快递自动化分拣系统的开发

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Prepared on 24 November 2020

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快递自动化分拣系统的开发

机设113（）吴志祥

摘要：随着多品种少批量社会需求模式的推进，商品的流通速度迅猛提高，流通方式却是越来越复杂。因此，在人工成本不断高涨的环境下，需要引入适当的机械化分拣系统，以减少作业错误的发生，提高商品流通作业率，最终实现JIT（JUST IN TIME)配送。

本文将快速图像识别技术和快递自动化分拣装置相结合，研究基于自动化分拣系统的开发，介绍了一种应用DSP 技术、视频捕获技术，结合FPGA 逻辑控制、USB 通讯等多项技术，能够准确、快速识别物流系统商品大小、位置等信息的检测装置，可以有效解决自动分拣系统对复杂商品识别的难题。同时设计出相应的分拣装置，从而快速准确完成物流行业自动化分拣。

关键词：机械化分拣，图像识别，分拣装置

1研究背景

研究背景

物流就是将物品从供应地往接收地传送的流动过程。根据现实需要，将储存、运输、搬运、装卸、流通加工、包装、信息处理、配送等基本功能的实施有机结合起来。它根据物品的种类、质量和数量，在最适当的时刻，以最低成本将其送到正确地点，并且准时完成物品信息的修改和传输及回收输送工具的全过程。

随着消费与生产在空间和时间上的分离不断扩大，为了保障企业生产和社会经济活动顺利进行，并且能取得好的经济效益;物流作为“需”、“供”之间桥梁，已发展成为了一门综合性的学科。物流学理论基础是多学科综合，并融合了社会科学与自然科学，它既是经济科学又是技术科学;同时，它还与其它学科有密切的联系，如自动控制、计算机科学等。物流学研究对象一般是复杂的、多目标决策的动态系统，在系统分析时，既要考虑技术的科学性、先进性，又要考虑它的

经济指标。

研究意义

目前，现代物流作为一种比较先进的管理理念和组织方式，被认为是提高劳动生产率，企业降低物耗以外的第三利润的源泉。由于超大规模集中配送的效率难题和成本优势，提高配送中心的运营效率这已成了大中型企业改善现代物流的重要举措。作为配送中心的主要作业环节和核心设备，分拣系统的技术与分拣作业的效率也越来越受到工程界和的理论界关注。

我国现代物流发展比较晚，对自动分拣系统的研究也刚起步，分拣作业大部分都是采用的人工分拣，少数采用了机械分拣和人工分拣相结合的半自动分拣方式，而自动分拣所占比例非常低，其中一个非常重要原因是目前我国自动分拣系统技术还不够成熟，跟国外相比差距甚远。但自动分拣系统技术作为分拣领域中主要的发展趋势，也是我国在分拣技术领域中的发展方向，有着半自动分拣和人工分拣不可比拟的优势

1.降低劳动强度

2.减少工作人员数量

3.降低分拣出错率

4.提高分拣效率

随着社会不断的发展，市场竞争也越来越激烈，因此，各大生产企业都迫切地需要改进自己落

后的生产技术，从而提高生产效率，特别是在要进行材料自动分拣的企业。以往一直采用半自动分拣或人工分拣的方法，使生产效率非常低，生产成本相当高，导致企业的竞争能力差。材料自动分拣已成为了企业的唯一选择。针对上述问题，研究一种高效率的材料自动分拣系统以势在必行[1]。

2文献综述

快递自动化分拣系统国内外的发展状况

从20世纪60年代开始，国外就己经开始着手于研究物流分拣系统的模型，如:配送中心选址的经典模型就是Harvey. Subcommand Richards. Muffin在1960年所提出来的，为亨氏公司Company)开发，而后用于雀巢公司(Nestle Company)的物流配送。

20世纪80年代后，国外的物流分拣系统发展更加迅速，Aughan,Mark(1999)将分拣系统归纳为5个子系统:合并前聚集、订单挑选、感应、合并、搬运分拣，从而将订单获得与不同传送带有机地的结合起来成一个高效的物料分拣系统;Masel (2001)研究了现有的关于评估物料分拣固定形状货物的环形物料分拣系统的分拣时间的解析公式;Norman Saene JR(2002)从配送中心里物料搬运的角度研究了物料分拣系统传送带的构建，及如何搭配传送带，构建一个良好的物流分拣搬运系统。

