用于智慧物流无人配送系统的AGV运载车及其使用的包装盒的制作方法

用于智慧物流无人配送系统的agv运载车及其使用的包装盒
技术领域
1.本发明涉及物流配送领域，具体为用于智慧物流无人配送系统的agv运载车及其使用的包装盒。


背景技术：

2.我国物流业市场规模持续扩大，正处于重要的战略机遇期，随着产业结构调整和发展方式转换，物流业在国民经济中的基础性、战略性地位日益显现，焕发出新的生机和活力。2020年全国社会物流总额300.1万亿元，同比增长3.5％，社会物流总费用占gdp的比率达14.7％。运输行业也存在数字化、网络化、智能化、绿色化的趋势，物流作业正向着“物优其流”的方向发展，做到高效、经济、可靠。
3.物流配送服务是商品流通的关键环节，在制造业和国民经济中占有重要的地位和作用。中国的物流行业已然取得诸多成就，但依旧存在一些问题。尤其在智能化、信息化快速发展的今天，没有发挥“信息流”主导“物品流”的作用，而是更多地采用传统人工物流模式。末端配送的社会属性决定了其与配送环境、消费者需求之间的密切关系。但是许多区域物流设施落后，自动化程度低，导致快递配送速度达不到理想的效果。在物流效率等方面，网络化程度低，缺乏科学的物流管控，人力成本增加。物流业的飞速发展也对快递业的服务质量产生巨大压力，货品受损、送货不及时的负面新闻增多。由物流一次性包装带来的环保和资源的不良影响，使得消费者对隐私保护与绿色包装方面提出更高的期待。


技术实现要素：

4.本发明旨在克服现有技术的不足，提出了用于智慧物流无人配送系统的agv运载车及其使用的包装盒，旨在用于绿色环保的智慧物流无人配送系统，利用基于slam算法的agv运载车进行智慧分拣与无人运输，利用信息化的包装盒和单元柜实现高效率的自动化物流，提高配送效率，简化分拣过程，提升用户满意度，促进物流服务提质增效，助力智慧物流发展。
5.为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：
6.用于智慧物流无人配送系统的agv运载车，包括框架车体，所述框架车体的底部固定安装有多个直流减速电机，每个直流减速电机的输出轴端固定安装有麦克纳姆轮；
7.所述框架车体的内部分别固定安装有控制各个直流减速电机协同工作的控制器和为控制器供电的电源装置；
8.所述框架车体上设置有举升装置，用于物品的承载和装卸；
9.框架车体上设置有与控制器通讯连接的主动感知装置，用于探索和识别周围环境信息。
10.进一步的，所述控制器的控制系统包括电源控制模块、驱动控制模块、无线通讯控制模块、感知识别控制模块、自动装卸控制模块和安全防护控制模块；
11.所述电源控制模块用于监控电源装置的电量剩余情况及充电过程监控；
12.所述驱动控制模块用于控制多个直流减速电机之间的协同运作，实现agv运载车的全向运动控制；
13.所述无线通讯控制模块用于与管理平台及单元包装盒之间的信息传递；
14.所述感知识别控制模块用于接收主动感知装置发送的信息；
15.所述自动装卸控制模块用于举升装置的运作控制；
16.所述安全防护控制模块用于agv运载车的启停控制及报警控制。
17.进一步的，所述电源装置还包括无线充电装置，用于电源装置的无线充电。
18.进一步的，所述举升装置包括两组固定对称设置的电动推杆、与电动推杆输出端连接的交叉式伸缩杆、连接于交叉式伸缩杆顶部的举升平台，所述举升平台水平设置。
19.进一步的，所述主动感知装置包括固定于框架车体顶部的rfid识别读取装置、固定于框架车体顶部前侧的激光雷达装置、分别设置于直流减速电机转轴处的陀螺仪和加速度传感器。
20.还提供了用于所述的agv运载车的包装盒，包括骨架结构、固定连接于骨架结构底部的盒体底板、固定连接于骨架结构顶部的盒体顶板、固定连接于骨架结构两侧和后侧的盒体侧板，所述骨架结构的内部固定焊接有盒体隔板，骨架结构的内部被盒体隔板分为上腔体和下腔体两个独立的空间；
