莫太平,周園園,張?jiān)茝?qiáng)(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院,廣西 桂林 541004)
面向工業(yè)物流服務(wù)的智能車及循跡算法的研究*
莫太平,周園園,張?jiān)茝?qiáng)
(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院,廣西 桂林 541004)
將工業(yè)物流服務(wù)的智能循跡小車作為研究對象,并結(jié)合循跡算法原理,采用混合遺傳算法,設(shè)計(jì)了智能循跡小車。經(jīng)測試驗(yàn)證,小車能準(zhǔn)確接收配送任務(wù),按需求將物件運(yùn)送到指定工位并語音播報(bào)提示,在行駛過程中能夠自動(dòng)避障,并在執(zhí)行任務(wù)過程中能夠?qū)⑤斶\(yùn)信息上傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。最后,搭建了工業(yè)物流模擬服務(wù)平臺,實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)送全程的追蹤記錄,進(jìn)而提高工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度,降低制造企業(yè)的生產(chǎn)成本,促進(jìn)企業(yè)信息化建設(shè)。
工業(yè)物流服務(wù),智能循跡小車,智能控制,循跡算法
目前,隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的新鮮出爐,整個(gè)工業(yè)的物料搬運(yùn)行業(yè)都在思考如何提升自身的自動(dòng)化、智能化程度,迅速跟上我國智能制造的步伐。在生產(chǎn)制造過程中,智能循跡小車在工業(yè)物流系統(tǒng)服務(wù)中起著“流動(dòng)”的作用,通過搬運(yùn)和卸載物料將生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)有效地銜接起來。小車本身具有較高的自動(dòng)化程度、流動(dòng)靈活、安全可靠、無人操作等諸多優(yōu)點(diǎn),自然就成為物流自動(dòng)化、智能化研究的熱點(diǎn)[1]。另外,智能循跡小車的引入能夠有效地減少撿取與跟蹤物料以及報(bào)表等工作的人工勞動(dòng)力,顯著提高生產(chǎn)率。非直接勞動(dòng)力(如物料倉庫會(huì)計(jì)員、物料員及貨運(yùn)車調(diào)度員)的工作也得到減少,甚至可以完全取消,從而降低制造企業(yè)的生產(chǎn)成本。智能循跡小車能夠在工作站之間對物料進(jìn)行跟蹤,對輸送進(jìn)行確認(rèn),按計(jì)劃輸送物料并執(zhí)行檢查記錄,與生產(chǎn)線及MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))中庫存管理系統(tǒng)進(jìn)行在線連接,向工廠管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的物流與生產(chǎn)信息[2]。智能循跡小車廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中的物料配送、運(yùn)輸業(yè)上的物流輸運(yùn)以及戰(zhàn)場的自動(dòng)探測與偵查等方面,對于提高生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化程度有著重要意義[3-4]。因此,智能循跡小車是自動(dòng)化、智能化物流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。
本文對小車的智能控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),為了利于各個(gè)功能模塊的調(diào)試、拆裝以及產(chǎn)品的升級改造。設(shè)計(jì)采用4個(gè)TCRT5000紅外光電傳感器構(gòu)成識別黑白線路徑的循跡模塊,核心控制中心使用STC12C5A16S2,通過I/O口來控制行駛過程中語音的播放以及L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,進(jìn)而改變兩個(gè)直流減速電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)??刂破鞑捎肧TC89C52RC,系統(tǒng)通過CC1101無線通信模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的無線通信,以實(shí)現(xiàn)控制器對循跡小車的智能控制。系統(tǒng)主要由核心控制中心、循跡傳感、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源及控制、顯示、語音播報(bào)以及無線通信等模塊組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 智能循跡小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
