激光扫描自动拆垛装置及方法与流程

本发明涉及物流自动化控制技术领域，具体地指一种激光扫描自动拆垛装置及方法。

背景技术：

近年来，国内众多的企业对成品库自动化物流系统的改造方兴未艾，而拆垛、码垛机器人是其中必不可少的单机设备，主要承担着物流系统中成品入库、出库的码垛、拆垛工作，其实质也是一种通用的工业搬运机器人。而且只需对该类机器人手爪卡具作简单改型，就可以广泛应用于家电、食品、汽车等行业的自动化物流系统中，因此开发高性能、低成本、具有自主知识产权的码垛拆垛机器将有广阔的市场前景。其中，拆垛机是现代企业成品仓库的主要作业机械，广泛应用于粮油、面粉、饲料、食盐以及化肥、水泥等行业成品库的各种包装袋堆垛后的拆垛及装车。虽然国内现在具备多种功能各异的拆垛机设备，但多数存在着结构简单、功能单一、移动不便、操作困难等缺点。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中的不足之处，提出了一种激光扫描自动拆垛装置及方法，实现在暗黑环境下的自动拆垛工作。

为实现上述目的，本发明所设计的激光扫描自动拆垛装置，其特殊之处在于，所述拆垛装置包括安装于货物堆放处周围的立体滑动导轨，所述立体滑动导轨上设置有与之滑动配合的移动滑块，所述移动滑块上设置有激光扫描仪、抓斗和嵌入式处理器，

所述激光扫描仪：用于采集与货物的距离信息并传输至嵌入式处理器；

所述抓斗：包括舵机、机械臂和传感器，所述舵机用于根据嵌入式处理器传输的控制指令调节控制机械臂的伸缩与开合；所述机械臂用于根据控制指令对货物进行拆卸；所述传感器用于采集距离值；

所述嵌入式处理器：用于将激光扫描仪采集的与货物的距离信息转换为图像信息，并计算出货物大小、与抓斗的距离，向抓斗、立体滑动导轨传输控制指令，并根据抓斗上传感器的采集值判断是否抓到货物；

所述立体滑动导轨：包括横向导轨和纵向导轨，所述横向导轨和纵向导轨分别在横向步进电机和纵向步进电机的驱动下滑动，所述横向步进电机和纵向步进电机根据嵌入式处理器传输的控制指令驱动导轨。

进一步地，所述嵌入式处理器包括uart模块、图像转化模块、外部存储器、图像处理模块、pwm模块；

所述uart模块：用于将获取的激光扫描仪采集的与货物的距离与角度信息发送至图像转换模块、激光扫描仪的角度信息发送至存储器；

所述图像转换模块：用于将激光扫描仪采集的与货物的距离与角度信息经过计算转换为图像灰度值，形成货物图像信息；

所述外部存储器：用于存储货物图像信息；

所述图像处理模块：用于根据存储器里的存储信息，经过动态二值化处理得到货物所在位置、轮廓以及与抓斗的平均距离，计算激光扫描仪的旋转角度、抓斗机械臂的伸缩长度与开合大小、立体滑动导轨的横向步进电机和纵向步进电机的驱动力大小，并发送至pwm模块；

所述pwm模块：用于发送pwm波至激光扫描仪、抓斗舵机和立体滑动导轨的横向步进电机和纵向步进电机。

更进一步地，所述激光扫描仪包括安装在激光头上的伺服电机，所述伺服电机根据嵌入式处理器的控制指令调整激光头的旋转速度，并将激光头的角度信息通过串口通讯发送至嵌入式处理器。

更进一步地，所述嵌入式处理器还包括pid模块和定时器中断模块，所述pid模块用于对抓斗的运动进行控制，达到闭环控制的目的，使得抓斗精确并快速地进行货物的拆卸，所述定时器中断模块用于控制pid模块的运行周期。

