5.1-软件设计《智能机器人技术应用》

项目五小型柔性智能制造案例创灵实验平台项目引导介绍

首先，什么是自动分拣系统？

自动分拣系统(Automaticsortingsystem)是先进配送中心所必需的设施条件之一。具有很高的分拣效率，通常每小时可分拣商品6000-12000箱；可以说，自动分拣机是提高物流配送效率的一项关键因素。它是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统，该系统已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。

自动分拣系统能连续、大批量地分拣货物。由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行。同时能保持极低的分拣误差率，且分拣作业基本实现无人化。项目引导介绍工业生产中的自动分拣系统：

自动分拣系统已广泛应用于工业生产环境，如生产流水线上的打包、零配件生产线上的缺陷检测、无菌产线分拣与包装等。工业生产线上使用分拣系统不但可以释放劳动力，同时可以在一些对环境要求比较高的生产线上完成需要分拣的工作。对于一些生产环境恶劣人无法靠近的生产线，更需求通过分拣机器人来完成分拣的工作。项目引导介绍基于计算机视觉的自动分拣系统

随着计算机视觉技术的快速发展，基于计算机视觉的自动分拣系统已广泛应用于工业生产中。基于计算机视觉的自动分拣系统通常包含三部分，第一部分是计算机视觉系统，通常包含采集图片的摄像头与处理图片的软件部分组成；第二部分是控制系统，通常是对计算机视觉已处理后的数据根据业务逻辑完成对分拣机械系统的控制，处理来自机械系统的反馈等控制指令的处理；第三部分是机械控制系统，通常包含嵌入式与机械两部分，嵌入式系统接收控制系统指令，并转成对应的“机械指令”，驱动机械部分完成对应指令的动作。我们在生活中哪些地方有用到自动分拣系统？项目引导案例

在基于计算机视觉的分拣系统中，主要可以分两类，一类是采用传统的计算机视觉来对目标进行定位和判断；另一类是基于神经网络的人工智能模型进行目标定位与检测。两者都是计算机视觉，只是使用的技术有所不同，但后者在精度与灵活性上要比传统的计算机视觉要好，也会逐渐成为未来的方向。传统计算机视觉的目标检测：项目引导案例

传统目标检测通常是针对不同的任务，设计不同的特征提取算法，然后对图像分块，每一块使用之前设计的算法提取特征并分类得到该块的类别，分块又有各种的算法，如滑窗法、selectedsearch、聚类等。如下图为滑窗算法目标检测。（可参照Jupyter项目五的任务一中的第三点的动图）基于神经网络的深度学习的目标检测项目引导案例

深度学习用于目标检测的算法从思路上来看，可以分为两大类，一类是twostage的方法，也就是把整个分为两部分，生成候选框和识别框内物体，如：R-CNN、FastR-CNN、FasterR-CNN、Mask-RCNN；另一类是onestage的方法，把整个流程统一在一起，直接给出检测结果，主要包含SSD,YOLO系列。如图：基于神经网络的深度学习的目标检测项目引导案例

