基于AI和VI的智能倉庫教學(xué)模型的研究*

周文軍

(南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧530008)

建設(shè)智能制造專業(yè),需融合交叉學(xué)科新元素,需要大力建設(shè)新技術(shù)特色課程,需要推進(jìn)教學(xué)方法改革.在有限的學(xué)制內(nèi)要讓學(xué)生獲得更深厚的知識,需要落實(shí)智能制造類專業(yè)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)質(zhì)量.為了建設(shè)有利于學(xué)生自由發(fā)展的實(shí)踐平臺,需要設(shè)計一個能夠讓學(xué)生自由搭建的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺.這樣的實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)不但要求搭建簡單,并且還應(yīng)滿足機(jī)器人系統(tǒng)集成、工業(yè)現(xiàn)場總線、觸摸屏編程、PLC編程、人工智能AI、人工智能VI、手機(jī)APP設(shè)計等多方面的實(shí)訓(xùn)條件,適應(yīng)范圍廣,成本低.

1 智能倉庫總體設(shè)計

1.1 智能倉庫的功能

如圖1所示是智能倉庫的系統(tǒng)模型,智能倉庫有如下5個主要功能：

a)用語音交互進(jìn)行系統(tǒng)登錄,或者可以在觸摸屏上輸入密碼進(jìn)行系統(tǒng)登錄;

b)只需要將標(biāo)準(zhǔn)的箱子隨意放在圖1中的臺面上,然后就可用語音控制實(shí)現(xiàn)存貨;

c)根據(jù)智能相機(jī)的識別結(jié)果,機(jī)器人能自適應(yīng)地將隨意放置在臺面上的標(biāo)準(zhǔn)箱子取走放到立體倉庫里面;

d)系統(tǒng)登錄后,可以用語音實(shí)現(xiàn)取貨控制;

e)在觸摸屏端或者手機(jī)APP端,可以查詢立體倉庫中的貨物狀態(tài).

圖1 智能倉庫的系統(tǒng)模型Fig.1 System model of intelligent warehouse

1.2 智能倉庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能倉庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.智能倉庫主要包括：西門子1200 PLC、西門子PROFINET網(wǎng)關(guān)、西門子觸摸屏、工業(yè)機(jī)器人、智能相機(jī)、單片機(jī)、語音交互模塊SYN7318、串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊、手機(jī)APP以及立體倉庫等.

圖2 智能倉庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure of intelligent warehouse

西門子S7-1200 PLC是系統(tǒng)的主要控制器.通過Profinet網(wǎng)關(guān),S7-1200 PLC可以與工業(yè)機(jī)器人、觸摸屏通訊.

工業(yè)機(jī)器人須選用帶有Profinet接口的機(jī)器人.通過Profinet總線,S7-1200 PLC可以將物品存放指令、智能相機(jī)的識別結(jié)果和其他指令實(shí)時地傳送給工業(yè)機(jī)器人,工業(yè)機(jī)器人也可以將其狀態(tài)實(shí)時地傳送給PLC.PLC控制工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動并讀取機(jī)器人的各種狀態(tài)信息,工業(yè)機(jī)器人接受PLC的命令,對存儲柜進(jìn)行存取操作.

S7-1200 PLC可以接受觸摸屏的命令,并將各種狀態(tài)信息返回給觸摸屏顯示,觸摸屏選用西門子精致面板TP700.

智能相機(jī)的鏡頭安裝在機(jī)器人的末端夾具上.PLC通過RS485串口與智能相機(jī)進(jìn)行通訊,可以實(shí)時檢測標(biāo)準(zhǔn)貨箱上的文字標(biāo)識符,如：“紅米”“蘋果”“梨子”等等.不但可以識別這些標(biāo)識符,還可以識別箱子的方位和距離,以調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)和動作.

工業(yè)機(jī)器人的存取位置是立體倉庫,立體倉庫可以設(shè)計為1至3個面,如圖1所示,每個面可以有多層,每層可以有多個格子,前提是這些格子應(yīng)在機(jī)器人的工作區(qū)域內(nèi).

單片機(jī)通過RS232串口與PLC通訊,單片機(jī)與藍(lán)牙模塊、語音模塊SYN7318的通訊也是串口方式.因此單片機(jī)須選用帶有3個以上串口的型號,如“STC15W4K32S4”單片機(jī)就帶有4個串口.