在二次世界大战之后，美日的物流中心就已经广泛的采用自动分拣机。而在，日本的医疗行业、连锁商业(如高岛屋、西友等)、化妆品制造行业(如花王、日本资生堂、大木等株式会社)等全自动分拣机更是普遍的应用[2]。在美国，自动分拣机的物流机械是撬动美国物流行业的杠杆之一。目前，美国的物流管理已经实现了高度的自动化、机械化和计算机化。在欧洲，英国、德国等国家的物流技术也高度发达，德国西门子公司在物流设备体系中不断推出各类的自动分拣设备，且发挥着相当重要的作用。目前，国际上较先进的自动分拣机有小物品自动分拣机、小型中速自动分拣机、推块式高速自动分拣机、高速水平自动分拣机、数字式拣位系统和全自动分拣机等，如图1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 与图1-8所示[3]:

由于我国市场经济体制刚刚建立，现代物流的发展刚刚起步，所以还没有形成一个比较完整的体系。但随着我国改革开放的不断深入，我国现代物流也将逐步进入发展阶段.

随着国内的科学技术迅猛发展，特别是条形码、检测、自动控制等技术、计算机信息处理的应用和发展，我国的物流设备技术在20世纪90年代得到迅速发展，从引进国外的先进物流设备技术，到吸收其先进的技术成果，目前我国完全可以自主生产多种自动分拣机，如托盘式翻板式与交叉带式分拣机等yob，如图1-1, 1-2所示[4]，主要应用于配送中心、邮政、机场等部门，就应用领域和产品种类而言，要在我国实现物流的机械化、现代化还任重而道远。

综上所述，可见我国快递自动分拣设备技术的研究与应用和发达国家相比还有相差甚远，尽快开发研制先进的自动分拣机，可为我国企业成功的实现物流高效益打下坚实的基础。

快递自动化分拣系统的发展方向

自动分拣装置的控制部分是自动分拣装置的核心，经历了从分立元件，小规模集成电路，单片机到工业控制机、可编程控制器的发展历程．采用工业控制机、可编程控制器作为分拣装置的控制主机使自动分拣装置及系统的功能、效率、可靠性达到了一个新的水平。

自动分拣系统获取商品信息主要采用光电开关和条形码识别技术，这两类技术与装备对于实现普通商品的识别与分拣可以有效应付，但对商品的标准化包装要求较高，传统的检测方法存在着信息不准确、传输速度慢、输出结果单一等缺点，对于商品的大小、位置信息都无法准确判断，而且将全部数据处理工作交到了计算机和PLC 控制装置，给控制系统增加了负担。此外许多生产线的物流速度极快，采用常规分拣控制技术很难实现这些快速流动商品的动态准确识别。因此对于许多复杂商品，往往需要加入快速图像识别技术才能准确、快速识别物流商品的大小、位置等信息，有效完成自动分拣任务。

3研究目标

本课题意在设计开发一款自动化分拣系统，主要应用于快递物流行业，完成对快递分拣准确性与时效性。具体的研究开发目标如下：

（1）加入快速图像识别技术

（2）设计整套自动化分拣装置

4研究内容

针对本课题的研究目标，将研究内容作如下划分：

本课题所研究和开发的系统是基于自动分拣设备详细设计的基础上，增加快速图像识别技术，综合运用，应用到快递领域的分拣平台。

根据要求选择了视频捕捉＋DSP 平台处理的方法来实现。对应这个方案，确定了系统使用的DSP 平台、外围电路和视频采样电路，依次进行硬件设计。对于视频图像的识别，我们采用了DSP（数字信号处理器）嵌入式平台实现，稳定性高，结构简单、成本低，对环境要求低，适于工业生产环境的使用。利用DSP 集成电路芯片其运算速度高的优势实现货物信息的快速、动态提取与识别，从而构成以高速DSP 为核心的复杂计算和控制的嵌入式自动分拣控制系统。频捕捉＋DSP 平台处理的方法来实现。对应这个方案，确定了系统使用的DSP 平台、外围电路和视频采样电路，依次进行硬件设计。对于视频图像的识别，我们采用了DSP（数字信号处理器）嵌入式平台实现，稳定性高，结构简单、成本低，对环境要求低，适于工业生产环境的使用。利用DSP 集成电路芯片其运算速度高的优势实现货物信息的快速、动态提取与识别，从而构成以高速DSP 为核心的复杂计算和控制的嵌入式自动分拣控制系统[5]。

