长 32%，预计全物流行业将会有 268 万一线成员投入服务，较 2021 年增长 50%。在过去的五年内，中国物流行业的发展是十分迅速的，在2021 年，双十一快递仅仅为 1000 万件；2021 年这一数字就翻了一倍达到 2200 余万件；到了2021 年这一数目翻了三倍达到 7800 万件以上；从 2021 年开始，双十一快递包裹数目进入了亿件时代，从 2021 年的 1.8 亿件到 2021 年再番 3 倍达到了惊人的 5.4 亿件，直到 2021 年的7.8 亿件[1-3]。在不断成长的快递行业背后，是对物流行业迅速发展。物流最早的概念形成于 30 年代的美国，自其诞生至今，社会对物流的要求不断变化，物流的概念也在不断的发展，而其所依赖的技术也在不断的更新与完善。时至今日互联网时代，传统的物流配送中心已经不能很好的满足行业对其要求，诸如信息化不足，信息处理不够精确，货物流转与处理效率过于低下，严重依赖人力以至于劳动力成本过高等问题制约着大型物流中心的发展[4]。现代化的智能物流中心的出现改变了这一现状，这是一种依托于信息技术，物联网技术与现代管理技术的新型物流枢纽，它不仅实现了对传统物流作业中各项功能的自动化管理，人与货全程跟踪，而且可以大幅度的减少运营开支，提高物流效率与吞吐率，更好的的满足客户以及市场的需求。而这现代化智能物流中心所依托的，则是结合了仓库管理系统以及智能搬运机器人的智能仓库。智能仓库是将传统物流技术与信息技术和物联网技术相结合的高度自动化仓库，其核心是实现仓库的信息化管理与自动化运作，具有物流效率高，人力成本低以及可以长时间高吞吐量运行的特点[5]。基于物联网技术的智能搬运机器人及其调度系统是实现智能仓库的关键。智能搬运机器人是一种具备自主导航，货物搬运功能的智能设备，与传统的搬运设备相比具有更高的运载能力、智能化程度以及灵活性。而在智能仓库中，智能搬运机器人调度系统是实现智能机器人管理与控制，连通仓库管理系统的重要组件[6]。...........1.2 国内外发展现状智能仓储行业开始于仓储的自动化，其前身是第二次世界大战后出现的自动化立体仓库。上个世纪 50 年代在美国首先出现了使用高层货架的大型仓库，并通过叉车、起重机等方式提高仓库整体的机械化水平。联邦德国在 60 年代首先将当时刚刚兴起的计算机控制技术应用于该行业，通过计算机控制与机械设备结合，诞生了全世界第一个立体仓库[ 7]。进入新世纪后，在互联网+物流;的大背景下，智能仓储行业得到了迅猛的发展。目前，全世界智能仓库领域的领跑者是美国电子商务巨头亚马逊。自亚马逊收购机器人公司 ivaSystem 后，成功的将该公司的智能仓库机器人与亚马逊电商系统相结合[8]。2021 年开始该项目正式投入实际应用，并在当年的黑色星期五;购物节中发挥了巨大作用。该套系统彻底颠覆了亚马逊之前采用的手工分拣的模式，变为机器人穿梭于货柜之间移动货架，由计算机程序完成货物分派分组，工人只负责物流件包装上车的模式。亚马逊公司所使用的 iva 智能机器人为纯电力驱动，以负载整个货柜的方式运行，工作时会进入货柜底部与货柜底部安装的机械结构锁死，通过升降平台带着超过 350 千克的货柜移动[9,10]。同传统仓库中的货物叉车不同，iva 机器人并不需要预先铺设电磁轨道指示设备，它并没有固定的工作线路及轨迹，通过自身携带的高精度摄像设备识别铺设在地面上的二维码定位，由计算机系统动态生成任务执行的路径，并通过机身携带的数个传感器完成壁障以及紧急情况处理。图 1.1 为亚马逊iva 机器人的工作图片[11]。.........第二章 智能仓库相关技术2.1 仓库机器人介绍在智能仓库系统中，仓库机器人是所有仓库任务的执行者，是实现整个系统的基础。智能机器人是一个重要且复杂的设备，在实际应用中，它由多个子系统构成，这些子系统需要相互协作，完成数据采集、组网通讯、机体移动、壁障、电源管理等一系列十分复杂的功能，因此在对智能机器人做整体方案设计时，通常采用模块化的思想进行设计。智能机器人整体分三个模块，分别是核心控制模块，机体控制模块和机械结构部分，这几个系统间既是逻辑上独立的，也是物理上分离的。这些子模块的功能及主要组成部分主要有：机械部分主要包括：智能机器人的机体部分如外壳，紧急停止开关等；运转机构部分主要有机器人车轮及电机，机器人负载升降台及控制升降台的电机；能源部分如电源，供电电路以及充电电路。在机械方案选型上，本文中所讨论的机器人采用的是一种基于差速驱动的轮式移动结构，其结构示意图如 2.1 所示。这是一种采用两组独立电机对机体进行控制的方案，在机体的前部对策轴上安装一个不带动力的万向轮以保持机体平衡，在万向轮后方机体对称轴两边安装两个独立的电机，通过对电机的差速控制来对机体方向进行控制。这是一种结构相对简易但是控制十分灵活的结构，甚至可以十分方便的实现机体的原地转向[16-18]。............2.2 基于 RFID 的导航方案机器人导航是仓库智能机器人系统的核心部分之一，导航问题的本质是通过对机器人的定位获得机器人在地图中的坐标，并引导机器人移动到地图中指定的位置。按照机器人引导方式的不同，可将其导航方式分为牵引导航和柔性导航两种方式。牵引导航是指提前在地面上铺设牵引装置，让机器人按照牵引装置引导的路线行驶，是最古老的导航方式，被广泛的应用于传统的仓库搬系统如自主导航车（AGV）中，其技术含量并不高但十分可靠，常用的牵引方案有磁导线、色彩胶带等方式。