基于图像识别的移动小车自动分拣搬运物品的装置及方法与流程

本发明属于仓库物流自动化技术领域，特别是一种基于图像识别的移动小车自动分拣搬运物品的装置及方法。

背景技术：

随着现代化工业的迅猛发展，已有越来越多的生产企业将目光聚焦到生产成本的降低上，以期提高市场竞争力。对于生产企业而言，其加工、转运、流通等各个环节都离不开搬运操作。因此，搬运工作的高效与否将直接影响企业的生产效率，进而影响生产成本。传统搬运方式，一般采用人工及半人工搬运方式，这种方法通常会造成人员设备投资高、利用率低下。因此，我们需要设计一种能够实现自动寻迹、自动分拣搬运货物的搬运车，从而对传统搬运方式的智能化和现代化程度进行改善和提升，进而实现降低生产成本的目的。

目前，在理论上能实现搬运车自动寻迹的导引方式有很多，例如：电磁感应导引、超声波导引、激光导引、惯性导引等。这些导引方式虽然都能较准确的完成搬运车的自动寻迹，但其或者是辅助设备多，控制系统相对复杂且成本较高，或者是灵活性差、改变路径麻烦。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可靠性高、安全稳定的基于图像识别的移动小车自动分拣搬运物品的装置及方法，从而解决物流仓库的分拣搬运自动化问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于图像识别的移动小车自动分拣搬运物品的装置，包括图像采集处理终端部分和移动搬运小车两部分，其中图像采集处理终端部分固定设置于工作区域上方，移动搬运小车部分包括设置在移动搬运小车上且均与车载CPU相连接的图像采集处理模块、物品夹取搬运机构、语音识别模块和无线模块，移动搬运小车部分通过无线模块与图像采集处理终端部分进行通信；

所述移动搬运小车的车头和车尾设有标志，所述标志能够被工作区域上方固定设置的图像采集处理终端部分识别；移动搬运小车部分和图像采集处理终端部分通过无线进行数据传输，组成物联网络。

进一步地，所述移动搬运小车上的语音识别模块能够识别叫号指令，并将所识别的叫号指令通过无线模块发送至图像采集处理终端部分，图像采集处理终端部分根据该叫号指令获取目标物品坐标。

进一步地，所述图像采集处理终端部分能够根据移动小车的位置以及目标物品坐标，进行处理确定移动搬运小车的运动控制量；并采用无线通信的方式将移动搬运小车的运动控制量发送给移动搬运小车，控制移动搬运小车运动到目标物品的位置。

进一步地，所述移动搬运小车部分的图像采集处理模块能够对物品的标志进行识别，进而通过物品夹取搬运机构夹取目标物品。

进一步地，所述移动搬运小车上还设置有障碍物检测模块和声光报警模块，障碍物检测模块用来检测移动搬运小车运动过程中是否有障碍物，如果有障碍物则通过声光报警模块进行报警。

一种基于图像识别的移动小车自动分拣搬运物品的方法，包括以下步骤：

步骤1，以工作区域的中心为原点在水平面建立坐标系，工作区域上方固定设置的图像采集处理终端部分采集工作区域的图像数据，通过物体与移动搬运小车上的标志物分别识别出物品与移动搬运小车的位置；

步骤2，移动搬运小车上的语音识别模块识别叫号指令，并将所识别的叫号指令通过无线模块发送至图像采集处理终端部分，图像采集处理终端部分根据该叫号指令获取目标物品坐标；

步骤3，图像采集处理终端部分根据移动搬运小车的位置以及目标物品坐标，进行处理确定移动搬运小车的运动控制量；

步骤4，图像采集处理终端部分采用无线通信的方式将移动搬运小车的运动控制量发送给移动搬运小车，控制移动搬运小车运动到目标物品的位置；

步骤5，移动搬运小车运动到目标物品所在位置后，图像采集处理模块对物品的标志进行识别，进而通过物品夹取搬运机构夹取目标物品，夹取成功后将目标物品搬运到指定位置后投放。