更进一步地，所述嵌入式处理器还包括dma模块：用于将图像转换模块转换后的图像信息快速传输至外部存储器中。

更进一步地，所述立体滑动导轨包括用于固定和支撑的四个底座，所述横向导轨和纵向导轨安装于底座上。

更进一步地，所述激光扫描自动拆垛装置还包括蓝牙模块和wifi模块：所述蓝牙模块用于将图像转换模块转换出的图像信息发送至上位机，所述wifi模块用于与pc通讯。

一种用于上述激光扫描自动拆垛装置的方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

1)所述激光扫描仪采集与货物的距离信息并发送至嵌入式处理器；

2)所述嵌入式处理器根据激光扫描仪与货物的距离信息转为为图像信息，并对图像进行动态二值化处理，获得货物的大小、与抓斗的距离；

3)所述嵌入式处理器计算抓斗机械臂的伸缩长度与开合大小、立体滑动导轨的横向步进电机和纵向步进电机的驱动力大小，并转换为控制指令；

4)所述横向导轨和纵向导轨分别在横向步进电机和纵向步进电机的驱动下滑动；所述抓斗根据控制指令对货物进行拆卸；

5)所述抓斗的传感器采集距离值，并传输至嵌入式处理器，所述嵌入式处理器判断是否抓到货物，是则拆垛结束，否则返回步骤3)。

优选地，所述步骤1)的具体步骤包括：

11)控制横向步进电机、纵向步进电机，使激光扫描仪位于横向导轨的中部、纵向导轨的顶部；

12)所述激光扫描仪采集旋转－45°～+45°的距离信息并发送至嵌入式处理器；

13)所述嵌入式处理器控制纵向步进电机步进，步进数量加1；

14)重复步骤12)、13)直至步进数量达到设定值，此时激光扫描仪位于纵向导轨的底部。

优选地，所述步骤5)中通过抓斗上的传感器获得机械臂与实际货物之间的距离误差，嵌入式处理器通过增量式pid算法消除误差并对货物进行准确的抓取，增量式pid算法的公式如下所示：

preverror＝lasterror；

lasterror＝error；

error＝get_value；

iincpid＝(proportion*(error-lasterror)+integral*lasterror+derivative*(error-2*lasterror+preverror))；

其中，get_value是传感器测得的距离误差值，error是本次的误差值，lasterror是上个测量周期的误差值，preverror是上上个测量周期的误差值，iincpid是需要增加的输出量。proportion是比例系数，作用是对偏差瞬间作出反应；integral是积分系数，作用是消除静态误差；derivative是微分系数，作用是阻止偏差的变化。三个系数协调作用达到消除误差的目的。

本发明在滑动导轨上设有连接于嵌入式处理器的激光扫描测距传感器，激光扫描仪可将各个方向测得的数据传递到嵌入式处理器，嵌入式处理器通过对这些数据进行处理得到扫描货物的轮廓和与激光扫描仪之间的距离，并通过抓斗根据嵌入式处理器的控制指令移动到目标位置进行抓取工作，激光扫描仪不停地扫描，实时更新拆垛情况，并将该情况通过蓝牙传输实时传递到电脑上供操作人员监控。本发明无论在明亮或者黑暗的环境下都能正常工作，适用于复杂的拆垛工作，弥补了传统拆垛机适应能力弱、功能单一和视觉能力差的缺点，智能化得到了很大的提升。

本发明与现有技术相比具有如下突出特点：

1)将激光头不停地旋转从而达到全方位扫描的目的，并且可以通过pwm控制激光头扫描的速度，使得激光头在不丢失数据的情况下，达到最佳的扫描状态。

2)立体滑动导轨采用横纵均可移动的导轨，是抓斗能够达到平面内的各个位置。

3)激光扫描仪相比于摄像头，能够更好的适应黑暗的环境，并且基本上不受环境温度的影响。

4)激光扫描拆剁机相比于传统拆剁机，能够及时发现因为抓斗失误而未被拆卸下来的货物。

5)此拆剁装置装有蓝牙模块，能够实时的将扫描数据传递到电脑，方便了操作人员的实时监控，能够及时的处理紧急情况。

6)处理多个距离数据时采用了动态阈值的方法，使得单片机能够快速得到货物的准确轮廓和货物与抓斗的准确距离。

7)嵌入式处理器通过控制两台步进电机的同步运行，使得抓斗直线到达目的位置，缩短了时间节约了能耗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中嵌入式处理器的结构框图。

图3为本发明的方法流程图。

图中：激光扫描仪1，抓斗2，嵌入式处理器3，uart模块3-1，图像转化模块3-2，存储器3-3，图像处理模块3-4，pwm模块3-5，pid模块3-6，定时器中断模块3-7，dma模块3-8，立体滑动导轨4，横向导轨4-1、纵向导轨4-2，横向步进电机4-3，纵向步进电机4-4，底座4-5，移动滑块5，蓝牙模块6，wifi模块7。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种激光扫描自动拆垛装置包括安装于货物堆放处a周围的立体滑动导轨4，立体滑动导轨4上设置有与之滑动配合的移动滑块5，移动滑块5上设置有激光扫描仪1、抓斗2和嵌入式处理器3。

激光扫描仪1：用于采集与货物的距离信息并传输至嵌入式处理器3。激光扫描仪1包括安装在激光头上的旋转电机，旋转电机根据嵌入式处理器3的控制指令调整激光头至相应角度，并将激光头的角度信息发送至嵌入式处理器3。激光扫描仪1采用低成本360度二维激光扫描测距系统(rplidar)，这个传感器采用串口通信，与uart模块3-1通讯。