这种导航方式有个巨大的缺点在于其灵活性太低，采用固定牵引轨道的机器人只能按照轨道规定的路线工作，因此几乎没有智能仓库系统会采用这种导航方式。柔性导航是指不依赖于固定的行驶路径，机器人决策系统依照任务目标及环境信息自主决定行驶路径的导航，是目前智能仓库系统中比较流行的导航方式，其具体实现方式有多种。国内外广泛采用的柔性导航是一种基于二维码视觉定位的导航方式[19-23]。通过在智能仓库地面铺设大量的二维码，智能机器人通过图像识别设备扫描识别二维码信息以获取机器人所处的位置。如图 2.2 是亚马逊的 iva 智能仓储系统所使用的二维码。RFID 是一种近场通讯技术，其全称叫做无线射频识别(Radio Frequency Identification)技术，本系统中采用的 RFID 技术为高频无源 RFID，其工作频率为 13.56MHz，读写头可以在 5cm左右的距离上无接触的对 RFID 芯片进行读写。芯片大小约一枚硬币大小，可以嵌入到地砖内部，如图 2.3 为系统中采用的 14443 型 RFID 芯片。.........第三章 机器人调度相关算法...... 113.1 路径规划算法应用优化........... 113.1.1 路径规划算法分析........ 113.1.2 启发式搜索的改进........ 133.2 多机器路径规划算法...... 143.3 基于二色色块的机器人纠偏............. 183.4 本章小结..... 20第四章 调度系统设计........214.1 系统整体设计....... 214.2 仓库机器人........... 264.3 工位终端设备....... 344.4 调度服务器........... 384.4.1 调度服务整体方案........ 384.4.2 数据库设计.......... 424.5 本章小结..... 43第五章 调度系统实现与测试......445.1 调度服务实现与展示...... 445.2 设备展示..... 495.3 系统测试及分析............. 505.4 本章小结..... 51第五章 调度系统实现与测试5.1 调度服务实现与展示调度系统在实现时选择 ava 平台做为服务端业务逻辑的开发平台，并采用了基于 ava平台的 Spring Boot 框架做为具体的实现方式，Spring Boot 框架是一系列 Spring 框架的集合，提供了控制反转，依赖注入，关系型数据映射等一系列功能。在数据库方案选择上，选择使用 MySQL 数据库做为数据库服务的实现[54,55]。项目代码的编写与编译平台选用 Eclipse 做为项目开发的 IDE。项目按照调度服务系统框架设计中的划分，分成不同层次的不同模块，项目采用基于Maven 的目录结构，业务代码全部置于项目根目录下 src/main/java 文件夹中，不同的类按照功能与参与的业务的不同被分成多个包，其包的组织结构如图 5.1 所示。项目的基础包名为.smartwarehouse.scheduling，鉴于本文篇幅，这里不对每个包做一一介绍，仅对项目中的核心代码及结构做介绍。在项目中 web 以及 api 包是项目中 HTTP 请求的处理入口，这两个包不同的地方在与 web包中只处理与项目的 Web 管理界面相关的 HTTP 请求，api 包处理的是为外部系统以及工位终端提供接口调用的请求。其中大部分请求均为 CURD 类型的请求，即对于定义好的数据类型及对应的数据库中记录的创建，更新，读取，删除操作。这些操作通常直接通过 repository包中的对应数据类型的 repository 对象直接对数据库进行操作，而一些比较复杂的逻辑，比如仓库执行计划的创建，需要在对数据库进行修改前对数据进行验证，因此这部分逻辑通关委托 service 包下对应的服务类进行。

........总结最近几年互联网技术和电子商务的发展十分迅速，海量的物流需求对物流企业提出了巨大的挑战，智能物流是当今物流企业未来发展的必然方向，亚马逊的智能仓库系统 iva 改变了人们对物流行业的传统认知，未来，以智能机器人为核心的智能仓库将会彻底重写物流行业目前的格局。因此，为了提高民族企业竞争力，提高企业效率，本文提出了一种基于 RFID地理信息的仓库机器人群调度系统。本文重点研究了基于智能搬运机器人构建未来智能仓库的方案。本着从实际出发，着眼于企业需求的原则，本文提出了一整套方案以实现企业从目前以人力资源和核心的传统仓库转型升级为以智能机器人为核心的智能仓库。为了实现这一方案，本文做了如下工作：(1) 本文重点研究了智能仓库的管理与调度系统，在机器人路径规划方案上，在调研了实际应用以及企业需求后对传统的启发式搜索做了优化，在实际应用中，本文提出的优化后的路径规划算法具有更好的应用价值。(2) 提出了基于时间窗口的多机器人调度方案，测试并验证了多机器人环境下系统能够稳定运行并调度机器人完成仓库任务。(3) 针对基于 RFID 地理信息导航中可能出现的机器人行驶路径偏移以及无法确定方向问题，提出了一种基于二色色块的视觉纠偏及指向方案。(4) 将智能仓库机器人群调度系统与企业仓库管理系统相结合，完成了基于 RFID 地理信息的机器人群调度系统的设计和开发，完成了本课题的研究。..........参考文献（略）