一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法

1.本发明属于人工智能技术领域，特别是涉及一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法。


背景技术：

2.目前现有的物流控制系统，主要采用传感器-服务器的方式进行物品的感知和定位，并且通过服务器-边缘设备
‑‑
控制装置实现运动控制，各模块之间通过通信线缆或局域无线网进行连接，能够有效地控制物体进行运输。
3.但这种系统存在着通信延迟的缺点。这一问题主要存在于传感器和上位机通信，以及上位机和分布式边缘设备的通信中。由于时间延迟的存在，高速状态下多方向的物流控制存在巨大的不确定性，难以满足系统所需求的精准程度。
4.同时，当系统的控制装置拓展到一定程度时，通信中将会产生消息队列堵塞的情况：当所属指令未抵达指定的时间节点时，报文将堆积在传输队列中造成堵塞，但当系统抵达了指定的时间节点后，多个数据包又将在同一时刻传输出去，这将会产生数据覆盖或者排队时延等问题，会进一步加剧的时间延迟所带来的负面效果。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法。
6.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法，所述方法具体为：
7.以上位机的时间为基准，将分布式边缘设备与其进行同步，统一时间，以完成控制方法的初始化准备，分布式边缘设备之间需要定时重新进行时间同步，以确保高精度的准确性；
8.预测货物进入物流系统的时间，并以该时间作为基准，调用a*算法对货物的运行路线进行路径规划，并根据线速度和驱动控制的反馈预测物体的运动轨迹，计算出货物抵达每一个节点所需的时间，以及该节点所需发出的控制指令；
9.设计一个存有优先级的消息队列，消息内容的格式为：优先级，运行时间，控制指令；该消息内容按照货物进入物流系统的时间进行下发，分布式边缘设备接收到数据后，对目前的所有指令按照设定优先级-运行时间排序，并在指定的运行时间对驱动设备进行控制指令的下发。
10.进一步地，当视觉传感器监测到货物碰撞时，上位机将调用rvo算法重新计算货物的运动轨迹，并且将当前指令的优先级提升为最高，插入队列最前端进行下发，分布式边缘设备收到优先级更高的、同一驱动装置或者同一时间的消息内容后，将覆盖已下达至本机的指令。
11.进一步地，选用ptpd获取网络驱动层时间，进行分布式边缘设备的时间同步。
12.进一步地，所述ptpd将时间戳的产生位置从物理层上移至网络驱动层，其计算时间偏差的公式为：
[0013][0014]
进一步地，所述分布式边缘设备与上位机之间通过高速实时总线进行连接，传感器与上位机采用powerlink或ethercat实时工业以太网。
[0015]
进一步地，在路径规划过程中：
[0016]
运输开始时，将货物放置在物流系统的起始点，视觉或压力传感器在确认了货物的状况后，将通知上位机开始进行运算；
[0017]
上位机采用a*算法进行路径规划，满足货物从任意起始点按照最优路径抵达任意终点的规划要求，完成路径的规划后，上位机将根据规划的路径及设定的货物运输速度计算出货物经过每个节点时驱动装置所需提供的加速度，以及货物经过该节点的预计时间；
[0018]
完成计算后，上位机将计算好的各个节点的控制指令与时间节点一起合成指定格式的报文，下发给各个节点所属的边缘设备，该边缘设备判断已有的控制指令与该下发的指令是否会产生冲突，若是，则将冲突回报给上位机，上位机调用rvo算法重新计算相应的数据；若不产生冲突，则边缘设备需要在抵达所记录的时间节点时，将控制指令下发给指定的驱动装置。
[0019]
本发明提出一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制系统，所述系统具体为：
[0020]
初始化模块：用于以上位机的时间为基准，将分布式边缘设备与其进行同步，统一时间，以完成控制方法的初始化准备，分布式边缘设备之间需要定时重新进行时间同步，以确保高精度的准确性；
[0021]
预测模块：用于预测货物进入物流系统的时间，并以该时间作为基准，调用a*算法对货物的运行路线进行路径规划，并根据线速度和驱动控制的反馈预测物体的运动轨迹，计算出货物抵达每一个节点所需的时间，以及该节点所需发出的控制指令；
[0022]
控制模块：用于设计一个存有优先级的消息队列，消息内容的格式为：优先级，运行时间，控制指令；该消息内容按照货物进入物流系统的时间进行下发，分布式边缘设备接收到数据后，对目前的所有指令按照设定优先级-运行时间排序，并在指定的运行时间对驱动设备进行控制指令的下发。
[0023]
