CN113359755A - 一种循迹运输车辆的调度系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循迹运输车辆的调度系统及方法，该系统包括循迹小车、用于获取循迹小车位置信息的无线定位系统和用于行驶路径规划的调度系统，循迹小车设有微控制器、用于识别地面行驶轨迹的循迹模块、用于识别障碍物的避障模块和用于定位循迹小车的无线定位标签，微控制器分别与循迹模块、避障模块连接，无线定位标签与无线定位系统无线连接；无线定位系统包括用于定位无线定位标签的无线定位基站和服务器，服务器与无线定位基站无线连接，服务器与调度系统无线连接，调度系统与微控制器无线连接，用于传输行驶路线。本发明能够有效地对循迹小车进行定位，实现对循迹小车智能调度分配，提高了调度系统的运行效率。

Description

一种循迹运输车辆的调度系统及方法

技术领域

本申请涉及车辆调度控制技术领域，具体涉及一种循迹运输车辆的调度系统及方法。

背景技术

目前国内很多的仓库管理系统的自动化程度较低，传统的物流仓储行业通过人工操作进行货物的运输与分拣等，主要存在以下几个问题：首先是人工成本高，传统的操作模式需要消耗大量的劳动力资源；其次则是作业效率低，在货物的拣选、搬运等环节都需要人手工操作，作业速度有限，同时操作的准确率也会不会太高；第三，仓库的管理需要人工决策，在仓库规模较大时就会比较混乱，因此，亟需研究一种仓库管理系统提高物流运输作业效率。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种循迹运输车辆的调度系统及方法，针对循迹运输车辆进行调度管理，有效地提高仓储物流运输及管理效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种循迹运输车辆的调度系统，包括：循迹小车、无线定位系统和用于行驶路径规划的调度系统；

所述循迹小车设有微控制器、用于识别地面行驶轨迹的循迹模块、用于识别障碍物的避障模块、用于定位循迹小车的无线定位标签和摄像头，微控制器分别与循迹模块、避障模块、摄像头连接并进行数据交互；

所述无线定位系统包括服务器和无线定位基站，服务器与无线定位基站无线连接，无线定位基站识别循迹小车的无线定位标签，通过UWB技术获取无线定位基站与无线定位标签的位置，将位置信息发送到服务器，服务器将位置信息传输到调度系统；

所述调度系统通过无线定位系统接收到无线定位基站与无线定位标签的位置信息规划行驶路线，所述调度系统计算出起点和终点之间最短的行驶路径，并将行驶路线传输到循迹小车的微控制器，进行循迹小车行驶路线调度控制，同时调度系统接收并显示循迹小车发送的视频图像；

所述调度系统对起点和终点之间最短的行驶路径进行平滑处理，遍历该行驶路径上所有节点，当某一节点前后节点连线上无障碍物时，将延长线路的中间节点剔除，并更新剔除点的父节点，经平滑处理后形成行驶路径并输出。

作为优选的技术方案，所述调度系统与循迹小车、无线定位系统之间的通信采用TCP/IP无线通信协议。

作为优选的技术方案，采用心跳检测机制判断调度系统与循迹小车、无线定位系统之间的数据收发是否正常，并设置休眠时间。

作为优选的技术方案，所述循迹模块采用至少3对红外反射式光电传感器，安装在小车前方，呈一字形或者人字形布局。

作为优选的技术方案，所述摄像头采用USB摄像头，避障模块采用超声波避障传感器、红外避障传感器或激光避障传感器的任意一种或多种。

本发明还提供一种循迹运输车辆的调度方法，设有上述循迹运输车辆的调度系统，包括下述步骤：

循迹小车的微控制器与调度系统建立连接后，摄像头将采集的视频图像传输到调度系统；

无线定位系统获取循迹小车上定位标签的位置信息，通过UWB技术获取无线定位基站与无线定位标签的位置，将位置信息传输至调度系统；

调度系统通过访问服务器端获取定位标签的坐标，对循迹小车位置的进行定位，进行起点和终点之间最短的行驶路径规划，将规划好的路径信息发送到循迹小车，同时调度系统接收循迹小车发送的视频图像，并显示出来，实现视频监控功能；

