多地形环境下智能物流小车双车协作设计与开发

魏云鹏，张文艺，周志源

（1．南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016；2．南京航空航天大学公共实验教学部工程训练中心，江苏 南京 210016）

随着仓储与物流的迅速发展，物品搬运工作的工作量越发庞大，工作环境也越发复杂，而劳动力成本不断攀升。目前大部分智能物流小车大多为特定工作环境而设计，要求路面平整、光滑。但在实际应用过程中，当仓储系统较大，存在多仓库之间转运，或者在搬运路途中存在较为复杂的情况时，例如需要攀上较陡的斜坡、越过一定的沟槽、经过摩擦力较大的草地等复杂地况时，如图1所示，由于受限于小车轮子的结构与尺寸，无法满足上述多地形环境的作业要求。通常仓储物流小车主要应用于平整仓库内部，例如京东仓储系统，如图2（a）所示，显然此小车结构系统不适合多地形路况。因此，往往在难途径路段（例如仓库与仓库之间的不平整路径上），采用叉车进行搬运，如图2（b）所示，增加了人工成本，且与仓库内AGV直接缺乏有效的协作与调度机制，影响物流效率。

图1 复杂路况

图2 仓储系统无人小车及转运装置

20世纪80年代末，我国才开始智能小车与智能仓储的研究，经过几十年的不断发展，取得了若干阶段性成果。1992年，国防科技大学研制成功了国内第一辆无人驾驶汽车。清华大学研制的清华V型智能汽车是当时我国科技含量最高的无人驾驶汽车，其能在各种复杂的道路上运行。西安交通大学研发了Spingrobot智能试验平台，在甘肃敦煌举办的“新丝绸之路”活动中成功表演。同济大学研制了一款时速高达50km/h的基于无人驾驶技术的清洁能源电动游览车。京东与淘宝的仓储系统中均采用了大量的自动化仓储搬运设备，但在多地形仓储搬运中，均未见有更实用的解决方案。纵观国内外仓储与物流的研究，协作机器人和移动机器人互相协作，以及与人类并肩工作，承担起重复、单调的工作，让人类从中得以解放，是今后的必然趋势[1]。

本文针对上述问题，设计可适用于多仓库之间转运，具有多地形适应能力，同时能满足仓储投放，具备搬运能力、定点投放能力、双车协作功能的物流搬运小车系统。它可以完成同类型多种工件的运送和自主装配及码垛，并可在草地、窄桥、台阶、管道等多种不同地面环境下作业和避障，从而胜任复杂环境下的智能物流配送，扩大仓储物流小车的适用范围，减少员工的工作量，降低人工成本，大幅度提高工作效率[2,3]。

1.融合支撑臂的甲台遥控多地形小车

针对在仓库间多种复杂地面环境下的行径需求，以及仓库外场地复杂多变，不适合采用自主导航小车，本文拟采用多地形越障的可遥控小车实现物流搬运。通过在车身结构以及车轮上进行结构优化，采用三段式关节甲台、辅助支撑臂结构，增强了小车在台阶、裂缝等路况中的越障能力。

1.1 关节甲台小车车身结构

在小车车身平台设计了可以相对活动的“关节甲台”，借鉴动车组底盘的减震装置，在各“关节甲台”之间添加两个弹簧，各平台之间受到一定的弹性约束。当平台之间相互脱离时，受到弹簧拉力的约束；当平台之间相互挤压碰撞时，受到弹簧张力的约束，使小车整体车身在行径中具有较好的柔性与避震性，完全适应高低不平的地形。在上下坡及越过地面裂缝的过程中，轮子都能完好地与地面接触，确保小车轮子都能很好地发挥驱动能力，同时保证了桥梁上良好的直线运动的稳定性[4,5,6]。

由于三段式甲台位置可以上下弯曲，跨越阶梯时可以根据阶梯的高低，甲台关节在自身重量与弹簧的作用下，保证轮子能紧贴地形，快速通过。但三段式小车也存在车体较长，小车自身重量相对较大，安装结构比较复杂的问题。

1.2 支撑臂辅助越障

为解决小车攀爬台阶问题，本文在实际的小车制作中，缩短了车身长度，采用了两段式关节甲台，同时设计了辅助支撑手臂结构，在甲台和支撑臂的协同作用下，完成台阶的攀越。

遥控小车具备搬运货物功能，因此带有机械臂以实现抓取货物。在机械臂抬升部分机构中，采用输出力矩大的伺服电机产生转动力矩，通过与电机输出轴连接件将力矩传递给U型支架，通过同样的方式将力矩传递给底部支撑支架，攀越台阶时，可通过底部支架支撑在台阶面上，由于伺服电机驱动力矩较大，能够实现向下支撑起整辆车，带动整个车身前部分抬升，从而便于小车攀越台阶，如图3所示。整个结构简易，攀爬效果好。

