國機(jī)智能巡檢機(jī)器人：實(shí)現(xiàn)倉庫精益管理

華棟

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人工智能一詞無意間闖入我們的生活，與之息息相關(guān)的便是機(jī)器人行業(yè)的快速崛起。近年來，各地政府加大在人工智能及機(jī)器人行業(yè)的支持力度，促使了機(jī)器人行業(yè)快速發(fā)展。國機(jī)智能科技有限公司自主研發(fā)了一款巡檢機(jī)器人，可以有效地代替工作人員進(jìn)行巡檢任務(wù)，實(shí)現(xiàn)倉庫管理智能化、倉儲信息可視化、物資管理精細(xì)化，提高倉庫作業(yè)效率且有效降低倉庫安全風(fēng)險(xiǎn)，為倉庫精益管理保駕護(hù)航。

電力的發(fā)展離不開基礎(chǔ)電力物資的保障，其中電力物資倉庫是電力物資保障一個重要且基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。隨著配網(wǎng)儲備、標(biāo)準(zhǔn)臺架變儲備、業(yè)擴(kuò)延伸項(xiàng)目物資儲備的開展與實(shí)施，物資管理由原來的項(xiàng)目物資直送工地零庫存的管理模式轉(zhuǎn)為儲備供給模式，為滿足大量的物資進(jìn)入倉庫。由于現(xiàn)有倉庫的存儲面積較小，可供擺放的貨架和托盤的數(shù)量有限，無法達(dá)到倉庫面積的有效利用。同時(shí)，部分物資到倉庫后未能及時(shí)上架存儲，需要配備人工作業(yè)及簡單的倉庫叉車作業(yè)實(shí)現(xiàn)，自動化程度較低，工作效率低下，從而造成工作人員長期超限時(shí)工作。

目前，倉庫規(guī)模呈指數(shù)形式增長，倉庫作業(yè)強(qiáng)度增加，針對倉庫巡檢人員工作要求也在提高，而且萬一疏忽將會導(dǎo)致各類安全事故。例如，物品擺放不規(guī)范、貨物傾斜、貨架倒塌，甚至?xí)斐勺鳂I(yè)（巡邏）人員傷亡等嚴(yán)重事故發(fā)生。

因此高效率及針對性的巡檢是防止事故發(fā)生的最有效途徑。巡檢機(jī)器人則可嚴(yán)格按照規(guī)定時(shí)間及要求，完成整個倉庫的巡檢工作，包括在一些無氧、高溫、寒冷、狹小等環(huán)境，機(jī)器人同樣可以勝任，提高巡檢工作的有效性。

為滿足精益化倉庫管理需求，國機(jī)智能科技有限公司在國內(nèi)首次研制成功一款用于電力倉庫等倉庫環(huán)境下的巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人可以有效降低人工巡檢安全風(fēng)險(xiǎn)，提高倉庫管理安全運(yùn)作水平，具有十分重要的意義。

倉庫巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

倉庫巡檢機(jī)器人集融合多種計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、圖像處理技術(shù)及無線傳輸技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、全自動與全方位的檢測，很大程度上提高了巡檢的效率與可靠性。

其中，通過傳感器數(shù)據(jù)的分析，得到機(jī)器人當(dāng)前所處的工作環(huán)境，并且識別出當(dāng)前位于倉庫的位置，得到自身工作狀態(tài)與詢價(jià)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài);通過各類導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)，判斷出車身與實(shí)際規(guī)劃路徑的距離與角度等信息，通過精確的導(dǎo)航方式與可靠的導(dǎo)航算法，保證能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，安全穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù);根據(jù)任務(wù)制定下發(fā)指令，能夠控制機(jī)器人按照任務(wù)巡檢順序或指定路徑行駛并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車，根據(jù)傳感器反饋數(shù)值，得到當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)，再結(jié)合云臺、檢測模塊的具體工作狀態(tài)，拍攝清晰的圖片及視頻信息;通過對所拍攝圖像信息進(jìn)行處理分析，判定設(shè)備是否正常。

硬件結(jié)構(gòu)

倉庫巡檢機(jī)器人主要采取分布式結(jié)構(gòu)類型，大致可分為移動底盤和云臺。

其中，移動底盤是由伺服電機(jī)、IPC、IMU、激光雷達(dá)等設(shè)備，并涵蓋電源管理系統(tǒng)、防撞機(jī)制系統(tǒng)、自主充電系統(tǒng)、通信管理系統(tǒng)等組成。