所述调度系统对起点和终点之间最短的行驶路径进行平滑处理，遍历该行驶路径上所有节点，当某一节点前后节点连线上无障碍物时，将延长线路的中间节点剔除，并更新剔除点的父节点，经平滑处理后形成行驶路径并输出；

循迹小车接收调度系统控制信息，循迹小车沿规划好的路径循迹行驶；

循迹模块识别地面上的轨迹，将识别结果传输到微控制器，微控制器与规划好的路径信息进行对比，判断小车的行驶路线是否正确，如果小车的行驶路线与接收到的路径信息有偏差，调整循迹小车行驶状态，同时避障模块检测到小车前方有障碍物时，发送信号到微控制器，调整循迹小车行驶状态；

判断循迹小车是否到达终点，若未达到终点，则继续调整循迹小车行驶状态，若已达到终点，结束循迹小车调度。

作为优选的技术方案，所述进行起点和终点之间最短的行驶路径规划，具体步骤包括：

对所得的地形地图进行初始化，转化为栅格地图，使搜索区域按网格划分；

建立队列集合OpenList和CloseList，OpenList用于存放等待扩展的节点，CloseList用于存放已扩展过节点的CloseList，并将起点加入OpenList；

遍历OpenList，将权值最小的节点作为当前要处理的节点，然后移到CloseList中；

对当前要处理的节点的8个方向的相邻方格一一进行检查，如果该方格是不可抵达的或者在CloseList中，忽略该方格，否则进行如下步骤：

如果该方格不在OpenList中，把该方格加入OpenList，并且将当前要处理的节点设置为该方格的父节点；

如果该方格已经在OpenList中，检查经由当前要处理的节点到达该方格的权值是否更小，如果更小，将该方格的父节点设置为当前要处理的节点，并重新计算该方格的权值；

将终点加入到了OpenList中，得到最短路径，并进行平滑处理，遍历该路径上所有节点，当某一节点前后节点连线上无障碍物时，将延长线路的中间节点剔除，并更新剔除点的父节点，经平滑处理后，由最后的终点开始，每个方格沿着父节点移动直至起点，形成最短路径并输出。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明结合了物联网技术与室内无线定位技术，能够有效地对循迹小车进行定位，方便调度系统进行管理以及调度任务分配，并以自动循迹避障小车为控制对象，循迹小车的微控制器与循迹模块、避障模块连接并进行数据交互，调度系统与小车的微控制器连接，用于发送行驶路径，在充分利用系统的资源的同时，还提高了调度系统的运行效率。

(2)本发明采用了TCP/IP无线通信协议与心跳检测机制，在提高数据的传输效率的同时，保证了调度系统与循迹小车、定位系统之间的通信稳定。

(3)本发明采用了视频服务器进行图像实时无线传输，方便调度系统对循迹小车行驶路径的障碍物进行图像记录。

(4)本发明进行循迹小车的最短路径规划，解决了在有障碍物的情况下调度系统无法快速找到最短路径的问题，减少了时间、电能的消耗，实现调度系统的高效运作；并针对传统的路径规划算法获得的路径存在折线多、转折次数多等问题，本发明对线路进行平滑处理，遍历所得最佳路径上所有节点，当某一节点前后节点连线上无障碍物时，将延长线路的这一中间节点剔除，并更新剔除点的父节点，起到了减少了线路折线数和转折次数的技术效果。

附图说明

图1为本实施例循迹运输车辆的调度系统的结构框图；

图2为本实施例循迹运输车辆的调度系统的电机驱动模块的原理图；

图3为本实施例循迹运输车辆的调度系统的红外循迹模块的原理图；

图4为本实施例循迹运输车辆的调度系统的微控制器的外部接口原理图；

图5为本实施例循迹运输车辆的调度方法的最短路径规划流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种循迹运输车辆的调度系统，包括循迹小车、无线定位系统和用于行驶路径规划的调度系统；