單片機(jī)通過串口2與語音模塊SYN7318進(jìn)行通訊,SYN7318利用本地語音庫,可以進(jìn)行語音識別、語音合成等操作.利用SYN7318,能讓系統(tǒng)輕松實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的語音交互.

單片機(jī)通過串口1與PLC進(jìn)行通訊,可將語音識別結(jié)果實(shí)時傳送到PLC;同時,PLC將立體倉庫的存儲情況傳送到單片機(jī)端.

單片機(jī)通過串口3與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通訊.通過藍(lán)牙模塊,單片機(jī)可與手機(jī)APP端聯(lián)結(jié).在手機(jī)APP端可以查看立體倉庫的狀態(tài).

2 AI語音交互的實(shí)現(xiàn)

2.1 語音交互的硬件電路設(shè)計

圖3是AI語音處理的核心電路圖,SYN7318利用本地語音庫,具有語音合成、播放MP3、語音喚醒、語音識別等功能.SYN7318支持串口通信方式,開發(fā)簡單,能夠自定義一個4漢字以內(nèi)的喚醒名來喚醒.SYN7318相比LD3320等其他的語音識別模塊而言,其識別準(zhǔn)確率要高出很多.本系統(tǒng)設(shè)計的語音識別,在35分貝噪音環(huán)境下,普通話二級乙等水平,1米以內(nèi)的識別準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%以上.

圖3 語音處理核心電路Fig.3 AI Core Circuit

使用時,需要將小功率喇叭接到SYN7318模塊的SPK-P、SPK-N引腳,即圖3中的J1的7腳和8腳,麥克風(fēng)接在J1的1腳和2腳.J1的3腳和4腳為串口通信的“TXD”和“RXD”,分別連接到單片機(jī)的串口2的“RXD”和“TXD”.BD0和BD1用于設(shè)置串口通信的波特率,將BD0接至低電平,并將BD1接至高電平,就可以將波特率設(shè)置為9600了.

2.2 語音交互的程序設(shè)計

如表1所示是SYN7318語音識別的主要命令字說明,其中“0x10”表示開始語音識別命令.SYN7318支持的命令幀格式為：“幀頭FD+數(shù)據(jù)區(qū)長度+數(shù)據(jù)區(qū)”,同一幀數(shù)據(jù)中,每個字節(jié)之間的發(fā)送間隔不能超過15ms,而幀與幀之間的發(fā)送間隔須超過15ms.基于這樣的規(guī)則,我們編寫程序?qū)崿F(xiàn)了基本的語音交互,下面僅列出語音識別子程序的代碼：

這個子程序是開始語音識別的子程序,數(shù)組Frame是用于保存一幀待發(fā)送的命令,它的幀頭為0x FD,數(shù)據(jù)區(qū)長度為2,其分別為：語音識別命令“0x10”和詞典編號“Dict”.因 SYN7318利用的是本地語音庫,能自動處理語音識別,這種方案可以讓本系統(tǒng)的AI語音交互部分的編程難度大大降低.

表1 語音識別的主要命令字說明Tab.1 Description of main command for AI

3 VI視覺識別的實(shí)現(xiàn)

3.1 智能相機(jī)選型及硬件設(shè)計

因?qū)嶒?yàn)室條件限制,本系統(tǒng)選用信捷公司的SV4-30CL智能相機(jī).該相機(jī)的像素為640*480約30萬,通信接口為RS485和RJ45共兩個,支持的通信協(xié)議為 Modbus-485和 Modbus-TCP.本系統(tǒng)中,PLC采用Modbus-485協(xié)議,通過RS485接口與智能相機(jī)通訊.[1]

智能相機(jī)的RS485沒有提供單獨(dú)的接口,而是使用“A”和“B”在接線端子上標(biāo)注出來的.因此智能相機(jī)與PLC的連接線需要自行制作.[2]制作時,將PLC的RS485接口中的3號線和8號線,即RS485的“A”和“B”,分別連接到智能相機(jī)的“A”和“B”.

3.2 智能相機(jī)編程

SV4-30CL智能相機(jī)具有智能識別字符和自學(xué)習(xí)識別圖案的功能,本系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)箱子上面均標(biāo)有“紅米”“蘋果”“梨子”等,智能相機(jī)可以比較容易地識別到這些字符.SV4-30CL智能相機(jī)能通過Modbus-485協(xié)議將所識別到的字符的中心點(diǎn)坐標(biāo)值,旋轉(zhuǎn)角度值等信息實(shí)時輸出.但因其輸出的坐標(biāo)值都是用像素作為單位的,所以需要將像素轉(zhuǎn)換為以毫米單位的實(shí)際值,以便PLC獲取位置坐標(biāo)以及旋轉(zhuǎn)角度等信息,并將此數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人,機(jī)器人根據(jù)這些信息調(diào)整動作,才能準(zhǔn)確地抓取到箱子.

