050|物流自动化的底层技术—上（物料流）
050|物流自动化的底层技术—上（物料流）
随着国内近几年来电商的迅猛发展，普通老百姓也能经常在各个媒体平台上看到一些关于大的电商公司后台的物流配送中心里全自动化运作的盛况，比如京东的亚洲一号、菜鸟联盟里的自动化配送中心，苏宁的自动化仓储中心等。
京东亚洲一号
菜鸟联盟
苏宁自动化仓储中心
这些全自动的应用场景，由成千上万的不同设备和子系统组成，在整个系统里有数以十万计的物料单元和子单元被输送、搬运、存放、拣选等。如果把这个系统比做一个小社会，那么这个小社会里的每个设备和物料究竟是如何运作的？庞大的系统背后究竟是通过什么方式使这么多的子系统、设备、物料、人工有效的配合和运行的？这是本篇文章要探讨的主要问题——自动化仓储物流系统背后的关键底层技术。
通常来讲，一个完整的自动仓储物流系统主要完成处理两大方面：物料流和信息流。
物料流简单来讲主要是物料的存放和搬运，具体来讲，要解决的问题很多，比如有如何让物料单元动起来，何种条件下让物料单元动，如何让物料单元按照各种搬运工艺要求动如加速，减速，匀速等，如何让物料被搬运后能准确的到达该到的位置等等。
信息流主要是能对系统中所含有的设备、子系统及其所有的物料单元的状态、位置、数量、历史数据、任务记录等等数据的跟踪和管理。
本篇主要针对物料流的底层基础技术进行描述，下篇将对信息流的底层基础技术进行描述。
-----物料流-----
要解决物料流，主要是解决如何正确和准确的使物料进行"动"和"静"。要了解如何控制"动"和"静"，我们可以先来看看人的行为。即然自动化仓储物流系统要做的是替代人去对物料进行搬运，那我们来看看人要搬运物料的时候是怎么做的？
- 人接受到上级发送来的一个搬运任务订单（通讯）
- 读取订单任务，接收命令（信息流）
- 人开始移动（驱动）
- 搜索需要搬运的物料（感知）
- 移动到物料对应的位置处（导航和定位）
- 确认是正确的物料（闭环控制）
- 搬运起物料继续移动到目的地并放置好物料单元
- 将搬运的物料和发生的搬运过程记录在册（信息流）
以上描述的是非常简单的对一项任务进行拆解，物流自动化系统要替代人完成以上的所有环节，通过自动化的技术手段来实现。此处我们摘除以上除去信息流环节的其他部分，分析一下实现上边的人工步骤需要自动化技术解决哪些方面的问题。
一、驱动
随着第二次工业革命的兴起，电力逐步替代了蒸汽机做为所有机械手生产的动力源，一直到当今社会，电力仍旧是各制造行业的主要驱动能源。
01 电机驱动
在仓储物流自动化系统中，物料的移动和设备的移动是厂内物流的最基本的活动，从物理学的角度来看，物体被移动，一定要被第三方对其作功。而在仓储物流自动化系统，究其作功的根源，绝大部分的移动都是由电机来带动的。
比如：水平输送：如电机带动皮带、链板或者滚筒沿着型材旋转，从而带动位于其上的物料单元往前移动。
电动滚筒：
垂直提升：如减速电机带动钢丝绳配合配重，将提升机载货台上下拉动，起到提升下降的作用。
移动搬运机器人：搬运机器人结构内含有驱动电机，电机通过多组齿轮传动，驱动相应的轮子，如果是双舵轮的组合，同一时刻对不同的轮根据情况采取不同速度和方向的驱动，可以使机器人前进、后退、转弯等等。
机械手：以多轴工业机械手为例，机械手的每个关节都由单独的伺服电机来驱动做出动作，几个伺服电机互相配合驱动各自的轴动作，最后达到整体机械手想要的动作。
02 基本驱动回路
电机的转动经过各种机械传动机构转变成需要的各种形式的搬运动作。而搬运不是一直要发生的，要有启停的动作，也就是要有办法根据需要对电机进行启停操作。对于启停的控制最简单的办法就是控制是否能接通电路回路，与我们中学的电流实验类似，要使灯泡发光，可以合上开关是电路回路接通。