进一步地，一旦有新的货物进入物流系统，或者视觉传感器检测到了存在碰撞的情况，将实时通知上位机运用rvo算法重新进行路径规划，上位机再次规划完成后，将合成更高优先级的报文并进行下发。
[0024]
本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法的步骤。
[0025]
本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法的步骤。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
本发明提出了一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法，随着货物量
的增多，物流运输系统正在逐渐提升传送速度，但目前的控制算法在此环境下存在一定的局限性，亟需一种有效的智能控制算法来确保传输的稳定。本发明提出的基于时间同步的智能控制方法，在占地面积广、货物数量大、对时效以及准确性均有较高要求的物流仓库中心，能够以极高的准确率将货物运输到指定地点，有效地提高货物的运输效率。特别的，该智能控制方法还可以运用至类似的需要预测控制的系统中，比如工厂的机械臂，以及智能小车等系统中。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0029]
图1为智能控制方法的基本流程图；
[0030]
图2为ptp算法的流程图；
[0031]
图3为client选择eth0端口连接网线，且不进行时钟同步示意图；
[0032]
图4为client选择eth0端口连接网线，且进行时钟同步示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
本发明基于时间同步和路径规划的技术提出了一种智能控制方法，能够直接应用于物流系统的货物运输。
[0035]
结合图1-图4，本发明提出一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法，所述方法具体为：
[0036]
以上位机的时间为基准，将分布式边缘设备与其进行同步，统一时间，以完成控制方法的初始化准备，分布式边缘设备之间需要定时重新进行时间同步，以确保高精度的准确性；
[0037]
预测货物进入物流系统的时间，并以该时间作为基准，调用a*算法对货物的运行路线进行路径规划，并根据线速度和驱动控制的反馈预测物体的运动轨迹，计算出货物抵达每一个节点所需的时间，以及该节点所需发出的控制指令；
[0038]
设计一个存有优先级的消息队列，消息内容的格式为：优先级，运行时间，控制指令；其中，运行时间和控制指令为上文所计算出的数据，该消息内容按照货物进入物流系统的时间进行下发，分布式边缘设备接收到数据后，对目前的所有指令按照设定优先级-运行时间排序，并在指定的运行时间对驱动设备进行控制指令的下发。
[0039]
特别的，当视觉传感器监测到货物碰撞时，上位机将调用rvo算法重新计算货物的运动轨迹，并且将当前指令的优先级提升为最高，插入队列最前端进行下发，分布式边缘设备收到优先级更高的、同一驱动装置或者同一时间的消息内容后，将覆盖已下达至本机的
指令。
[0040]
1、分布式边缘设备的时间同步：
[0041]
选用ptpd获取网络驱动层时间，进行分布式边缘设备的时间同步。
[0042]
由于在不同的控制系统中，分布式边缘设备的选择存在较大的区别，考虑到并非所有的设备都支持硬件精度的ptp协议，为了提高控制算法的兼容性，在该发明中选择了能够获取网络驱动层的ptpd协议。
[0043]
ptpd(precision time protocol daemon)是基于ieee1588标准定义的ptp协议的实现，它能够为以太网连接的计算机提供精确的时间协调。
[0044]
在该智能控制算法中，在设备启动的同时，以上位机的时间作为基准，将所有分布式边缘设备运用ptpd协议进行时间同步，以完成算法的初始化准备。且需要定时(1-2s)重新对边缘设备进行同步，以保证精度的准确性。
[0045]
ptpd是基于ptp协议的实现，ptp的实现过程如图2所示。
[0046]
ptpd较ptp而言，区别主要在于将时间戳的产生位置从物理层上移至网络驱动层，其计算方法仍沿用ptp的公式，其计算时间偏差的公式为：
[0047][0048]
2、时间同步下的网络通信：
[0049]
为了尽可能降低网络延时所带来的负面效果，分布式边缘设备与上位机之间通过高速实时总线进行连接，特别的，传感器与上位机可以考虑采用powerlink、或ethercat等实时工业以太网，以降低消息发送的延迟，确保系统的实时性。
[0050]