系統(tǒng)采用的具體的測量過程如下：

取物體,用尺子測出物體的實(shí)際長度,例如實(shí)際測得的長度為50 mm,然后將物體置于相機(jī)工作區(qū)內(nèi),在相機(jī)工作區(qū)內(nèi)測量出物體的對應(yīng)像素點(diǎn)長度為100個像素點(diǎn),則：比例系數(shù)=物體實(shí)際長度/物體實(shí)際像素點(diǎn)=50/100=0.5,PLC根據(jù)獲得的坐標(biāo)值,乘以該系數(shù)0.5,就是物體的實(shí)際長度或?qū)嶋H距離.

4 PLC的通信設(shè)計

如圖2所示,PLC要同時與智能相機(jī)、單片機(jī)控制板、機(jī)器人、觸摸屏等4大件進(jìn)行通訊.其中,PLC與智能相機(jī)、單片機(jī)的通信采用串口方式,如圖4所示,PLC需要增加2塊CM1241通訊模塊,分別采用RS485和RS232方式.其中,智能相機(jī)通過RS485與PLC通訊,單片機(jī)通過RS232與PLC通訊.

圖4 PLC串口通信模塊設(shè)置Fig.4 PLC Serial Communication Module Settings

4.1 PLC與單片機(jī)的通信設(shè)計

PLC與單片機(jī)的通訊,為了降低難度,采用自由口協(xié)議,也就是采用自定義協(xié)議.[3]如圖5所示為PLC串口通信采用自由口協(xié)議時的消息開始的設(shè)置.設(shè)置為“以特殊條件開始”,當(dāng)PLC接收到單片機(jī)端發(fā)送過來的“E3 E5”兩個字節(jié)后,即認(rèn)為是單片機(jī)開始有效發(fā)送的標(biāo)志.[4]同樣的,當(dāng)PLC接收到單片機(jī)端發(fā)送過來的“D3 D5”兩個字節(jié)后,認(rèn)為是單片機(jī)完成發(fā)送的標(biāo)志.

圖5 PLC串口通信的消息開始的設(shè)置Fig.5 Settings for message start of PLC serial communication

PLC采用“RCV_PTP”指令來接收從單片機(jī)端以點(diǎn)對點(diǎn)方式發(fā)送過來的指令,如圖6所示,主要是要設(shè)置好端口“PORT”和數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)“BUFFER”,這樣就可以正常通信了.圖6中設(shè)置為：將所使用的串口指向RS232串口,并且將單片機(jī)端發(fā)送的數(shù)據(jù)保存到數(shù)組“RCV_PTP”.RCV_STC中.PLC接收到的信息主要為來自單片機(jī)端的語音交互指令等.同樣的,PLC采用“SEND_PTP”指令來完成發(fā)送信息到單片機(jī)端的任務(wù),發(fā)送的信息主要為當(dāng)前立體倉庫的狀態(tài)等.

圖6 點(diǎn)對點(diǎn)串口接收指令Fig.6 Point-to-Point Serial Port Receiving Instructions

4.2 PLC與智能相機(jī)的通信設(shè)計

因智能相機(jī)本身支持Modbus協(xié)議,所以PLC與智能相機(jī)的通訊采用Modbus協(xié)議.如圖7所示為PLC與智能相機(jī)通信的串口設(shè)置指令.通過該指令,可以將RS485串口設(shè)置為以Modbus協(xié)議通信,然后使用“MB_MASTER”指令讀寫智能相機(jī)的數(shù)據(jù).

圖7 PLC與智能相機(jī)通信的串口設(shè)置指令Fig.7 Serial Port Setting Instruction for Communication between PLC and Intelligent Camera

4.3 PLC與機(jī)器人的通信設(shè)計

選用工業(yè)機(jī)器人時,須選擇帶有Profinet接口的機(jī)器人.PLC與機(jī)器人之間通過RJ45接口,使用Profinet總線進(jìn)行通訊.