调度系统与循迹小车、无线定位系统之间的通信采用TCP/IP无线通信协议，TCP可以确保所有送到某个子系统的数据正确无误地到达，IP制定了所有在网络上流通的标准；并采用心跳检测机制判断调度系统与循迹小车、无线定位系统之间的数据收发是否正常，在心跳检测线程里，设置休眠时间，不必不停地发送ping消息，这样可以降低系统不必要的消耗；通过同一子网中的节点的延迟的修改阀值，可以解决一定程度上的网络延迟。

本实施例的循迹小车上设有微控制器、用于识别地面行驶轨迹的循迹模块、用于识别障碍物的避障模块、用于定位循迹小车的无线定位标签和摄像头，微控制器分别与循迹模块、避障模块、摄像头连接并进行数据交互；

本实施例的无线定位系统包括服务器和无线定位基站，服务器与无线定位基站无线连接，无线定位基站识别循迹小车的无线定位标签，通过UWB技术获取无线定位基站与无线定位标签的位置，将位置信息发送到服务器，服务器将位置信息传输到调度系统；

本实施例的调度系统通过无线定位系统接收到无线定位基站与无线定位标签的位置信息规划行驶路线，并将行驶路线传输到循迹小车的微控制器，进行循迹小车行驶路线调度控制；

本实施例的循迹小车还设有电机驱动模块、驱动电机、车轮、底盘和轮胎，每个车轮单独配置驱动电机，驱动电机分别安装在底盘左右两侧，一前一后共四个，车轮安装在驱动电机的轴上，通过驱动电机转动来实现小车的行驶，电机驱动模块接收微控制器发送的行驶控制信号，微控制器安装在小车底盘上，如图2所示，电机驱动模块与四个驱动电机连接，为驱动电机提供电源，并接受微控制器发送的控制信号，控制各个驱动电机的转动，实现直行、转弯等动作，循迹模块安装在小车底盘的正前方，避障模块安装在小车前方，USB摄像头安装在小车底盘前端，无线传输视频图像到视频服务器，视频服务器通过无线网络传输到调度系统，供调度系统查看，实现视频监控的功能，当局域网中的设备访问该小车的视频服务器时，就能够获取该小车摄像头所拍摄的图像，也可以通过图像识别来辅助或者负责循迹、避障功能，达到更高的效率。

本实施例的无线定位标签安装在小车底盘上，无线定位基站识别到此标签后，将相关信息发送给无线定位系统的服务器端实现定位；

如图3所示，本实施例的循迹模块采用至少3对红外反射式光电传感器，安装在小车前方，呈一字形或者人字形布局，本实施例以4对红外反射式光电传感器为例，当红外反射式光电传感器检测到黑色轨迹时，输出高电平，没有检测到黑色轨迹时，输出低电平。用1代表高电平，用0代表低电平，其输出结果可以有以下几种情况：第一，小车处于直行状态，黑色轨迹处在内侧的两对传感器中间的位置，四对红外反射式光电传感器均没有检测到黑色轨迹，输出为0000；第二，当轨迹出现弯曲，偏离了直线方向，那么内侧的两对红外反射式光电传感器中必有一对会检测到黑色轨迹，如果输出为0100，那么说明轨迹向左偏移，小车需要向左转，反之如果输出为0010，那么说明轨迹向右偏移，小车需要向右转；第三，当出现弯道的角度超过90°时，外侧红外反射式光电传感器会先检测到黑色轨迹，对应的输出为1000，或者是0001，这时以一般的方式转弯可能会由于小车转弯半径过大而导致小车转不过来，小车需要进行原地左转或者原地右转。

如图4所示，本实施例的微控制器采用树莓派，相当于一台微型电脑，当调度系统和树莓派连接到同一个局域网中时，树莓派连接局域网中的调度系统，本实施例的摄像头采用USB摄像头，避障模块采用超声波避障传感器、红外避障传感器或激光避障传感器的任意一种或多种。

本实施例的调度系统采用路径调度方法，在仓库的地面上标记了多条黑色行驶路线，在调度系统上输入起点和终点，调度系统计算出这两点之间最短的行驶路径，即仓库地面上的多条路径中的其中一条最短路径，然后控制循迹小车在计算出来的最短路径上行驶，通过无线定位系统上传位置，通过循迹模块和避障模块沿黑色路线轨迹行驶，到达终点后返回指令到调度系统。