基于本发明所提出的智能控制方法，报文调度仅由完成系统时钟同步所需的报文以及必要的控制指令报文构成，并且所有报文的发送时间是可以提前配置的，这样可以有效避免消息队列的阻塞，提高总线的利用率，保证系统的实时性。
[0051]
3、基于路径规划的智能控制方法：
[0052]
在路径规划过程中：
[0053]
运输开始时，将货物放置在物流系统的起始点，视觉或压力传感器在确认了货物的状况后，将通知上位机开始进行运算；
[0054]
上位机采用a*算法进行路径规划，可以满足货物从任意起始点按照最优路径抵达任意终点的规划要求，完成路径的规划后，上位机将根据规划的路径及设定的货物运输速度计算出货物经过每个节点时驱动装置所需提供的加速度，以及货物经过该节点的预计时间；
[0055]
完成计算后，上位机将计算好的各个节点的控制指令与时间节点一起合成指定格式的报文，下发给各个节点所属的边缘设备，该边缘设备判断已有的控制指令与该下发的指令是否会产生冲突，若是，则将冲突回报给上位机，上位机调用rvo算法重新计算相应的数据；若不产生冲突，则边缘设备需要在抵达所记录的时间节点时，将控制指令下发给指定的驱动装置。
[0056]
本发明提出一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制系统，所述系统具体为：
[0057]
初始化模块：用于以上位机的时间为基准，将分布式边缘设备与其进行同步，统一
时间，以完成控制方法的初始化准备，分布式边缘设备之间需要定时重新进行时间同步，以确保高精度的准确性；
[0058]
预测模块：用于预测货物进入物流系统的时间，并以该时间作为基准，调用a*算法对货物的运行路线进行路径规划，并根据线速度和驱动控制的反馈预测物体的运动轨迹，计算出货物抵达每一个节点所需的时间，以及该节点所需发出的控制指令；
[0059]
控制模块：用于设计一个存有优先级的消息队列，消息内容的格式为：优先级，运行时间，控制指令；该消息内容按照货物进入物流系统的时间进行下发，分布式边缘设备接收到数据后，对目前的所有指令按照设定优先级-运行时间排序，并在指定的运行时间对驱动设备进行控制指令的下发。
[0060]
特别的，一旦有新的货物进入物流系统，或者视觉传感器检测到了存在碰撞的情况，将实时通知上位机运用rvo算法重新进行路径规划，上位机再次规划完成后，将合成更高优先级的报文并进行下发。
[0061]
本发明所述方法及系统能够保证货物在每个节点所预先设定的控制指令下，可以按照规划好的路径运输至指定终点，这样的算法能够有效提高传送系统的工作效率。
[0062]
本发明主要解决了物流运输系统中时间延迟所带来的一系列问题，特别的，对时间同步的必要性进行了实验验证。
[0063]
实验中，选择服务器作为上位机，树莓派作为边缘设备，分别测试了有无时间同步、是否选择总线进行连接的情况下，服务端与客户端的传输延迟。图3以及图4证明了在时间同步的情况下，选择总线能够将延迟有效降低为毫秒级，符合本发明所需要的精度需求。
[0064]
本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法的步骤。
[0065]
本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法的步骤。
[0066]
本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，rom)、可编程只读存储器(programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，drram)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0067]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分
地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，dvd))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，ssd))等。
[0068]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
[0069]
应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0070]