如圖8所示為PLC與機(jī)器人的通信指令,其中“192.168.8.103”是機(jī)器人的IP地址,可以在機(jī)器人的示教器上進(jìn)行設(shè)置.“40097”指向了 MODBUS通訊的字存儲區(qū),通過這32個字,PLC可以將物品存放指令、智能相機(jī)的識別結(jié)果和其他指令傳送給工業(yè)機(jī)器人.同樣地,工業(yè)機(jī)器人也可以將其自身的各種狀態(tài)傳送給PLC.

圖8 PLC與機(jī)器人的通信指令Fig.8 Communication Instruction between PLC and Robot

4.4 PLC與觸摸屏的通信設(shè)計

因觸摸屏選用的是西門子的TP700,只要將PLC和觸摸屏連接到同一個網(wǎng)關(guān),并設(shè)置在同一個子網(wǎng),完成硬件組態(tài)以后就可以順利進(jìn)行通訊了.

完成硬件組態(tài)以后,在觸摸屏端,可以直接使用PLC端的變量.例如進(jìn)行系統(tǒng)登錄時,可以在觸摸屏端輸入賬號和密碼,完成驗(yàn)證后,可以將成功標(biāo)志直接傳送到MB200,而在PLC端則直接判斷MB200的值就可以了.

4.5 PLC與手機(jī)APP的通信設(shè)計

因?yàn)閱纹瑱C(jī)端可以比較容易地將串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊集成到控制板上,而PLC要實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的聯(lián)結(jié)則比較困難,所以手機(jī)APP端并未與PLC直接相連,要完成他們之間的通信,需要通過單片機(jī)這個橋梁來進(jìn)行.

如圖9所示為單片機(jī)通訊部分的電路圖,單片機(jī)一共有4個串口,其中實(shí)際使用了3個串口.串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊作為一個小模塊直接焊接到單片機(jī)控制板上面,接到單片機(jī)的串口3.

圖9 單片機(jī)通訊部分的電路圖Fig.9 Circuit diagram of communication part of SCM

在手機(jī)APP端,調(diào)用一個藍(lán)牙組件,即可以通過手機(jī)的藍(lán)牙連接到單片機(jī)控制板.PLC通過單片機(jī)的串口1將立體倉庫的實(shí)時狀態(tài)等信息傳送到單片機(jī),單片機(jī)再通過串口3將這些信息傳送到手機(jī)端,由此間接實(shí)現(xiàn)了PLC與手機(jī)APP的通信.

5 系統(tǒng)仿真與實(shí)際測試

在RobotStudio環(huán)境下,可以對本系統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動部分進(jìn)行仿真,但是對于語音識別和圖像識別,在RobotStudio環(huán)境下無法進(jìn)行,只能采用外加模擬信號的辦法來實(shí)現(xiàn)調(diào)試.

研制出的實(shí)物樣品如圖10所示.針對智能倉庫的5個主要功能,我們分別進(jìn)行了測試.

圖10 研制的實(shí)物原型Fig.10 Developed Substances

在35分貝噪音環(huán)境下,測試人員的普通話二級乙等水平,測試距離為1米,共測試200次.分別測試各種取放指令、系統(tǒng)登錄等語音命令.經(jīng)過統(tǒng)計,機(jī)器人有185次能正確執(zhí)行命令,有15次沒有動作,成功率為92.5%.當(dāng)把環(huán)境噪音降到25分貝以下后,再次測試200次,機(jī)器人有193次能正確執(zhí)行命令,有7次沒有動作,成功率為96.5%.通過實(shí)際的測試和統(tǒng)計,該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果比較準(zhǔn)確且比較穩(wěn)定.

6 結(jié)論

本文研究的智能倉庫教學(xué)模型,一套教具系統(tǒng)可以同時滿足機(jī)器人系統(tǒng)集成、工業(yè)現(xiàn)場總線、觸摸屏編程、PLC編程、人工智能 AI、人工智能VI、手機(jī)APP設(shè)計等多方面的實(shí)訓(xùn)要求,適應(yīng)范圍廣,成本低.本系統(tǒng)用于工業(yè)機(jī)器人教學(xué),結(jié)構(gòu)簡潔,學(xué)員可直觀地感受智能制造,能大大提高學(xué)習(xí)效果.

本教具加以完善以后,不僅可以用于教學(xué),還可用于各類存取物場合,例如可以推廣應(yīng)用到：現(xiàn)代大型物流倉儲、工業(yè)貨物自動識別搬運(yùn)、快遞物流自動存取貨、超市的自動存儲柜、圖書館自動存儲書籍等,可以為人類社會生產(chǎn)生活帶來很大的便捷.