一种基于二维码定位的智能仓储移动机器人系统的制作方法

本实用新型属于智能仓储控制技术领域，具体涉及一种智能仓储移动机器人系统。

背景技术：

随着电子商务的快速发展，现代物流仓储系统具有仓库规模巨大，存货种类繁多，对配货时间短及运行成本低的要求极高的特点，如果采用传统的人工运行方式，显然无法满足上面的要求，使用仓储机器人代替人工完成仓储系统内部的工作已经成为一种可行的方法，其前景很被看好。21世纪以来,机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一，国内外产业界对机器人技术引领未来产业发展也寄予厚望。

智能仓储搬运技术的发展过程中产生过几种主流的解决方案，例如：

基于传送带/传送轨道的方案：自动化仓储技术里面运用最早的一种技术，是一种主要基于传统机械的技术。该方案首先需要在建筑仓库时即进行各种复杂的规划布局，建造成本高，使用过程中耗电量大，系统健壮性低，容易因为某些部件出问题导致整个仓库系统瘫痪，维护成本高，自动化的灵活性低，只实现了自动运输，效率低，不适合现代电子商务仓库品种繁多、批次大量的特点，主要运用于一些固定的生产线等地方。

基于自动导航车的方案：目前采用较多的一种方案，装备有电磁或光学等自动导引装置，它能够沿规定的导引路径行驶，一般需要在仓库地面事先布置好电磁或光学路线装置，同时由于电磁或光学等装置易受环境污染而导致自动导航车偏航且无自动校正能力而瘫痪，由于只能按照预定的路线行走，路径规划相对简单但是一般很难是整个仓库的最优路径，所以缺乏灵活性且在繁忙的仓库效率较低。

基于机械手的方案：这是一种灵活性较高的方案，但是由于有效活动范围较小，不使用大范围的仓库，一般只由于小范围货物分拣及搬运。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种基于二维码定位的智能仓储移动机器人系统，改进并实现了手机客户端、仓库服务端、机器人端的校准定位ARM模块、自主定位及控制模块三大部分，形成一个快速准确实现智能仓储搬运的移动机器人的系统。

本实用新型具体通过如下技术方案实现：

一种智能仓储移动机器人系统，包括手机客户端、机器人模块以及服务器，其中，所述手机客户端、服务器和机器人模块通过无线通信网络通信；所述机器人模块包括ARM芯片、arduino芯片、摄像头、电机驱动模块以及机器人本体；所述手机客户端扫描商品二维码获取商品信息下单并实时传送给服务器进行下一步响应；所述服务器进行路径规划，获得只含拐点坐标的路径，实现机器人模块的控制及方向校正；所述机器人模块利用陀螺仪加里程计来定位，同时，所述摄像头扫描仓库地面的二维码，利用仓库二维码的布置方案进行机器人模块的内部定位校正。

本实用新型的有益效果是：本实用新型设计了完整的智能仓储机器人系统，通过对整个仓库建立合适的栅格化地图并存储在计算机里进行已知地图的路径规划，小机器人的实时定位不仅采用了陀螺仪加里程计的内部定位方式，还加入了现在非常流行的二维码技术，通过扫描按一定规则贴在地面上的存储了仓库位置信息的二维码并解码出信息对当前的内部定位进行校正，这样做有效地消除了内部定位的累积误差，获得准确的定位，使机器人能更准确到达目的点准备进行货物搬运。

