《智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)》 課件 第1-8章 智慧物流概論 - 多機(jī)器人系統(tǒng)與群體智能

第1章

智慧物流概論智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS4智慧物流關(guān)鍵技術(shù)3倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展階段1智慧物流概念2物流的核心流程3章節(jié)目標(biāo)1.了解智慧物流的概念、特征與發(fā)展歷程；2.明確物流的核心流程,智能倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展的各個(gè)階段；3.掌握我國(guó)智慧物流發(fā)展的應(yīng)用現(xiàn)狀、服務(wù)需求以及發(fā)展趨勢(shì)。41.智慧物流概念4智慧物流概念的演變與定義2009年2009年1月9日，IBM全球副總裁麥特·王博士做了主題為“構(gòu)建智慧的地球”的演講，提出把感應(yīng)器嵌入和安裝到家居、電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且普遍連接，形成“物聯(lián)網(wǎng)”

2009年1月28日，奧巴馬就任美國(guó)總統(tǒng)后，與美國(guó)工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會(huì)議”，作為僅有的兩名代表之一，IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”這一概念，建議新政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。2009年，美國(guó)將新能源和物聯(lián)網(wǎng)列為振興經(jīng)濟(jì)的兩大重點(diǎn)。2009年2月24日，在IBM論壇上，IBM大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群公布了名為“智慧的地球”的最新策略。552009年6月，IBM舉辦“中國(guó)卓越企業(yè)供應(yīng)鏈管理論壇”并發(fā)布中文版《2009全球首席供應(yīng)鏈官調(diào)查報(bào)告--智慧的未來供應(yīng)鏈》。報(bào)告指出，世界范圍內(nèi)數(shù)字架構(gòu)和物理架構(gòu)呈現(xiàn)匯聚態(tài)勢(shì)。由于各種傳感器價(jià)格的下降和可靠性的提高，我們現(xiàn)在幾乎可以以較低的成本測(cè)量任何活動(dòng)或過程中的有效數(shù)據(jù)。以前由人工創(chuàng)建的供應(yīng)鏈信息將逐步由傳感器、RFID標(biāo)簽、儀表、執(zhí)行器、GPS和其他設(shè)備和系統(tǒng)來生成。在可視性方面，供應(yīng)鏈不僅可以“預(yù)測(cè)”更多事件，還能見證事件發(fā)生時(shí)的狀況。1.智慧物流概念智慧物流概念的演變與定義662009年8月7日溫家寶總理在無錫視察時(shí)指出，“要在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，迅速建立中國(guó)的傳感信息中心或‘感知中國(guó)’中心”。2009年11月3日，國(guó)務(wù)院總理溫家寶在首都科技界大會(huì)上再次強(qiáng)調(diào)，全球互聯(lián)網(wǎng)正在向下一代升級(jí)，傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)方興未艾?！爸腔鄣厍颉焙?jiǎn)單說來就是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，就是傳感網(wǎng)在基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.智慧物流概念智慧物流概念的演變與定義772009年12月中國(guó)物流技術(shù)協(xié)會(huì)信息中心、華夏物聯(lián)網(wǎng)、《物流技術(shù)與應(yīng)用》編輯部聯(lián)合提出“智慧物流”概念。智慧物流是利用集成智能化技術(shù)模仿人的智能，具有思維、感知、學(xué)習(xí)、推理判斷和自行解決物流中的某些問題的能力，它包含了運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、配送、包裝、裝卸貨及智能信息的獲取、加工和處理等多項(xiàng)基本活動(dòng)，為供方提供利潤(rùn)最大化、為需方提供最佳的服務(wù)，同時(shí)也應(yīng)該消耗最少的自然和社會(huì)資源。1.智慧物流概念智慧物流概念的演變與定義882017年5月中國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì)，京東物流聯(lián)合發(fā)布了《中國(guó)智慧物流2025應(yīng)用展望》藍(lán)皮書。智慧物流是通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能硬件等智慧化技術(shù)與手段，提高物流系統(tǒng)思維、感知、學(xué)習(xí)、分析決策和智能執(zhí)行的能力，提升整個(gè)物流系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化水平，從而推動(dòng)中國(guó)物流的發(fā)展，降低社會(huì)物流成本、提高效率。1.智慧物流概念智慧物流概念的演變與定義99智慧物流具有三大特點(diǎn)：（1）互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)：所有物流要素互聯(lián)互通并且數(shù)字化，以“數(shù)據(jù)”驅(qū)動(dòng)一切洞察、決策、行動(dòng)；（2）深度協(xié)同，高效執(zhí)行：跨集團(tuán)、跨企業(yè)、跨組織之間深度協(xié)同，基于全局優(yōu)化的智能算法，調(diào)度整個(gè)物流系統(tǒng)中各參與方高效分工協(xié)作。（3）自主決策，學(xué)習(xí)提升：軟件定義物流實(shí)現(xiàn)自主決策，推動(dòng)物流系統(tǒng)程控化和自動(dòng)化發(fā)展；通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與人工智能構(gòu)建物流大腦，在感知中決策，在執(zhí)行中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中優(yōu)化，在物流實(shí)際運(yùn)作中不斷升級(jí)，學(xué)習(xí)提升。1.智慧物流概念智慧物流概念的演變與定義1010物流定義《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18354——2006》物流術(shù)語(yǔ)中物流是指物品從供應(yīng)地向接收地的實(shí)體流動(dòng)過程。根據(jù)實(shí)際需要，將運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裝卸、搬運(yùn)、包裝、流通加工、配送、信息處理等等基本功能實(shí)施有機(jī)結(jié)合。總結(jié)出：7個(gè)核心過程1、運(yùn)輸；2、倉(cāng)儲(chǔ)；3、裝卸搬運(yùn)；4、包裝；5、流通加工；6、配送；7、物流信息。2.物流的核心流程1111運(yùn)輸指采用專用運(yùn)輸設(shè)備將物品從一個(gè)地點(diǎn)向另一地點(diǎn)運(yùn)送。其中包括集貨、分配、搬運(yùn)、中轉(zhuǎn)、裝入、卸下、分散等一系列操作。2.物流的核心流程1212倉(cāng)儲(chǔ)利用倉(cāng)庫(kù)及相關(guān)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行物品的入庫(kù)、存儲(chǔ)、出庫(kù)的活動(dòng)。2.物流的核心流程1313裝卸搬運(yùn)裝卸指在指定地點(diǎn)以人力或機(jī)械載入或卸出運(yùn)輸工具的作業(yè)過程。搬運(yùn)指在統(tǒng)一場(chǎng)所內(nèi)對(duì)物品進(jìn)行空間移動(dòng)的作業(yè)過程。2.物流的核心流程1414包裝包裝是指在流通過程中保護(hù)產(chǎn)品、方便儲(chǔ)運(yùn)、促進(jìn)銷售，按一定技術(shù)方法而采用的容器、材料及輔助物等的總體名稱。一般分為銷售包裝和運(yùn)輸包裝兩種:銷售包裝運(yùn)輸包裝2.物流的核心流程1515流通加工指根據(jù)顧客的需要，在流通過程中對(duì)產(chǎn)品實(shí)施的簡(jiǎn)單加工作業(yè)活動(dòng)，如包裝、分割、計(jì)量、分揀、刷標(biāo)志、拴標(biāo)簽、組裝等的總稱。2.物流的核心流程1616配送指在經(jīng)濟(jì)合理區(qū)域范圍內(nèi)，根據(jù)顧客要求，對(duì)物品進(jìn)行揀選、加工、包裝、分割、組配等作業(yè)，并按時(shí)送達(dá)指定地點(diǎn)的物流活動(dòng)。2.物流的核心流程1717物流信息反映物流各種活動(dòng)內(nèi)容的知識(shí)、資料、圖像、數(shù)據(jù)、文件的總稱。2.物流的核心流程1818中國(guó)現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展倉(cāng)儲(chǔ)是貨物流通中空間和時(shí)間存在差異的產(chǎn)物，涉及到供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，決定企業(yè)的商業(yè)模式和管理目標(biāo)，所以倉(cāng)儲(chǔ)的設(shè)計(jì)在物流中位于核心地位。中國(guó)現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展經(jīng)歷了人工倉(cāng)儲(chǔ)、機(jī)械化倉(cāng)儲(chǔ)、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)、集成自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)和智能自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)五個(gè)階段。3.倉(cāng)儲(chǔ)的階段發(fā)展1919人工階段倉(cāng)庫(kù)物資的輸送、存儲(chǔ)、管理和控制主要靠人工實(shí)現(xiàn)，效率低下。人工倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)在相應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)力下具有投資少、收益快等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了物流乃至供應(yīng)鏈的發(fā)展。

現(xiàn)在常見于各種小的倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)合。3.倉(cāng)儲(chǔ)的階段發(fā)展2020機(jī)械化階段這階段物資的輸送、倉(cāng)儲(chǔ)、管理、控制主要是輸送車、堆垛機(jī)、升降機(jī)等機(jī)械設(shè)備代替人工。機(jī)械化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)滿足了倉(cāng)庫(kù)對(duì)移動(dòng)速度、放置精度、存取高度、物品重量等方面的更高要求。3.倉(cāng)儲(chǔ)的階段發(fā)展2121自動(dòng)化階段上世紀(jì)50年代末開始，倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)相繼采用了AGV機(jī)器人、自動(dòng)貨架、自動(dòng)存取機(jī)器人、自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)分揀等系統(tǒng)。到上世紀(jì)70年代，旋轉(zhuǎn)體式貨架、移動(dòng)式貨架和巷道式堆垛機(jī)等都加入了倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)備的行列，大大提高了工作效率。各個(gè)設(shè)備還處于獨(dú)立工作階段，系統(tǒng)集成度不高，還不能實(shí)現(xiàn)無人化運(yùn)行，被稱為“自動(dòng)化孤島”3.倉(cāng)儲(chǔ)的階段發(fā)展2222集成自動(dòng)化階段