5技术路线

系统总体解决方案

本设计的目的是运用DSP 技术实现对分拣机的上包、回包及落包检测等功能。以回包检测为例，在分拣过程中，货包经上包台进入到环形的分拣轨道，当货包运行到对应的格口时，承载货包的托盘小车交叉带转动，使货包落入分拣格口，这个过程完成了货物的自动分拣。但在实际运行过程中，可能由于某些因素的影响，如交叉带未转动，使货包没有落入对应的格口，而随轨道的运行又转回到上包台，这种情况下，如果系统不知道货包的循环返回，就会导致后面的上包故障。所以我们需要在上包台的前面设置一定的检测机制，当有货包随轨道转回来的时候，能够及时将回包的信息通知系统，以便做出相应处理，分拣机的这个功能就是回包检测。上包与落包的检测任务也是自动识别系统运行的故障，阻止误拣、漏检事故的发生，上包、回包及落包检测功能对于保证整个系统的安全运行有着重要作用。传统的上包、回包及落包检测采用光电开关的方式进行货包信息获取，即在分拣机的轨道两侧，安装有一对透过式红外光电开关，称为主同步光电开关，其位置主要根据分拣机速度、上包机位置及上包速度来确定，一般应放在上包机前方(在分拣机运行方向上)。主同步光电开关用于计数托盘小车，并发出同步脉冲，将得到的信息传给PLC[6]。控制同步上包、数据同步跟踪及落包等。这种用光电开关进行检测的方法，不能得到准确的货包位置，而一般的交叉带式托盘分拣机能够根据货包的大小、位置确定托盘带的启动时间和转速，所以需要改进技术，采样新的方式进行检测。

硬件系统设计

系统中，其硬件系统由主控CPU（DSP）、逻辑控制（FPGA）、视频采样（CMOS 图像传感器）、通讯（USB 或RS485）、存储器（SDRAM和外接Flash 存储卡）等部分构成，包括以下几个功能模块：由DSP 电路、FPGA 电路、存储器电路、采样电路等模块组成[7]。采用FPGA 产生图像传感器所需的点频、行场同步信号以及控制寄存器的控制时序，同时，它还完成对CMOS 彩色图像象传感器输出的数字图像信号预处理的工作，包括对接收的R、G、B 三种基色的原始数据进行重新组合和适当的比例变换等，以使DSP 能进行更加有序的快速处理。另外，DSP 对SDRAM和外接Flash 存储卡的访问以及SDRAM的刷新等操作也通过FPGA 实现。DSP 负责对预处理后的原始数据进行颜色校正、JPEG 压缩、存储、图像识别，并提供通用的USB 或RS485 接口，以实现图像及资料的上传。经过颜色校正后的R、G、B 数字信号，通过LCD 驱动电路实现在LCD 显示屏上的显示[8]。

6预期的研究成果及课题的创新点

预期的研究成果

本课题预期的研究成果是开发出一套完整的快递自动分拣系统。主要包括如下几项研究成果。

（1）开发出一套完成的快递自动化分拣平台。能够智能快速地分拣物流产品。

（2）设计出稳定可靠的快递自动分拣设备，实现人工劳动强度的降低。

课题的创新点

本课题的创新点在于快速图像识别技术和分拣装置的结合，既有硬件的设计，又有软件方面的结合，最重要的是能够实现分拣的快速性及准确性。

7进度安排

第一阶段：1到4 周在老师的指导下，查阅相关资料完成文献翻译和开题报告

第二阶段：5到14周在老师的指导下，翻阅资料，利用AutoCAD和Solidworks软件完成快递自动分拣装置设计，分析其运动学和动力学，并利用DSP 集成电路芯片其运算速度高的优势实现货物信息的快速、动态提取与识别，从而构成以高速DSP 为核心的复杂计算和控制的嵌入式自动分拣控制系统。

第三阶段：15到16周检查错误遗漏之处，进行修改

第四阶段：17周准备答辩

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yb0e.html