21.上腔体内设置有盒体控制器和为盒体控制器供电的盒体电源，并通过固定连接于骨架结构上的密闭门体实现密封；下腔体为储物空间，且通过铰接于骨架结构上的自弹式电磁门实现开合。
22.进一步的，所述盒体控制器的控制系统包括信息储存模块、信息收发模块、安全模块和包装盒电源模块。
23.进一步的，所述下腔体内还设置有与控制器电连接的温度传感器和湿度传感器。
24.进一步的，所述盒体顶板的顶面四角分别固定设置有对位凸起，盒体底板的底面四角设置有与对位凸起在垂线方向上相对应的对位凹槽，通过对位凸起与对位凹槽的插接配合，可实现相邻两个包装盒的码垛。
25.进一步的，所述包装盒采用宽度相等、高度相同、长度整数倍的方式制作成多种尺寸规格，通过码垛组合成不同尺寸和规模的方形单元柜。
26.与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
27.1、本发明利用贝叶斯方法，对使用2d激光雷达使用gmapping算法建立的局部激光栅格地图与rgb-d摄像头使用orb-slam算法建立的局部视觉栅格地图数据融合后的结果进行更新建立栅格地图；通过自主研发的导航定位算法，使用激光传感器扫描周围环境，在系统中创建地图，并在agv运载车行驶过程中激光传感器不停地获取环境信息，与地图数据进行匹配定位，并配合运动控制器，控制算法来实现agv运载车的自动行驶，路径规划更加智能、优化和准确；
28.2、本发明提供众多以“智慧优化”为代表的智能和信息化操作，信息化的包装盒和单元柜为智慧物流无人配送提供智慧组装(包装盒)、路径优化、车辆调度、订单分配等一系列智能调度工作的基础，利用实时交通动态、用户信息大数据，确保每一批订单都能获得最优的解决办法；根据初步实验，智慧优化下的调度水平能够提升20％，分拣速度平均提升60％；
29.3、本发明提供的高效率自动化物流方法，不同大小的货物可以匹配不同大小的包装盒，充分提高了仓储利用率；包装盒除发挥包装作用外，还具有运载能力，物流过程实际减少了分拣中心的装卸环节，精简了分拣过程，节省了人力成本，降低了货损率；
30.4、本发明提供了最大程度的时空信息共享，每个单元柜和包装盒自带位置信息系统，相比于现有的物流信息共享模式，提供“时间”和“空间”两个维度的信息同步和及时反馈。一方面，用户可以准确掌握物流详细进程，另一方面，管理方可以掌握精确的物流信息，便于优化、调度，使得客户体验和管理调度水平得到显著的提升，并且能基本解决末梢物流的包裹丢失问题；
31.5、本发明提出的包装盒具有循环使用的性质，可以极大减少一次性包装，减少一次性包装袋的使用，具有绿色环保的效果；同时保护用户隐私，从而解决了现阶段使用的一次性包装上均附着包含用户信息的快递单，可能会引发的各类信息安全问题。
附图说明
32.图1为本发明的agv运载车的立体结构示意图；
33.图2为本发明的agv运载车的控制系统的组成框架图；
34.图3为本发明的多传感器agv定位系统组成框架示意图；
35.图4为本发明所述举升装置的结构示意图；
36.图5为本发明所述单元柜的立体结构示意图；
37.图6为本发明所述包装盒打开状态的立体结构示意图。
38.图7为本发明的智慧物流无人配送站点网络结构示意图；
39.图8为本发明的智慧物流无人配送方法的流程示意图；
40.图9为本发明的2d激光和视觉融合的slam算法在仿真环境下融合流程示意图；
41.图10为本发明的2d激光和视觉融合的slam算法在真实环境下融合流程示意图；
42.图11为本发明的多agv通信框架结构示意图；
43.图12为本发明的agvs协同系统结构示意图。
