基于RT-Thread操作系統(tǒng)的物流分揀車設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)物流基礎(chǔ)設(shè)施滯后，綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)尚不健全，布局合理、功能完善的物流園區(qū)體系尚未建立等問題，設(shè)計(jì)了一款基于RT-Thread 操作系統(tǒng)的物流分揀車。其以RT1064 單片機(jī)為主控核心、RT-Thread操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，使用攝像頭進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，并且采用多種傳感器進(jìn)行信息采集。該物流分揀車運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人行駛并自動(dòng)搜尋需要搬運(yùn)的物品，在識(shí)別后能將物品按種類拾取到車載的儲(chǔ)物倉(cāng)中，到達(dá)指定地點(diǎn)后可根據(jù)要求進(jìn)行物品卸載。

關(guān)鍵詞：RT-Thread；目標(biāo)檢測(cè)；物流分揀

中圖分類號(hào)：TP242；TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

面對(duì)我國(guó)物流基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化的迫切需求，本文開發(fā)了一款智能物流分揀車，以解決物流設(shè)施短缺和現(xiàn)代化水平不高的問題。該物流分揀車的核心為RT1064 單片機(jī)（i.MX RT1064 跨界微控制器），通過運(yùn)行RT-Thread 操作系統(tǒng)，集成高清攝像頭、先進(jìn)目標(biāo)檢測(cè)算法和多種傳感器，實(shí)現(xiàn)物流分揀自動(dòng)化[1]。本文設(shè)計(jì)的物流分揀車考慮了操作靈活性和適應(yīng)性，能夠在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作，提升物流處理速度，降低人工成本，為物流行業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支持[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

物流分揀車底盤選用麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，每個(gè)輪子都配備了編碼器。在車體的中心安裝了IMU660RA 陀螺儀，RT1064 單片機(jī)通過編碼器采集的脈沖和陀螺儀提供的姿態(tài)信息，使物流分揀車具有全向移動(dòng)的靈活能力[3]。根據(jù)車模底板上預(yù)留的孔位，將3D 打印件固定在車模的前后。在車頭處設(shè)置有兩自由度的機(jī)械臂，通過3D 打印固件在機(jī)械臂的末端固定3 個(gè)電磁鐵。同時(shí)，在這些孔位處通過安裝固定支架和碳纖維棒搭建了一個(gè)車體框架。在車體框架的內(nèi)部是五分類儲(chǔ)物倉(cāng)，由一款3D 打印的支撐結(jié)構(gòu)托起，下方固定有驅(qū)使其旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)，物流分揀車實(shí)物圖如圖1 所示。

在框架上固定1 個(gè)巡線攝像頭總鉆風(fēng)（MT9V034 灰度攝像頭），其作用是將路徑信息反饋給主控RT1064。在車體框架的兩側(cè)各掛載了1 個(gè)MCX_Vision 攝像頭，用于物品的目標(biāo)檢測(cè)并反饋位置坐標(biāo)。同時(shí)還配備2 個(gè)OpenART mini 攝像頭，用于物品的識(shí)別與分類。在車體框架的車頭處安裝了2 個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，用于搬運(yùn)過程中的避障。綜上，物流分揀車由傳感器、主控以及帶主控的攝像頭組成，物流分揀車的系統(tǒng)組成如圖2 所示。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 巡線功能

物流分揀車通過攝像頭捕獲圖像，利用大津法（OSTU）自動(dòng)計(jì)算二值化閾值，將圖像轉(zhuǎn)換為二值化形式，便于邊緣檢測(cè)。在二值化圖像的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)從圖像的最底部開始逐行掃描，直至發(fā)現(xiàn)閾值分割點(diǎn)，這決定了左、右邊線的搜索起點(diǎn)。隨后，系統(tǒng)沿著生長(zhǎng)方向繼續(xù)掃描，直至檢測(cè)到完整的邊線。確定目標(biāo)線后，車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控路徑偏差并動(dòng)態(tài)調(diào)整方向，確保物流分揀車沿預(yù)定軌跡行駛，提高物流分揀效率和可靠性。通過二值化之后的掃線可得到巡線掃線示意圖如圖3 所示。

2.2 物品尋找功能

在物流分揀領(lǐng)域，OpenART mini 用于采集應(yīng)急物資圖像數(shù)據(jù)，配合邊緣智能量化工具（edgeintelligence quantization tool，eIQ）進(jìn)行模型訓(xùn)練和部署。通過eIQ Portal，本文采用MobileNet V2 架構(gòu)訓(xùn)練模型，并將模型轉(zhuǎn)換為機(jī)器學(xué)習(xí)模型（tensorflowlite，TFlite）格式，以便在MCX_Vision 等硬件上運(yùn)行。這一過程包括自動(dòng)燒錄編譯固件至設(shè)備。最后，物流分揀車通過目標(biāo)檢測(cè)模型自動(dòng)識(shí)別應(yīng)急物資，提升分揀效率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)智能化物流操作，加快應(yīng)急物資的分揀與配送。

2.3 物品識(shí)別與分類功能

當(dāng)確認(rèn)物品存在后， 物流分揀車會(huì)通過OpenART mini B 進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，通過串口將物品的坐標(biāo)發(fā)送給主控RT1064，主控處理這些數(shù)據(jù)后反饋給電機(jī)，驅(qū)使物流分揀車靠近物資堆。對(duì)齊位置后OpenART mini A 利用YOLO 目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)對(duì)物品進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給主控，主控將識(shí)別結(jié)果進(jìn)行分類[4]。分類完成后，物流分揀車將物品準(zhǔn)確搬運(yùn)至車載的對(duì)應(yīng)回收倉(cāng)中，確保不同類型的物品被妥善存放。在完成一次物品收集后，物流分揀車將繼續(xù)沿原定路線尋找下一個(gè)物資堆，以使工作效率最大化。