20世紀(jì)70年代末，自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向物資的控制和管理的實(shí)時(shí)、協(xié)調(diào)和一體化，于是便產(chǎn)生了“集成系統(tǒng)”的概念。計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、機(jī)械設(shè)備的控制器等及時(shí)高效地匯總信息，使得系統(tǒng)各個(gè)部分有機(jī)協(xié)作，使生產(chǎn)的應(yīng)變能力和總體效益大大超過各部分獨(dú)立效益的總和3.倉(cāng)儲(chǔ)的階段發(fā)展2323智能自動(dòng)化階段在20世紀(jì)90年代后期以來，人工智能技術(shù)的發(fā)展促使倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)向更高級(jí)的智能化方向發(fā)展。智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)是集物料搬運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)科學(xué)和智能技術(shù)為一體的一門綜合科學(xué)技術(shù)工程，因節(jié)約勞動(dòng)力、作業(yè)迅速準(zhǔn)確、保管效率高、物流費(fèi)用低等優(yōu)越性而得到廣泛重視。智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)不僅具有集成自動(dòng)化的無人參與功能，還有一定的決策的能力，利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度優(yōu)勢(shì)，結(jié)合了人工智能、優(yōu)化算法等。3.倉(cāng)儲(chǔ)的階段發(fā)展2424在《中國(guó)智慧物流2025應(yīng)用展望》中基于領(lǐng)先企業(yè)最佳時(shí)間及物流行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，描繪了智慧物流應(yīng)用框架及主要內(nèi)容。其中指出智慧物流應(yīng)用的整體架構(gòu)自上而下分為：智慧化平臺(tái)（大腦）、數(shù)字化運(yùn)營(yíng)（中樞）、智能化作業(yè)（四肢）。4.智慧物流關(guān)鍵技術(shù)2525大數(shù)據(jù)&云計(jì)算大數(shù)據(jù)和云計(jì)算構(gòu)成了智慧物流系統(tǒng)的智慧化平臺(tái)?！按髷?shù)據(jù)”是需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力來適應(yīng)海量、高增長(zhǎng)率和多樣化的信息資產(chǎn)。云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲(chǔ)，應(yīng)用軟件，服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，人們只需要投入少量的管理工作。4.智慧物流關(guān)鍵技術(shù)2626人工智能人工智能被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，計(jì)算機(jī)科學(xué)將人工智能定義為對(duì)“智能主體”的研究，即任何可以通過感知環(huán)境來進(jìn)行決策以最大機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的設(shè)備。人工智能的另外一個(gè)更為巧妙的定義為：“系統(tǒng)具備正確識(shí)別外部數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并能把學(xué)習(xí)到的東西靈活運(yùn)用來完成實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)或任務(wù)的能力”。4.智慧物流關(guān)鍵技術(shù)2727物聯(lián)網(wǎng)其定義是：通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。（1）感知層：利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取和采集物體的信息。（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞給用戶。（3）應(yīng)用層：利用云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘以及模糊識(shí)別等人工智能技術(shù)，對(duì)海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化的控制。4.智慧物流關(guān)鍵技術(shù)2828機(jī)器人/自動(dòng)化以機(jī)器人為代表的自動(dòng)化系統(tǒng)，物流系統(tǒng)中主要為智能機(jī)器人的應(yīng)用。這種機(jī)器人帶有多種傳感器，可以進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理、判斷及決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。AGV揀選機(jī)器人4.智慧物流關(guān)鍵技術(shù)歡迎探討!第2章

智能倉(cāng)儲(chǔ)體系架構(gòu)智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS1智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)2智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)32章節(jié)目標(biāo)1.了解智慧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)；2.掌握智慧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的組成與構(gòu)架；3.熟悉智慧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與搭建。33智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)是智慧物流系統(tǒng)的核心組成部分。其物流活動(dòng)包括：運(yùn)用軟件技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)分揀技術(shù)、光導(dǎo)技術(shù)、射頻識(shí)別(RFID)、聲控技術(shù)等先進(jìn)的科技手段；設(shè)備對(duì)物品的進(jìn)出庫(kù)、存儲(chǔ)、分揀、包裝、配送及其信息進(jìn)行有效的計(jì)劃、執(zhí)行和控制。1.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)34一、智能倉(cāng)儲(chǔ)組成要素智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)主要由識(shí)別系統(tǒng)、搬運(yùn)系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)五個(gè)部分構(gòu)成：1.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)35(1)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)以RFID技術(shù)為核心，利用超高頻RFID系統(tǒng)雷達(dá)反射原理，讀寫器通過天線向電子標(biāo)簽發(fā)出微波查詢信號(hào)，電子標(biāo)簽被讀寫器微波能量激活，接收到微波信號(hào)后應(yīng)答并發(fā)出帶有標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的回波信號(hào)。1.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)361.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)