44.其中：1框架车体、101底板、102隔板、103顶板、2直流减速电机、201麦克纳姆轮、3控制器、4电源装置、5举升装置、501电动推杆、502交叉式伸缩杆、503举升平台、504第一导向滑轨、505第一铰接座、506第二导向滑轨、507第二铰接座、508第一导向轮、509第二导向轮、510电磁吸盘装置、6rfid识别读取装置、7激光雷达装置、8包装盒、801骨架结构、802盒体底板、803盒体顶板、804盒体侧板、805盒体隔板、806密闭门体、807自弹式电磁门、808对位凸起。
具体实施方式
45.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
46.请参阅图1，一种用于智慧物流无人配送系统的agv运载车，包括框架车体1，框架车体1的整车外框为铝型材搭建而成，中间采用角连接件通过螺栓连接，组装方便，整体质量较轻且具有足够的结构强度，满足货物的运载需求。整车框架的尺寸可依据盛装货物的单元柜的大小进行设定。整车外框的车舱内部通过一个底板101、一个隔板102和一个顶板
103分为三层。
47.所述框架车体1的底板101的顶面四角分别固定安装有直流减速电机2，每个直流减速电机2的输出轴端固定安装有麦克纳姆轮201。四组车轮通过控制系统实现协同运作，进而实现同速状态的前进、后退和停止，以及差速状态的转弯。agv运载车采用全向运动控制方式，利用带编码器的直流减速电机2，对小车速度实行闭环控制使得系统更加的稳定可靠；同时采用贝塞尔曲线控制使得系统鲁棒性更好。
48.所述框架车体1的隔板102上固定安装有控制各个直流减速电机2协同工作的控制器3，底板101上固定安装有为控制器3和其它电器元件供电的电源装置4。所述控制器3的控制系统包括电源控制模块、驱动控制模块、无线通讯控制模块、感知识别控制模块、自动装卸控制模块和安全防护控制模块，系统框架结构如图2所示。
49.本车控制器3的硬件部分主要是有下层底盘控制器stm32和上层的数据指令处理主机arm所共同构成的，底盘控制器主要用于接收上层的指令并做出相应动作，其上集成了驱动芯片可直接驱动电机转动，同时采集电机的速度和里程等信息回馈给上层arm。上层arm主要利用视觉模块和激光雷达模块采集数据，以实现导航和定位。
50.框架车体1上设置有与控制器3通讯连接的主动感知装置，用于探索和识别周围环境信息。本系统采用基于三轴振动传感器的主动感知方案，在贝叶斯概率感知方法和主动探索行为下，利用agv运载车和地面的交互振动信息探索和识别所处环境，这一过程向识别度高的运动状态转换。该方法使agv运载车能够通过振感感知和自主决定下一步的动作，以便在室外识别任务中快速提取更好的信息。
51.所述感知识别控制模块用于接收主动感知装置发送的信息。主动感知装置包括固定于框架车体1顶部的rfid识别读取装置6、固定于框架车体1顶部前侧的激光雷达装置7、分别设置于直流减速电机2转轴处的陀螺仪和加速度传感器。在agv运载车运行的同时可以通过传感器对周围环境进行测量并通过无线传输模块将采集的信息传送至管理中心，进而显示在屏幕上。在需要的情况下可以利用激光雷达装置7进行对周围环境的建模。多传感器agv定位系统组成框架如图3所示。
52.所述电源控制模块用于监控电源装置4的电量剩余情况及充电过程监控，包含电量监控、稳压控制、自动断电、无线充电等现有控制模块技术。agv供电系统由内部供电装置、无线充电装置组成。内部供电装置即采用锂电池组件的电池装置4，可为系统提供持续电能。系统在agv运载车的行进路径上设置一定数量的无线充电桩，无线充电装置基于无线电能传输技术，实现非连接式电能传递。agv运载车在执行任务过程中若系统监测反馈电量不足，则在剩余电量足够的情况下自行前往指定充电桩点实现自动无线充电，以满足agv运载车续航能力要求。且系统在规划路径后，系统会依据agv运载车的剩余电量进行自动匹配，以选择电量充裕的运载车进行任务指派，防止运载车在执行任务过程中因电量不足而造成任务中断，保证任务的顺利进行。