同样的道理，要控制现场各种物流自动化设备的电机，也可以通过这种方式来进行。与灯泡接通直流电不同的是，工业中通常采用的是380V的三相电，对三相电接通采用的开关我们称之为接触器。
接触器接通后，电机就可以动作进而带动设备进行作业。常见的设备比如皮带输送机、滚筒输送机等等就是类似的启停回路。
仓储物流设备中的很多的电机动作不是简单的启动后平稳运行在工频50Hz就可以，而是需要更加细致的运行，比如搬运机器人需要加速、减速或者维持到某个指定的速度，这样简单的启停控制就无法满足要求。为了更精确的控制电机的动作，就需要不止能控制电机启停的装置，变频器就是为此而生的装置。
变频器在仓储物流自动化系统中有非常大量的应用，堆垛机的运行、提升机的提升、搬运机器人的移动等等都是由变频器根据动作的需求实时的控制电机的速度，从而完成设备能够按照需要的搬运工艺来运行。
03 控制器
电路何时接通或者何时该输出多大的电流给电机，不论是接触器还是变频器，自身都无法自主决定。是否接通的决策最简单的方式是人工来实施。比如在电路回路中设置一个按钮，人经过对外界的判断后做出决策，按下按钮，电机就可以执行动作。显然这种人工的方式不是我们需要探讨的。通过自动化的控制器来代替人对物流设备的电机启停或者速度进行决策和设定，是实现自动化仓储物理系统的基本要求。而实现这个功能，最常见的是采用工业PLC或者专项嵌入式系统，亦或者是采用工控机对电路中的执行器如接触器、变频器等等进行控制。
以最常用的可编程控制器PLC为例， 将位于设备现场的一些采集信号接入到PLC作为输入，PLC根据输入信号和实际搬运的逻辑要求，遵循在PLC内提前设置好的程序，经运算后，实时动态输出数字信号和模拟信号，将这些信号经过一些中间电器件再连接到上述的电气执行器，诸如接触器或变频器等等，这样PLC就可以自主的根据外部的信号和条件对物流设备进行驱动控制，最终达到物流搬运的效果。
二、感知
要使控制器做出正确的输出，需要建立在一定的条件上。比如一段输送机的电机无条件不停的转动，其上的物料没有下游接收的话可能会发生跌落或者积压损坏。因此对于搬运系统来说，首先要知道当前自身的状态和外部的条件，也就是需要“感知”。对于自动化设备来讲，感知主要是通过各种传感器来实现的。传感器通过一定的感应原理将外界的变化转化成信号作为控制器的条件输入。
01 传感器对外界感知结果
传感器对外界感知后的结果通常有：离散状态量和连续数字量。
离散状态量：返回状态量的传感器在物流自动化系统里通常被叫做开关，因为开关反馈只有0或1。常用的光电开关就是状态量传感器，如在设备上的光电开关可以方便的检测当前有无货物，“有无”就是0、1的状态量。
开关在物流自动化系统里经常应用的有检测有无货物，位置是否到位，是否触发某个安全机关，是否进入或者离开了某个位置或者区域、是否超过某个限度等等。常见的开关有光电开关、微动开关、接近开关、行程开关。
连续数字量：工厂数字化是现在智能制造概念中经常提到的概念，我们生活的现实中面对的也绝大部分都是连续变化的，并非“不是1就是0”的双态的突变，这种可以连续变化的往往都可以通过数字化来量化，比如长度具体有多少米，重量有多少Kg等等。
仓储物流自动化装备中，有很多在执行动作时是需要根据一定的数字量为依据条件的。比如在物料分拣的过程中，分拣机需要根据当前物料的条码号来决定是否要将本物料由特定机构排出主线；再比如搬运机器人在行走过程中要根据当前读取的激光测距值来判断机器人是否到了运行的目的地等等。
在仓储物流自动化系统中，经常应用的连续数字量有编码器返回的编码值，测距仪返回的距离值、称重仪返回的重量值，条码阅读器返回的条码号、RFID阅读的标签内容等等。
02 感知的处理
不管是状态量和数字量，都是一种由外界而感应而得到的信号。信号通常会有噪声和干扰，自动化仓储物流系统的应用场景下的各类感知传感器也可能会受到一些外部的干扰导致错误的信号输入，比如现场灰尘和杂物可能会引起光电开关的误感应，现场搬运过程中对各类传感器的损坏引起的误感应等等。
