基于物流仓储的移动机器人系统设计与路径规划研究

翁枫 马志刚 李春晖

摘要：移动机器人在物流仓储领域的应用，能够有效提高物流仓储作业的效率，降低物流仓储作业成本。文章阐述了移动机器人在物流仓储领域中的应用优势，分析了基于物流仓储的移动机器人系统的硬件与软件结构设计，进而探讨了基于物流仓储的移动机器人的路径规划方面，以供相关人员参考。

关键词：物流仓储；移动机器人；路径规划；上位机软件；蜘蛛群居混合优化算法

进入二十一世纪以来，社会经济快速发展，现代科技不断进步，电子商务规模得以不断扩大，大大促进了物流行业的发展。在以往的物流仓储作业模式中，主要采用人工方式进行货物挑选与搬运，不仅工作效率低下，而且工作失误率也比较高，无法适应现代物流货品种类多且批量小等方面的工作要求。面对这种情况，必须采用智能化与自动化的物流仓储系统，因此，很有必要加强基于物流仓储的移动机器人系统的设计与路径规划研究。

1.移动机器人在物流仓储领域中的应用优势

第一点，移动机器人员可替代人工方式来进行货物搬运等作业，对于需多人搬運的货物，只需一台移动机器人即可在有限时间之内完成，如此就将人工劳动强度大大降低，从而促进物流仓储作业效率的有效提升，进而促使作业成本的不断下降。

第二点，移动机器人的显著特点主要体现在自主性与智能性两个方面，相比于传送带、AGV，移动机器人在仓储物流领域的应用优势更为明显，其具有非常强大的交互能力以及对环境理解的能力。

第三点，随着移动机器人技术的不断发展，机器人系统逐步拥有自主构图以及路径规划等功能。机器人系统功能的多样化，在很大程度上增强了其自身的灵活性，促使其能够进一步适应周边环境，在各种物流环境中都能完成指定任务。

2.基于物流仓储的移动机器人系统设计

2.1物流仓储移动机器人的硬件设计

物流仓储移动机器人的硬件结构采用模块化设计，该设计方式主要是根据功能不同，将系统划分成若干个相应模块，不同模块的功能与结构都具有独立性，同时所有模块能够有效组合成一个具有诸多功能的整体。该设计方式融入了绿色设计理念，不仅能够减少作业时间降低作业成本，还能为系统后续升级及其维护等方面提供极大便利。

本文以stm32为基础来进行物流仓储移动机器人系统的设计，通过金属杆件来搭建其主体框架，并在不同部位固定相应的金属件与螺母。本文所设计移动机器人系统主要由主控芯片、电源模块、RFID读卡模块、红外传感器避障模块、XBee无线通信模块、舵机模块以及QTI巡线模块构成。在此基础上组成的移动机器人的主要特征如下：

第一点，该机器人通过两个连续旋转的舵机对其移动部位结构进行有效控制，每分钟最大转动次数为60。

第二点，该移动机器人的机手包括六个角度的舵机，具有四个自由度。

第三点，该移动机器人安装有QTI传感装置，以便于机器人巡线。

第四点，该移动机器人安装有红外传感装置，能够使机器人有效避开相关障碍物。

第五点，该移动机器人安装了XBee无线模块，为机器人与计算机系统进行实时通信提供支持。

2.2物流仓储移动机器人的软件设计

第一点，下位机软件设计。

下位机是移动机器人系统中能够接收和执行控制指令的控制器，其中含有执行程序，改程序具有可修改性。下位机在接收到上位机的命令后，利用自身程序对命令进行解析，并按照命令对机器人进行有效控制，以及时充分地完成任务。同时物流仓储移动机器人系统中的不同机器人的执行程序无较大差异，软件组成与逻辑都相对简单。

移动机器人的软件结构是一个主循环，可通过持续查询的方式来将上位机发送的数据信息接收过来，之后按照所获数据与指令来执行不同的控制代码。在软件系统运行过程中，不可避免地要进行初始化操作。移动机器人软件系统的初始化操作主要涉及到处理器内部资源的初始化、芯片外接设备的初始化，以及机手的初始化等。在该软件系统运行过程中，若未运用Init（）函数，后续代码将不能顺利运行出相应结果。外接设备的初始化是主要是指输入和输出端口的初始化等，只有这样，后续代码才能顺利驱动相应设备。移动机器人机手的初始化目的是为了防止移动机器人在作业过程中由于机手晃动较为剧烈而造成移动方向偏离现象的出现。在完成所有初始化操作后，移动机器人系统将进入主循环中，通过查询方式来顺利执行代码。在主循环过程中，要完成QTI巡线控制以及机手操作等所有作业。