RFID（RadioFrequencyIdentification無線射頻識(shí)別）的特點(diǎn)是采用無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)的物體進(jìn)行識(shí)別，達(dá)到確定待識(shí)別物體的身份、提取待識(shí)別物體特征信息(或標(biāo)識(shí)信息)的目的。37(2)搬運(yùn)系統(tǒng)搬運(yùn)系統(tǒng)以自動(dòng)導(dǎo)引機(jī)器人（AutomatedGuidedVehicle，簡(jiǎn)稱AGV）和自主移動(dòng)機(jī)器人（AutonomousMobileRobot，簡(jiǎn)稱AMR）為核心。通過中央系統(tǒng)規(guī)劃的路線或者自主規(guī)劃的最優(yōu)路線來進(jìn)行貨物的搬運(yùn)，最終實(shí)現(xiàn)貨物的存放和取出。1.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)38(3)存儲(chǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)存系統(tǒng)主要為立體化的貨架倉(cāng)庫(kù)構(gòu)成，又稱高層貨架倉(cāng)庫(kù)和自動(dòng)存取系統(tǒng)AS/RS（AutomaticStorage&RetrievalSystem）。一般采用幾層、十幾層甚至幾十層高的貨架存放貨物，用自動(dòng)化物料搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行貨物出庫(kù)和入庫(kù)作業(yè)。1.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)39(4)分揀系統(tǒng)分揀系統(tǒng)主要由碼垛機(jī)器人組成，碼垛機(jī)器人能將不同外形尺寸的包裝貨物整齊地、自動(dòng)地碼（或拆）在托盤上。為充分利用托盤的面積和碼堆物料的穩(wěn)定性，機(jī)器人具有物料碼垛順序、排列設(shè)定器。根據(jù)碼垛結(jié)構(gòu)的不同，可以分為多關(guān)節(jié)型和直角坐標(biāo)型碼垛機(jī)器人，或者根據(jù)抓具形狀的不同可以分為側(cè)夾型、底拖型和真空吸盤型碼垛機(jī)器人。1.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)401.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)智能倉(cāng)儲(chǔ)碼垛機(jī)器人411.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)(5)管理系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)由倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WarehouseManagementSystem，WMS）和倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)（WarehouseControlSystem，WCS）組成。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)是通過入庫(kù)業(yè)務(wù)、出庫(kù)業(yè)務(wù)、倉(cāng)庫(kù)調(diào)撥、庫(kù)存調(diào)撥和虛倉(cāng)管理等功能，綜合批次管理、物料對(duì)應(yīng)、庫(kù)存盤點(diǎn)、質(zhì)檢管理和即時(shí)庫(kù)存管理等功能的綜合信息化管理系統(tǒng)。倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)有效控制并跟蹤倉(cāng)庫(kù)業(yè)務(wù)的物流和成本管理全過程，實(shí)現(xiàn)完善的倉(cāng)儲(chǔ)信息管理。421.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)WMS倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)WCS倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)43(5)管理系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)既可以獨(dú)立執(zhí)行物流倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)存操作，也可以實(shí)現(xiàn)物流倉(cāng)儲(chǔ)與企業(yè)運(yùn)營(yíng)、生產(chǎn)、采購(gòu)、銷售智能化集成；倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)位于倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)與物流設(shè)備之間的中間層，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、調(diào)度底層的各種物流設(shè)備，使底層物流設(shè)備可以執(zhí)行倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，并且這個(gè)過程完全是按照程序預(yù)先設(shè)定的流程執(zhí)行，是保證整個(gè)物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心系統(tǒng)。1.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)44二、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則實(shí)時(shí)性、整體性、穩(wěn)定性、先進(jìn)性、可擴(kuò)充和可維護(hù)性(1)實(shí)時(shí)性：采用最先進(jìn)高速無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)全面實(shí)時(shí)管理，大幅提升效率與物流效益。(2)整體性：涉及無線設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)前后臺(tái)，雖物理分離但各有系統(tǒng)支持，設(shè)計(jì)時(shí)需確保整體一致性。(3)穩(wěn)定性：系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加入錯(cuò)誤分析模塊校驗(yàn)錯(cuò)誤，并優(yōu)化效率和穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)高速穩(wěn)定運(yùn)行，抵御人為與系統(tǒng)隨機(jī)錯(cuò)誤。(4)先進(jìn)性：融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AI、機(jī)器人自動(dòng)化及條碼識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)。(5)可擴(kuò)充和可維護(hù)性：智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)維護(hù)占比最大，需提高可擴(kuò)充性和可維護(hù)性。采用結(jié)構(gòu)化模塊化架構(gòu)，預(yù)留接口，實(shí)現(xiàn)良好維護(hù)與擴(kuò)充。1.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)45一、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)管理中數(shù)據(jù)信息流與貨物流動(dòng)的時(shí)空同步，智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)需強(qiáng)化信息感知、封裝、上傳、解析及處理，確保信息完整并提升傳輸、處理能力，同時(shí)注重硬件執(zhí)行控制，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)與精確執(zhí)行，使數(shù)據(jù)與上層業(yè)務(wù)快速關(guān)聯(lián)，提供有效支持，加速整體業(yè)務(wù)效率。從架構(gòu)上，信息采集與通信階段通過硬件集成高效獲取、收集并穩(wěn)定上傳信息。中間處理階段作為數(shù)據(jù)邏輯處理核心和算法服務(wù)資源池，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、融合及事件分析，將原始信息封裝為上層應(yīng)用服務(wù)，加速業(yè)務(wù)銜接、子業(yè)務(wù)傳遞及信息共享，以信息流拉動(dòng)貨物流動(dòng)，促進(jìn)倉(cāng)儲(chǔ)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提高效率并降低成本。2.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)462.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)整體效果圖——5臺(tái)AGV為例智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)圖47二、架構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建①應(yīng)用層和中間件層的設(shè)計(jì)應(yīng)用層和中間件層的設(shè)計(jì)為軟件系統(tǒng)，即倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)（WCS）和倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS），一般情況下WCS集成在WMS之上。WMS管理對(duì)貨物的流動(dòng)進(jìn)行信息管理和控制，WCS對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中的機(jī)器人進(jìn)行直接的控制，將WMS分配的任務(wù)訂單利用控制的機(jī)器人準(zhǔn)確地存儲(chǔ)到指定的貨架上。整個(gè)系統(tǒng)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。2.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)482.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)物流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖49二、架構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建①應(yīng)用層和中間件層的設(shè)計(jì)整個(gè)管理系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，用戶使用客戶端即可監(jiān)控查看整個(gè)系統(tǒng)。管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，對(duì)于設(shè)備狀態(tài)、物料產(chǎn)品的出入庫(kù)、AGV控制等都是通過將命令數(shù)據(jù)更新到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表中，管理系統(tǒng)對(duì)各個(gè)表的讀取獲得命令，下發(fā)到各指令表控制設(shè)備運(yùn)行。管理系統(tǒng)可查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的訂單狀態(tài)、AGV運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，從而也更直觀的顯示在管理系統(tǒng)頁(yè)面上。2.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)50二、架構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建②傳輸層設(shè)計(jì)傳輸層的設(shè)計(jì)主要為系統(tǒng)各部分之間進(jìn)行通信的鏈路設(shè)計(jì)，由客戶端、服務(wù)端和執(zhí)行端組成。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用了無線Wi-Fi的方式進(jìn)行覆蓋，可以容納眾多的移動(dòng)端，滿足數(shù)據(jù)延遲和通信帶寬的需求。傳輸協(xié)議采用MQTT協(xié)議，可以更高效地對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和控制。2.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)512.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)傳輸層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)52二、架構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建②傳輸層設(shè)計(jì)MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）是基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級(jí)通訊協(xié)議，構(gòu)建于TCP/IP上，由IBM于1999年發(fā)布。它以極少的代碼和有限的帶寬，為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備及移動(dòng)應(yīng)用。2.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)53二、架構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建③感知層設(shè)計(jì)感知層設(shè)計(jì)聚焦于機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)的感知。貨物的流動(dòng)狀態(tài)與搬運(yùn)機(jī)器人的工作狀態(tài)直接相關(guān)。通過機(jī)器人工作狀態(tài)的感知和監(jiān)測(cè)可以得出貨物的流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)機(jī)器人狀態(tài)的感知主要來源于各種傳感器，包括RFID讀卡器、慣性傳感器單元、TOF測(cè)距傳感器、溫度傳感器和巡線傳感器等。通過這些傳感器采集對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且結(jié)合機(jī)器人的傳感器融合技術(shù)，將感知信息實(shí)時(shí)地傳輸?shù)缴蠈又?，?zhǔn)確把控倉(cāng)儲(chǔ)中貨物流動(dòng)狀態(tài)的信息和系統(tǒng)工作狀態(tài)的信息。2.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)542.智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)智能叉車中的傳感器AGV中的傳感器歡迎探討!第3章機(jī)器人信息感知智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS4多傳感信息融合3環(huán)境信息感知1信息感知與傳感器2自身信息感知58

章節(jié)目標(biāo)理解信息感知與傳感器的基本概念；了解信息感知相關(guān)的傳感器；掌握信息融合模型的基本類型與原理。59信息感知信息感知(InformationPerception)是指信息用戶對(duì)信息感覺和知覺的總稱，它是信息用戶吸收和利用信息的開端。1信息感知與傳感器常見機(jī)器人搭載的傳感器60機(jī)器人搭載的傳感器物流機(jī)器人搭載的傳感器是物流機(jī)器人能對(duì)外界進(jìn)行感知判斷的裝置，這些裝置可以把位置、溫度、距離等非電量轉(zhuǎn)換成電量控制輸出的電子器件或設(shè)備。1信息感知與傳感器傳感器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相互協(xié)作，通過程序來控制機(jī)器人的行動(dòng)。其智能化程度與靈敏程度的高低，直接影響到物流機(jī)器人的靈活和智能化程度。對(duì)于機(jī)器人而言，不管是同外部環(huán)境進(jìn)行信息交換，還是感知自身的運(yùn)動(dòng)情況，都必須通過傳感器來獲取相應(yīng)的信息。物流機(jī)器人(AGV)實(shí)體圖61內(nèi)部傳感器和外部傳感器機(jī)器人傳感器根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同主要分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。①內(nèi)部傳感器指用來感知和檢測(cè)機(jī)器人本身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感器。這類傳感器主要感知與機(jī)器人自身參數(shù)相關(guān)的內(nèi)部信息，如電壓、電流、溫度、速度、加速度以及位置等，還可以監(jiān)測(cè)機(jī)器人的角度等。②外部傳感器用以檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境狀況，常用以測(cè)量機(jī)器人自身以外的物理信息，比如障礙物的位置遠(yuǎn)近、形狀顏色、距離和接觸受力等情況。常見傳感器主要有視聽覺傳感器、觸力覺傳感器、接近距離覺傳感器、嗅味覺傳感器和生物仿生傳感器等。1信息感知與傳感器622自身信息感知一、電量監(jiān)測(cè)傳感器鋰電池具有高存儲(chǔ)能量、壽命長(zhǎng)、重量輕和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)便攜式電子設(shè)備。隨著電子設(shè)備的功能不斷完善，鋰電池需具備更長(zhǎng)的單次充電時(shí)間以保障設(shè)備長(zhǎng)時(shí)工作。隨著大容量電池的使用，如果設(shè)備能夠精確了解電池的電量，那不僅能夠有效地保護(hù)電池，防止過度放電，同時(shí)也能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)電量、電壓和電流信息，預(yù)測(cè)用電故障和剩余時(shí)長(zhǎng)。因此，電量計(jì)被大量引入智能電子設(shè)備中，電量信息的展現(xiàn)形式已由傳統(tǒng)的柱狀圖進(jìn)化為更加精確的數(shù)字（%）或曲線圖。632自身信息感知電量監(jiān)測(cè)的方法1.直接電池電壓監(jiān)控方法