附图说明

图1是本实用新型的智能仓储移动机器人系统硬件框架图；

图2是本实用新型的智能仓储移动机器人系统软件框架设计流程图；

图3是A*算法移动机器人路径规划流程图；

图4(a)是改进前的路径坐标轨迹示意图；

图4(b)是改进后的路径坐标轨迹示意图

图5是机器人内部定位计算方法分析示意图；

图6是陀螺仪地理x0y坐标系和仓库x'0y'坐标系

图7是基于二维码的外部定位校正及方向校正的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。

本实用新型的智能仓储移动机器人系统以中央服务端为中心，上接手机客户端，下接ARM板及aduino板，系统硬件框架及各模块通信方案如附图1所示。

整个硬件系统平台的工作过程：首先手机端APP扫描商品二维码后下单将商品信息通过公网发送到仓库的中央服务端，中央服务端在数据库获得商品的位置信息之后，根据机器人的当前位置和仓库的已知栅格化地图运用A*算法进行路径规划，计算出最优的运行路径，服务端通过WiFi模块将此路径最终传送给机器人上的arduino模块，arduino依据自身陀螺仪和里程计的定位算法和控制算法控制机器人按照规划的路径行走，同时机器人在运行过程，arm板的摄像头实时拍取地面上存取了仓库坐标的二维码并解码出坐标传输给arduino模块校准自身定位算法的累积误差，使机器人准确运行到要搬运的货物处准备搬运。

机器人间和机器人内部各模块间的WiFi通信可以用其他的无线通信技术来代替，例如组网能力更强的ZigBee或者3G、4G等。

如附图2所示为本实用新型设计的智能仓储移动机器人系统软件框架，下面详细阐述各个功能模块的方案及算法实现。

1、服务端的改进A*路径规划算法

环境建模是建立一个便于室内移动机器人进行路径规划使用的环境地图模型，首先建立栅格化地图，地图上的栅格采用行列划分的矩阵存储方法，格子的信息将记录在存储器的栅格存储阵列中的第i行、第j列，记为G(i，j)。采用这种“栅格—存储”的映射办法，可以建立起整幅地图。栅格法的模型建立起来后，就应当对模型进行信息的编码。编码格式如下：1——当前栅格有障碍，0——当前栅格无障碍。

本实用新型根据实际仓库(如附图4(a)所示)布置规则的特点，提出适合机器人在栅格中的行走的规则：直行、后退、左转90度、右转90度。

首先，在A*算法中给出以下定义:

k——路径规划中已规划过的某一个节点；

g_i——路径规划搜索过程中的栅格节点；

g_i·x,g_i·y——分别为节点的横、纵坐标；

g(k)——初始节点到k的实际移动距离；

h(k)——启发函数,k到Te的启发距离；

f(k)——节点k的路径评价函数；

O——存放等待扩展的节点的队列集合；

C——存放已扩展过节点的队列集合；

n_e——扩展节点函数,当节点不是障碍点或之前没被扩展过，执行插入节点函数，将其插入O列表；

n_i()——插入节点函数,将节点按f值的大小降序放入O列表。

A*算法在人工智能中是一种典型的启发式搜索算法，其启发中的估价是用估价函数表示的，如下式所示：

f(k)＝g(k)+h(k) (1)

从起始节点出发,依次对当前节点的子节点权重进行更新,并用子节点中权重最小者对当前节点更新,直至遍历所有节点或者到达目标节点为止。采用栅格地图和四邻域节点扩展法,将移动机器人以当前节点k到目标点Te的Euclidean距离作为启发式函数

在移动机器人r路径规划过程中,采用评价函数f(k)最小的节点作为扩展节点,并将该节点存入存放已扩展过节点的队列集合的C列表,直至扩展至目标节点。附图3出A*算法的流程.通过计算获得初始规划路径P_i。

用附图3所示的算法在实验环境地图中规划好一条最优路径P_i，但是路径中包含了规划轨迹中冗余点的坐标，从而导致室内移动机器人在行走过程中难以在拐点处自主进行姿态调整。针对上述问题，本实用新型对算法进行了个方面的改进：1)简化路径坐标点，仅保留路径点中的起点、拐点和终点；2)计算出机器人在拐点处的旋转方向和旋转最小角度，以便机器人能够根据拐点的角度和方向调整自身姿态。图4(a)是改进前的路径坐标轨迹，附图4(b)是改进后的路径坐标轨迹。