深度学习用于目标检测的算法从思路上来看，可以分为两大类，一类是twostage的方法，也就是把整个分为两部分，生成候选框和识别框内物体，如：R-CNN、FastR-CNN、FasterR-CNN、Mask-RCNN；另一类是onestage的方法，把整个流程统一在一起，直接给出检测结果，主要包含SSD,YOLO系列。如图：软件设计任务一职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务一软件设计了解工业自动分拣系统需求；学习工业生产中的自动分拣系统介绍；掌握工业生产制造自动分拣系统功能模块分析；根据工业生产制造自动分拣系统需求进行分析；掌握工业生产制造自动分拣系统功能模块详细设计，对模块进行详细设计分析。了解工业自动分拣系统需求；掌握工业生产制造自动分拣系统功能模块分析；掌握工业生产制造自动分拣系统功能模块详细设计。职业能力目标01实验目的实验内容职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务一软件设计此任务要求同学们了解工业自动分拣系统需求，学习工业生产中的自动分拣系统介绍；掌握工业生产制造自动分拣系统功能模块分析，并能够根据工业生产制造自动分拣系统需求进行分析；掌握工业生产制造自动分拣系统功能模块详细设计，对模块进行详细设计分析。任务描述任务要求了解工业自动分拣系统需求，完成功能模块构建；分析工业生产制造自动分拣系统功能模块要怎样去设计完成相应模块，列出相关流程图；列举出工业生产制造自动分拣系统功能模块详细设计。任务描述与要求02职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务一软件设计任务分析思考一下在未来，，在我们学习了解完本章知识后，我们能否根据所学知识对工业中的自动分拣系统进行改良？根据自己的了解，要怎样去了解认识工业中的自动分拣系统，可以促进自己进一步地学习？任务分析与计划03任务计划表项目名称创灵实验平台任务名称软件设计计划方式自主设计计划要求请用6个计划步骤来完整描述出如何完成本次任务序号任务计划1

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通过上面的思考，你是否对本任务要完成的工作有所了解？让我们一起来制订完成本次任务的实施计划吧！任务分析与计划03职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务一软件设计需求分析204知识储备系统功能模块1自动分拣系统总体流程（示例）：04功能摘要：041.设置功能模块对应的主要功能点：功能摘要：042.设置各个功能模块的优先级：05知识储备需求分析2系统功能模块13需求分析04

需求分析也称为软件需求分析、系统需求分析或需求分析工程等，是开发人员经过深入细致的调研和分析，准确理解用户和项目的功能、性能、可靠性等具体要求，将用户非形式的需求表述转化为完整的需求定义，从而确定系统必须做什么的过程。目标04需求分析

需求分析是软件计划阶段的重要活动，也是软件生存周期中的一个重要环节，该阶段是分析系统在功能上需要“实现什么”，而不是考虑如何去“实现”。需求分析的目标是把用户对待开发软件提出的“要求”或“需要”进行分析与整理，确认后形成描述完整、清晰与规范的文档，确定软件需要实现哪些功能，完成哪些工作。此外，软件的一些非功能性需求(如软件性能、可靠性、响应时间、可扩展性等)，软件设计的约束条件，运行时与其他软件的关系等也是软件需求分析的目标。原则04需求分析

为了促进软件研发工作的规范化、科学化，软件领域提出了许多软件开发与说明的方法，如结构化方法、原型化法、面向对象方法等。这些方法有的很相似。在实际需求分析工作中．每一种需求分析方法都有独特的思路和表示法，基本都适用下面的需求分析的基本原则。(1)侧重表达理解问题的数据域和功能域。对新系统程序处理的数据，其数据域包括数据流、数据内容和数据结构。而功能域则反映它们关系的控制处理信息。原则04需求分析

为了促进软件研发工作的规范化、科学化，软件领域提出了许多软件开发与说明的方法，如结构化方法、原型化法、面向对象方法等。这些方法有的很相似。在实际需求分析工作中．每一种需求分析方法都有独特的思路和表示法，基本都适用下面的需求分析的基本原则。(2)需求问题应分解细化，建立问题层次结构。可将复杂问题按具体功能、性能等分解并逐层细化、逐一分析。原则04需求分析

为了促进软件研发工作的规范化、科学化，软件领域提出了许多软件开发与说明的方法，如结构化方法、原型化法、面向对象方法等。这些方法有的很相似。在实际需求分析工作中．每一种需求分析方法都有独特的思路和表示法，基本都适用下面的需求分析的基本原则。(3)建立分析模型。模型包括各种图表，是对研究对象特征的一种重要表达形式。通过逻辑视图可给出目标功能和信息处理间关系，而非实现细节。由系统运行及处理环境确定物理视图，通过它确定处理功能和数据结构的实际表现形式。内容04需求分析