通過簡(jiǎn)單地監(jiān)控電池的電壓來估算電池電量。盡管該方法精度較低且缺乏對(duì)電池的有效保護(hù)，但因?yàn)槠浜?jiǎn)單易行，目前被廣泛使用。鋰電池的放電特性曲線中電池的電量與電壓之間呈非線性關(guān)系，這種非線性導(dǎo)致了電壓直接檢測(cè)方法的不準(zhǔn)確性，電量檢測(cè)誤差>20%，從而導(dǎo)致電池電量只能分段式顯示，無法以精確的數(shù)字表示。某款鋰電池電量表642自身信息感知電量監(jiān)測(cè)的方法2.庫(kù)侖計(jì)方法在電池的正極或負(fù)極串入一個(gè)電流檢測(cè)電阻，一旦有電流經(jīng)過電池時(shí)，會(huì)在電阻的兩端產(chǎn)生電壓，通過檢測(cè)該電壓就可計(jì)算出流過電池的電流，該電流與時(shí)間做積分就是變化的電量。庫(kù)侖計(jì)測(cè)量原理圖因此，可以精確跟蹤電池的電量變化，精度>99%。盡管庫(kù)侖計(jì)在使用時(shí)需要校正初始電量值，且電流和電阻的誤差直接降低了計(jì)算精度，但是結(jié)合電池電壓和溫度的計(jì)算方法可以較好地減小鋰電池初次電量預(yù)估、電池老化、電流檢測(cè)電阻精度等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。652自身信息感知電量監(jiān)測(cè)的方法3.電池建模方法根據(jù)鋰電池的放電曲線，建立一個(gè)數(shù)據(jù)表，每測(cè)量一個(gè)電壓值，根據(jù)該電壓去表中查出所對(duì)應(yīng)的電量。該方法有效地提高了電量的測(cè)量精度（>95%），可忽略電池電量的初始校正，但是該數(shù)據(jù)表的建立是一個(gè)復(fù)雜的過程，尤其是考慮到電池的溫度、自放電、老化等因素的影響，并且該表對(duì)不同容量和類型的電池的兼容性也不高。該表需要結(jié)合溫度和電池壽命等因素進(jìn)行修正，才能得到較高的測(cè)量精度。本課程配套物流機(jī)器人即采用該方法。662自身信息感知電壓檢測(cè)原理672自身信息感知二、溫度傳感器溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分。常見的溫度傳感器有熱電偶溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器和半導(dǎo)體溫度傳感器。兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）。熱電偶溫度計(jì)原理圖682自身信息感知熱電阻的測(cè)溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測(cè)量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻通常需要把電阻信號(hào)通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它二次儀表上，因此熱電阻溫度測(cè)量元件在使用的時(shí)候都會(huì)接入到電橋電路中。熱電偶溫度計(jì)原理圖692自身信息感知半導(dǎo)體溫度計(jì)（semiconductorthermometer）是利用半導(dǎo)體元件與溫度具有的特性關(guān)系構(gòu)成的溫度測(cè)量?jī)x表。半導(dǎo)體溫度計(jì)簡(jiǎn)單易用，一般按照輸出方式分為電流型或者電壓型，使用時(shí)直接將輸出管腳接到對(duì)應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換器件上，即可得到溫度值。半導(dǎo)體溫度測(cè)量器件既可以獨(dú)立使用，也可以集成到半導(dǎo)體器件內(nèi)部使用。本指導(dǎo)書中采用了TI的LM20半導(dǎo)體溫度傳感器。LM20溫度傳感器原理圖702自身信息感知三、速度傳感器物流機(jī)器人需要對(duì)速度進(jìn)行精確測(cè)算，從而達(dá)到各種速度的精確控制及里程的精確計(jì)算。采用旋轉(zhuǎn)編碼器，常見的集成到電機(jī)上的編碼器有光學(xué)式和霍爾式兩種。光學(xué)和霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器原理712自身信息感知三、速度傳感器常見的集成到電機(jī)上的編碼器有光學(xué)式和霍爾式兩種。①光學(xué)編碼器由LED光源（通常是紅外光源）和光電探測(cè)器組成，二者分別位于編碼器碼盤兩側(cè)。碼盤由塑料或玻璃制成，上面間隔排列一系列透光和不透光的線或槽。碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，LED光路被碼盤上間隔排列的線或槽阻斷，從而產(chǎn)生兩路典型的方波A和B正交脈沖，可用于確定軸的旋轉(zhuǎn)和速度。②霍爾編碼器的結(jié)構(gòu)與光學(xué)編碼器類似，它利用的是磁場(chǎng)。磁性編碼器使用磁性碼盤，上面帶有間隔排列的磁極，并在列霍爾效應(yīng)傳感器或磁阻傳感器上旋轉(zhuǎn)。碼盤的任何轉(zhuǎn)動(dòng)都會(huì)使這些傳感器產(chǎn)生響應(yīng)，而產(chǎn)生的信號(hào)將傳輸至信號(hào)調(diào)理前端電路以確定軸的位置。相較于光學(xué)編碼器，磁性編碼器的優(yōu)勢(shì)在于更耐用、抗振和抗沖擊。722自身信息感知四、加速度和角度傳感器物流機(jī)器人為了監(jiān)測(cè)自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通常直接測(cè)量機(jī)器人本身的加速度和轉(zhuǎn)向角度。①加速度傳感器內(nèi)部晶體會(huì)因加速度造成變形，而變形產(chǎn)生電壓，計(jì)算出產(chǎn)生電壓的大小和所施加的加速度大小的關(guān)系，即可將加速度信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。物流機(jī)器人同時(shí)使用空間直角坐標(biāo)三個(gè)軸向的加速檢測(cè)，因此需要使用三軸加速度傳感器。②機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角度需要用陀螺儀進(jìn)行測(cè)量。在陀螺儀的芯片設(shè)計(jì)上，使用微機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體，不停地來回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩。微機(jī)電系統(tǒng)陀螺儀有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體做徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來的電容變化。由電容的變化可以計(jì)算出角速度。在立體空間中角度測(cè)量同樣具有三個(gè)軸向，因此常用三軸的陀螺儀芯片。732自身信息感知由于陀螺儀和加速度計(jì)使用的場(chǎng)合十分重合，因此不少?gòu)S商把二者做到一起，封裝成一個(gè)半導(dǎo)體芯片。三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)相加為六軸，于是也稱之為六軸姿態(tài)傳感器。MPU6050芯片742自身信息感知五、電子羅盤傳感器在沒有GPS定位導(dǎo)航的時(shí)代，人們常常使用羅盤確定方向，在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中借助電子羅盤傳感器來輔助機(jī)器人判定運(yùn)動(dòng)的方向。電子羅盤，又稱數(shù)字羅盤，在現(xiàn)代技術(shù)條件中電子羅盤作為導(dǎo)航儀器或姿態(tài)傳感器已被廣泛應(yīng)用。目前最常用的是三維電子羅盤。本教材中的智能物流機(jī)器人中所集成的就是HMC5883L電子羅盤模塊。HMC5883L電子羅盤模塊752自身信息感知HMC5883L電子羅盤模塊該三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和微處理器構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來測(cè)量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；微處理器處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出等內(nèi)容。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測(cè)在該方向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。向前的方向稱為X方向的傳感器，檢測(cè)地磁場(chǎng)在X方向的矢量值；向右或Y方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Y方向的矢量值；向下或Z方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Z方向的矢量值。每個(gè)方向的傳感器靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場(chǎng)的分矢量調(diào)整到最佳點(diǎn)，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行放大后送入微處理器進(jìn)行處理。磁場(chǎng)測(cè)量范圍為±2Gauss，通過采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場(chǎng)變化量，便可通過該高分辨力來準(zhǔn)確測(cè)量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度。763環(huán)境信息感知一、紅外光電傳感器常見的物流機(jī)器人按照導(dǎo)引線在倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)行穿梭，實(shí)現(xiàn)方法有磁導(dǎo)引線、黑色導(dǎo)引線、二維碼標(biāo)識(shí)等。本課程實(shí)訓(xùn)地圖用到的就是黑色導(dǎo)引線，識(shí)別黑色導(dǎo)引線的常用方式就是利用紅外光反射，利用黑色導(dǎo)引線和背景的顏色差異對(duì)光線的反射率不同從而檢測(cè)到黑色導(dǎo)引線。ST188就是一款單光束自反射式的光電傳感器。ST188紅外光電傳感器773環(huán)境信息感知ST188紅外光電傳感器上有兩個(gè)LED，分別是紅外發(fā)射LED與接收紅外信號(hào)的光敏三極管。工作時(shí)，紅外發(fā)射LED發(fā)射出紅外光，光敏三極管平時(shí)是接收不到發(fā)射的紅外光的，只有當(dāng)傳感器前面一定距離范圍內(nèi)，有物體遮擋時(shí)，這時(shí)發(fā)射的紅外光會(huì)在物體表面反射，從而被光敏三極管接收到，這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)一定距離范圍內(nèi)的顏色差異的檢測(cè)。ST188紅外光電傳感器783環(huán)境信息感知二、TOF測(cè)距傳感器物流機(jī)器人在運(yùn)行過程中需要時(shí)刻檢測(cè)前方是否具有障礙物。TOF技術(shù)由于其諸多優(yōu)良的特性在很多方面已經(jīng)替代紅外測(cè)距、超聲波等檢測(cè)障礙物的傳感器。TOF是飛行時(shí)間（TimeofFlight）技術(shù)的縮寫，即傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計(jì)算光線發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差去計(jì)算被測(cè)物體的距離。TOF傳感器測(cè)量基本原理793環(huán)境信息感知三、RFID射頻讀卡器在貨物搬運(yùn)過程中，有多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)運(yùn)行，系統(tǒng)需要精確地知道每臺(tái)機(jī)器人在倉(cāng)庫(kù)區(qū)域內(nèi)的絕對(duì)位置，因此會(huì)在倉(cāng)庫(kù)區(qū)地面貼RFID卡片。射頻識(shí)別（RFID）是RadioFrequencyIdentification的縮寫，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對(duì)記錄媒體（電子卡片或射頻卡）進(jìn)行讀寫，從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一。倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位RFID標(biāo)簽80RFID工作原理RFID原理：卡片進(jìn)入閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者由卡片主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3環(huán)境信息感知81RFID工作原理倉(cāng)庫(kù)區(qū)地面貼RFID卡片，閱讀器安裝在物流機(jī)器人上，機(jī)器人經(jīng)過卡片所在位置便相當(dāng)于卡片進(jìn)入射頻識(shí)別閱讀器，閱讀器就可以獲取卡片儲(chǔ)存的位置信息，即獲得機(jī)器人在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的絕對(duì)位置，并傳輸數(shù)據(jù)給控制電腦的應(yīng)用系統(tǒng)。3環(huán)境信息感知82信息融合信息融合的定義一種多層次、多方面的處理過程，這個(gè)過程是對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、結(jié)合、相關(guān)、估計(jì)和組合以達(dá)到精確的狀態(tài)估計(jì)和身份估計(jì)，以及完整及時(shí)的態(tài)勢(shì)評(píng)估和威脅估計(jì)。近年來信息融合技術(shù)在基本理論和實(shí)現(xiàn)方法上得到極大的完善，顯示出自身極大的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：容錯(cuò)性好、系統(tǒng)精度高、信息處理速度快、互補(bǔ)性強(qiáng)、信息獲取成本低等方面。4多傳感信息融合83數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵問題是模型設(shè)計(jì)和融合算法數(shù)據(jù)融合模型主要包括功能模型、結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型①功能模型從融合過程出發(fā)，描述數(shù)據(jù)融合包括哪些主要功能和數(shù)據(jù)庫(kù)，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)系統(tǒng)各組成部分之間的相互作用過程；②結(jié)構(gòu)模型從數(shù)據(jù)融合的組成出發(fā)，說明數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的軟、硬件組成，相關(guān)數(shù)據(jù)流、系統(tǒng)與外部環(huán)境的人機(jī)界面；③數(shù)學(xué)模型是數(shù)據(jù)融合的算法和綜合邏輯，算法主要包括分布檢測(cè)、空間融合、屬性融合、態(tài)勢(shì)評(píng)估和威脅估計(jì)算法等，下面從3個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)融合模型分別進(jìn)行介紹。4多傳感信息融合84一、信息融合的功能模型目前已有很多學(xué)者從不同角度提出了信息融合系統(tǒng)的一般功能模型，最有權(quán)威性的是DFS（美國(guó)三軍政府組織-實(shí)驗(yàn)室理事聯(lián)席會(huì)（JDL）下面的C3I技術(shù)委員會(huì)（TPC3）數(shù)據(jù)融合專家組）提出的功能模型。該模型把數(shù)據(jù)融合分為三級(jí)。第一級(jí)是單源或多源處理，主要是數(shù)字處理、跟蹤相關(guān)和關(guān)聯(lián)；第二級(jí)是評(píng)估目標(biāo)估計(jì)的集合，及它們彼此和背景的關(guān)系來評(píng)估整個(gè)情況；第三級(jí)用一個(gè)系統(tǒng)的先驗(yàn)?zāi)繕?biāo)集合來檢驗(yàn)評(píng)估的情況。4多傳感信息融合854多傳感信息融合信息融合3級(jí)模型86二、信息融合的結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)模型有多種不同的分類方法，其中有兩種常見的方法。①第一種分類標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)在送入融合處理中心之前已經(jīng)處理的程度來進(jìn)行分類，在這種分類標(biāo)準(zhǔn)下，融合結(jié)構(gòu)被分為傳感器級(jí)數(shù)據(jù)融合、中央級(jí)數(shù)據(jù)融合及混合式融合。②還可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理過程的分辨率來對(duì)融合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，在這種情況下，融合結(jié)構(gòu)分為像素級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合。4多傳感信息融合87三、多傳感器信息融合模型該方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型信息融合涉及到多方面的理論和技術(shù)，如信號(hào)處理、估計(jì)理論、不確定性理論、模式識(shí)別、最優(yōu)化技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。目前，這些方法大致分為兩類：隨機(jī)類方法和人工智能方法。4多傳感信息融合1.隨機(jī)類方法這類方法研究的對(duì)象是隨機(jī)的，隨機(jī)類方法包括很多，這里介紹3種方法。①