2、arduino模块的内部定位算法

基于仓库移动机器人在平面地板上导航的前提假设，用2-D框架来描述这个问题是可行的，确定仓库坐标系后，机器人的位姿可用一个三维状态向量

X'＝[x',y',θ]^T (3)

表示，其中θ表示机器人朝向偏离仓库坐标系x'轴的夹角，角度范围为[0,2π]。所以一个精确的仓库移动机器人系统需要解决的问题就是机器人的位置坐标的准确定位及方向的准确控制。

定位是确定机器人在其工作环境中所处位置的过程。对于移动机器人来说，精确的位置估计是实现自主导航的必要内容。

本实用新型的机器人内部定位应用航迹推算的方法，利用霍尔传感器测量出机器人运行过程中电机脉冲的变化量Δp，根据里程计计算模型公式(4)计算出实时里程。

d＝(d₀*π)/p₀*Δp+e (4)

其次，应用陀螺仪测量出机器人的实时地理航向，再根据这两者的数据建立航迹推算算法，不断迭代算出机器人的位置及姿态。

其模型分析如附图5所示。当机器人从d(i)位置走到d(i+1)，机器人行驶了一段极小的距离Δd，里程Δd和航向角θ已利用传感器得到，所以机器人下一点d(i+1)的位置定位计算为：

其中x(i)、y(i)和y(i+1)、y(i+1)分别为前一时刻及当前时刻的x轴和y轴坐标，Δd为这段变化时刻走过的距离，θ为这段时刻的航向变化角度。

陀螺仪坐标系是地理坐标系x0y系，仓库坐标系是用户坐标系x'0y'系,如附图6所示。因此，为了能够在统一的标准下来衡量机器人的定位，本实用新型按公式(5)将地理坐标系坐标变换到仓库坐标系。基于此，便可以将传感器测得的机器人坐标方便地表示为仓库坐标，为后续的机器人定位及运行做准备。

3、基于二维码的外部定位校正算法及方向校正算法

机器人定位首先采用基于内部传感器的陀螺仪与里程计结合的航迹推算方法，此方法在局部的小范围定位具有较高的精度，大范围时主要由于具有其自身无法纠正的累积误差导致定位误差越来越大。所以要实现仓库的大范围定位，须在结合基于外部传感器的方法。基于此，本实用新型创新性地利用当前热门的二维码技术进行机器人的外部定位。当然，基于二维码的外部定位算法可以用基于机器视觉的环境感知算法替代。

二维码用某种特定的几何图形按一定规律在平面分布的黑白相间的图形记录数据符号信息，能在很小的面积内表达大量的信息，且具有抗损毁能力，所以适用于用来存储仓库的位置信息。

根据仓库地图的特点及机器人内部定位误差的大小，在大量的实验的基础上得出二维码布置规则如下：

(1)按照30cm的间距在道路上的栅格中心布置；

(2)在仓库地图的各个转角处也必须放置二维码。

其中规则(2)是为了机器人在转角处能够准确的进行转弯及方向校正。

在完成二维码布置之后，本实用新型的二维码解码采用Google公司开源的专门用于二维码编解码的zxing库，硬件采用了适合软件移植的基于Linux操作系统的ARM平台，通过将zxing库交叉编译后移植到嵌入式ARM上后，就可以进行二维码的判定及解码。二维码的解码可以用zbar二维码库替代。

根据描述机器人运动模型的三维状态量

X'＝[x',y',θ]^T

可知，机器人能够准确到达目的点条件出了运行过程中的坐标要准确，其运动的方位也必须是准确的。所以本实用新型提出了当在通过二维码进行位置校正之后，同时通过传感器感知当前的方位θ_k，并与理论正确方位θ'_k进行比较，当