其中,設(shè)計(jì)分別采用兩款控制芯片應(yīng)用到相應(yīng)的控制器中的原因是:對智能物流小車進(jìn)行控制時(shí),需要較快的運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理速度,以確保能夠穩(wěn)定靈活地行駛及準(zhǔn)確地完成任務(wù)。由于控制器在控制方面處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)操作無需像核心控制中心那樣要求高速的處理能力,因此,選擇符合要求的控制器能有效地節(jié)約成本。
2.1 核心控制中心模塊設(shè)計(jì)
核心控制中心模塊是智能循跡小車的“大腦”,是協(xié)調(diào)、控制各個(gè)功能模塊工作的核心部件。安裝在小車上的核心控制電路,以能夠適應(yīng)工廠的各種工作環(huán)境的工業(yè)級MCU為核心,加上晶振電路、復(fù)位電路等外圍電路構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)板。設(shè)計(jì)過程中,選擇將需要使用的I/O口引出端子,以便核心系統(tǒng)板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語音模塊、循跡模塊以及無線通信模塊等進(jìn)行連接和測試。其核心控制器的原理圖如圖2所示。
圖2 核心控制器原理圖
2.2 智能循跡電路設(shè)計(jì)
智能循跡模塊是智能循跡小車的“眼睛”,負(fù)責(zé)將“看到”(檢測)的路徑發(fā)送到能夠“思考”的核心控制器。循跡電路的設(shè)計(jì)原理是利用紅外光電傳感器對不同反射面光度的差異來識別路徑[5],本文采用不同顏色的表面對光線反射程度不同的原理,選擇以白底黑線的路徑作為測試環(huán)境。當(dāng)紅外對管的發(fā)射管照射到白色區(qū)域時(shí),反射的光線較強(qiáng),則紅外對管接收端檢測到較強(qiáng)的光度,接受管兩端的電壓較低。反之,當(dāng)發(fā)射管照射到黑色區(qū)域時(shí),接收管兩端的電壓較高。根據(jù)這一特性設(shè)計(jì)比較器電路,通過調(diào)節(jié)參考電壓,將接收管兩端的高低電壓轉(zhuǎn)換為核心控制芯片能夠識別的TTL電平。
循跡電路的設(shè)計(jì)需要注重的是傳感器的合理布局和安裝[6]。本文循跡電路傳感器的設(shè)計(jì)如下:首先,循跡電路模塊安裝在正前方底端,使得小車具有較高的預(yù)見性。其次,紅外避障傳感器安裝在小車的正前方上端,以便小車及時(shí)檢測到前方一定距離內(nèi)的障礙物,并發(fā)信號通知核心控制中心及時(shí)進(jìn)行避障處理。最后,將金屬接近開關(guān)安裝在循跡電路的稍后方位置,以確保停車的準(zhǔn)確性。另外,本設(shè)計(jì)還在小車模擬存放貨物區(qū)加上紅外光電開關(guān),以便實(shí)時(shí)檢測所存貨物,為小車下一步的動(dòng)作做準(zhǔn)備。同時(shí),設(shè)計(jì)添加了電磁檢測功能,在整個(gè)工業(yè)物流系統(tǒng)中,智能循跡小車行駛路徑的路口和停車點(diǎn)都安裝一個(gè)磁鐵,以保證智能循跡小車行駛的準(zhǔn)確性。其中,智能循跡電路的原理圖如圖3所示。
圖3 循跡電路原理圖
2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊是智能循跡小車的“心臟”,是為小車提供動(dòng)力的重要部件。通過接收核心控制中心模塊的命令,控制智能循跡小車的啟停、轉(zhuǎn)彎等各種操作。因電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直接控制電機(jī)的運(yùn)行,驅(qū)動(dòng)電路是否穩(wěn)定可靠對小車的性能影響很大[7]。設(shè)計(jì)采用LM324四運(yùn)放芯片并通過IRF3205的MOS管輸出PWM脈沖,再加上兩路的繼電器來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),以及使用適用范圍較廣的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路[7],既可以使電機(jī)獲得較高的驅(qū)動(dòng)電壓,又能在高壓運(yùn)行狀態(tài)下方便實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的變化,同時(shí),還能夠有效地保護(hù)電路。因此,可以確保智能循跡小車的平穩(wěn)可靠。其中,電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電源及控制模塊原理圖如圖4所示,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖如圖5所示。
圖4 電源及控制模塊原理圖
圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖
