在工业生产过程中，用于产品的存储、运输的时间远远大于生产加工产品的时间，如果能够解决生产过程中的存储和运输问题, 就可以大大提高生产效率^[1]。而国内的自动化存储系统绝大多数还在使用手持式读码器识别二维码的方式记录产品的出入库信息，常常由于扫描位置和抖动等原因影响了识别效率。本文设计的自动化存储系统采用固定式二维码采集装置，同时对Data Matrix二维码进行针对性优化，识别速度在100 ms以内，同时配备堆垛机、计算机、PLC、触摸屏等设备，能够高效地完成托盘出入库作业。

1 AS/RS系统整体设计

AS/RS(自动化存储系统)一般由立体货架、堆垛机、信息识别、计算机控制等系统构成。本设计中的自动化存储系统中，每一个托盘边缘都有一个二维码，标示托盘在仓库中的位置。如图 1所示，传送带旁的相机从托盘中读出二维码图像，通过EtherCAT将图像传输给计算机，经过计算机上的图像处理算法解码后获取二维码信息，计算得到托盘在立体货架上的位置坐标，然后迅速将托盘的位置坐标传递给PLC，由PLC控制机械装置将托盘拖放到对应的仓储位置上。

2 二维码识别设计 2.1 二维码识别硬件设备

二维码识别在视觉应用中占有很重要的位置，各种各样的二维码都有可能需要识别^[2]。常见的二维码包括QR码和Data Matrix码。本设计方案识别的二维码是16*16 Data Matrix ECC200，以下简称为DM码。图 2为相机拍摄到的DM码图片。DM码的可编码字元集包括全部的ASCII字元及扩充ASCII字元，共256个字元^[3-5]。

设计选用的图像采集设备是Festo紧凑型工业相机Data Matrix摄像机。这款相机集成了用于图像数据获取的传感器系统、电子辨识单元以及与主控制器通信的接口，分辨率为752*480 pixl，内置光源，额定工作电压24 V，采用以太网与计算机通讯，传输速度100 mb/s。如图 3中a图所示，8个LED灯均匀分布在镜头周围。相机安装在传送带旁，相机与二维码的相对位置如图 3中b图所示。

2.2 二维码识别程序设计

图像处理算法由HALCON生成。HALCON是德国公司开发的一款拥有完善的机器视觉算法包的机器视觉开发软件^[6]，为图像获取设备提供接口，广泛地应用于各个领域中。HALCON中解码步骤分为4步：创建解码模型、读取相机的图像、对图像进行解码、清除模型。

对于工业视觉应用的二维码解码器设计，要考虑的需求有两个：一是解码率尽可能高，二是解码耗时尽量短。因此，如果简单使用最大化解码的参数，在无法解码的情况下就会导致解码耗时过长；而不使用最大化解码参数，则解码率会有所下降。本设计对识别算法采取了如下优化方法。

1) 只对DM码建立二维码解码模型，这样可以缩小解码范围，缩短创建模型的时间，同时识别模式采用增强模式。即使DM码小部分受污染或者被遮挡，依然可以识别出来，对于紧凑型二维码识别也毫不费力。

2) 根据所要识别的二维码特征，设置足够精确的解码参数，提高解码效率。缩短解码范围，指定精确的解码模型。设置解码时长200 ms以内，超过200 ms自动放弃解码。

3) 基于样本图像进行训练调整模型。在每一次识别后，确定其参数，并相应地修改模型。

经多次测试，目前识别率接近100%，耗时在100 ms内。程序使用的主要算子如表 1所示。

HALCON作为一款强大的图像处理软件，具有丰富的算子，能够解决很多图像问题，但是不能形成图形化界面，所以需要和其他软件联合开发。本设计利用C#进行桌面窗体程序设计，能够实现如图 4所示的效果。打开程序以后，可以进行读图和识别操作。这只是手动测试用的软件界面，能够在计算机上连接相机并进行在线抓取二维码图像。识别二维码后可以显示二维码字符串信息和在仓库中的行列位置，还可以计算解码耗时。

3 AS/RS设计 3.1 系统结构与硬件选型

立体货架有4列4层，共16个支架，设置两个操作台，用于货物的入库和出库操作。堆垛机采用丝杠导轨结构，可进行X、Y、Z方向三个自由度的控制。立体仓库的堆垛机包括水平运行机构、垂直运行机构和货叉运行机构。根据自动化存储控制系统选择合适的控制器件，主要包括计算机、PLC、触摸屏、电机、相机、接近传感器、气缸、压缩泵等设备。本文主要以水平运行机构为例，对其进行控制器和电机设备选型。主要设备如表 2所示。

系统选用3个德恩科无刷直流电机(BLDC)为行走电机、提升电机、货叉电机。无刷直流电机采用电子换向器，因此不仅具有直流电机良好的调速性能，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点^[7]。设计选用的直流电机具有钕磁铁的高动态三相无刷直流电动机，带有用于转子位置检测的霍尔传感器、集成电子换向器、蜗轮减速机、编码器和制动器，可以使用外部控制电子元件BGE6010A构成逻辑控制器。

硬件示意图如图 5所示，按水平阅读方向依次为计算机、交换机、PLC、触摸屏、工业相机、电机。

3.2 系统连接与控制流程设计

如图 6 AS/RS网络连接示意图所示，计算机、PLC、触摸屏、工业相机通过EtherCAT通讯电缆连接在交换机上。由于机械装置采用的这一款无刷直流电机内部集成了控制器单元，PLC和三个电机之间支持CAN总线通讯协议，所以未使用外部驱动器，而由PLC直接控制电机^[8-9]。

系统在传送带旁安装一个接近传感器和一个气缸用来感应托盘经过，并将托盘阻止在相机正前方。此时相机自动启动并拍照，并将图像迅速传输给计算机，然后经计算机处理后再将托盘信息传输给PLC。PLC通过内部计算由CAN通讯总线控制堆垛机的X、Y、Z三个电机准确地将托盘托起并放到相应位置^[10]。如图 7所示，堆垛机在手动模式下一步一步地手动操作，便于设备调试和维护。自动模式下的入库或出库操作由程序自己判断执行。

以入库子程序为例，如图 8所示，PLC控制堆垛机到传送带上端起托盘，并将托盘放到货架上，如果出现故障触摸屏将会报警并停止操作。

设计采用西门子Simatic TP700触摸屏和Wincc Flexible组态软件进行组态界面的设计，组态界面包括自动模式和手动模式的切换、出入库记录查看、一键停止、帮助等^[11]。通过组态HMI设备可以清楚地看到仓库运行状态。HMI和PLC之间采用以太网通讯。组态界面如图 9所示。

4 结论

采用机器视觉和工业网络技术设计了自动化存储系统。该系统由计算机、工业相机、PLC、触摸屏、堆垛机、传送带等模块构成。控制系统以EtherCAT作为主要通讯方式，以CAN-BUS作为PLC和电机之间的通讯方式。控制系统软件设计包括Data Matrix码识别、PLC控制程序、Wincc组态界面三部分。经测试，该系统能够迅速识别二维码并且控制堆垛机稳定运行。