对于信号的干扰，在自动化物流系统中，最常见的有两种处理办法：滤波和工艺逻辑判断。
滤波：对于外部采集到感应信号，为了避免当前是由于瞬时的干扰造成的，对于状态量通常可以采用延时滤波的方式，对于连续的数字量可以采用均值滤波的方法。
工艺逻辑判断：在实际的物流活动中，都是无法违背工艺逻辑的，比如一个输送机上一前一后有两个光点开关，每次单独输送货物的时候，必定是靠近上游的光点开关先感应到货物，靠近下游的观点开关后感应到货物，如果在实际中发现感情顺序颠倒，则这种就是不符合工艺逻辑的情况，系统就应该报警和停止运行，以免造成后续搬运的影响甚至是安全性的隐含。因此对于设备上的各个传感器都可以对于进行一定的逻辑判断，从而达到间接滤波的目的。
注：
- 除了状态量和数字量，在实际中传感器还要一类可以输出模拟量，比如某些传感器经过对外界感知后以电流、电压或者电阻的模拟量作为控制系统的输入信号。
- 各类感知传感器通过某种物理或者化学原理，将外界的信息获取后并传递给系统，人本身也可以获取信息，甚至可以做更高级的滤波，因此人其实也可以作为感知源，通过HMI比如按钮或者PC等将感知信息输入到自动化系统中。
- 由于传感器类似于人的眼睛，不断的获取外界的重要信息，因此需要在安装的时候选择能长期保护自身的位置或者措施来保证传感器自身不收损坏。
- 上下游的情况可以互为感知源，通过控制系统或者通讯系统作为彼此的信号输入
- 有一些感知与物流搬运动作无关，比如一些报警和信息提示或者为信息流作为数据输入。
三、定位+导航
自动化技术在仓储物流应用场景中需要解决设备的运行和物料的移动。设备的运行包含有诸如AGV离散式搬运设备的自身移动，物料的移动可能是伴随着离散式设备的移动而移动亦或者是被连续式搬运设备输送而移动。不论是设备的移动还是物料的移动，多需要解决定位和导航的问题。
定位：简单来讲，是需要知道物体当前在哪里？“在哪里”需要有个参考，我们将“地图”作为这个参考。定位就需要找到物体当前在地图里的具体位置。
导航：目的地在当前位置的什么方向？当前的物体该往哪个方向走。
此处我们分析连续式搬运设备上的物料单元的定位导航和离散搬运设备的定位导航。
01 连续搬运设备上的物料的定位导航
连续搬运设备里最常见的是各类输送机，包括皮带输送机、链式输送机、滚筒输送机、链板输送机等等。
1. 定位
由于物料一直都在输送机上，因此在分析定位时的地图就是输送机本身。通常要定位物料在输送机上的位置，可以从如下几个方面入手：
（1）区间定位
输送机上的物料通常无法准确定位到在具体比如距离输送机末端***米的位置处，但我们可以可以借用输送机上的光电开关来进行区间定位，即可以大致定位到物料是否进入到某个范围。
具体示例如下：
物料W在速度为v的输送机上被向左输送，当W从下游设备进入本段输送机后，如果传感器P1没有感应，说明物料W在A区域；如果P1有过感应而P2还未有感应，说明W在B区域；如果P1有过感应，P2也有感应，说明W在C区域。
（以上假设前提为只有一个物料单元进入本段输送机）
（2）顺序定位
输送机上的物料也可以通过其他物料之间进行顺序上的定位，比如物料单元排在第几个的位置上。
4个物料W，X，Y，Z在速度为v的输送机上被向左输送，4个物料在经过传感器P1后就可得知“定位”：物料Z离P1最近，Y次之，X再次，W最远离P1位置。
（3） 编码器定位
由于物料是随着输送机的运输而移动的，如果物料相对于输送机没有滑动类的相对位移，并且知道输送机往前输送的具体举例，则可以精确定位到每个物料单元的具体位置。配置有编码器的输送机即可实现这样的物料定位。
物料W在离开P1传感器点的时刻开始记录当前编码器的数值l，l经过距离换算即可得到当前物料W距离传感器P1为L的位置处。