2.4 智能語音播報(bào)電路設(shè)計(jì)
智能語音播報(bào)模塊是智能循跡小車的“嘴巴和耳朵”,負(fù)責(zé)智能循跡小車的“聽和說”,使得小車的設(shè)計(jì)更加人性化。本設(shè)計(jì)選用新型模擬語音處理技術(shù)的ARP6000芯片,該技術(shù)是將語音模擬量直接存入非易失的模擬存儲器中,不僅結(jié)構(gòu)簡單,還具有優(yōu)良的音質(zhì)效果。系統(tǒng)通過控制中心與語音芯片進(jìn)行全雙工方式通信,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確收發(fā)操作指令提示及小車狀態(tài)信息反饋語音播報(bào)的效果,從而能夠了解小車的實(shí)時(shí)信息狀態(tài),使小車與操作人員具有更強(qiáng)的交互性。其智能語音模塊的原理圖如圖6所示。
圖6 智能語音模塊原理圖
2.5 雙向無線通信模塊設(shè)計(jì)
雙向無線通訊模塊是智能循跡小車的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”,負(fù)責(zé)傳送各個(gè)功能模塊與核心控制中心模塊之間的數(shù)據(jù)信息命令。設(shè)計(jì)選用高性能無線通信CC1101芯片。該芯片集成了高度可配置的調(diào)制解調(diào)器,具有靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng),功耗低的特點(diǎn)[8]。其無線收發(fā)的基本原理是根據(jù)設(shè)定的無線通信協(xié)議,使發(fā)射器的數(shù)據(jù)通過無線信號發(fā)射出去,經(jīng)接收器天線接收并進(jìn)行處理后得到經(jīng)校驗(yàn)的可靠數(shù)據(jù)。
為了方便編寫和程序的維護(hù),本設(shè)計(jì)采用模塊化編程。若是把所有的代碼堆到一起會(huì)顯得雜亂無章,更重要的是容易造成錯(cuò)誤,程序一旦有邏輯上的問題或者更新需求,這種維護(hù)將會(huì)變成一種災(zāi)難。所以本設(shè)計(jì)采用模塊化編程。同時(shí)還要注意隨著代碼量的增大,系統(tǒng)功能的增強(qiáng),對智能循跡小車軟件還要?jiǎng)澐譃橛布?qū)動(dòng)層和應(yīng)用層設(shè)計(jì)。
智能循跡小車軟件程序設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)上述硬件模塊需要完成的所有工作。其中,主控制程序的設(shè)定是先對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,接著調(diào)用智能循跡小車各個(gè)功能模塊的函數(shù)。當(dāng)接收到智能小車物料配送監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)送指令時(shí),執(zhí)行小車的啟動(dòng),并在循跡運(yùn)送過程中,結(jié)合各傳感器采集到的實(shí)時(shí)路面信息做好障礙的檢測、路口的判斷等相關(guān)信息進(jìn)行自我調(diào)整,完成任務(wù)后,執(zhí)行停車入庫的命令。具體的智能循跡小車的軟件設(shè)計(jì)流程如下頁圖7所示。
圖7 智能循跡小車軟件設(shè)計(jì)流程圖
4.1 循跡算法的設(shè)計(jì)
遺傳算法是智能優(yōu)化算法中應(yīng)用十分廣泛的一種。本文選擇遺傳算法作為循跡算法的研究對象,通過對車間調(diào)度的需求分析,設(shè)計(jì)一種混合遺傳算法來解決小車的自循跡特性以及車間物流調(diào)度問題。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比,驗(yàn)證了混合遺傳算法解決車間調(diào)度問題的實(shí)效性。
利用遺傳算法找最優(yōu)解本質(zhì)上是使用適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算種群個(gè)體適應(yīng)度的值。那么適應(yīng)度函數(shù)的選擇將直接關(guān)系到算法最優(yōu)解的選取以及算法的收斂速度與精確度[9]。本文采用的車輛調(diào)度中求解最少輸運(yùn)費(fèi)用的目標(biāo)函數(shù)f(x)及其適應(yīng)度函數(shù)Fit (f(x))的表示分別如下:
為了進(jìn)一步優(yōu)化遺傳算法,本研究采用局部搜索算法λ-interchange[10]結(jié)合遺傳算法提高算法在循跡過程中的整體效果,得到的混合遺傳算法提供了車輛循跡的最優(yōu)化方案。其中,本文的混合遺傳算法設(shè)計(jì)流程如圖8所示。
4.2 算法的驗(yàn)證
