快遞自動化分揀系統(tǒng)的開發(fā)

目錄

I研究背景..................................................0

1.1研究背景......................................................0

1.2研究意義......................................................1

2文獻(xiàn)領(lǐng)..................................................2

2.1快遞自動化分揀系統(tǒng)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r..........................2

2.2快遞自動化分揀系統(tǒng)的發(fā)展方向.................................5

3研究目標(biāo)..................................................6

4研究內(nèi)容..................................................6

5技術(shù)路線..................................................7

5.1系2充總體解決方案..............................................7

5.2硬件系統(tǒng)設(shè)計.................................................8

6預(yù)期的研究成果及課題的創(chuàng)新點.............................9

6.1獺的研加果................................................9

6.2輟的創(chuàng)新點.................................................9

79

8參考文獻(xiàn)..................................................10

快遞自動化分揀系統(tǒng)的開辟

機(jī)設(shè)113(10112428)吳志祥

摘要：隨著多品種少批量社會需求模式的推進(jìn)，商品的流通速度迅猛提高，流通方式卻是

越來越復(fù)雜。因此，在人工成本不斷高漲的環(huán)境下，需要引入適當(dāng)?shù)臋C(jī)械化分揀系統(tǒng)，以減

少作業(yè)錯誤的發(fā)生,提高商品流通作業(yè)率,最終實現(xiàn)JIT(JUSTINTIME)配送。

本文將快速圖象識別技術(shù)和快遞自動化分揀裝置相結(jié)合，研究基于自動化分揀系統(tǒng)的開辟,

介紹了一種應(yīng)用DSP技術(shù)、視頻捕獲技術(shù)，結(jié)合FPGA邏輯控制、USB通訊等多項技術(shù)，

能夠準(zhǔn)確、快速識別物流系統(tǒng)商品大小、位置等信息的檢測裝置，可以有效解決自動分揀系

統(tǒng)對復(fù)雜商品識別的難題，同時設(shè)計出相應(yīng)的分揀裝置，從而快速準(zhǔn)確完成物流行業(yè)自動化

分揀。

關(guān)鍵詞：機(jī)械化分揀,圖象識別,分揀裝置

1研究背景

1.1研究背景

物流就是將物品從供應(yīng)地往接收地傳送的流動過程。根據(jù)現(xiàn)實需要，將儲存、

酶、搬運(yùn)、裝0、流通加工、包裝、信息處理、配送等基本功能的實施有機(jī)^吉

合起來。它根據(jù)物品的種類、質(zhì)量?口數(shù)量，在最適當(dāng)?shù)臅r刻,以最低本將其送

到正確地點，并且準(zhǔn)時完成物品信息的修改和傳輸及回收輸送工具的全過程，

隨著消費與生產(chǎn)在空間和時間上的分離不斷擴(kuò)大，為了保障企業(yè)生產(chǎn)和社會

經(jīng)濟(jì)活瀏麻J進(jìn)行，并且能取得好的經(jīng)濟(jì)5溢物流作為‘需、〃供〃之間橋梁，

已發(fā)展成為了一門綜合性的學(xué)科。物流學(xué)理論基礎(chǔ)是多學(xué)科綜合，并融合了社會

科學(xué)與自然科學(xué)，它既是經(jīng)濟(jì)科學(xué)又是技術(shù)科學(xué);同時,它還與其它學(xué)科有密切

的聯(lián)系，如自動控制、計算機(jī)科學(xué)等。物流學(xué)研究對象普通是復(fù)雜的、多目標(biāo)決

策的動態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)分析時，既要考慮技術(shù)的科學(xué)性、先進(jìn)性，又要考慮它的