抓斗2：包括舵机、机械臂和传感器，舵机用于根据嵌入式处理器3传输的控制指令调节控制机械臂的伸缩与开合；机械臂用于根据控制指令对货物进行拆卸；传感器用于采集距离值。

嵌入式处理器3：用于将激光扫描仪1采集的与货物的距离信息转换为图像信息，并计算出货物大小、与抓斗2的距离，向抓斗2、立体滑动导轨4传输控制指令，并根据抓斗2上传感器的采集值判断是否抓到货物。嵌入式处理器3通过pwm控制激光头扫描的速度，使得激光头在不丢失数据的情况下，达到最佳的扫描状态。

立体滑动导轨4：包括横向导轨4-1、纵向导轨4-2和用于固定和支撑的四个底座4-5，立体滑动导轨4包括横向导轨4-1和纵向导轨4-1安装于底座4-5上，便于对滑动导轨进行安装和调整。横向导轨4-1和纵向导轨4-2分别在横向步进电机4-3和纵向步进电机4-4的驱动下滑动，横向步进电机4-3和纵向步进电机4-4根据嵌入式处理器3传输的控制指令驱动导轨。

为了给步进电机驱动及单片机电路板供电，需要220v转直流电源12v电源模块，该模块安装于立体滑动导轨4边缘；12v转5v及5v转3.3v电源芯片安装在单片机电路板上，所用芯片型号分别是lm2940和lm1117。整个装置接上220v交流电即可正常工作。

嵌入式处理器3基于cortex-m4内核的32位mcu实现，该微处理器处理速度快，功耗低，并且自带看门狗功能，能够防止程序跑飞的情况，在跑飞的时候立刻停止操作。另外通过降压模块和ad采集模块对电池电量实时监控，当嵌入式处理器3和激光扫描仪1供电不足时能够立即向上位机发送信号，并且停机。每次激光扫描前，嵌入式处理器3都会获取激光扫描仪1的健康状况，从而保证激光扫描仪1在正常的情况下运作。这些安全措施都保证了此仪器的正常运行。

如图2所示，嵌入式处理器3包括uart模块3-1、图像转化模块3-2、外部存储器3-3、图像处理模块3-4、pwm模块3-5、pid模块3-6、定时器中断模块3-7、dma模块3-8。其中，uart模块3-1用于将获取的激光扫描仪1采集的与货物的距离信息发送至图像转换模块3-2、激光扫描仪1的角度信息发送至存储器3-3；图像转换模块3-2用于将激光扫描仪1采集的与货物的距离信息经过动态二值化处理转换为图像信息；外部存储器3-3用于存储图像信息，由于内部存储器容量有限，添加外部扩展器与嵌入式处理器3相连，用于存储货物图像信息；图像处理模块3-4用于根据存储器3-3里的存储信息，经过动态二值化处理得到货物所在位置、轮廓以及与抓斗的平均距离，计算激光扫描仪1的旋转角度、抓斗2机械臂的伸缩长度与开合大小、立体滑动导轨4的横向步进电机和纵向步进电机的驱动力大小，并发送至pwm模块3-5；pwm模块3-5根据图像处理模块3-4输出的控制指令，通过嵌入式处理器定时器的pwm输出功能，直接获取多个通道的pwm波，并发送至立体滑动导轨4的横向步进电机4-3和纵向步进电机4-4驱动、激光扫描仪1中的小型伺服电机和抓斗2舵机。pid模块3-6用于对抓斗2的运动进行控制，定时器中断模块3-7用于控制pid模块3-6的运行周期。dma模块3-8用于将图像转换模块3-2转换后的图像信息快速传输至外部存储器3-3。

本发明激光扫描自动拆垛装置还包括蓝牙模块6，蓝牙模块6用于将图像转换模块3-2转换出的图像信息发送至上位机。此外，为了便于控制人员实时观测该系统的运行状态，还在该系统中加入了wifi模块7，通过采用esp8266wifi模块，实现互联网或局域网的通讯，达到远程与pc通讯的目的，从而实现将嵌入式处理器3处理后的数据传递到服务器上供用户实时获取。

本发明工作时，激光扫描仪1会不断的扫描货物与抓斗2的距离，并且通过嵌入式处理器3迅速处理得到的数据，得到货物轮廓，然后通过计算得到步进电机需要移动的步数。同时，通过蓝牙模块6将图像数据发送到上位机，方便人们实时观测货物的拆卸情况。