进一步地，步骤1所述通过物体与移动搬运小车上的标志物分别识别出物品与移动搬运小车的位置，具体如下：

为了确定图像范围内的某种颜色的物体，首先对图像范围内的像素进行二值化处理，并通过移动窗进行遍历计数；当该种颜色像素的计数值达到设定阈值时，则认为该移动窗区域内存在该颜色的物体；计算移动窗区域该颜色的型心，将型心的像素位置作为该物体的坐标。

进一步地，步骤3所述图像采集处理终端部分根据移动搬运小车的位置以及目标物品坐标，进行处理确定移动搬运小车的运动控制量，具体如下：

获取移动搬运小车前后两点坐标，设为车尾A(CarBack_x,CarBack_y)，车头B(CarFront_x,CarFront_y)，目标坐标C(Goal_x,Goal_y)，则向量AB为车头指向，AB、AC向量间的夹角α为偏差角度，通过计算AB、AC的向量叉乘积的方向来确定偏差的左右方向，通过点乘获得偏差角度，公式如下：

AB×AC＝(CarFront_x-CarBack_x,CarFront_y-CarBack_y)×(Goal_x-CarBack_x,Goal_y-CarBack_y)＝β

其中，β为偏差的方向，α范围为0～π；

将α作为偏差角度输入量，利用增量式数字PID算法计算出移动搬运小车的左右两轮差速，即移动搬运小车的运动控制量。

进一步地，所述移动搬运小车上设置有障碍物检测模块和声光报警模块，障碍物检测模块用来检测移动搬运小车运动过程中是否有障碍物，如果有障碍物则通过声光报警模块进行报警。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)移动搬运小车部分和图像采集处理终端部分通过无线进行数据传输，组成物联网络，灵活度高，方便改变路径；(2)移动小车上装有的障碍物检测模块可用来检测避障，防止发生安全事故，如有突发意外事件，可进行声光报警，安全可靠；(3)系统结构简单，辅助设备少，可以在复杂环境下实现物品分拣搬运工作，具有可靠性高、安全稳定、成本低的优点。

附图说明

图1是本发明基于图像识别的移动小车自动分拣搬运物品的装置的结构示意图。

图2是本发明移动搬运小车的工作区域俯视图。

图3是本发明中移动搬运小车的运动控制方法流程图。

图4是工作区域上方的图像采集处理终端部分工作流程图。

图5是工作区域中移动搬运小车的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做出进一步详细说明。

结合图1，本发明基于图像识别的移动小车自动分拣搬运物品的装置，包括图像采集处理终端部分和移动搬运小车两部分，其中图像采集处理终端部分固定设置于工作区域上方，移动搬运小车部分包括设置在移动搬运小车上且均与车载CPU相连接的图像采集处理模块、物品夹取搬运机构、语音识别模块和无线模块，移动搬运小车部分通过无线模块与图像采集处理终端部分进行通信；

所述移动搬运小车的车头和车尾设有标志，所述标志能够被工作区域上方固定设置的图像采集处理终端部分识别；移动搬运小车部分和图像采集处理终端部分通过无线进行数据传输，组成物联网络。

进一步地，所述移动搬运小车上的语音识别模块能够识别叫号指令，并将所识别的叫号指令通过无线模块发送至图像采集处理终端部分，图像采集处理终端部分根据该叫号指令获取目标物品坐标。

进一步地，所述图像采集处理终端部分能够根据移动小车的位置以及目标物品坐标，进行处理确定移动搬运小车的运动控制量；并采用无线通信的方式将移动搬运小车的运动控制量发送给移动搬运小车，控制移动搬运小车运动到目标物品的位置。

进一步地，所述移动搬运小车部分的图像采集处理模块能够对物品的标志进行识别，进而通过物品夹取搬运机构夹取目标物品。

进一步地，所述移动搬运小车上还设置有障碍物检测模块和声光报警模块，障碍物检测模块用来检测移动搬运小车运动过程中是否有障碍物，如果有障碍物则通过声光报警模块进行报警。

本发明基于图像识别的移动小车自动分拣搬运物品的方法，包括以下步骤：

步骤1，以工作区域的中心为原点在水平面建立坐标系，工作区域上方固定设置的图像采集处理终端部分采集工作区域的图像数据，通过物体与移动搬运小车上的标志物分别识别出物品与移动搬运小车的位置；