貝葉斯推理方法：把每個(gè)傳感器看作是一個(gè)貝葉斯估計(jì)器，用于將每一個(gè)目標(biāo)各自的關(guān)聯(lián)概率分布綜合成一個(gè)聯(lián)合后驗(yàn)分布函數(shù)，然后隨觀測(cè)值的到來，不斷更新假設(shè)的該聯(lián)合分布似然函數(shù)，并通過該似然函數(shù)的極大或極小進(jìn)行信息的最后融合。881.隨機(jī)類方法①貝葉斯推理方法：雖然貝葉斯推理法解決了傳統(tǒng)推理方法的某些缺點(diǎn)，但是定義先驗(yàn)似然函數(shù)比較困難，要求對(duì)立的假設(shè)彼此不相容，無法分配總的不確定性，因此，貝葉斯推理法具有很大的局限性。4多傳感信息融合②

Dempster-Shafer

的依據(jù)理論是一種廣義的貝葉斯推理方法，它是通過集合表示命題，把對(duì)命題的不確定性描述轉(zhuǎn)化為對(duì)集合的不確定性描述，利用概率分配函數(shù)、信任函數(shù)、似然函數(shù)來描述客觀證據(jù)對(duì)命題的支持程度，用它們之間的推理與運(yùn)算來進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。891.隨機(jī)類方法②DS證據(jù)理論可以不需要先驗(yàn)概率和條件概率密度，并且能將“不知道”和“不確定”區(qū)分開來，但是它存在潛在的指數(shù)復(fù)雜度問題和要求證據(jù)是獨(dú)立的問題。4多傳感信息融合③

卡爾曼濾波融合算法：它利用測(cè)量模型的統(tǒng)計(jì)特性，遞推確定在統(tǒng)計(jì)意義下最優(yōu)的融合數(shù)據(jù)估計(jì)，適合于線性系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤，并且一般適用于平穩(wěn)的隨機(jī)過程，它要求系統(tǒng)具有線性的動(dòng)力學(xué)模型，且系統(tǒng)噪聲和傳感器噪聲是高斯分布白噪聲模型，并且計(jì)算量大，對(duì)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)非常敏感。90三、多傳感器信息融合模型2.人工智能方法用于多傳感器數(shù)據(jù)融合的計(jì)算智能方法有小波分析理論、模糊集合理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗集理論和支持向量機(jī)等，下面介紹小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。4多傳感信息融合①小波變換是時(shí)頻分析方法，它主要用于圖像融合，把多個(gè)不同模式的圖像傳感器得到的同一場(chǎng)景的多幅圖像，或同一傳感器在不同時(shí)刻得到的同一場(chǎng)景的多幅圖像，合成為一幅圖像的過程。經(jīng)圖像融合技術(shù)得到的合成圖像可以更全面、精確地描述所研究的對(duì)象?；谛〔ㄗ儞Q的圖像融合算法為：首先用小波變換將各幅原圖像分解，然后基于選擇規(guī)則，得到各幅圖像在各個(gè)頻率段的決策表，對(duì)決策表進(jìn)行一致性驗(yàn)證得到最終的決策表，在最終決策表的基礎(chǔ)上經(jīng)過一定的融合過程，得到融合后的多分辨表達(dá)式，最后經(jīng)過小波逆變換得到融合圖像。912.人工智能方法②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是在現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)和認(rèn)知科學(xué)對(duì)人類信息處理研究成果的基礎(chǔ)上提出的，它有大規(guī)模并行處理、連續(xù)時(shí)間動(dòng)力學(xué)和網(wǎng)絡(luò)全局作用等特點(diǎn)，將存儲(chǔ)體和操作合二為一。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速并行運(yùn)算能力，可以避開信息融合中建模的過程，從而消除由于模型不符或參數(shù)選擇不當(dāng)帶來的影響，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識(shí)別。4多傳感信息融合在物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過程中，機(jī)器人需要同時(shí)接收紅外光電傳感器、TOF傳感器、RFID傳感器、速度傳感器、加速度計(jì)、角速度計(jì)和電子羅盤的綜合信息。根據(jù)優(yōu)先級(jí)關(guān)系來綜合控制物流機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地上準(zhǔn)確地沿著黑色導(dǎo)引線按照預(yù)定的速度準(zhǔn)確地進(jìn)行前進(jìn)或轉(zhuǎn)彎，如遇到TOF檢測(cè)到障礙物或其他機(jī)器人，則暫停運(yùn)動(dòng)和上報(bào)狀態(tài)讓電腦端應(yīng)用軟件Flex-PF重新規(guī)劃路徑。歡迎探討！第4章