經(jīng)濟(jì)I箭示。

1.2研究意義

目前，現(xiàn)代物流作為一種比較先進(jìn)的管理理念和組織方式,被認(rèn)為是提高勞

動生產(chǎn)率，企業(yè)降低物耗以外的第三利潤的源泉。由于超大規(guī)模集中配送的效率

難題和成本優(yōu)勢，提高配送中心的運(yùn)營效率這已成為了大中型企業(yè)改善現(xiàn)代物流

的重要舉措。作為配送中心的主要作業(yè)環(huán)節(jié)和核心設(shè)備，分揀系統(tǒng)的技術(shù)與分

揀作業(yè)的效率也越來越受到工程界和的理論界關(guān)注。

我國現(xiàn)代物流發(fā)展比較晚,對自動分揀系統(tǒng)的研究也剛起步,分揀作業(yè)大部

分都是采用的人工分揀，少數(shù)采用了機(jī)械分揀和人工分揀相結(jié)合的半自動分揀方

式,而自動分揀所占比例非常低，其中一個非常重要原因是目前我國自動分揀系

統(tǒng)技術(shù)還不夠成熟，跟國外相上匕差距甚遠(yuǎn)。但自動分揀系統(tǒng)技術(shù)作為分揀領(lǐng)域中

主要的發(fā)展趨勢，也是我國在分揀技術(shù)領(lǐng)域中的發(fā)展方向，有著半自動分揀和人

工分揀不可比擬的優(yōu)勢

1.降低勞動強(qiáng)度

2.減少工作人員數(shù)量

3.降低分揀出錯率

4.提高分揀效率

隨著社會不斷的發(fā)展，市場競爭也越來越激烈，因此，各大生產(chǎn)企業(yè)都迫切

地需要改進(jìn)自己落后的生產(chǎn)技術(shù)，從而提高生產(chǎn)效率，特殊是在要進(jìn)行材料自動

分揀的企業(yè)。以往向來采用半自動分揀或者人工分揀的方法，使生產(chǎn)效率非常低,

生產(chǎn)成本相當(dāng)高，導(dǎo)致企業(yè)的競爭能力差。材料自動分揀已成為了企業(yè)的惟一選

擇。針對上述問題，研究一種高效率的材料自動分揀系統(tǒng)以勢在必行⑴。

2文獻(xiàn)綜述

2.1快遞自動化分揀系統(tǒng)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r

從20世紀(jì)60年代開始，國外就己經(jīng)開始著手于研究物流分揀系統(tǒng)的模型，

如:配送中心選址的經(jīng)典模型就是Harvey.SubcommandRichards.Muffin在

I960年所提出來的，為亨氏公司(HJHeinzCompany)開辟，而后用于雀巢公

司(NestleCompany)的物流配送。

20世紀(jì)80年代后，國外的物流分揀系統(tǒng)發(fā)展更加迅速，

Aughan,Mark(1999)將分揀系統(tǒng)歸納為5個子系統(tǒng):合并前會萃、定單挑選、感

應(yīng)、合并、搬運(yùn)分揀，從而將定單獲得^不同傳送帶有機(jī)地的結(jié)合起來成Y高

效的物料分揀系統(tǒng);MaselD.T(2001)研究了現(xiàn)有的關(guān)于評估物料分揀固定形狀

貨物的環(huán)形物料分揀系統(tǒng)的分揀時間的解析公式;NormanSaeneJR(2002)從

配送中心里物料搬運(yùn)的角度研究了物料分揀系統(tǒng)傳送帶的構(gòu)建,及如何搭配傳送

帶，構(gòu)建一個良好的物流分揀搬運(yùn)系統(tǒng)。

在二次世界大戰(zhàn)之后，美日的物流中心就已經(jīng)廣泛的采用自動分揀機(jī)。而在,

日本的醫(yī)療行業(yè)、連鎖商業(yè)(如高島屋、西友等)、化妝品創(chuàng)造行業(yè)(如花王、日本

資生堂、大木等株式會社)等全自動分揀機(jī)更是普遍的應(yīng)用〔2)。在美國，自動分

揀機(jī)的物流機(jī)械是撬動美國物流行業(yè)的杠桿之一。目前，美國的物流管理已經(jīng)實

現(xiàn)了高度的自動化、樹成俯時算機(jī)化。在歐洲,英國、德國等國家的物流技術(shù)

也高度發(fā)達(dá)，德國西門子公司在物流設(shè)備體系中不斷推出各類的自動分揀設(shè)備,

且樹得相當(dāng)重要的作用。目前,國際上較先進(jìn)的自動分揀機(jī)有〃物品自動分揀

機(jī)、小型中速自動分揀機(jī)、推塊式高速自動分揀機(jī)、高速水平自動分揀機(jī)、數(shù)字

式揀位系統(tǒng)和全自動分揀機(jī)等，如圖1-3,1-4,1-5,1-6,1.-7與圖1-8所示⑶：

圖1?7全自動分揀機(jī)圖1?8數(shù)字式盤位系統(tǒng)

由于我國市場經(jīng)濟(jì)體制剛剛建立，現(xiàn)代物流的發(fā)展剛剛起步，所以還沒有形

成一個上匕較完整的體系。但隨著我國改革開放的不斷深入,我國現(xiàn)代物流也將逐

步進(jìn)入發(fā)展階段.