在物流仓储移动机器人系统运行过程中，主要通过硬件结构相同的三个移动机器人的机手来执行任务，并在移动机器人机手上安装不同的传感装置，来开展出入库作业。物流仓储移动机器人系统的功能包括巡线功能、避免追尾功能、各位置物料抓取功能、物料与货架信息记录功能，以及无线通信功能。其中巡线功能主要以作业场地中的黑色路径为基准，本文针对该功能选用QTI巡线传感器。防追尾功能主要用于避免同一路线上不同机器人间的追尾现象，本文针对该功能选用了红外测距传感装置。对不同位置不同高度物料的抓取，可选用4自由度机手。对于移动机器人系统的物料系统记录功能，本文选用了RFID电子标签卡对不同物料进行标记，并通过RFID读卡器将标签卡信息有效读取出来。对于移动机器人系统的无线通信功能，本文选用了基于Zigbee通信协议的XBee模块。

第二点，上位机软件设计。

本文通过VC++6.0来进行系统上位机软件设计，因而设计出的软件需要在计算机操作系统中运行。上位机软件采用了线程编程方式，在很大程度上增强了系统消息实时性。该软件基面主要包括搜索区、任务选择区、机器人指令区、物料跟踪区、扫描物料区、机器人连接指令区和串口通信区。

其中，串口通信区主要用来连接不同串口。机器人连接指令区的指示灯主要用于相应机器人的系统连接，指示灯变红代表机器人已经连接到系统中，而指示灯变黑则代表机器人脱离了系统控制。

扫描物料区：移动机器人在执行任务的过程中，需要对全部物料进行入库预扫描，具体来讲，就是将物料的ID号存储在其表面的粘贴的RFID电子标签中。若不对物料进行入库预扫描操作，移动机器人在执行任务的过程中，系统将无法更新各个货架上的物料信息。

机器人指令区：忙碌与待发是移动机器人系统常见的两种指令，任务指令编辑框内所呈现的是移动机器人之前执行的任务信息。在移动机器人执行任务的过程中，执行指令是忙碌。如果这时系统向忙碌状态下的移动机器人发送任务命令，该命令没有效果。移动机器人完成任务回到起始位后，相应指令是待发，这时系统方能向移动机器人发送任务指令。

物料跟踪区：在货架上的物料出现变化后，物料跟踪区会将物料出入库信息记录并储存下来。

任务选择区：针对不同的机器人，物流仓储移动机器人系统都是采用独立方式阿力发送相应任务指令的。各移动机器人主要承担出库、入库以及闲置等任务，如果系统发送出库任务指令时，需要有相应的出货口可供选择。如果系统发送入库任务指令时，需要有相应的入货口可供选择。在选择完任务指令后，系统还需要对货架号进行选择，之后才能点击执行任务按钮，将全面的任务指令发送出去。如果点击暂停按钮，移动机器人将会暂时停止执行任务。

搜索区：搜索功能是为了在物料较少时，能够按照物料名对货架上该物料的位置与数量进行搜索，同时还能点击搜索空架按钮将空货架的编号搜索出来，以便于物料入库。

3.基于蜘蛛群居混合优化算法的移动机器人路径规划

可将基于物流仓储的移动机器人路径规划视为一个寻优过程，通过不同雌雄蜘蛛位置的迭代与信息交互，来实现对物流仓储移动机器人的路径规划。主要规划流程如下：

第一步，进行相关参数的设定，这些参数主要包括初始点、终点、蜘蛛数量、搜索空间维数以及最大迭代次数等。第二步，随机分配不同性别的蜘蛛群体。第三步，对存在可行路径与否进行合理判断。第四步，根据优化后的算法开展雌雄蜘蛛间的交互与协作，并将对应的迭代路径有效记录下来。第五步，对比适应值与己设定最小适应值的大小，如果前者大于后者，就重新开始上述流程，如果前者小于后者，就进行后续流程。第六步，如果满足了最大迭代书，就将最短路径传输出来，并合理保存该路径长度。

4.結语

总之，移动机器人系统在现代物流仓储领域中的应用，不仅有利于提高物流仓储作业的整体水平，还对物流仓储作业效益的提升等方面，有着十分重要的现实意义。因此，设计人员必须充分了解移动机器人在物流仓储领域中的应用优势，根据物流仓储作业的具体特点，合理设计移动机器人系统的硬件与软件结构，并通过蜘蛛群居混合算法有效规划移动机器人的作业路径，从而充分发挥移动机器人系统在物流仓储领域中的作用。