53.所述驱动控制模块集成于下层底盘控制器stm32中，用于控制多个直流减速电机2之间的协同运作，实现agv运载车的全向运动控制；下层底盘控制器stm3主要用于接收上层的指令并做出相应动作，其上集成了驱动芯片可直接驱动电机转动，同时通过相应的传感器采集电机的速度和里程等信息回馈给上层arm。上层arm主要利用视觉模块和激光雷达模块采集数据，以实现导航和定位。
54.所述无线通讯控制模块集成于上层arm中，采用5g通信技术，用于与管理平台及单元包装盒之间的信息传递；通过接收来自管理平台的任务指派命令和规划好的行车路径，驱动运载车完成单元柜的定向和定点运输；同时，通过主动感知装置采集的各类信息，也通过上层arm的无线通讯控制模块传给至管理平台，监测运载车任务执行状态的同时，补充运输路径上的环境信息，而今进一步更新和完善栅格地图，以更好地知指导以后的运输工作。
55.框架车体1上设置有举升装置5，用于物品的承载和装卸。如图4所示，所述举升装置5包括两组固定对称设置的电动推杆501、与电动推杆501输出端连接的交叉式伸缩杆502、连接于交叉式伸缩杆502顶部的举升平台503，所述举升平台503水平设置。电动推杆501采用fd3型号的电动推杆，两个电动推杆501平行地固定设置在底板101的顶面两侧。电动推杆501的输出轴外侧设置有固定与底板1顶面上的第一导向滑轨504和第一铰接座505，举升平台503的底面边缘固定连接有位于第一导向滑轨504正上方的第二导向滑轨506和位于第一铰接座505正上方的第二铰接座507。交叉式伸缩杆502由两组依次折叠铰接的杆件交叉铰接而成，其右下端与第一铰接座501转动连接、右上端与第二铰接座507转动连接、其左下端转动安装有与第一导向滑轨504相配合的第一导向轮508、其左上端转动安装有与第二导向滑轨506相配合的第二导向轮509，第一导向轮508的转轴一端与电动推杆501的输出轴端固定连接。
56.所述自动装卸控制模块用于举升装置5的运作控制，即控制两个电动推杆501的正向/反向运动。两个电动推杆501同步工作，其输出轴向外伸出时，推动第一导向轮508沿第一导向滑轨504的长度方向向右滚动，进而使得交叉式伸缩杆502伸长，使得举升平台503逐渐上升，便于举升平台503上物体的取放操作；电动推杆501的输出轴反向工作，则使举升平台503逐渐下降至初始位置。
57.优选的，举升平台503的底面设置有与控制器3连接的电磁吸盘装置510，当单元柜防止在举升平台503上后，电磁吸盘装置510工作，通过电磁吸附力使得单元柜在运输过程中更加稳定；当单元柜被送至目标地点后，电磁吸盘装置510断电消磁，便于单元柜的搬移操作。
58.所述安全防护控制模块用于agv运载车的启停控制及报警控制。安全防护控制模块包括分别与控制器3连接的人脸识别装置、超声探距装置和蜂鸣报警装置(图中均未示出)。其中，人脸识别装置安装于隔板102上，用于工作人员手动启动agv运载车时的验证操作，只有验证通过后，agv运载车的控制系统才会正常启动工作，验证不通过(可设置允许的最大验证次数，如5次)则通过蜂鸣器报警装置持续发出报警信息，并通过控制器3将报警信息远程传送至管理平台，防止非工作人员误启动运载车。超声探距装置分别安装于agv运载车底盘框架的四周和上部框架的四周，通过超声波技术监测agv运载车与周围物体的距离，当某一侧的超声探距装置探测到的距离值小于预设的预警距离时，通过控制器3控制直流减速电机2驱动麦克纳姆轮201向增大与该侧物体之间间距的一侧移动，防止车体与外部物体放生碰撞。
59.优选的，框架车体1上设置有位于举升平台503外侧的防护板9，防护板9的两侧分别设置有护翼，可对电源装置4、举升装置5及相应的电路系统进行防护。
60.本实施例中，与agv运载车配套使用的单元柜如图5所示，单元柜由多个包装盒8码垛而成，也可以为单个包装盒8。如图6所示，包装盒8包括骨架结构801、固定连接于骨架结