如图3所示，基于上述激光扫描自动拆垛装置的方法，包括如下步骤：

1)嵌入式处理器3、横向步进电机4-3和纵向步进电机4-4复位。

2)控制横向步进电机4-3、纵向步进电机4-4，使激光扫描仪1位于横向导轨4-1的中部、纵向导轨4-2的顶部；

3)激光扫描仪1采集旋转－45°～+45°的距离信息并发送至嵌入式处理器3；因为这一部分数据是扫描到货物的有效数据。

4)嵌入式处理器3控制纵向步进电机4-4步进，步进数量加1；

5)重复步骤3)、4)直至步进数量达到设定值，本实施例中设置为90步，此时激光扫描仪1位于纵向导轨4-2的底部。

6)嵌入式处理器3根据激光扫描仪1与货物的距离信息转为为图像信息，并对图像进行动态二值化处理，获得货物的大小、与抓斗2的距离。当步进电机运行到指定步数的时候，步进电机停止，嵌入式处理器3立刻将存储的数据进行处理并组合成一幅图像，通过动态二值化的方法对图像进行处理，得到货物的轮廓。

同时通过蓝牙模块7传到上位机进行显示，便于操作者观察。处理完的数据再通过蓝牙模块7发送到电脑，电脑串口接收到数据后传给上位机进行显示，通过距离的不同来设置不同的灰度值，通过不同的灰度值能够清楚的看到货物的位置，供控制人员观测。

虽然激光扫描仪1是360°全角度扫描，但是需要采集的范围是90°，当嵌入式处理器3检测到激光头在此范围，通过pwm模块3-5控制激光扫描仪1放慢采集速度，而超过这个范围的数据可以舍弃并加快采集速度。由于采集到的数据是点到面的距离，采用下面公式转化成面到面的距离：

direct_dst＝|distance*cos(angle*π/180.0)|

其中direct_dst为直线距离，distance为激光扫描仪实际所测距离，angle为传感器转过的角度。

7)嵌入式处理器3处理图像数据并控制抓斗2自动地到达目标位置进行货物的抓取工作。嵌入式处理器3通过抓斗2上的传感器判断抓取货物是否成功，采用距离传感器时将抓取后的距离值与设定值比较。

当数据处理完成后，嵌入式处理器3产生中断，在中断程序中通过pid模块3-6的位置式pid算法控制导轨上的两个步进电机使得抓斗到达货物中心位置。然后通过增量式pid算法控制抓斗2中的两个舵机工作，使得抓斗2张开和所算出来货物轮廓一样的大小，对货物进行抓取。其中增量式pid的优势在于可以避免着重现象的发生，而位置式pid的优势在于控制精确。

通过抓斗2上的传感器获得机械臂与实际物体之间的距离误差，通过增量式pid消除误差并对货物进行准确的抓取，增量式pid的公式如下所示：

preverror＝lasterror；

lasterror＝error；

error＝get_value；

iincpid＝(proportion*(error-lasterror)+integral*lasterror+derivative*(error-2*lasterror+preverror))；

其中get_value是传感器测得的距离误差值，error是本次的误差值，lasterror是上个测量周期的误差值，preverror是上上个测量周期的误差值，iincpid是需要增加的输出量，proportion是比例系数，作用是对偏差瞬间作出反应；integral是积分系数，作用是消除静态误差；derivative是微分系数，作用是阻止偏差的变化。三个系数协调作用达到消除误差的目的。

设定一个距离误差，在误差范围内的距离视为同一个距离。通过广度遍历的算法，快速遍历所有的数据，将整个二维数组里的数据分成几块区域。通过对不同区域进行分析，便可找到货物所在区域。嵌入式处理器3很快便可得到货物的轮廓和距离机械臂的高度，对货物有精确的定位。广度遍历算法的优势在于处理数据快，数据区分很明显。

8)当抓取工作完成后，激光扫描仪1又会进行新的一轮扫描，返回步骤1)。如此循环，实现智能化拆垛功能。

本发明在保证效率的同时，能够及时处理拆卸时出现的意外情况，另外对于摆放随意的货物也能按次序进行拆卸，适应于拆卸任何码垛方式的货物，即使在黑暗中也能正常运行。

另外本实施例的激光扫描系统不仅仅适用于拆垛系统，更可以应用于各个方面，特别是那些环境恶劣或者灯光黑暗的地方，相比于摄像头对货物轮廓的采集，此激光扫描装置不局限于光线因素，并且测量货物距离的精度非常高，可以应用于山洞内部轮廓的扫描、湖底地形的扫描和家庭智能机器人等方面。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明专利所附权利要求的保护范围。本说明书中未作详细描述的部分属于本领域专业技术人员公知的现有技术。