隨著國內(nèi)的科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，特殊是條形碼、檢測、自動控制等技術(shù)、計

算機(jī)信息處理的應(yīng)用和發(fā)展，我國的物流設(shè)備技術(shù)在20世紀(jì)90年代得到迅速

發(fā)展，從引進(jìn)國外的先進(jìn)物流設(shè)備技術(shù)，到吸收其先進(jìn)的技術(shù)成果，目前我國完

全可以自主生產(chǎn)多種自動分揀機(jī)，如托盤式翻板式與交叉帶式分揀機(jī)等yob,如

圖1-1,1-2所示[4],主要應(yīng)用于配送中心、郵政、機(jī)場等部門，就應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)

品種類而言，要在我國實現(xiàn)物流的機(jī)械化、現(xiàn)代化還任重而道遠(yuǎn)。

困皿翻板式分揀機(jī)

圖】-2交叉帶式分揀機(jī)

綜上所述，可見我國快遞自動分揀設(shè)備技術(shù)的研究與應(yīng)用和發(fā)達(dá)國家相比還

有相差甚遠(yuǎn)，盡快開辟研制先進(jìn)的自動分揀機(jī)，可為我國企業(yè)成功的實現(xiàn)物流高

底打下堅實的基礎(chǔ)。

2.2快遞自動化分揀系統(tǒng)的發(fā)展方向

自動分揀裝置的控制部份是自動分揀裝置的核心，經(jīng)歷了從分立元件，小規(guī)

木舞成電路，單片機(jī)到口1密制機(jī)、可編閨空制器的發(fā)展廂呈.采用工^制機(jī)、

可編程控制器作為分揀裝置的控制主機(jī)使自動分揀裝置及系統(tǒng)的功能、效率、可

靠性達(dá)到了一個新的水平。

自動分揀系統(tǒng)獲取商品信息主要采用光電開關(guān)和條形碼識別技術(shù)，這兩類技

術(shù)與裝備對于實現(xiàn)普通商品的識別與分揀可以有效對付，但對商品的標(biāo)準(zhǔn)化包裝

要求較高，傳統(tǒng)的檢測方法存在著信息不許確、傳輸速度慢、輸出結(jié)果單一等缺

點，對于商品的大小、位置信息都無法準(zhǔn)確判斷，而且將全部數(shù)據(jù)處理工作交到

了計算機(jī)和PLC控制裝置，給控制系統(tǒng)增加了負(fù)擔(dān)。此外許多生產(chǎn)線的物流速

度極快，采用常規(guī)分揀控制技術(shù)麻實現(xiàn)這些快速流動商品的動態(tài)準(zhǔn)確識因

此對于許多復(fù)雜商品,往往需要加入快速圖象識別技術(shù)才干準(zhǔn)確、快速識別物流

商品的大小、位置等信息，有效完成自動分揀任務(wù)。

3研究目標(biāo)

本課題意在設(shè)計開辟一款自動化分揀系統(tǒng)，主要應(yīng)用于快遞物流行業(yè),完成對快

遞分揀準(zhǔn)確性與時效性。具體的研究開辟目標(biāo)如下：

(1)加入快速圖象識別技術(shù)

(2)設(shè)計整套自動化分揀裝置

4研究內(nèi)容

針對本課題的研究目標(biāo)，將研究內(nèi)容作如下劃分：

本課題所研究和開辟的系統(tǒng)是基于自動分揀設(shè)備詳細(xì)設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加快

速圖象識別技術(shù)，綜合運(yùn)用,應(yīng)用到快遞領(lǐng)域的分揀平臺。

根據(jù)要求選擇了視頻捕捉+DSP平臺處理的方法來實現(xiàn)。對應(yīng)這個方案，

確定了系統(tǒng)使用的DSP平臺、外圍電路和視頻采樣電路，挨次進(jìn)行硬件設(shè)計。

對于視頻圖象的識別，我們采用了DSP（數(shù)字信號處理器）嵌入式平臺實現(xiàn)，

穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，對環(huán)境要求低，適于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的使用。利用

DSP集成電路芯片其運(yùn)算速度高的優(yōu)勢實現(xiàn)貨物信息的快速、動態(tài)提取與識,

從而構(gòu)成以高速DSP為核心的復(fù)雜計算和控制的嵌入式自動分揀控制系統(tǒng)。頻

捕捉+DSP平臺處理的方法來實現(xiàn)。對應(yīng)這個方案,確定了系統(tǒng)使用的DSP平

臺、外圍電路和視頻采樣電路，挨次進(jìn)行硬件設(shè)計。對于視頻圖象的識別，我們

采用了DSP（數(shù)字信號處理器）嵌入式平臺實現(xiàn)，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單、成本

低，對環(huán)境要求低，適于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的使用。利用DSP集成電路芯片其運(yùn)算