本实施例的循迹运输车辆的调度系统实现的方式为：

循迹小车的微控制器与调度系统建立连接后，打开摄像头进行视频图像传输，摄像头将采集的视频图像传输到调度系统；

无线定位系统获取循迹小车上定位标签的位置信息，通过UWB技术获取无线定位基站与无线定位标签的位置，将位置信息传输至调度系统；

调度系统通过访问服务器端获取定位标签的坐标，实现对小车位置的定位，并进行路线规划，将规划好的路径信息发送到循迹小车，同时调度系统接收小车发送的视频图像，并显示出来，实现视频监控功能；

循迹小车接收调度系统控制信息，循迹小车沿规划好的路径循迹行驶；

循迹模块识别地面上的轨迹，将识别结果传输到微控制器，微控制器与规划好的路径信息进行对比，判断小车的行驶路线是否正确，如果小车的行驶路线与接收到的路径信息有偏差，调整循迹小车行驶状态，同时避障模块检测到小车前方有障碍物时，发送信号到微控制器，调整循迹小车行驶状态；

本实施例的循迹小车行驶状态的调整通过微控制器控制电机驱动模块，进行相应的转向等调整；

判断循迹小车是否到达终点，若未达到终点，则继续调整循迹小车行驶状态，若已达到终点，结束循迹小车调度。

如图5所示，本实施例进行循迹小车的最短路径规划，解决了在有障碍物的情况下调度系统无法快速找到最短路径的问题，减少了时间、电能的消耗，实现调度系统的高效运作，具体步骤如下：

首先，对所得的地形地图进行初始化，转化为栅格地图，使搜索区域按网格划分。

接着，建立两个队列集合，一个是用于存放等待扩展的节点的OpenList，另一个是用于存放已扩展过节点的CloseList，并将起点加入OpenList。

然后，重复以下过程：

①遍历OpenList，将权值最小的节点作为当前要处理的节点，然后移到CloseList中；

②对当前要处理的节点的8个方向的相邻方格一一进行检查，如果该方格是不可抵达的或者在CloseList中，忽略它，否则做如下操作：

a.如果它不在OpenList中，把它加入OpenList，并且把当前要处理的节点设置为它的父节点；

b.如果它已经在OpenList中，检查经由当前要处理的节点到达它的权值是否更小。如果更小，把它的父节点设置为当前要处理的节点，并重新计算它的权值。

③遇到下面情况停止搜索：

a.把终点加入到了OpenList中，此时已经得到最佳路径；

b.查找终点失败，并且OpenList是空的，此时没有路径。

最后，得到最佳路径时，对其进行平滑处理，即遍历该路径上所有节点，当某一节点前后节点连线上无障碍物时，将延长线路的这一中间节点剔除，并更新剔除点的父节点。经平滑处理后，由最后的终点开始，每个方格沿着父节点移动直至起点，形成路径并输出，减少了线路折线数和转折次数。

本实施例结合了物联网技术与室内无线定位技术，能够有效地对循迹小车进行定位，方便调度系统进行管理以及调度任务分配，并以自动循迹避障小车为控制对象，循迹小车的微控制器与循迹模块、避障模块连接并进行数据交互，调度系统与小车的微控制器连接，用于发送行驶路径，在充分利用系统的资源的同时，还提高了调度系统的运行效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种循迹运输车辆的调度系统，其特征在于，包括：循迹小车、无线定位系统和用于行驶路径规划的调度系统；

所述循迹小车设有微控制器、用于识别地面行驶轨迹的循迹模块、用于识别障碍物的避障模块、用于定位循迹小车的无线定位标签和摄像头，微控制器分别与循迹模块、避障模块、摄像头连接并进行数据交互；

所述无线定位系统包括服务器和无线定位基站，服务器与无线定位基站无线连接，无线定位基站识别循迹小车的无线定位标签，通过UWB技术获取无线定位基站与无线定位标签的位置，将位置信息发送到服务器，服务器将位置信息传输到调度系统；