构801底部的盒体底板802、固定连接于骨架结构801顶部的盒体顶板803、固定连接于骨架结构801两侧和后侧的盒体侧板804。骨架结构801采用梁柱焊接组成，以保证包装盒具备足够的强度和承载力。
61.骨架结构801的内部固定焊接有盒体隔板805，骨架结构801的内部被盒体隔板805分为上腔体和下腔体两个独立的空间。上腔体内设置有盒体控制器和为盒体控制器供电的盒体电源，并通过固定连接于骨架结构801上的密闭门体806实现密封。下腔体为储物空间，且通过铰接于骨架结构801上的自弹式电磁门807实现开合。
62.为实现全过程信息化的无人配送和分拣，包装盒的控制系统包括信息储存模块、信息收发模块、安全模块、包装盒电源模块。其中，信息储存模块中存储有包装盒各自的位置信息、尺寸信息、货物类型及存放信息。
63.信息收发模块还具有定位单元，在单元柜的运输过程中将包装盒的位置信息实时发送给客户端和管理平台，并在分拣组合过程中将包装盒的其他信息发送给agv运载车和终端管理平台；安全模块可以在检测到包装盒自行开启或者损坏时，通过信息收发模块发送报警信息给管理平台并发出警报提醒；安全模块还具有监控单元，作用是根据包装盒信息收发装置接收的操作指令进行自弹式电磁门807的开/关操作，同时通过温度传感器、湿度传感器等各种检测装置监测包装盒的内部环境温度、湿度等信息；包装盒电源模块主要用于包装盒8内的盒体电源的电量监控和充电控制，同时还含有备用的小型电池，当包装盒电力供应中断时，可以维持一段时间的正常供电功能。
64.由于包装盒本身具有信息功能，管理端可以及时收到如损坏、遗失、运输线路异常等信息，对包装盒进行定位，便于采取相应措施。同时，用户信息和物流信息只保存在信息储存装置和服务器数据库中，避免快递单和条形码外显的情况，从而最大程度保证用户隐私。
65.盒体顶板803的顶面四角分别固定设置有对位凸起808，盒体底板802的底面四角设置有与对位凸起808在垂线方向上相对应的对位凹槽。通过对位凸起808与对位凹槽的插接配合，可实现相邻两个包装盒8的码垛。包装盒8可采用宽度相等、高度相同、长度整数倍的方式制作成多种尺寸规格，通过码垛组合成不同尺寸和规模的方形单元柜。由于包装盒的尺寸具有模数关系且按照统一标准设计，使得身份识别和分拣的自动化均可以较高程度实现，相比于当前“人工 传送带 扫描订单”的传统分拣方式可以大幅度提升分拣效率和正确率，降低人力成本，标准化设计能够实现循环使用，有利于提高装载设备的使用率和减少物流二次包装。
66.请参阅图7和图8，本发明的agv运载车所应用的智慧物流无人配送系统，该系统为由若干个客户端、一个管理平台、若干个配送站点、若干个物流中心、若干辆agv运载车所构成的管辖区域网络结构，还包括设置在配送站点上的无人配送环节和自动分拣环节。
67.所采用的智慧物流无人配送方法的包括以下主要步骤：
68.s10、用户根据物流需求在客户端提交订单数据，管理平台根据订单分配相应的起始配送点给用户，同时发送开箱指令给起始配送站点的上投递单元柜；在投递单元柜由若干个包装盒组成，并在每个包装盒中设置有信息储存模块、信息收发模块；
69.s20、相应投递单元柜中的信息收发模块接收到开箱指令后，允许用户放入物品，并将已放入物品的包装盒的状态设置为“待寄”；
70.s30、根据起始配送站点，agv运载车根据最优路径规划结果对所有投递单元柜逐一拾取后运输至物流中心，由物流中心将单元柜分解成各个包装盒；
71.本步骤中，单元柜的拾取与分解具体过程包括以下步骤：
72.s301、管理平台确认每个物流中心所管辖区域内待拾取的单元柜数目、规格，而后进行路径规划；
73.s302、根据规划出的车辆运行路径，生成运输单，对应管辖区域内的agv运载车下达调度指令；