機(jī)器人控制決策智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS1嵌入式控制系統(tǒng)2物流機(jī)器人控制決策95章節(jié)目標(biāo)1.掌握嵌入式系統(tǒng)的控制原理；2.了解嵌入式系統(tǒng)的資源選型；3.掌握嵌入式系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)。96嵌入式控制系統(tǒng)物流機(jī)器人的控制系統(tǒng)是系統(tǒng)中最重要的組成部分：一方面，它接收傳感器系統(tǒng)收集的環(huán)境信息，進(jìn)行分析處理，建立環(huán)境模型；另一方面，它通過人機(jī)交互系統(tǒng)或通訊系統(tǒng)接受指令，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，再根據(jù)環(huán)境模型產(chǎn)生相應(yīng)的行為動(dòng)作。1.嵌入式控制系統(tǒng)97（1）嵌入式控制系統(tǒng)——控制原理物流機(jī)器人的整個(gè)控制系統(tǒng)由軟件和硬件組成：軟件系統(tǒng)由硬件驅(qū)動(dòng)層軟件，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層軟件和用戶應(yīng)用程序?qū)榆浖?gòu)成。硬件系統(tǒng)以MCU微控制器為核心，集成了電源管理、多種傳感器、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、IO接口、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和人機(jī)交互模塊。1.嵌入式控制系統(tǒng)98嵌入式微控制器為物流機(jī)器人的硬件核心，負(fù)責(zé)接收各個(gè)傳感器采集的信息，經(jīng)過濾波后把可用的傳感器數(shù)據(jù)傳入控制算法中，由機(jī)器人的控制算法程序經(jīng)過判斷處理后給出控制結(jié)果，控制結(jié)果通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)電機(jī)和升降臺(tái)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或停止轉(zhuǎn)動(dòng)。物流機(jī)器人微控制器收集傳感器采集的信息物流機(jī)器人傳輸?shù)娇刂扑惴▊鬏斂刂平Y(jié)果升降臺(tái)升起1.嵌入式控制系統(tǒng)99機(jī)器人通過通信模塊連接到無線WiFi網(wǎng)絡(luò)中，和具有多機(jī)器人物流系統(tǒng)控制臺(tái)的電腦，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和指令通信，不僅可以實(shí)時(shí)地傳輸機(jī)器人的各種狀態(tài)信息，也可以在機(jī)器人遇到障礙等需要重新規(guī)劃路徑的狀況時(shí)，上報(bào)到多機(jī)器人物流系統(tǒng)控制電腦中，從而由多機(jī)器人物流系統(tǒng)重新規(guī)劃路徑傳輸給機(jī)器人使其沿著新的路徑行走。1.嵌入式控制系統(tǒng)100物流機(jī)器人的人機(jī)交互模塊由蜂鳴器，指示燈和顯示屏構(gòu)成，蜂鳴器和指示燈可以及時(shí)地反饋物流機(jī)器人的工作提示狀態(tài)信息和報(bào)警信息，方便在運(yùn)行時(shí)獲取機(jī)器人的狀態(tài)；顯示屏可以詳細(xì)地顯示物流機(jī)器人的自身狀態(tài)信息，包括電池電量、工作溫度、運(yùn)行時(shí)間、機(jī)器人編號(hào)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等等信息，方便在調(diào)試和維護(hù)時(shí)得到機(jī)器人的詳細(xì)信息。1.嵌入式控制系統(tǒng)101（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型①微控制器物流機(jī)器人選用了型號(hào)為STM32F407VET6的微控制器，該控制器是意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)的帶有DSP和FPU的高性能基礎(chǔ)系列ARMCortex-M4MCU。該控制器具有32位的RISC核心，168MHz的主頻，1MB的可編程閃存，同時(shí)帶有浮點(diǎn)計(jì)算單元（FPU）支持處理單精度的浮點(diǎn)計(jì)算。該型號(hào)的微控制器帶有豐富的外設(shè)接口、IIC、USB、CAN、SPI、USART、RTC、ADC和DAC等，方便我們連接各種各樣的傳感器，同時(shí)提供各種可編程IO口供用戶自行定義，并且支持SWD和JTAG兩種調(diào)試接口，方便用戶的開發(fā)調(diào)試。1.嵌入式控制系統(tǒng)102STM32F407VET6的硬件原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)103（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型②存儲(chǔ)器物流機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件采用了外置EEPROM存儲(chǔ)器，即帶電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory)。這種存儲(chǔ)器可以通過編程來讀寫數(shù)據(jù)。該物流機(jī)器人采用的EEPROM型號(hào)為AT24C512具有512Kb的存儲(chǔ)空間，通過IIC接口即可實(shí)現(xiàn)讀寫。1.嵌入式控制系統(tǒng)104

EEPROM電路設(shè)計(jì)原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)105（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型③電源管理電源管理一直是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心點(diǎn)之一。一般的嵌入式系統(tǒng)都只有一個(gè)電源輸入因此電源的輸入具有唯一性，但是因用電的器件和模塊對(duì)于電源的使用有著較為嚴(yán)格的區(qū)分，其中電壓，電流和紋波為三個(gè)主要的指標(biāo)。電壓電流1.嵌入式控制系統(tǒng)106（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型③電源管理電壓要求在用電器件的額定工作范圍內(nèi)，電流要滿足用電器件的最大功耗，紋波則是要求電壓的波動(dòng)要小。物流機(jī)器人的電源設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)外分開的模式，內(nèi)部核心采用內(nèi)部管理電路，涉及到外部連接別的器件或通信的，采用外部電源管理。由于輸入電壓為7.2V，為了滿足不同器件的用電需求，采用了5V和3.3V兩級(jí)穩(wěn)壓的設(shè)計(jì)方式，其中5V采用開源電源芯片TPS54540，提供大電流，3.3V采用線性穩(wěn)壓芯片TPS7333提供小紋波的核心供電電壓。1.嵌入式控制系統(tǒng)107電源管理原理圖—011.嵌入式控制系統(tǒng)108電源管理原理圖—021.嵌入式控制系統(tǒng)109電源管理原理圖—031.嵌入式控制系統(tǒng)110（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型④電機(jī)驅(qū)動(dòng)物流機(jī)器人具有2個(gè)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和1個(gè)升降臺(tái)電機(jī)，電機(jī)的型號(hào)均為JGA12-N20。該型號(hào)電機(jī)為直流有刷電機(jī)，額定電壓為3~6V，額定電流小于0.2A，因此選用了型號(hào)為RZ7899的集成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。RZ7899是一款DC雙向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，工作電壓范圍寬3.0V~25V，輸出電流最大可達(dá)到6A。它有兩個(gè)邏輯輸入端子用來控制電機(jī)前進(jìn)、后退及制動(dòng)。該電路具有良好的抗干擾性，微小的待機(jī)電流、較低的輸出內(nèi)阻，內(nèi)置有二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流。1.嵌入式控制系統(tǒng)111電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)112（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑤編碼器為了精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和行走里程，在運(yùn)動(dòng)電機(jī)的尾部設(shè)計(jì)帶有反饋的編碼器，由于電機(jī)的體積和機(jī)器人的空間的限制，采用了霍爾編碼器，它可以提供100KHz的AB雙向方波輸出，選用的主控芯片自帶硬件的編碼器解碼電路，因此，編碼器電路原理設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，只需要引入接口即可。編碼器接口1.嵌入式控制系統(tǒng)113（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑥溫度傳感器為了感知物流機(jī)器人自身工作時(shí)的電路溫度，在設(shè)計(jì)物流機(jī)器人硬件的時(shí)候加入了溫度傳感器來實(shí)時(shí)地測(cè)量物流機(jī)器人的工作溫度。選用的溫度傳感器為TI生產(chǎn)的LM20溫度傳感器。LM20是一款精密模擬輸出CMOS集成電路溫度傳感器，工作溫度范圍為-55°C至130°C，電源工作范圍為2.4V至5.5V。1.嵌入式控制系統(tǒng)114（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑦TOF傳感器為了在運(yùn)行的過程中讓機(jī)器人可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)到前方的障礙物，選擇在機(jī)器人的前方添加TOF傳感器來檢測(cè)障礙。傳統(tǒng)的障礙檢測(cè)較為常用的是超聲波傳感器，由于文中演示用到的機(jī)器人的體積較小，障礙物體積均較小，超聲波檢測(cè)在此場(chǎng)景下的運(yùn)用受到了極大的限制，因此，選用了集成度較高，體積較小的TOF傳感器。1.嵌入式控制系統(tǒng)115激光照射ToF時(shí)間脈沖1.嵌入式控制系統(tǒng)116（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑧巡線傳感器物流場(chǎng)地的設(shè)計(jì)中采用了在地面貼黑色導(dǎo)引線的方式，因此物流機(jī)器人的底部添加了可以識(shí)別場(chǎng)地內(nèi)黑色導(dǎo)引線的傳感器。巡線傳感器為型號(hào)為ST188的單光束反射式紅外光電傳感器。該傳感器由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，可以根據(jù)地面的顏色反差準(zhǔn)確地識(shí)別黑線的位置。由于ST188只是模擬器件，因此需要把由于反射光強(qiáng)不同產(chǎn)生的模擬電壓變化送入微控制器的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中。1.嵌入式控制系統(tǒng)117ST188應(yīng)用原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)118（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑨RFID讀卡器物流機(jī)器人的黑色導(dǎo)引線存在眾多的交叉點(diǎn)，為了確定物流機(jī)器人在場(chǎng)地中運(yùn)行的準(zhǔn)確位置，采用了在每一個(gè)交叉點(diǎn)位置貼RFID標(biāo)簽的方式讓機(jī)器人在經(jīng)過每一個(gè)交叉點(diǎn)的時(shí)候都可以讀取該點(diǎn)的位置信息。選用的RFID讀卡器為PN532讀卡器模塊。該模塊體積小巧，支持多種類型卡的讀寫，最大讀取距離為5~7cm，支持IIC，SPI，高速串口三種通信方式。RFID讀卡器適合嵌入到本文的物流機(jī)器人中進(jìn)行場(chǎng)地位置信息標(biāo)簽的讀取。1.嵌入式控制系統(tǒng)119PN532讀卡器模塊高速串口的連接方式——連接原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)120（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑩IMU傳感器慣性測(cè)量單元（IMU）通常指由3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀組成的組合單元，加速度計(jì)和陀螺儀安裝在互相垂直的測(cè)量軸上。一般精度的IMU需要通過其他方式修正;GPS用于修正位置的長(zhǎng)期漂移;氣壓計(jì)用于修正高度;磁力計(jì)用于修正姿態(tài);1.嵌入式控制系統(tǒng)121（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑩IMU傳感器物流機(jī)器人使用的IMU為MPU6050，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用IIC接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器。擴(kuò)展之后就可以通過其IIC或SPI接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)。1.嵌入式控制系統(tǒng)122（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑩IMU傳感器IMU傳感器具有對(duì)正交軸的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)，能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從-8高斯到+8高斯（gauss）。物流機(jī)器人在應(yīng)用中把磁力計(jì)的信號(hào)接入到了MPU6050中，然后通過IIC輸出一個(gè)九軸的信號(hào)給微控制器。MPU60501.嵌入式控制系統(tǒng)123IMU設(shè)計(jì)原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)124（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型