图3 机械臂抬升机构辅助支撑示意图

1.3 遥控小车

遥控小车采用了蓝牙通信方式，蓝牙模块通过Bigfish扩展板与BASRA控制板连接，控制板通过蓝牙模块接收到终端发送的指令后，控制相应模块进行运动完成指令内容，如图4所示。

图4 遥控小车控制模块工作原理

通过多地形越障结构设计以及控制程序开发与调试，成功实现了遥控小车在草地、桥梁、台阶等地形的行径测试，并成功通过机械臂进行了模拟货物的抓取与定点位置投放货物，调试结果如图5所示。这为仓库内物流小车货物搬运接驳工作打下了基础。

图5 遥控小车多地形货物抓取调试

2.仓库内自主小车寻迹优化与货物转移

2.1 灰度传感器的摆放位置优化

为了提高自主小车寻迹效率，在更短的时间内完成设定任务，降低寻迹过程中发生错误的可能性，采用了“三灰度三角形放置”的方式取代传统的“三灰度并排放置”，三角形放置方式可较为敏锐地判断前后车头是否偏移既定路线，不至于发生较大偏移时，才触发矫正程序，减少了左右摇摆的现象，自主小车的寻迹稳定性明显提高，如图6所示。

图6 灰度传感器位置优化及其效果对比

2.2 货物位置感知

为实现仓库内小车能顺利感知到仓库外搬运小车投放交接的货物，采用了HC-SR04超声波测距传感器，通过digitalWrite( )函数对TRIGPIN口进行高低电平的转换，利用delayMicroseconds( )函数进行延时操控，从而给超声波测距传感器完成一个方波发射的指令[7,8,9]。通过pulseIn( )函数接收ECHOPIN口达到高电平的时间，此高电平时间就是超声波从发射到被反射回的时间，由此便能够获得到障碍物的距离。当测距小于最小设定值时，判断前方有遮挡物，并触发自主小车的货物拾取与搬运程序。小车调试结果如图7所示。

图7 自主寻迹小车调试结果

3.双车协作通信功能

在双车搬运任务交接中，遥控小车完成将货物搬运到仓库内的任务后，应尽早呼叫仓库内自主寻迹小车，及时将货物转移到仓库内货架区。遥控小车的HC-05蓝牙模块设置为主机模式，用来发射信号。自主小车的HC-05蓝牙模块设置为从机模式，用来接收遥控小车的信号。双车协作步骤如下：

步骤1：当多地形遥控小车将货物放到指定位置后，向仓库内自主小车发送任务请求信息，以及货物应搬运位置的货架信息，同时启动自主小车的超声波传感模块开始工作；

步骤2：自主小车进入循迹模式沿着引导线行驶，当小车行驶至标定位置附近（即多地形遥控小车投放点）时，根据超声波传感模块的接收信息，可判断是否已经趋近货物；

步骤3：根据步骤2中的判定结果，若已经趋近货物，自主小车进入步骤5；

步骤4：步骤2中若未能接收到趋近货物的信息，则自主小车停止，等待遥控小车运送装配工件，超出设定等待时间后，发出报警出错信息（蜂鸣），进入步骤6；

步骤5：自主小车执行货物抓取任务，自主寻迹，搬运至仓库内指定货架；

步骤6：自主小车任务标识完成，返回等待区，进入可执行任务状态。

4.结语

本文首先分析了物流小车的现状与工作环境，提出设计可适用于多仓库之间转运，具有多地形适应能力，具备搬运能力、定点投放能力、双车协作功能的物流搬运小车系统，然后就遥控多地形小车车身结构提出了优化方案，使小车更加适应复杂的环境（草地、阶梯、斜坡、窄桥等），提高了小车的稳定性与可靠性，同时优化了自主小车的寻迹方式，通过蓝牙进行双车协作通信，提高了物资搬运效率。尽管设计并制作成功了能完成协作搬运的仓储物流原型系统，并通过试验验证了仓储搬运系统的性能，但仍存在着一些不足，需要进一步的研究以及完善。设计的自主小车只能按照既定程序在指定位置搬运工件，无法对工件进行识别。未来可以尝试采用机械臂视觉导引方法，采取CCD摄像机对不同工件进行识别处理。目前的设计中只有自主小车是能独立工作的，遥控小车还需要手动操控行径，后续可以通过视觉识别与地图导航等方式，将多地形小车改进为自主寻迹。