所述通过物体与移动搬运小车上的标志物分别识别出物品与移动搬运小车的位置，具体如下：

为了确定图像范围内的某种颜色的物体，首先对图像范围内的像素进行二值化处理，并通过移动窗进行遍历计数；当该种颜色像素的计数值达到设定阈值时，则认为该移动窗区域内存在该颜色的物体；计算移动窗区域该颜色的型心，将型心的像素位置作为该物体的坐标。

步骤2，移动搬运小车上的语音识别模块识别叫号指令，并将所识别的叫号指令通过无线模块发送至图像采集处理终端部分，图像采集处理终端部分根据该叫号指令获取目标物品坐标；

步骤3，图像采集处理终端部分根据移动搬运小车的位置以及目标物品坐标，进行处理确定移动搬运小车的运动控制量，具体如下：

获取移动搬运小车前后两点坐标，设为车尾A(CarBack_x,CarBack_y)，车头B(CarFront_x,CarFront_y)，目标坐标C(Goal_x,Goal_y)，则向量AB为车头指向，AB、AC向量间的夹角α为偏差角度，通过计算AB、AC的向量叉乘积的方向来确定偏差的左右方向，通过点乘获得偏差角度，公式如下：

AB×AC＝(CarFront_x-CarBack_x,CarFront_y-CarBack_y)×(Goal_x-CarBack_x,Goal_y-CarBack_y)＝β

其中，β为偏差的方向，α范围为0～π；

将α作为偏差角度输入量，利用增量式数字PID算法计算出移动搬运小车的左右两轮差速，即移动搬运小车的运动控制量。

步骤4，图像采集处理终端部分采用无线通信的方式将移动搬运小车的运动控制量发送给移动搬运小车，控制移动搬运小车运动到目标物品的位置；

步骤5，移动搬运小车运动到目标物品所在位置后，图像采集处理模块对物品的标志进行识别，进而通过物品夹取搬运机构夹取目标物品，夹取成功后将目标物品搬运到指定位置后投放。

进一步地，所述移动搬运小车上设置有障碍物检测模块和声光报警模块，障碍物检测模块用来检测移动搬运小车运动过程中是否有障碍物，如果有障碍物则通过声光报警模块进行报警。

实施例1

本实施例中移动搬运小车的工作区域如图2所示，工作区域上方静止的图像采集处理终端部分采集工作区域的图像数据，以工作区域的中心为原点建立坐标系，通过物体与小车上的标志物识别出物品与小车的位置以及小车的姿态，并对移动小车的搬运路径进行规划；小车通过无线方式获取既定路径后便可完成运动、拾取物品、投放物品的动作，同时车载图像采集处理模块还可以对周围环境进行预判、对搬运物品进行识别确认。具体步骤如下：

步骤1，工作区域上方静止的图像采集处理终端部分采集工作区域的图像数据，以工作区域的中心为原点建立坐标系，通过物体与小车上的标志物识别出物品与小车的位置以及小车的姿态：

为了确定图像范围内的某种颜色的物体，首先对图像范围内的像素进行二值化处理，并通过移动窗进行遍历计数；当该种颜色像素的计数值达到设定阈值时，则认为该移动窗区域内存在该颜色的物体；计算移动窗区域该颜色的型心，将型心的像素位置作为该物体的坐标。只要识别到移动小车上前后两点标志的坐标就能确定小车的姿态与位置；

步骤2，移动搬运小车上的语音识别模块识别叫号指令，并将所识别的叫号指令通过无线模块发送至图像采集处理终端部分，图像采集处理终端部分根据该叫号指令获取目标物品坐标。

步骤3，图像采集处理终端部分根据移动搬运小车的位置以及目标物品坐标，进行处理确定移动搬运小车的运动控制量，具体如下：

获取移动搬运小车前后两点坐标，设为车尾A(CarBack_x,CarBack_y)，车头B(CarFront_x,CarFront_y)，目标坐标C(Goal_x,Goal_y)，则向量AB为车头指向，AB、AC向量间的夹角α为偏差角度，通过计算AB、AC的向量叉乘积的方向来确定偏差的左右方向，通过点乘获得偏差角度，公式如下：