2. 导航
对于连续性搬运系统，由于设备本身是固定的，因此大部分的使用场景下，其上的物料单元并不需要“导航”，因为大方向只有一个：沿着设备的型材方向向前输送。沿着大方向行走的物料在往前移动的过程中可能会出遇到”分叉路口“，此时需要给物料导航，当前该往哪个分支路口走，这种应用场景在连续分拣系统中最常见。
物料单元在连续搬运设备上面对“分叉口”的选择上是离散可数有限的，因此导航比较简单。只需要依据一定的条件，选择要去的分支方向后，由机构将物料一步过渡到该分支方向就可快速完成，即导航和执行的最后结果可快速发生。
选择方向的依据比较常见的有依据状态量和数据比如条码（二维码或RFID）信息。
物料单元在输送过程有积累有一些逻辑状态量或者传感器检测结果，可以基于这些状态量作为导航选择去向的依据，比如对物料进行几组基于光电开关的外形检测，最后生成最后的状态为合格或不合格，根据这一状态量可以选择对应的下游去向。
物料单元可以根据一定的数据从而决定该导航到下游的哪条之路，最常见的为根据物料上的条码信息进行物料的多支路分拣。
也可能是根据物料在输送过程中生成的逻辑数值来导航到该去的下游去向，比如将物料按照顺序依次选择下游去向，依次给每次的物料单元赋予逻辑数字1~3，根据逻辑数字走向不同的下游分支。
02 离散搬运设备上的物料的定位导航
在仓储物流自动化系统中的离散搬运设备类运用比较广泛的有两大类，一种是沿固定轨道运行的搬运设备，一种是无轨道直接运行的搬运设备。轨道限制了搬运机器人只能在固定的路线上行进，这样的情境下，轨道其实就变成了“地图”。以下我们分有轨道和无轨道两种分别讨论各自的定位和导航。
1. 沿轨道运行
（1）定位：由于设备只能沿着既定轨道行进，要找当前设备在轨道（地图）上的位置，只需要算出来当前的位置距离起始原点有多远即可。计算当前的位置常见的有如下几种方式：
a. 状态传感器逻辑计数
通过在既定轨道上按照一定的规则，设置一定的地标介质（比如钢片），搬运设备在沿着轨道行走过程中，设备上的传感器在经过地标介质时会有感应，每次感应时累计递加逻辑计数，比如感应5次，即认为走过5个地标介质位置。后退时主次递减。
由于传感器和地标介质可能会发生损坏或者受到外界的干扰，则在计数过程中可能会发生误计数，因此可以在地标介质外再加一组校验的介质，比如在偶数介质处再加一组介质，或者在特定的某些关键点再加一组介质，比如原点处。
传统的堆垛机的定位技术就是基于以上的原理而实现的。
堆垛机在运行时由于一直沿着固定轨道行走，所以就可以在堆垛机机身上安装一定的传感器同时配合轨道上安装一定的机构，这样每次堆垛机经过这些机构时通过传感器的变化就可以知道当前位于那个轨道区域范围内。堆垛机水平方向上，这个传感器就叫做认址传感器，沿着轨道安装的机构叫认址片。由于水平方向上堆垛机需要准确定位的是要存取货的位置，及库端进出库输送机位置和货架每个货格对应的水平位置，这样沿着轨道方向上在每个货格和输送机位置上安装好固定的认址片，堆垛机每次经过这些认址片的时候，传感器会有信号的变化，堆垛机从起始点开始运行，随着传感器变化的次数，就可以知道堆垛机当前位于哪个货格的位置、那两个货格位置之间。堆垛机垂直的方向有时候也是按照这种方式来完成高度方向上的定位。
b. 旋转编码器
以上说的认址传感器定位方式是属于离散式的定位，设备只能知道当前跑到了那两个认址片之间，却不知道跑到两个认址片之间的具体哪个点的位置上。而旋转编码器就是一种可以输出连续位置的定位传感器。一般旋转编码器会安装在前后行走机构的轮子的轴上，搬运设备行走时轮子转动带动旋转编码器值发生变化，这样从起点开始，往前行走1米就对应旋转编码器值X，这样按照对应关系，通过旋转编码器值就可以间接的计算出搬运设备行进了多少米，也就完成了设备的定位。旋转编码器可以用在设备沿直线行走的布局也可以用在设备有沿着弯道行走的布局。
