基于F P G A的快遞自動(dòng)化分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

福建新大陸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)有限公司 蘇孝利

一、方案說明

快遞分揀系統(tǒng)結(jié)合圖像采集、圖像處理、特征識(shí)別、傳遞系統(tǒng)與分揀系統(tǒng)組成，系統(tǒng)啟動(dòng)后，在FPGA的控制下，伺服驅(qū)動(dòng)器以設(shè)定的移動(dòng)速度和方向開始工作。當(dāng)快遞包裹車輛到達(dá)后，在卸貨處由人工方式結(jié)合機(jī)械的方式將包裹放置在輸入段，經(jīng)過緩存段與勻速段后直接到達(dá)目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域,在該區(qū)域段前會(huì)產(chǎn)生一個(gè)目標(biāo)包裹到達(dá)的信號(hào)，然后系統(tǒng)開始圖像系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)包裹進(jìn)行圖像拍攝，對(duì)拍攝到的圖像上的條碼進(jìn)行解碼，輸出碼詞，同時(shí)對(duì)拍攝到的圖像上的收寄件的相關(guān)信息進(jìn)行OCR字符識(shí)別；結(jié)合三組多通道紅外對(duì)管進(jìn)行包裹長(zhǎng)寬高的測(cè)量；結(jié)合底部的重量傳感器對(duì)包裹的重量進(jìn)行測(cè)量；將上述所獲取的條碼信息、長(zhǎng)寬高信息、重量信息、收寄件信息進(jìn)行統(tǒng)一指令打包，通過TCP/IP的方式上傳到指定云服務(wù)平臺(tái)，然后結(jié)合前序的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)核對(duì)，判斷目標(biāo)包裹信息的正確性。通過核對(duì)后異常的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)記憶功能，在到達(dá)分揀區(qū)域前一有道異常卡口，會(huì)自動(dòng)將此異常的包裹通過滑落機(jī)構(gòu)移至異常的框中，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的聲光報(bào)警，提示人員處理；對(duì)于正常的包裹會(huì)直接進(jìn)入分揀區(qū)域，在分揀區(qū)域設(shè)置多道分揀口，可根據(jù)實(shí)際情況增減分揀口數(shù)量，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)包裹對(duì)應(yīng)的區(qū)域自動(dòng)通過滑落機(jī)構(gòu)移至對(duì)應(yīng)的框中，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分揀的目的，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1

二、硬件系統(tǒng)主要是基于FPGA、圖像傳感器、重量傳感器、光電傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)、分揀裝置等組成，如圖2所示。

核心系統(tǒng)采用Altera的Cyclone IV系列（EP4CE75F23I8）FPGA為主控平臺(tái)，具有75K的LE資源、200個(gè)18*18乘法器；華邦W25Q256作為程序存儲(chǔ)器；Micro的2Gb的MT47H128M16RT作為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；以太網(wǎng)采用Realtek公司RTL8211方案，支持1000M的傳輸速率，滿足一般應(yīng)用需求；TI的TPS650243實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各電源的供電。

圖像采集部分采用安森美公司的NOIP1SN1300A作為圖像采集的傳感器，具有1280X1024的分辨率；每秒165幀的高速四通道LVDS傳輸；4.8um的像素尺寸可以提高感光性能；全局曝光方式適應(yīng)物流高速移動(dòng)部件的圖像采集。

圖2

云服務(wù)器是一種簡(jiǎn)單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)。可以快速建立數(shù)據(jù)中心，每該分揀系統(tǒng)的所有的參數(shù)進(jìn)行管理。

傳感器部分包括中航L6E3-C3-50KG稱重傳感器，具有滿量程的萬分之二精度，輸出模擬mV電壓值，后端經(jīng)過阻抗跟隨與放大后送入ADC采集電路實(shí)現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字量化的重量值；長(zhǎng)寬高測(cè)量采用紅外發(fā)射條狀陣列與紅外接收條狀陣列組成，最小精度達(dá)到1.25mm。