需求分析的内容是针对待开发软件提供完整、清晰、具体的要求，确定软件必须实现哪些任务。具体分为功能性需求、非功能性需求与设计约束三个方面。1．功能性需求

功能性需求即软件必须完成哪些事，必须实现哪些功能，以及为了向其用户提供有用的功能所需执行的动作。功能性需求是软件需求的主体。开发人员需要亲自与用户进行交流，核实用户需求，从软件帮助用户完成事务的角度上充分描述外部行为，形成软件需求规格说明书。内容04需求分析2．非功能性需求

作为对功能性需求的补充，软件需求分析的内容中还应该包括一些非功能需求。主要包括软件使用时对性能方面的要求、运行环境要求。软件设计必须遵循的相关标准、规范、用户界面设计的具体细节、未来可能的扩充方案等。3．设计约束

一般也称做设计限制条件，通常是对一些设计或实现方案的约束说明。例如，要求待开发软件必须使用Oracle数据库系统完成数据管理功能，运行时必须基于Linux环境等。过程04需求分析

需求分析阶段的工作,可以分为四个方面：问题识别、分析与综合、制订规格说明、评审。

问题识别：就是从系统角度来理解软件，确定对所开发系统的综合要求，并提出这些需求的实现条件，以及需求应该达到的标准。这些需求包括：功能需求(做什么)、性能需求(要达到什么指标)、环境需求(如机型、操作系统等)、可靠性需求(不发生故障的概率）、安全保密需求、用户界面需求、资源使用需求(软件运行是所需的内存、CPU等)、软件成本消耗与开发进度需求、预先估计以后系统可能达到的目标。过程04需求分析

分析与综合：逐步细化所有的软件功能，找出系统各元素间的联系，接口特性和设计上的限制，分析他们是否满足需求，剔除不合理部分，增加需要部分。最后综合成系统的解决方案，给出要开发的系统的详细逻辑模型(做什么的模型)。

制订规格说明书：即编制文档，描述需求的文档称为软件需求规格说明书。请注意，需求分析阶段的成果是需求规格说明书，向下一阶段提交。

评审：对功能的正确性，完整性和清晰性，以及其它需求给予评价。评审通过才可进行下一阶段的工作,否则重新进行需求分析。方法04需求分析

目前，软件需求的分析与设计方法较多，一些大同小异，而有的则基本思路相差很大。从开发过程及特点出发，软件开发一般采用软件生存周期的开发方法，有时采用开发原型以帮助了解用户需求。在软件分析与设计时，自上而下由全局出发全面规划分析，然后逐步设计实现。从系统分析出发，可将需求分析方法大致分为功能分解方法、结构化分析方法、信息建模法和面向对象的分析方法。(1)功能分解方法。(2)结构化分析方法。(3)信息建模方法。(4)面向对象的分析方法。职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务一软件设计05任务实施模块详细设计分析2认识分拣系统组成11.仓库搬运：认识分拣系统组成05在工业自动分拣系统中首先需要做的事是将物料从仓库搬运到运输的货物的传送带上，这部分的工作属于重复性的工作，机械臂需要重复将物料从指定的地方搬运到另一个地方，如图所示：这部分在软件设计上，可以将其定位在一个固定的模块，由该模块负责这样的工作。本次的小柔智能制造中，我们将通过编写一个独立的仓库搬运模块，负责在“仓库”中将物料（色块）搬运到传送带上，同时记录搬运的数据，一遍通过遍历的方法将“仓库”上的所有物料搬运到传送带。2.传输：认识分拣系统组成05

传送带，是物料运输和自动化生产最为重要的一环，工业生产制造自动分拣系统中传送带是物料从一个生产环节搬运到另一个生产环节的重要工具。在小柔智能制造中，针对传送带部分需要单独设计一个模块，来负责控制传送带的功能，对传送带正向运行与停止进行控制，对传送带方向运行进行控制等。3.物品识别：认识分拣系统组成05