所述调度系统通过无线定位系统接收到无线定位基站与无线定位标签的位置信息规划行驶路线，所述调度系统计算出起点和终点之间最短的行驶路径，并将行驶路线传输到循迹小车的微控制器，进行循迹小车行驶路线调度控制，同时调度系统接收并显示循迹小车发送的视频图像；

所述调度系统对起点和终点之间最短的行驶路径进行平滑处理，遍历该行驶路径上所有节点，当某一节点前后节点连线上无障碍物时，将延长线路的中间节点剔除，并更新剔除点的父节点，经平滑处理后形成行驶路径并输出。

2.根据权利要求1所述的循迹运输车辆的调度系统，其特征在于，所述调度系统与循迹小车、无线定位系统之间的通信采用TCP/IP无线通信协议。

3.根据权利要求1所述的循迹运输车辆的调度系统，其特征在于，采用心跳检测机制判断调度系统与循迹小车、无线定位系统之间的数据收发是否正常，并设置休眠时间。

4.根据权利要求1所述的循迹运输车辆的调度系统，其特征在于，所述循迹模块采用至少3对红外反射式光电传感器，安装在小车前方，呈一字形或者人字形布局。

5.根据权利要求1所述的循迹运输车辆的调度系统，其特征在于，所述摄像头采用USB摄像头，避障模块采用超声波避障传感器、红外避障传感器或激光避障传感器的任意一种或多种。

6.一种循迹运输车辆的调度方法，其特征在于，设有权利要求1-5任一项所述的循迹运输车辆的调度系统，包括下述步骤：

循迹小车的微控制器与调度系统建立连接后，摄像头将采集的视频图像传输到调度系统；

无线定位系统获取循迹小车上定位标签的位置信息，通过UWB技术获取无线定位基站与无线定位标签的位置，将位置信息传输至调度系统；

调度系统通过访问服务器端获取定位标签的坐标，对循迹小车位置的进行定位，进行起点和终点之间最短的行驶路径规划，将规划好的路径信息发送到循迹小车，同时调度系统接收循迹小车发送的视频图像，并显示出来，实现视频监控功能；

所述调度系统对起点和终点之间最短的行驶路径进行平滑处理，遍历该行驶路径上所有节点，当某一节点前后节点连线上无障碍物时，将延长线路的中间节点剔除，并更新剔除点的父节点，经平滑处理后形成行驶路径并输出；

循迹小车接收调度系统控制信息，循迹小车沿规划好的路径循迹行驶；

循迹模块识别地面上的轨迹，将识别结果传输到微控制器，微控制器与规划好的路径信息进行对比，判断小车的行驶路线是否正确，如果小车的行驶路线与接收到的路径信息有偏差，调整循迹小车行驶状态，同时避障模块检测到小车前方有障碍物时，发送信号到微控制器，调整循迹小车行驶状态；

判断循迹小车是否到达终点，若未达到终点，则继续调整循迹小车行驶状态，若已达到终点，结束循迹小车调度。

7.根据权利要求6所述的循迹运输车辆的调度方法，其特征在于，所述进行起点和终点之间最短的行驶路径规划，具体步骤包括：

对所得的地形地图进行初始化，转化为栅格地图，使搜索区域按网格划分；

建立队列集合OpenList和CloseList，OpenList用于存放等待扩展的节点，CloseList用于存放已扩展过节点的CloseList，并将起点加入OpenList；

遍历OpenList，将权值最小的节点作为当前要处理的节点，然后移到CloseList中；

对当前要处理的节点的8个方向的相邻方格一一进行检查，如果该方格是不可抵达的或者在CloseList中，忽略该方格，否则进行如下步骤：

如果该方格不在OpenList中，把该方格加入OpenList，并且将当前要处理的节点设置为该方格的父节点；

如果该方格已经在OpenList中，检查经由当前要处理的节点到达该方格的权值是否更小，如果更小，将该方格的父节点设置为当前要处理的节点，并重新计算该方格的权值；

将终点加入到了OpenList中，得到最短路径，并进行平滑处理，遍历该路径上所有节点，当某一节点前后节点连线上无障碍物时，将延长线路的中间节点剔除，并更新剔除点的父节点，经平滑处理后，由最后的终点开始，每个方格沿着父节点移动直至起点，形成最短路径并输出。

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