圖3

傳送部分主要包括伺服控制、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成，伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)均采用臺(tái)達(dá)公司的，伺服控制部分采用FPGA直接控制，輸出方向與脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、方向控制。

分揀部分主要包括有限位置檢測(cè)、部件滑落機(jī)構(gòu)、部件收集平臺(tái)組成，有限位置檢測(cè)是指安裝在每個(gè)分揀口前的傳感器，由系統(tǒng)自動(dòng)記憶經(jīng)過該分揀口的目標(biāo)部件是否屬于該分揀口的，若不是則不動(dòng)作，若是則啟動(dòng)部件滑落機(jī)構(gòu)，自動(dòng)將該部件移動(dòng)對(duì)應(yīng)的分揀通道，完成分揀動(dòng)作。

三、軟件系統(tǒng)包括圖像采集模塊、重量采集模塊、尺寸采集模塊、條碼檢測(cè)模塊、OCR字符檢測(cè)模塊、以太網(wǎng)模塊、伺服控制模塊、分揀模塊等組成。其系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

軟件系統(tǒng)中最為復(fù)雜的是條碼檢測(cè)模塊，本文針對(duì)該模塊做個(gè)詳細(xì)的分析。由于快遞上通常所使用的條碼主要涉及Code128、QR這二種常用的碼制，根據(jù)條碼的特點(diǎn)，在FPGA上編寫條碼解碼算法進(jìn)行解碼，具體過程如下所示：

圖像預(yù)見處理：當(dāng)系統(tǒng)采集到圖像數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，在圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)降噪、二值化、圖像校正功能。噪聲在圖像上主要表現(xiàn)為孤立的像素點(diǎn)，像素灰度值與其鄰近像素灰度值有顯著的不同，通過3X3塊大小的中值濾波進(jìn)行降噪處理。二值化處理主要的目的是如何快速?gòu)恼麄€(gè)圖像數(shù)據(jù)中提取條碼數(shù)據(jù)信號(hào)的區(qū)別；圖像校正功能主要是獲取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，由于條碼圖像的位置，本系統(tǒng)放置的位置等都或多或少存在傾斜與偏移等現(xiàn)象，利用FPGA，運(yùn)用行差運(yùn)算與Hough變換相結(jié)合的方法，找到條碼圖像數(shù)據(jù)的邊界線，估計(jì)出傾斜的角度，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的修正。

條碼識(shí)別：經(jīng)過上述處理后，得到的只有黑與白條或方塊組成的圖像，對(duì)于一維條碼來說，需要計(jì)算條碼黑白模塊的關(guān)聯(lián)寬度，然后根據(jù)不同的條碼編碼規(guī)則譯碼出實(shí)際的條碼值。對(duì)于二維條碼來說，首先要檢測(cè)條碼的標(biāo)識(shí)符，然后再進(jìn)行區(qū)域分塊分割，然后查詢碼本中的內(nèi)容找碼字對(duì)應(yīng)的值即可譯碼出條碼實(shí)際的數(shù)據(jù)。

糾錯(cuò)：很多快遞面單上的條碼，或多或少存在條碼破損的情況或者有污損的情況，在這些情況下就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)與糾錯(cuò)，可以大大降低解碼的錯(cuò)誤率。

四、本系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)快遞產(chǎn)品分揀自動(dòng)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，包裹從攬件至分拔中心、派件過程中涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)均需要對(duì)包裹的相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、調(diào)度。通過基于FPGA控制的系統(tǒng)，具有快速圖像采集、條碼解碼、OCR字符識(shí)別、高精度的重量與尺寸測(cè)量，準(zhǔn)確無誤的分揀，使快遞整個(gè)流程的效率與準(zhǔn)確率均得到了相當(dāng)大幅度的提高和保證，同時(shí)該系統(tǒng)也可應(yīng)用于其它物流行業(yè)，如藥品、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、配送等細(xì)分市場(chǎng)，適應(yīng)面廣，可擴(kuò)展空間大，靈活性高，提升了快遞企業(yè)的信息化水平，并可大大提高工作效率，降低成本，減少差錯(cuò)，綜合提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。