根據(jù)智能循跡小車在車間調(diào)度過程中的實(shí)際需求,選擇在車間調(diào)度中具有代表性的帶時(shí)間窗的車間路徑問題進(jìn)行混合遺傳算法的驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)算法過程中的相關(guān)參數(shù)的設(shè)定如下:遺傳算法最大執(zhí)行迭代周期數(shù)200,變異、交叉操作概率分別為0.05 和0.75,最大限載量200,貨物發(fā)送中心的車輛最早離開和最晚歸來的時(shí)間值分別為0和230。具體驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)得出總行程的平均值為1 520,而目前常見的通過演化策略進(jìn)行優(yōu)化得到的行程是1 486,因此,可以判斷本文的混合遺傳算法在物流循跡中的實(shí)效性。
圖8 混合遺傳算法的基本流程圖
表1 混合遺傳算法驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
5.1 硬件測試
智能循跡小車硬件的測試方案如下:先檢測核心控制芯片能否正常工作,然后驗(yàn)證顯示模塊,以便直觀地檢測其他各個(gè)模塊的性能。其中,對于循跡電路模塊,首先檢測每個(gè)JY043W型光電管輸出的電壓值,通過調(diào)節(jié)對應(yīng)的電位器改變各路比較器的參考電壓值,實(shí)現(xiàn)經(jīng)探測到的白黑色區(qū)域準(zhǔn)確的輸出高低電平。對于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊只需要拉高使能端,輸入高低電平,電機(jī)能夠按照預(yù)設(shè)的狀態(tài)運(yùn)行即可。對于語音電路模塊,主要測試模塊能否正常識別聲音和播放以及與主控電路的通訊等。經(jīng)過使用上述測試方案,最終完成了小車的調(diào)試,成功設(shè)計(jì)了智能循跡小車的硬件部分。如圖9~圖10所示,分別從不同的角度展示設(shè)計(jì)的智能循跡小車,并標(biāo)注了小車的相關(guān)接口等。
圖9 智能循跡小車的俯視圖
圖10 智能循跡小車的底盤實(shí)物圖
5.2 軟件調(diào)試
對于智能循跡小車軟件的調(diào)試步驟如下:首先完成顯示程序的調(diào)試,因顯示程序可以直觀地看到,而且調(diào)試成功顯示后,即可方便驗(yàn)證其他模塊的運(yùn)行結(jié)構(gòu)正確與否。值得注意的是對底層驅(qū)動(dòng)的調(diào)試,不一定要把所有的功能都羅列出來,可以先進(jìn)行底層功能程序的調(diào)試,以檢測底層代碼工作的正確性。隨著程序量的加大,有些功能需要一邊添加一邊調(diào)試,而不是把所有的程序代碼都寫完后,像無頭蒼蠅一樣到處找漏洞。在調(diào)試的過程中,使用軟硬件聯(lián)調(diào)的方式,結(jié)合debug調(diào)試和仿真器調(diào)試,調(diào)試所有的功能代碼,并在硬件電路上進(jìn)行驗(yàn)證工作。
5.3 綜合測試
智能循跡小車的綜合調(diào)試是讓小車在設(shè)定好的路線上行駛,觀測小車能否準(zhǔn)確地接收任務(wù),并自動(dòng)循跡完成指定的任務(wù),以及在行駛過程中,能否向控制器發(fā)送并顯示正確的數(shù)據(jù),遇到障礙物時(shí)能否自動(dòng)選擇避開,并準(zhǔn)確地進(jìn)行語音播報(bào)。調(diào)試時(shí)特別要注意小車行駛的穩(wěn)定性,一旦出現(xiàn)偏差的情況,可從小車的循跡算法處理方面進(jìn)行修改,確保小車的穩(wěn)定性。驗(yàn)證表明:智能循跡小車能夠在工業(yè)中復(fù)雜多變的循跡路線中按照設(shè)定路線行駛,順利完成分配的物流配送任務(wù)。
5.4 工業(yè)物流模擬服務(wù)平臺的實(shí)現(xiàn)
工業(yè)物流模擬服務(wù)平臺主要由智能循跡小車、智能控制器和上位機(jī)的智能小車物流配送監(jiān)控系統(tǒng)3個(gè)部分構(gòu)成,工業(yè)物流模擬服務(wù)平臺如圖11所示。其中,智能控制器是一個(gè)信息的轉(zhuǎn)發(fā)裝置,相當(dāng)于一個(gè)信號的基站。物流配送監(jiān)控上位機(jī)界面如圖12所示,不僅能在后臺進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)交互,還可以顯示在循跡配送過程中智能物流小車的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,充分實(shí)現(xiàn)了工業(yè)物流平臺中對智能小車的實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控的特性。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,當(dāng)需要調(diào)度運(yùn)輸車配送物料時(shí),只需將物料送達(dá)的位置發(fā)送給物流平臺,通過智能控制器與智能循跡小車之間進(jìn)行的實(shí)時(shí)通訊,不僅可以實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)最優(yōu)配送,而且能夠監(jiān)控智能循跡小車的實(shí)時(shí)狀態(tài),保證工業(yè)生產(chǎn)的流暢性。