c. 激光测距仪
激光测距仪也是一种连续定位方式，且精度非常高。通常是将激光测距仪安装在搬运设备机身上，在直线轨道的一头安装有激光反光板，反光板的位置要能保证激光测距仪在设备全程行走过程中都能将光线投射到反光板上。激光投射到反光板时根据光线回路时间就可以间接计算出测距仪距离反光板的距离，也就间接可以计算出当前设备在固定轨道上的实时位置。由于激光的光线是直线，所以激光测距仪通常用在直线轨道运行的自动化搬运设备上。
d. 条码定位仪
在固定轨道上行走的搬运设备上还有另外一种定位方式叫条码定位技术。这种条码定位技术与上边谈到的二维码定位方式有一些共同之前，即都是读取提前安装好的条码标签，不过此处所说的条码是连续读取的，即条码本身是沿着轨道通长的一整条，在搬运设备上对应安装一枚特殊的条码阅读器，这样搬运设备在沿着轨道行走时，条码阅读器会一直连续读取这个特制连续条码，条码值对应一定的距离值，搬运设备这样就可以实时获取到当前在轨道上的位置了。
（2）导航
沿轨道运行的搬运设备的导航更准确的说是选择向前还是向后。通过目的地位置与当前位置比较可以得出设备是该向前还是向后更靠近目的地。在设备运行过程中，不断的进行位置差的计算直至最后到达最终目的地。
有些应用场景下可能有轨道分支，对于搬运设备在分叉口的导航，主要通过当前任务的目的地位于哪条分叉来决定，这可以由搬运系统的控制系统来实现。
2. 无轨道运行
无轨道运行的搬运设备由于不受固定轨道的约束，更加的柔性和机动。无轨道搬运设备的定位导航应用的技术种类很多，我们主要探讨在AGV和搬运机器人中几种常见的方式。
（1）定位
a. 磁
最早的AGV是基于磁导引技术来实现的，需要在AGV的所有可能的行走路线中提前沿着路线布置磁条或者在地面预埋磁钉。AGV的车上有装有磁感应传感器，AGV只能沿着磁条运行。AGV车上的磁感应传感器会一直与地面的磁条发生感应并实时判断感应值，随着感应值的动态变化，AGV调整自身的角度保证车体往前行进的过程中一直沿着磁条路线不跑偏。能保证AGV在固定的线路上走解决了定位的第一步，而AGV具体当前行走到了这条路线上的那个位置点上，通常是由AGV与其他的辅助定位比如车轮耦合链接安装的编码器来确定的。AGV行走时编码器也随着车轮的行走实时反映行走的距离，一般AGV会有一个起始点，这样有了起始点，有了固定路线，有了行走路程值，完全就可以确定AGV当前在什么位置上。
b. 激光
传统的磁导引AGV系统，一旦安装调试后，AGV只能沿着固定的磁条进行，如果有要增加的工位或者某些路线要改变，那就需要重新安装磁条，如果是磁钉需要重新在修改的地面上打入磁钉，因此磁导引AGV柔性比较低。随着导航技术的发展，目前在叉车AGV上广泛的应用了激光导航技术。在激光AGV行走的区域内简单安装若干激光反光板即可完成AGV部署工作。AGV车身上安装旋转的激光扫描仪不停的进行360度旋转扫描，激光光线打到事先安装的激光反光板上，就可以得知激光与这些反光板之间的精确距离。在AGV行走范围内，只要保证能同一时刻能有3~4个反光板有反射就可以通过定位算法来确定当前AGV对应的实际位置。
c. 二维码
亚马逊配送中心的Kiva机器人以其突出的创意和卓越的优点在仓储物流界大火了一把。国内也有不少公司研发出来类似的仓储搬运机器人并已经投入实际应用中，主要集中在电商行业的订单拣选场景中。Kiva机器人采用惯性导航和二维码定位的方式来控制每台Kiva机器人在仓库里正确的运行。Kiva系统需要事先在地面上贴附二维码标签，所有的二维码标签在Kiva机器人工作范围内组成一个标签矩阵网，每个标签上都有唯一的信息，也代表了整个标签所在的整个矩阵网络里的坐标。