速度高的優(yōu)勢實現(xiàn)貨物信息的快速、動態(tài)提取與識別，從而構(gòu)成以高速DSP為

核心的復(fù)雜計算和控制的嵌入式自動分揀控制系統(tǒng)⑶。

5技術(shù)路線

5.1系統(tǒng)總體解決方案

本設(shè)計的目的是運(yùn)用DSP技術(shù)實現(xiàn)對分揀機(jī)的上包、回包及落包檢測等功

能。以回包檢測為例，在分揀過程中，貨包經(jīng)上包臺進(jìn)入^環(huán)形的分揀軌道,當(dāng)

貨包運(yùn)行到對應(yīng)的格口時，承載貨包的托盤4中交叉帶轉(zhuǎn)動，使貨包落入分揀格

□,這個過院成為了貨物的自動分揀。但在實際運(yùn)行過程中，可能由于某些因

素的影響，如交叉帶未轉(zhuǎn)動，使貨包沒有落入對應(yīng)的格口，而隨軌道的運(yùn)行又

轉(zhuǎn)回到上包臺,這種情況下，如果系統(tǒng)不知道貨包的循環(huán)返回，就會導(dǎo)致后面

的上包故障。所以我們需要在上包臺的前面設(shè)置一定的檢測機(jī)制，當(dāng)有貨包隨

軌道轉(zhuǎn)回來的時候，能夠及時將回包的信息通知系統(tǒng)，以便做出相應(yīng)處理，分

揀機(jī)的這個

功能就是回包檢測。上包與落包的檢測任務(wù)也是自動識別系統(tǒng)運(yùn)行的故障，阻撓

謝東、漏檢事故的發(fā)生，上包、回包及落包檢測功能對于保證整個系統(tǒng)的安全運(yùn)

行有著重要作用。傳統(tǒng)的上包、回包及落包檢測采用光電開關(guān)的方式進(jìn)行貨包信

，夠取，即在分揀機(jī)的軌道兩側(cè)，安裝有一對透過式紅外光電開關(guān)，稱為主同步

光電開關(guān),其位置主要根據(jù)分揀機(jī)速度、上包機(jī)位置及上包速度來確定,普通應(yīng)

放在上包機(jī)前方（在分揀機(jī)運(yùn)行方向上）。主同步光電開關(guān)用于計數(shù)托盤小車，并

發(fā)出同步脈沖，將得到的信息傳給PLC⑹。控制同步上包、數(shù)據(jù)同步跟蹤及落包

等。這種用光電開關(guān)進(jìn)行檢測的方法，不能得到準(zhǔn)確的貨包位置，而普通的交叉

帶式托盤分揀機(jī)能夠根據(jù)貨包的大小、位置確定托盤帶的啟動時間和轉(zhuǎn)速，圻以

需要改進(jìn)技術(shù)，采樣新的方式進(jìn)行檢測。

5.2硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)中，其硬件系統(tǒng)由主控CPU（DSP）、邏輯控制（FPGA）、視頻采樣

（CMOS圖象傳感器）、通訊（USB或者RS485）、存儲器（SDRAM和外接

Flash存儲卡）等部份構(gòu)成，包括以下幾個功能模塊：由DSP電路、FPGA電

路、存儲器電路、采樣電路等模塊組成⑺。采用FPGA產(chǎn)生圖象傳感器所需

的點頻、行場同步信號以及控制寄存器的控制時序，同時，它還完成對

CMOS彩色圖象象傳感器愉出的數(shù)字圖象信號預(yù)處理的工作，包括對接收的R、

G、B三種基色的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合和適當(dāng)?shù)谋壤儞Q等，以使DSP能進(jìn)

行更加有序的快速處理。此外，DSP對SDRAM和外接Flash存儲卡的訪問

以及SDRAM的刷新等操作也通過FPGA實現(xiàn)。DSP負(fù)責(zé)對預(yù)處理后的原始

數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色校正、JPEG壓縮、存儲、圖象識別，并提供通用的USB或者

RS485接口,以實現(xiàn)圖

像及資料的上傳。經(jīng)過顏色校正后的R、G、B數(shù)字信號,通過LCD驅(qū)動電路

實現(xiàn)在LCD顯小屏上的顯小(8)0

6預(yù)期的研究成果及課題的創(chuàng)新點

6.1預(yù)期的研究成果

本課題預(yù)期的研究成果是開辟出一套完整的快遞自動分揀系統(tǒng)。主要包括如

下幾項研究成果。

(1)開辟出一套完成的快遞自動化分揀平臺。能夠智能快速地分揀物流產(chǎn)品。

(2)設(shè)計出穩(wěn)定可靠的快遞自動分揀設(shè)備，實現(xiàn)人工勞動強(qiáng)度的降低。

6.2課題的