圖11 工業(yè)物流模擬服務(wù)平臺
工業(yè)物流服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)中物料的智能流通和有效管理,可以廣泛應(yīng)用于制造企業(yè)產(chǎn)品的智能配送以及特殊環(huán)境下所需物資的輸運(yùn)等方面。本研究主要結(jié)合現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化、智能化的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了智能循跡小車,并搭建了工業(yè)物流模擬服務(wù)平臺,使小車與物流配送監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互。另外,系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)及積累的歷史數(shù)據(jù)還能夠通過先進(jìn)的循跡算法及數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行循跡路徑的不斷優(yōu)化,從而指導(dǎo)小車更加智能地循跡行駛。因此,智能循跡小車的使用可以有效提升工業(yè)物流的自動(dòng)化、智能化程度,從而能更好地承載起智能制造時(shí)代的智能搬運(yùn)工作。
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Research of Intelligent Car and Tracking Algorithm for Industrial Logistics Service
MO Tai-ping,ZHOU Yuan-yuan,ZHANG Yun-qiang
(School of Electric Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)
This paper mainly does research on intelligent tracking car of industrial logistics service. The intelligent tracking car is designed by using hybrid genetic algorithm combined with the principle of tracking algorithm.According to the result of experiment,the tracking car can accurately receive the distribution task,deliver the object to the specified location as required and then voice broadcast to remind current status.Besides,it can avoid automatically if there are any obstacles on the path.In the process of the mission,the transport information can be uploaded into the computer for data analysis and processing real-time.Finally,by building an industrial logistics simulation service platform,the whole track of the transportation process can be recorded,it will improve the degree of automation of industrial production,reduce the production cost of manufacturing enterprises,and promote the construction of enterprise information.
industrial logistics service,intelligent tracking cars,intelligent control,tracking algorithm
TP273
A
1002-0640(2017)03-0146-06
2016-02-13
2016-03-15
國家自然科學(xué)基金(61263013);廣西教育廳重大基金項(xiàng)目(201101ZD007);廣西信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心重大基金項(xiàng)目(20130110);桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃基金(GDYCSZ201475);桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(GDYCSZ201477)
莫太平(1974- ),男,湖南邵陽人,博士,副教授。研究方向:智能控制與模式識別、嵌入式系統(tǒng)及現(xiàn)場總線。