Kiva机器人车身安装有一个高分辨长焦摄像头并一直朝地面实时拍摄。当Kiva机器人经过地面的二维码标签时，摄像头会读取到二维码里内含的坐标信息，也就知道了当前Kiva机器人身处何方，同时二维码图像中特有的边角位置，可以被用来调整Kiva机器人行走的角度，从而保证Kiva机器人的精确走向。
d. 自然导航
以上的几种方式都需要在设备投入运行前进行大量的安装，标定和调试来使搬运设备将虚拟和实际物理进行对应。而采用自然导航的方式可以节省掉这些过程。通过激光或者视觉扫描周围环境的方式，对运行的实际环境进行虚拟建模从而建立全面的全地图。这样搬运设备参考地图和当前扫描到的环境就可以知道自身在全地图中的具体位置。
（2）导航
与有沿轨道运行的搬运设备的固定路径不同，机动性更强的无轨道的搬运设备在运行中的导航更加偏重于动态的路径规划，即在搬运设备在运动时，系统根据当前的位置，实时的计算计算出一条虚拟的轨道，并告知搬运设备沿着这条虚拟轨道运行。磁导引的方式中的虚拟轨道基本上就是磁条的敷设路径，其他几种导引方式都是通过软件结合地图并经过一定的路径算法生成一条合理的虚拟轨道直至通向最终目的地。
四、闭环控制系统
从1948由诺伯特.维纳提出控制论之后一直到今天，现代科学技术的方方面面都或多或少的都受到了控制论的影响。而控制论里提出的反馈和闭环控制在工业领域应用的最为广泛。仓储物流自动化系统中很多应用场景下都是要实现物料到被搬运到正确的目的地，物料在为达到目的地运动过程中，就需要不停的根据当前的状态与目的地的差做为反馈，不停的来修正搬运动作，直至到达物料该去的目的地。
01 连续搬运设备的搬运控制
此处以输送机为例：
输送机的目标：从下游接收托盘，并通过输送机机构如皮带，链条或者辊道等输送到下游单元
执行过程：电气控制柜发送启动信号给输送机电机，电机转动带动输送机上的物料单元向前移动，达到搬运目的
反馈修正：输送机在接收下游的物料单元时，系统会检测下游的物料是否到达输送机的输入口附近，到达时才启动电机接收物料，同样在向下游输送物料时，会检测物料是否已经到达本段输送机的末端，如果下游输送机不能接受物料，控制系统要调整电机做出停止的动作，如果下游输送及可以接收当前物料，控制系统继续控制电机转动。
输送机的反馈闭环系统一般是通过位于输送机身上的光电传感器和控制系统来完成的。没有闭环的控制系统可能会发生物料单元与前后设备无法衔接的情况，如果物料如果是是成吨以上的重载单元，没有闭环系统，输送机一位的执行输送可能会发生载重碰撞或直接落地的危险。
02 离散搬运设备的搬运控制
以AGV为例：
AGV小车简单的来说，可以认为是无人驾驶的叉车，通过AGV小车身上的各种传感器感知周边环境和当前所处的位置，自我调度到正确的起始位置进行物料捡去后在运行到放货位置处完成物料卸货。
AGV的目标：AGV自动运行到A起点并叉取物料单元，自动运行到正确的目标位置后，将物料单元卸载到存放位置B点。
执行过程：AGV本体控制自己的运行电机和转向机构动作行走到正确的A点位置或者B点位置，到起始点或终点时控制自身的货叉起升或者下降完成物料的上货和卸载。
反馈修正：AGV通过激光扫描仪或者编码器等各种传感器实时记录当前运行的位置并不断的比对与目的地址的位置关系，通过调整AGV的驱动单元和转向单元逐步的驱使车体不断的靠近目的地址，从车体的表现上来看就是前进后退或者加速减速，左转右转等等一系列动作，整个连贯的动作过程中，AGV的控制系统一直在不停的扫描位置和位置偏差，不停的修正车身的方向和位置。
AGV的闭环系统是依靠导航技术、定位技术、驱动技术，电子地图等一系列综合的技术来完成的。通过不停的输送动作和比对修正，AGV最终可以完成物料单元的A点到B点的搬运。
上述内容是对自动化仓储物流系统—物料流关键底层技术进行的大致描述，下篇将进一步探讨信息流的关键底层技术。