[发明专利]基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统及方法

权利要求书

1.一种基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：包括终端控制系统、显示模块、通信模块、电源模块和柔性存储空间；

所述终端控制系统包括控制管理模块、传感器模块、步进电机驱动器和三轴执行装置，所述传感器模块包括激光测距模块、薄膜压力传感器模块以及摄像头模块；所述三轴执行装置包括可控制的XYZ三轴方向移动机构以及Z轴方向上的末端执行器；所述显示模块为一个触摸显示屏；通信模块负责整个控制系统的数据传输；所述柔性存储空间为具有可调节性的单元柜格；

显示模块接收出入库指令，传感器模块对货物进行称重、测距和读取货物条形码，通过通信模块传输数据到控制管理模块，终端控制系统对多传感器数据信息融合处理并根据货位分配优化算法柔性分配存储区域，最终发送指令控制三轴执行装置实现货物的出入库操作；

所述控制管理模块以STM32控制器为核心，负责整个终端系统控制指令和传感器数据的分析和处理；所述激光测距模块安装在智能货柜载物平台的顶部和两方侧面，用于从多角度测量货物的长宽高尺寸信息；所述薄膜压力传感器安装在载物平台的底面，用于测量货物的质量信息；所述摄像头模块安装在出入库载物平台的顶部，正对载物平台的底面，通过拍摄货物的条形码图像，经过图像处理以识别货物上的条形码信息，最终将这三个数据信息进行处理融合，按权重系数建立综合评价机制，将货物分成ABC三类，同时将货区以货物存取频率为依据进行扇形分区，A类货物存放在靠近出入库载物平台即扇形分区边缘位置处，B类货物存放在扇形分区的中心部分，C类货物存放在离出入库口距离较远柜格即扇形中心处；

建立综合评价机制的条件如下：自动化仓储货柜总载重为M，第i层j列的货物质量为m_ij，整个仓储空间的尺寸S分为大中小三类S_ij，其对应的存取频率p_ij取值区间为[0,1]，若根据条形码信息判断多个货物为同一入库者则定义这些货物之间的相关性为α＝1，否则α＝0，质量、尺寸和条形码相关性三类判别权重分别为w1，w2，w3，E为最终评价结果；具体的ABC分类法综合评价机制公式如下：

其中

评价机制结果分类判定如下：

2.根据权利要求1所述的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：所述三轴执行装置包括XYZ三轴滚珠丝杠、XYZ轴步进电机以及Z轴方向上的末端执行器，XYZ三轴滚珠丝杠、XYZ轴步进电机与步进电机驱动器协同工作，Z轴方向上的末端执行器用以承载托盘；将步进电机驱动器的接线口分别通过导线采用共阴极接法与电源和控制器IO口相接，通过控制器发送脉冲个数控制指令实现步进电机在笛卡尔直角坐标系下三个方向上运动，通过控制脉冲频率实现步进电机速度快慢运动；Z轴的连接块上安装末端执行器用以抓取托盘。

3.根据权利要求1所述的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：所述的通信模块负责实现激光测距模块和薄膜压力传感器基于IIC协议与控制管理单元的通信，摄像头模块通过SCCB总线与控制管理单元相连；以及通过RS232串口实现对步进电机驱动器的控制指令的传输；电源模块由开关电源构成，实现对整个终端系统的供电。

4.根据权利要求1所述的基于可柔性分配存储空间的智能货柜终端系统，其特征在于：所述的存储区包括多个不同大小的子单元柜格，每个单元柜格两侧安装隔板条用以置放承载货物的托盘，托盘按Z轴方向水平移动实现托盘的出入库，通过控制Y轴方向选取隔板条放置托盘，实现子单元柜格空间大小的柔性调节。

5.一种基于权利要求1所述智能货柜终端系统的货物入库方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：通过人机交互操作界面选择入库，终端控制系统提示是否有空余位置可供存放，若无位置则放弃此次操作，若有位置则执行下一步；

步骤2：将贴有条形码一面的货物朝上放置，正对着载物平台顶端安装的摄像头，通过摄像头拍摄条形码图像，激光测距模块和薄膜压力传感器并行工作，通过通信模块将获得的数据信息经RS232串口发送至控制管理模块；

步骤3：控制管理模块调用条形码解码库识别条形码信息以作为此货物的特征信息；将激光测距模块测得的数据进行处理得到货物的高度与宽度，根据测得高度计算其所占用的空间，将薄膜压力传感器测得的数据通过通信模块传输到控制器进行分析和处理得到货物的质量信息，将上述三种信息按照ABC分类方法进行货物分类；

步骤4：智能货柜终端控制系统结合目前货柜中已存货物的状态，根据货位分配算法计算最优货位坐标(X，Y)，并发送控制命令给三轴执行机构，通过Z轴的末端执行器利用托盘实现柔性调节存储空间；所述货位分配算法的数学模型如下：

约束条件为：且i,j为正整数

其中，f₁为单元柜格货物的质量与其所在层的乘积之和，m_ij为第i层j列的货物质量；f₂为货物的存取频率p_ij和三轴移动平台运行时间乘积总和；t_ij为第i层j列的货物搬运到出库口所需要时间；三轴移动平台垂直运行速度为v_x，水平运行速度为v_y，横向运行速度v_z，其中单位柜格底长为L米，高度为H米，深度为D米；

步骤5：终端控制系统发送控制指令至三轴执行装置，首先驱动Z轴方向的步进电机反转将货物移动到货柜本体内部，其次驱动XY两轴方向上的步进电机同时正转，将送到指定的目标位置(X，Y)；

步骤6：存储完毕后，显示模块收到结束控制指令并记录货物存储相关信息，完成当前的入库流程，驱动XYZ三轴方向上的步进电机进行反转，回归到原点即载物平台处。