74.s303、agv运载车按照系统规划的路径，逐一拾取路径上所包含的单元柜，最后返回所在物流中心；在单元柜的放置位置均配置有抓取机械手装置，也可在agv运载车上配置抓取机械手装置，跟随运载车同步移动并随时装卸单元柜；
75.s304、所有单元柜在所在物流中心自动化地分解成包装盒；物流中心配置机械手装置和传送带装置，将单元柜上的每个包装盒分别拆解并防止在传送带上进行有序摆放；
76.s40、管理平台中的智慧包装数据模块对包装盒进行分拣处理，由agv运载车根据分拣的结果将包装盒运输至相应的目标配送点所属的物流中心，包装盒到达目标配送点所属的物流中心后，由物流中心根据对应的目标配送点进行组合和优化，形成配送单元柜；
77.本步骤中，运载单元智慧分拣的具体步骤如下：
78.s401、智慧包装数据模块根据包装盒的信息收发模块提供的目标配送点和所在的物流中心辖区，对包装盒进行分拣及分拣数据的回传、整合；
79.s402、根据第一次分拣结果，管理平台进行第一次路径规划并对agv运载车下达运输指令，由agv运载车将分拣后的包装盒送至相应辖区内的物流中心，而后由物流中心根据对应的目标配送点进行组合和优化，形成配送单元柜。
80.s50、管理平台根据配送单元柜的目标配送点以及物流中心的位置规划出运输路径后由agv运载车对配送单元柜进行运输，并将配送单元柜重新投放在目标配送点；
81.agv运载车的行走路径规划基于栅格地图，栅格地图采用利用贝叶斯方法，对2d激光雷达基于gmapping算法建立的局部激光栅格地图与rgb-d摄像头基于orb-slam算法建立的局部视觉栅格地图数据融合后的结果进行更新而获得。激光slam有精度高，鲁棒性强的特点，方便定位与导航，但激光传感器只能扫描一个平面，在障碍物镂空环境和动态环境的定位能力较差。视觉slam能在室内、外多种复杂环境中进行工作，但对环境光线要求高，无法对无纹理区域进行特征点的提取，且在距离未知的情况下，单目相机常出现初始化失败、尺度漂移及难以确定等缺点。如图9和图10所示，本实施例中的agv运载车采用2d激光和视觉融合的slam算法，通过仿真环境下的融合和真实环境下的融合相结合，形成全局网格二维地图，并在运载车运行过程中实时更新，为路径规划提供可靠的参考数据，可极大提升路径规划的准确性和最优性。
82.s60、配送单元柜达到目标配送点后，通过信息收发模块发送投放成功消息，管理平台获取配送单元柜发送的投放成功消息后，通知用户取货的配送点，并发送开箱指令给目标配送点上配送单元柜；
83.s70、相应配送单元柜中的信息收发模块接收到开箱指令后，允许用户取出物品，并将取出物品的包装盒的状态设置为“待存”，从而将配送单元柜作为新的投递单元柜。
84.该系统采用多机器人、多主机集成构建的agvs协同系统，采用多agv协同大尺度场
景下的slam地图构建算法。针对工厂大规模场景和多台agv同时工作的场景，利用多台agv同时采集环境数据，并将数据汇总和融合该协同系统通过ros系统建立多agv通信框架，如图11所示；并将多个agv运载车的数据关联，进而通过tcp/ip协议发送该ros包到话题，通过位姿信息及视觉单词建立各子成员之间的关系。为了满足工厂环境下多agv共同工作的需求，搭建多机器人、多主机集成的系统，构建agvs协同系统，如图12所示，该系统可根据不同的任务需求合理分配和调度小车，不仅可降低单个小车的工作强度还可大幅提高生产效率。
85.本发明的智慧物流agv配送方法，对于物流方，提高了仓储利用率，精简了分拣过程，节省了人力成本，降低了货损率；对于消费者，可以灵活安排取货时间，包裹丢失问题得到解决，个人隐私得到保护，服务体验感得到提升；同时让物流行业向低排放、无污染、可循环发展，带动行业进行绿色升级。该方法有效解决传统物流行业的痛点，提升物流智能化、智慧化程度，应用前景广阔。
86.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。