軟件框架

倉庫巡檢機(jī)器人采用三層分布式設(shè)計(jì)，主要分為應(yīng)用層、服務(wù)層和支持層。

其中，應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)巡檢任務(wù)配置、管理，巡檢任務(wù)查詢、處理，巡檢數(shù)據(jù)查詢、分析以及機(jī)器人的運(yùn)動控制等操作（包括傳感數(shù)據(jù)）;服務(wù)層主要負(fù)責(zé)相關(guān)子系統(tǒng)及相關(guān)服務(wù)應(yīng)用接口對接;支持層主要由數(shù)據(jù)層及應(yīng)用服務(wù)器組成。

倉庫巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

國機(jī)智能倉庫巡檢機(jī)器人采用四輪獨(dú)立驅(qū)動方式，主要包含以下組件（或系統(tǒng)）：驅(qū)動組件，電源系統(tǒng)，安全避障系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)支撐組件，導(dǎo)航系統(tǒng)和云臺組件等。

電源管理系統(tǒng)

電源部分是機(jī)器人的能量來源，主要包含供電電池和電量管理兩個部分，機(jī)器人采用鋰電池供電。電量管理為實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)內(nèi)供電電池的電壓和電流，預(yù)測電池的剩余電量，當(dāng)電量較低時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，并且調(diào)整供電策略，保證機(jī)器人能夠完成正常巡檢任務(wù)并能返回充電區(qū)域進(jìn)行充電。

導(dǎo)航定位

導(dǎo)航定位的主要功能是根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，判斷機(jī)器人當(dāng)前所處的位置環(huán)境與姿態(tài)信息，并結(jié)合任務(wù)指令，控制車體移動。導(dǎo)航定位功能中的各種傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，主要包含自身位置信息與引導(dǎo)線相對位置信息。

運(yùn)動控制系統(tǒng)

運(yùn)動控制系統(tǒng)控制車體按照期望進(jìn)行移動，主要包含電機(jī)、驅(qū)動器與控制器等。詳見導(dǎo)航定位算法部分。安全避障系統(tǒng)主要是為了防止小車發(fā)生碰撞，其中包括前后左右的超聲探頭和前后的防撞條。

倉庫環(huán)境自主導(dǎo)航研究

倉庫巡檢機(jī)器人為了滿足可以自主完成巡檢工作，首先有五大問題需要解決：“我在哪里？”、“我要去哪里？”、“我怎么去？”、“我該做什么？”、“結(jié)果怎么給？”機(jī)器人能夠自己知道自己的位置，能夠按照人為給定的位置到達(dá)目的地并完成巡檢任務(wù)，再將巡檢結(jié)果實(shí)時(shí)反饋到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，這便是我們的最終目標(biāo)。

其中，主要涉及應(yīng)用了SLAM相關(guān)技術(shù)，SLAM技術(shù)是通過融合多種外部和內(nèi)部的傳感器數(shù)據(jù)，求解出一個準(zhǔn)確的機(jī)器人位姿（即位置和姿態(tài)，可以理解成為坐標(biāo)和朝向）。同時(shí)，將每個位姿處得到的傳感器數(shù)據(jù)拼接起來形成完整的地圖，又可作為計(jì)算位姿的依據(jù)。

通常在數(shù)學(xué)上，可以將SLAM建模成一個狀態(tài)估計(jì)問題，即：

其中，公式1為運(yùn)動方程，表示在k時(shí)刻，機(jī)器人的位姿由k-1時(shí)刻的位姿和k時(shí)刻的運(yùn)動輸入所決定，由于實(shí)際物理環(huán)境總會引入誤差，所以添加一個噪聲量對狀態(tài)變化形成一定的約束。公式2為觀測方程，表示k時(shí)刻的機(jī)器人傳感器觀測，由當(dāng)前時(shí)刻機(jī)器人位姿所決定。同理，因物理環(huán)境的影響，會帶入一定的觀測誤差，即。

緊接著通過利用ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對底盤控制;結(jié)合KF與EKF算法對傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理和AMCL算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在倉庫環(huán)境中建圖、定位;同時(shí)，基于優(yōu)化的A*算法實(shí)現(xiàn)了與倉庫作業(yè)時(shí)間及路線調(diào)整自適應(yīng)，保證倉庫日常正常作業(yè);并給與機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)區(qū)界定處理，為機(jī)器人巡檢區(qū)域添設(shè)一道非物理虛擬墻，進(jìn)一步保證巡檢的安全性。