θ_k-θ'_k＞ε

时，机器人在原地进行转向，校正到准确方位。其中理论正确方位

本实用新型的基于二维码的外部定位校正及方向校正的算法实现如附图7所示。

在上述理论的基础上，可以更进一步地实现内容丰富、形式多样化的功能应用。

(1)多仓储机器人组网系统，任务优化分配

由于现代仓储物流的规模和复杂性不断增加，在基于本实用新型单机器人系统的基础上，可以采用多移动机器人系统，有效地利用机器人之间的相对定位和信息分享机制，提高系统效率和任务完成的质量。随着物联网技术的发展，移动自组网、无线传感网等技术为多移动机器人的灵活、高效组网提供了解决思路。通过建立优化的智能系统体系结构并对多移动机器人协作过程进行建模分析，在此基础上研究如何高效的融合无线自组网的组网方式，可以有效提高整个多移动机器人系统各组件的协作能力。

任务分配是多机器人系统研究领域的基础性问题,其重要性随系统规模和任务复杂度的增加而迅速增加。寻找较好的智能仓储机器人任务分配方法，以博弈论纳什均衡为基础,研究多机器人的任务分配问题，找到一个使多机器人系统完成任务的全局最优任务分配方法。

(2)未知地图动态更新，路径动态规划仓储系统

移动机器人对工作环境地图信息的获取与更新是移动机器人在未知环境中正常工作的重要前提。可以通过摄像头、激光传感器、超声波传感器、红外传感器等对未知的环境进行感知，在已知地图的基础上不断更新地图或者在完全未知的地图上进行及时地图的创建并根据多机器人之间可以进行实时通信和信息共享,进行将速度障碍和行为动力学方法相结合的动态路径规划。在该方法中,充分考虑动态障碍物和其它机器人的速度信息,可为机器人完善避障和避碰行为的姿态角动力学和速度动力学,可有效的防止机器人在动态路径规划时出现提前避障或躲避不及等避障失败现象。

(3)餐厅服务机器人

餐厅的地图环境与仓库类似，一般情况下比仓库规模小得多，但是障碍物的摆放相对仓库没有那么规则，同时餐厅的可移动障碍物比较多，例如顾客、服务员，同时餐厅机器人属于一种服务性质的娱乐机器人，对机器人的人机交互体验和安全性能要求较高。基于本实用新型的仓库机器人系统，可以建立在餐厅的环境地图的基础上，增加基于机器视觉的对动态餐厅环境的感知，强化机器人的防碰撞安全机制，同时添加语音交互、智能机械手、顾客表情识别等人工智能模块，提高机器人可靠性的同时也增加了机器人的服务性和娱乐性。

(4)无人驾驶汽车

无人驾驶汽车开发的关键技术主要有两个方面:车辆定位和车辆控制技术。这两方面相辅相成共同构成无人驾驶汽车的基础。基于采用基于GPS的全局定位和基于本实用新型的航迹推算的局部定位技术，并在公路的关键位置放置二维码路标，存储位置信息、导航信息、环境信息等，通过无人驾驶车上的摄像头采集获取这些有用的信息进行更精确导航及对环境智能化感知并作出一些决策，如旅游信息、餐饮信息等获取并判断是否改变行程等。

(5)智能轮椅

智能轮椅作为一种服务机器人，具有自主导航、避障、人机对话以及提供特种服务等多种功能，可以大大提高老年人和残疾人的日常生活和工作质量。基于本实用新型，可以设计一种在室内、小区、公园等场所的完全自主轮椅机器人，在这种已知大部分环境地图的场所，可以基于本实用新型改进实现自主定位、路径规划、导航等；除此，当需要去未知的场所，可以采用设计半自主导航系统，基于本实用新型的定位导航的基础上，加与机器视觉、激光传感器等，实时进行地图创建，并且利用语音识别、手势识别、脑电波控制等技术，可以实现轮椅上的人对轮椅机器人随心所欲的控制，令残疾人可以实现无人监护的外出等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。