USB通信接口物流機(jī)器人可以通過Type-C的USB接口與電腦進(jìn)行連接，完成充電和通信。由于USB的輸入電壓為5V因此選用了一款升壓芯片SY6982對(duì)5V進(jìn)行升壓之后給7.2V的電池進(jìn)行充電，通信上采用了USB轉(zhuǎn)串口的方式，通過CH340G芯片把USB協(xié)議轉(zhuǎn)成TTL協(xié)議后連接到微控制器上。1.嵌入式控制系統(tǒng)125USB升壓電路原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)126USB轉(zhuǎn)串口通信原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)127（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型

USB通信接口機(jī)器人通過WIFI通信的方式和多機(jī)器人物流系統(tǒng)電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)的通信，上傳機(jī)器人自身的狀態(tài)，下發(fā)多機(jī)器人物流系統(tǒng)的訂單指令和規(guī)劃行走的路徑。WIFI模塊選用了一款型號(hào)為RTL8720的集成串口WIFI模塊，該款WIFI模塊體積小，功耗低，支持2.4G和5G雙頻WIFI連接，能滿足機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)連接需求。RTL87201.嵌入式控制系統(tǒng)128WIFI模塊原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)129（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型

USB通信接口物流機(jī)器人的人機(jī)交互設(shè)計(jì)選用了三種方式，蜂鳴器，指示燈和LCD顯示屏。蜂鳴器選用了有源的蜂鳴器，可以用IO高低電平直接控制。指示燈為RGB三色指示燈可以實(shí)現(xiàn)多種顏色的顯示，用于不同的提醒。LCD顯示屏用于顯示機(jī)器人各種詳細(xì)參數(shù)，采用了一款SPI接口驅(qū)動(dòng)的0.96寸TFT液晶屏幕。1.嵌入式控制系統(tǒng)130（3）嵌入式控制系統(tǒng)——控制實(shí)現(xiàn)物流機(jī)器人的控制實(shí)現(xiàn)由程序完成，主要包括以下四個(gè)方面:開機(jī)自檢、配置、控制算法線程控制、底層驅(qū)動(dòng)。物流機(jī)器人控制軟件構(gòu)圖1.嵌入式控制系統(tǒng)131（3）嵌入式控制系統(tǒng)——控制實(shí)現(xiàn)①開機(jī)自檢和配置開機(jī)自檢和配置主要是完成機(jī)器人在開機(jī)后對(duì)自身的狀態(tài)信息進(jìn)行檢查，傳感器是否正常、通信是否正常、電池電量是否正常等等各種狀態(tài)檢查。機(jī)器人各項(xiàng)狀態(tài)檢查之后，加載配置項(xiàng)確定配置信息，配置好的機(jī)器人即當(dāng)前的機(jī)器人在系統(tǒng)中是獨(dú)一無二的。1.嵌入式控制系統(tǒng)132（3）嵌入式控制系統(tǒng)——控制實(shí)現(xiàn)②控制算法控制算法是機(jī)器人高級(jí)控制中樞，主要提供定位導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)交互和遙測(cè)通信服務(wù)。定位導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)控制保證了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中路徑的準(zhǔn)確性，狀態(tài)交互和遙測(cè)通信將機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)傳輸?shù)娇刂茟?yīng)用軟件Flex-PF，提供了實(shí)時(shí)的任務(wù)分配和路徑規(guī)劃的依據(jù)。1.嵌入式控制系統(tǒng)133（3）嵌入式控制系統(tǒng)——控制實(shí)現(xiàn)③OS線程控制OS線程控制負(fù)責(zé)機(jī)器人的應(yīng)用服務(wù)和底層之間的交互，確保機(jī)器人可以按照預(yù)定的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。④底層驅(qū)動(dòng)底層驅(qū)動(dòng)是直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的每一個(gè)硬件，讓機(jī)器人的每一個(gè)的器件，都可以正常地進(jìn)行工作。1.嵌入式控制系統(tǒng)134物流機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)機(jī)器人的控制系統(tǒng)由多機(jī)器人物流系統(tǒng)、通信鏈路和機(jī)器人三部分組成，其中多機(jī)器人物流系統(tǒng)包括倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)和機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，整體架構(gòu)如下圖所示：機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)2.物流機(jī)器人控制決策135物流機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中集成了貨架管理、貨物管理和訂單管理三項(xiàng)基本的內(nèi)容管理系統(tǒng)。貨架管理項(xiàng)中具有數(shù)據(jù)顯示、熱度調(diào)整、數(shù)據(jù)記錄的功能，對(duì)應(yīng)于熱度策略設(shè)計(jì)。貨架熱度策略的生成可以讓倉(cāng)庫(kù)中每一個(gè)貨架都能得到最大限度的效率利用。貨物管理項(xiàng)中擁有現(xiàn)有庫(kù)存，庫(kù)存調(diào)整，出入庫(kù)記錄和智能補(bǔ)貨的功能，對(duì)應(yīng)于補(bǔ)貨策略。補(bǔ)貨策略的增加對(duì)應(yīng)到倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)中的訂單數(shù)據(jù)的處理，是智能倉(cāng)儲(chǔ)的重要體現(xiàn)之一。2.物流機(jī)器人控制決策136物流機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)訂單管理項(xiàng)具有現(xiàn)有訂單、歷史訂單、訂單生成和訂單設(shè)置功能，對(duì)應(yīng)于訂單的數(shù)據(jù)處理。訂單的數(shù)據(jù)處理是倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人控制的主要策略依據(jù)，訂單的類型和數(shù)量直接影響倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人搬運(yùn)貨架環(huán)節(jié)的路徑規(guī)劃和多機(jī)器人調(diào)度。機(jī)器人的管理項(xiàng)具有機(jī)器人信息、電量監(jiān)控和硬件配置的功能。機(jī)器人監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并以此為依據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)的整合與調(diào)度。2.物流機(jī)器人控制決策137物流機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)的物流機(jī)器人在控制決策中，主要依賴于倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的決策控制。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)貨物、貨架、訂單進(jìn)行管理，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)器人進(jìn)行一系列的貨物搬運(yùn)操作。機(jī)器人在使用過程中也會(huì)把自身狀態(tài)信息和環(huán)境狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地上報(bào)，倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)綜合倉(cāng)庫(kù)需求和機(jī)器人上報(bào)的多種狀態(tài)信息進(jìn)行機(jī)器人的任務(wù)分配和路徑規(guī)劃。2.物流機(jī)器人控制決策138機(jī)器人控制決策機(jī)器人的控制決策可以分為管理系統(tǒng)控制端決策和本地控制決策。服務(wù)器端的控制決策決分配了機(jī)器人的具體訂單任務(wù)和規(guī)劃行進(jìn)的路線。本地端的控制決策則是機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過程中依靠自身的傳感器得到運(yùn)行路徑上的各種信息，通過對(duì)信息的處理得出機(jī)器人運(yùn)行的當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)來直接決定機(jī)器人在預(yù)定軌跡上的運(yùn)動(dòng)是正常執(zhí)行還是上報(bào)異常請(qǐng)求重新規(guī)劃路徑。2.物流機(jī)器人控制決策139機(jī)器人控制決策一條完整的信息交互路徑為：物流機(jī)器人—＞狀態(tài)信息上報(bào)—＞倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)確定機(jī)器人狀態(tài)—＞倉(cāng)儲(chǔ)訂單下達(dá)—＞機(jī)器人任務(wù)分配算法—＞路徑規(guī)劃算法—＞機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)—＞機(jī)器人信息實(shí)時(shí)上報(bào)—＞路徑不通—＞重新規(guī)劃路徑—＞完成任務(wù)上報(bào)。2.物流機(jī)器人控制決策140機(jī)器人控制決策可以總結(jié)為，系統(tǒng)正常運(yùn)行且機(jī)器人無故障狀態(tài)，則生成訂單后，物流機(jī)器人根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況同步信息到多機(jī)器人物流系統(tǒng)軟件中，通過多機(jī)器人物流系統(tǒng)軟件的算法計(jì)算得到結(jié)果，實(shí)時(shí)控制物流機(jī)器人的行駛方向。例如：物流機(jī)器人在行駛過程中，通過ToF傳感器檢測(cè)到前方有障礙物，這時(shí)物流機(jī)器人就會(huì)把檢測(cè)到的信息傳遞給多機(jī)器人物流系統(tǒng)軟件，多機(jī)器人物流系統(tǒng)軟件根據(jù)設(shè)定好的算法重新為物流機(jī)器人規(guī)劃取貨路線，多機(jī)器人物流系統(tǒng)軟件把重新規(guī)劃的路線信息傳遞給物流機(jī)器人，物流機(jī)器人就會(huì)按照新的規(guī)劃路線執(zhí)行取貨任務(wù)。2.物流機(jī)器人控制決策歡迎探討!第5章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行駛智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS3電機(jī)驅(qū)動(dòng)2電機(jī)原理4PID控制算法1物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式144