AB×AC＝(CarFront_x-CarBack_x,CarFront_y-CarBack_y)×(Goal_x-CarBack_x,Goal_y-CarBack_y)＝β

其中，β为偏差的方向，α范围为0～π；

将α作为偏差角度输入量，利用增量式数字PID算法计算出移动搬运小车的左右两轮差速，即移动搬运小车的运动控制量。

结合图3，移动搬运小车前进、左转、右转的控制指令的产生过程如下：

(1.1)获取小车车头、车尾及目标物品的坐标；

(1.2)判断偏差角度α是否小于π/24：若是则发送前进指令，并进入步骤(1.3)；若否则直接进入步骤(1.3)；

(1.3)判断偏差的方向β是否小于0：若是则发送左转指令，并进入步骤(1.4)；若否则直接进入步骤(1.4)；

(1.4)发送右转指令。

结合图4，图像采集处理终端部分工作流程具体为：

(2.1)图像采集处理终端部分获取待搬运物品指令后，建立场地坐标；

(2.2)获取场地内要搬运的目标物品的大致坐标；

(2.3)识别小车上的标志物并获取车头、车尾的坐标；

(2.4)生成并发送小车去目标物品运动控制指令；

(2.5)判断小车是否到达抓取范围：如果否，则返回步骤(2.3)；如果是，则进入步骤(2.6)；

(2.6)发送已到达目标区域的指令；

(2.7)判断是否接收到已获取信号：如果否，则继续判断；如果是，则进入步骤(2.8)；

(2.8)识别小车上的标志物并获取车头、车尾的坐标；

(2.9)生成并发送去投放区域的运动指令；

(2.10)判断小车是否到达投放区域：如果是则发送投放指令，并返回步骤(2.1)；如果否则返回步骤(2.8)。

由上可知，将α作为偏差角度输入量，利用增量式数字PID算法计算出左右两轮的差速，可以较好地控制小车的运动，鲁棒性强。

步骤4，图像采集处理终端部分采用无线通信的方式将移动搬运小车的运动控制量发送给移动搬运小车，控制移动搬运小车运动到目标物品的位置；

步骤5，移动搬运小车运动到目标物品所在位置后，图像采集处理模块对物品的标志进行识别，进而通过物品夹取搬运机构夹取目标物品，夹取成功后将目标物品搬运到指定位置后投放，投放完成后重新进行听号识别状态。结合图5，工作区域中移动搬运小车的工作流程具体如下：

(3.1)移动搬运小车接收并识别到目标物品的口令后，发送目标物品的口令给图像采集处理终端部分；

(3.2)移动搬运小车接收图像采集处理终端部分的运动控制指令，并执行相应动作；

(3.3)判断移动搬运小车是否接收到到达目标区域的指令：如果是，则进入步骤(3.4)；如果否则返回步骤(3.2)；

(3.4)车上摄像头遍历扫描待搬运物品的二维码；

(3.5)判断是否搜索到目标物品：如果是，则进入步骤(3.6)；如果否，则发送未找到目标物品的指令给图像采集处理终端部分，并发出声光报警，然后返回步骤(3.2)；

(3.6)通过物品夹取搬运机构对目标物品进行抓取；

(3.7)判断是否抓取成功：如果成功，则进入步骤(3.8)；如果否，则返回步骤(3.4)；

(3.8)发送成功获取目标物品的信号；

(3.9)移动搬运小车接收并执行去往投放区域的运动指令；

(3.10)判断是否到达投放区的指令：如果否，则返回步骤(3.9)；如果是，则投放物品并发送成功投放信号，然后返回步骤(3.1)。

进一步地，所述移动搬运小车上设置有障碍物检测模块和声光报警模块，障碍物检测模块用来检测移动搬运小车运动过程中是否有障碍物，如果有障碍物则通过声光报警模块进行报警。所述障碍物检测模块可采用超声波传感器，防止发生安全事故。