2.4 物品分類放置功能

如果在物品搬運(yùn)途中找到需要物品的指定地點(diǎn)，物流分揀車會(huì)到達(dá)該地點(diǎn)。到達(dá)后，物流分揀車會(huì)通過OpenART mini B 調(diào)整好卸載物品的角度，姿態(tài)調(diào)整完成后，OpenART mini A 開始識(shí)別該地點(diǎn)需要的物品。識(shí)別后，物流分揀車將自動(dòng)打開倉(cāng)門或者通過機(jī)械臂搬運(yùn)倉(cāng)庫(kù)里的物品，并且將各類物品按照預(yù)設(shè)的分類規(guī)則放置到相應(yīng)的區(qū)域[5]。這一過程確保了物品分發(fā)的高效性和準(zhǔn)確性，有助于提升物流園的管理水平。機(jī)械臂搬運(yùn)示意圖如圖4所示。

2.5 自動(dòng)避障功能

在運(yùn)動(dòng)過程中，若遇到障礙物，物流分揀車會(huì)自動(dòng)停止，并利用智能算法嘗試?yán)@過障礙物，以避免與障礙物發(fā)生碰撞。此功能大大提高了操作的安全性，確保了設(shè)備和周圍環(huán)境的安全。

通過這些功能，物流分揀搬運(yùn)車不僅提升了物流處理速度，還降低了人工成本，為物流行業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3 程序算法

3.1 總體軟件流程

物流分揀車具備精準(zhǔn)巡線的能力。當(dāng)確認(rèn)存在物品后，系統(tǒng)會(huì)通過OpenART mini B 進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，通過通用異步收發(fā)器（universal asynchronous"receiver/transmitter，UART）將物品的坐標(biāo)發(fā)送給主控RT1064，控制電機(jī)驅(qū)使物流分揀車靠近物資堆，并且對(duì)物品進(jìn)行識(shí)別，將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給主控，之后進(jìn)行分類。分類完成后，系統(tǒng)會(huì)將物品準(zhǔn)確搬運(yùn)至車載的對(duì)應(yīng)倉(cāng)庫(kù)中。如果在物品搬運(yùn)途中找到需要物品的指定地點(diǎn)，小車會(huì)到達(dá)該地點(diǎn)。在運(yùn)動(dòng)過程中，若遇到障礙物，系統(tǒng)會(huì)采用智能算法嘗試?yán)@過障礙物，以避免與障礙物發(fā)生碰撞。完成任務(wù)后，物流分揀車將自動(dòng)返回庫(kù)房。物流分揀車程序流程如圖5 所示。

3.2 操作系統(tǒng)線程的建立

RT-Thread 全稱為Real Time-Thread， 是一個(gè)專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)多線程操作系統(tǒng)。與Linux 等大型操作系統(tǒng)相比，RT-Thread 以其小巧、成本低、功耗低以及啟動(dòng)快速等優(yōu)勢(shì)，在資源受限的場(chǎng)合（如成本和功耗敏感的應(yīng)用）中表現(xiàn)出色。RT-Thread 的實(shí)時(shí)性能高、資源占用小，適用于對(duì)資源有嚴(yán)格限制的嵌入式設(shè)備。RT-Thread 與其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（real time operate system，RTOS）的顯著區(qū)別在于其不僅提供了一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，還集成了豐富的中間件組件。這使得RT-Thread 能夠在RT-Thread Studio 這一集成開發(fā)環(huán)境中，以模塊化的方式進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)上傳等關(guān)鍵模塊，操作系統(tǒng)線程組合圖如圖6 所示。

在軟件設(shè)計(jì)中，通過移植RT-Thread 操作系統(tǒng)，利用其輕量級(jí)、快速啟動(dòng)、高實(shí)時(shí)性和低資源占用等特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)通過劃分獨(dú)立任務(wù)確保穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)RT-Thread 提供的豐富組件和軟件包資源加快了系統(tǒng)功能的開發(fā)和擴(kuò)展。RT-Thread 的實(shí)時(shí)性能和任務(wù)調(diào)度能力使物流分揀車能實(shí)時(shí)處理環(huán)境數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)路徑矯正和目標(biāo)識(shí)別。系統(tǒng)將任務(wù)分解為獨(dú)立線程，這些線程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、圖像處理和路徑規(guī)劃，提高了穩(wěn)定性和可靠性。RT-Thread 簡(jiǎn)化了開發(fā)流程，使物流分揀車能快速集成，響應(yīng)市場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)物品識(shí)別和搬運(yùn)，提升物流園自動(dòng)化水平和作業(yè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的物流分揀車依托RT-Thread 操作系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合多傳感器融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的路徑規(guī)劃和全向移動(dòng)能力。它采用多數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)，確保在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，通過智能圖像分類算法，能夠快速識(shí)別各類物品。自動(dòng)避障功能讓它在遇到障礙時(shí)能夠靈活繞行，而其靈活的搬運(yùn)和分類設(shè)計(jì)使得物品抓取、運(yùn)輸和分發(fā)過程更加高效和自動(dòng)化。這些綜合技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了作業(yè)效率，還顯著降低了人力成本，為物流行業(yè)帶來(lái)了極大進(jìn)步。

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