以上对本发明所提出的一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法，其特征在于：所述方法具体为：以上位机的时间为基准，将分布式边缘设备与其进行同步，统一时间，以完成控制方法的初始化准备，分布式边缘设备之间需要定时重新进行时间同步，以确保高精度的准确性；预测货物进入物流系统的时间，并以该时间作为基准，调用a*算法对货物的运行路线进行路径规划，并根据线速度和驱动控制的反馈预测物体的运动轨迹，计算出货物抵达每一个节点所需的时间，以及该节点所需发出的控制指令；设计一个存有优先级的消息队列，消息内容的格式为：优先级，运行时间，控制指令；该消息内容按照货物进入物流系统的时间进行下发，分布式边缘设备接收到数据后，对目前的所有指令按照设定优先级-运行时间排序，并在指定的运行时间对驱动设备进行控制指令的下发。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当视觉传感器监测到货物碰撞时，上位机将调用rvo算法重新计算货物的运动轨迹，并且将当前指令的优先级提升为最高，插入队列最前端进行下发，分布式边缘设备收到优先级更高的、同一驱动装置或者同一时间的消息内容后，将覆盖已下达至本机的指令。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选用ptpd获取网络驱动层时间，进行分布式边缘设备的时间同步。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述ptpd将时间戳的产生位置从物理层上移至网络驱动层，其计算时间偏差的公式为：5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述分布式边缘设备与上位机之间通过高速实时总线进行连接，传感器与上位机采用powerlink或ethercat实时工业以太网。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在路径规划过程中：运输开始时，将货物放置在物流系统的起始点，视觉或压力传感器在确认了货物的状况后，将通知上位机开始进行运算；上位机采用a*算法进行路径规划，满足货物从任意起始点按照最优路径抵达任意终点的规划要求，完成路径的规划后，上位机将根据规划的路径及设定的货物运输速度计算出货物经过每个节点时驱动装置所需提供的加速度，以及货物经过该节点的预计时间；完成计算后，上位机将计算好的各个节点的控制指令与时间节点一起合成指定格式的报文，下发给各个节点所属的边缘设备，该边缘设备判断已有的控制指令与该下发的指令是否会产生冲突，若是，则将冲突回报给上位机，上位机调用rvo算法重新计算相应的数据；若不产生冲突，则边缘设备需要在抵达所记录的时间节点时，将控制指令下发给指定的驱动装置。7.一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制系统，其特征在于：所述系统具体为：初始化模块：用于以上位机的时间为基准，将分布式边缘设备与其进行同步，统一时间，以完成控制方法的初始化准备，分布式边缘设备之间需要定时重新进行时间同步，以确保高精度的准确性；
预测模块：用于预测货物进入物流系统的时间，并以该时间作为基准，调用a*算法对货物的运行路线进行路径规划，并根据线速度和驱动控制的反馈预测物体的运动轨迹，计算出货物抵达每一个节点所需的时间，以及该节点所需发出的控制指令；控制模块：用于设计一个存有优先级的消息队列，消息内容的格式为：优先级，运行时间，控制指令；该消息内容按照货物进入物流系统的时间进行下发，分布式边缘设备接收到数据后，对目前的所有指令按照设定优先级-运行时间排序，并在指定的运行时间对驱动设备进行控制指令的下发。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：一旦有新的货物进入物流系统，或者视觉传感器检测到了存在碰撞的情况，将实时通知上位机运用rvo算法重新进行路径规划，上位机再次规划完成后，将合成更高优先级的报文并进行下发。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明提出一种运用于物流系统的基于时间同步的智能控制方法。所述方法通过系统初始化、路径规划以及对驱动设备进行控制来实现智能控制，所述方法能够保证货物在每个节点所预先设定的控制指令下，按照规划好的路径运输至指定终点，这样的算法能够有效提高传送系统的工作效率。本发明提出的基于时间同步的智能控制方法，在占地面积广、货物数量大、对时效以及准确性均有较高要求的物流仓库中心，能够以极高的准确率，在较短的时间内将货物运输到指定地点，有效地提高货物的运输效率。有效地提高货物的运输效率。有效地提高货物的运输效率。


技术研发人员：殷明睿 刘劼
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/12