章節(jié)目標(biāo)掌握物流機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)方式；了解直流有刷電機(jī)的構(gòu)成與基本控制原理；學(xué)習(xí)并掌握直流有刷電機(jī)的控制算法。1451物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)機(jī)器人的分類①移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、腿式機(jī)器人等；②移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)特性又可分為非全方位移動(dòng)機(jī)器人和全方位移動(dòng)機(jī)器人兩類。物體在平面上的移動(dòng)可產(chǎn)生前后、左右和自轉(zhuǎn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。若所具有的自由度少于3個(gè),則為非全方位移動(dòng)機(jī)器人；若具有3個(gè)自由度，則稱為全方位移動(dòng)機(jī)器人。物流機(jī)器人屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)主要有三輪結(jié)構(gòu)、四輪結(jié)構(gòu)、全方位移動(dòng)結(jié)構(gòu)。1461物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式輪式結(jié)構(gòu)三輪結(jié)構(gòu)：包括后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向、前輪轉(zhuǎn)向兼前輪驅(qū)動(dòng)及兩輪差速驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的自由運(yùn)動(dòng)；四輪結(jié)構(gòu)：主要是四輪驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括麥克納姆輪及舵輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向。本書中的物流機(jī)器人采用的是兩動(dòng)力輪和兩萬(wàn)向輪的四輪結(jié)構(gòu)。147物流機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)物流場(chǎng)地的導(dǎo)引線均為直線，因此物流機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式比較單一，運(yùn)動(dòng)方式只有前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)向90度或180度。物流機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了雙輪差速驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩個(gè)動(dòng)力輪在機(jī)器人底盤的中間位置，前后設(shè)計(jì)可輔助萬(wàn)向輪進(jìn)行平衡。雙輪差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，差速的動(dòng)力輪直接與減速電機(jī)相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制起來十分得方便。1物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式1481物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制一、行走控制物流機(jī)器人中用到的雙輪行走控制只要求直線行走，因此控制兩個(gè)輪子同時(shí)向同一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。1491物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制二、轉(zhuǎn)向控制物流機(jī)器人中用到的轉(zhuǎn)向控制只要求原地轉(zhuǎn)向，因此控制兩個(gè)輪子同時(shí)向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。1502電機(jī)原理直流有刷電機(jī)物流機(jī)器人使用了有刷直流減速電機(jī)作為行走的動(dòng)力電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為JGA12-N20，該型電機(jī)由減速箱、電機(jī)和編碼器三部分組成。JGA12-N20型直流有刷減速電機(jī)1512電機(jī)原理直流有刷電機(jī)①由直流電驅(qū)動(dòng)的電機(jī)即為直流電機(jī)。②

有刷電機(jī)源自于電機(jī)的組成原理。直流減速電機(jī)由以下幾項(xiàng)構(gòu)成：定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座。定子是電機(jī)磁場(chǎng)靜止的部分，在所使用到的電機(jī)中即為和外殼固定在一起的兩塊磁體部分。轉(zhuǎn)子即電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，在所使用的電機(jī)中即為繞有線圈的鐵芯。機(jī)座部分是用來固定供電的電刷。1522電機(jī)原理直流有刷電機(jī)有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，磁極不動(dòng)，線圈旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器和電刷來完成的。有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理1532電機(jī)原理直流有刷電機(jī)①有刷直流電機(jī)有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，只需施加直流電壓即可使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)壓調(diào)速方便，反轉(zhuǎn)電壓極性會(huì)即刻反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，低速時(shí)可輸出高扭矩。②有刷直流電機(jī)也有顯著的缺點(diǎn)，由于電刷的磨損，使用壽命較短，并且電刷和換向器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致大量的電氣噪聲進(jìn)入控制系統(tǒng)，這對(duì)于在同一系統(tǒng)中工作的微控制器或傳感器容易造成極大的干擾。換向器之間的物理接觸意味著兩個(gè)部件之間存在摩擦，摩擦產(chǎn)生的熱量限制了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不能過快。1543電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速方式①改變電機(jī)兩端的電壓②改變磁通量③串入調(diào)節(jié)電阻由于經(jīng)濟(jì)性和適用性的原因，變電壓調(diào)速是最常用的方法。在電機(jī)的控制中，不僅需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還需要控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，這個(gè)時(shí)候就需要用到脈寬調(diào)制（PWM）和H橋兩種技術(shù)的搭配。155H橋的接法把電機(jī)接到1,2,3,4四個(gè)開關(guān)的中間位置，這個(gè)時(shí)候4個(gè)開關(guān)和電機(jī)剛好組成1個(gè)H字母的樣子，因此叫做H橋。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)156電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)3電機(jī)驅(qū)動(dòng)當(dāng)把開關(guān)1和4閉合，保持開關(guān)2和3斷開的時(shí)候，電機(jī)就接入了回路中，電流流過電機(jī)開始向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這種電流流向被定義為正向轉(zhuǎn)動(dòng)。157電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)3電機(jī)驅(qū)動(dòng)當(dāng)把開關(guān)2和3閉合，保持開關(guān)1和4斷開的時(shí)候，電機(jī)接入了反向回路中，電流流過電機(jī)開始向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這種電流流向被定義為反向轉(zhuǎn)動(dòng)。158H橋的接法需要注意的是同一側(cè)的兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)閉合，如果同時(shí)閉合會(huì)造成短路，直接燒壞電源。僅僅利用開關(guān)的閉合只能控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與停止，無法控制速度。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)159實(shí)際使用的H橋電路電機(jī)是感性元件，由于線圈內(nèi)的電流不會(huì)隨著外部電壓的消失而瞬間消失，因此可以通過控制開關(guān)閉合和斷開的頻率及控制導(dǎo)通的時(shí)間，達(dá)到等效控制電壓的目的。由于需要的頻率很高，在KHz級(jí)別，因此開關(guān)就不適用了，這時(shí)候把開關(guān)換成MOS管，可支持較高的開關(guān)頻率，這樣就形成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基本H橋電路。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)160實(shí)際使用的H橋電路H橋MOS管的閉合和斷開只需要用高低電平就可以控制，具體的表現(xiàn)形式為不同占空比的方波。占空比即為單個(gè)高電平時(shí)間占周期的比例，占空比越大電機(jī)兩端的有效電壓就越接近電源電壓，因此理論上可以實(shí)現(xiàn)0V到電源電壓之間的無極變化。這種技術(shù)就是脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM，PulseWidthModulation）。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)1613電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM就是通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效出所需要的波形（包含形狀以及幅值），對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼，也就是說通過調(diào)節(jié)占空比的變化來調(diào)節(jié)信號(hào)、能量等變化，占空比就是在一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)處于高電平的時(shí)間占據(jù)整個(gè)信號(hào)周期的百分比，例如方波的占空比就是50%。方波的波形通過PWM技術(shù)和H橋技術(shù)就可以完成了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的同時(shí)控制，即構(gòu)成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)。1624PID控制算法PID控制物流機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的控制中采用了閉環(huán)控制的方式，簡(jiǎn)單常用的閉環(huán)電機(jī)控制方式即為PID

控制。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，因此成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)使用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合使用PID控制技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中也有PI和PD控制。1634PID控制算法PID控制框圖1644PID控制算法PID控制比例（P）控制比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)，系統(tǒng)的輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。1654PID控制算法PID控制比例積分（PI）控制在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分（可看作誤差的累加）成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)的輸出取決于輸入誤差信號(hào)的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。1664PID控制算法PID控制比例微分（PD）控制在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，其原因是存在較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，其變化總是落后于誤差的變化。解決辦法是讓抑制誤差的作用變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而不能解決變化的滯后。目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣具有比例+微分的控制器(PD)，能提前使抑制誤差的控制作用為零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。歡迎探討！第6章無線組網(wǎng)通信智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS3通信協(xié)議2通信方式4控制端軟件通信內(nèi)容1通信技術(shù)170

章節(jié)目標(biāo)了解TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型與協(xié)議功能；學(xué)習(xí)了解網(wǎng)絡(luò)地址與物流機(jī)器人組網(wǎng)方式；了解MQTT協(xié)議及其通信流程。1711通信技術(shù)物流機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)倉(cāng)庫(kù)中運(yùn)行著數(shù)量較多的物流機(jī)器人，每一個(gè)物流機(jī)器人都需要與控制電腦進(jìn)行通信，因此需要建立無線通信網(wǎng)絡(luò)。為了方便控制和管理所有的物流機(jī)器人，控制端置于計(jì)算機(jī)上，通過無線通信的方式與物流機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下的智能倉(cāng)庫(kù)模擬圖。智能倉(cāng)庫(kù)模擬圖1721通信技術(shù)通信技術(shù)目前常用的區(qū)域自建無線組網(wǎng)方式有藍(lán)牙（Bluetooth）、Zig-Bee、Wi-Fi三種通信技術(shù)。①

藍(lán)牙(Bluetooth)藍(lán)牙通信技術(shù)能夠在10米的半徑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)和聲音傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)1Mbps，通訊介質(zhì)為頻率在2.402GHz到2.480GHz之間的電磁波。藍(lán)牙技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語(yǔ)音設(shè)備，如PC、打印機(jī)、耳機(jī)等，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間隨時(shí)隨地進(jìn)行通信。藍(lán)牙組網(wǎng)及標(biāo)識(shí)1731通信技術(shù)②Zig-Bee

Zig-Bee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)而建立的一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBee來源于蜜蜂群的通信方式，從而構(gòu)成了蜂群的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)有：距離近，通常傳輸距離是10-100m；低功耗，在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)終端工作6-24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)時(shí)間；成本低，Zig-Bee免協(xié)議費(fèi)，芯片價(jià)格便宜；低速率，通常Zig-Bee工作在20-250kbps的較低速率；延時(shí)短，Zig-Bee的響應(yīng)速度較快等。1741通信技術(shù)②Zig-Bee

Zig-Bee主要適用于家庭和樓宇控制、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制、公共場(chǎng)所信息檢測(cè)與控制、智能型標(biāo)簽等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域1751通信技術(shù)③無線寬帶(Wi-Fi)Wi-Fi是一種基于802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)接入技術(shù)。其突出的優(yōu)勢(shì)在于：它有較廣的局域網(wǎng)覆蓋范圍，其覆蓋半徑