工业生产制造自动分拣系统需要对运输过来的物料进行识别定位，这是分拣的基础，只有通过识别系统的识别之后给出对应的数据如：类别、位置坐标，才能做下一步的分拣工作。4.物品分拣：认识分拣系统组成05

在工业自动分拣系统中，物料经过识别后则根据设定的要求，就可以使用机器人去执行具体的分拣工作，机械臂需要到指定的目标位置将物料抓起，然后将其放置在对应的位置上。

小柔智能制造项目中，需要设计一个模块该模块功能是根据识别的结果进行目标物体（色块）抓取与放置。5.参数设置功能：认识分拣系统组成05

分拣系统可能运行在不同的环境下，也可能维护人员需要对系统进行维护，所以，需要有一个可视化的参数设置功能，该功能将系统中的参数通过可视化的方式进行系统的参数设置。05任务实施21认识分拣系统组成模块详细设计分析1.仓库搬运：模块详细设计分析05功能描述：

1.启动系统后，机械臂根据给定的坐标位置从“仓库”抓取物品，抓取后将物品放置在传送带上的位置，放置传送带位置固定；

2.仓库设定有3个仓位，并为固定，机械臂按顺序从1号到3号仓位抓取物品，每次抓取物品后将抓取的位置下来，防止重复抓取没有物品可以抓取；

3.机械臂按顺序抓取3个仓位上所有的物品，抓完即停止；

4.机械臂在运行期间用户按下暂停键，机械臂暂停动作，但会记录前面执行过的记录，再次启动后继续之前的未完成的操作，如：机械臂在抓取2号仓位物品时，用户按下暂停，则机械臂会将已抓取的2号仓位物品放置在传送带上，暂停对3号仓位物品的抓取，用户按下开始，机械臂将继续将3号仓位的物品抓取放置在传送带上，完成指定的动作；

1.仓库搬运：模块详细设计分析05功能描述：

5.机械臂在执行动作期间，用户按下停止键，则系统将不记录机械臂之前的动作，从头开始执行动作，如：机械臂在抓取2号仓位时，用户按下停止键，机械臂将2号仓位物品放置传送带后，归为，当用户再次按开始键时，机械臂将重新执行动作，从1号仓位开始按顺序抓取物品。2.产品传送：模块详细设计分析05功能描述：

1.机械臂将物品搬运到传送带上后，传送带开始运输物品，物品进入视觉区域后，传送带停止运动；

2.机械臂搬运物品到传送带上时用户按暂停键，传送带暂停运动，当按重新按开始时，传送带继续运动；

3.机械臂搬运物品到传送带上时用户按停止键，传送带将运动一段距离，然后停止运动。3.产品识别：模块详细设计分析05功能描述：

1.根据图像识别传送带上物品的类别并定位物品的位置；

2.输出结构化的分拣数据。4.产品分拣：模块详细设计分析05功能描述：

1.根据图像识别的位置机械臂到指定位置抓取物品；

2.根据图像识别的物品类型将物品放置到设定好的类别位置，机械臂复位；

3.在机械臂抓取物品时用户按暂停按钮，机械臂将暂停动作，用户按开始按键时，机械臂将继续原先的动作；

4.在机械臂抓取物品时用户按停止按钮，机械臂将停止动作，用户按开始时，系统将重新开始运行。5.坐标校准：模块详细设计分析05功能描述：

1.当用户按坐标校准按钮时，根据设定的坐标生成三个定位点，即用红色点在坐标校准时图像上标出；

2.将图像坐标转换成机械臂的坐标。6.网络设置：模块详细设计分析05功能描述：

1.对设备的以太网络进行设置，用户可以设置自动获取IP与手动设置IP，用户可以设置设备IP、网关、与DNS，点确定按钮后，生效；

2.对设备的WIFI网络进行设置，用户可以设置自动获取IP与手动设置IP，用户可以设置设备IP、网关、与DNS，点确定按钮后，生效。7.参数设置：模块详细设计分析05功能描述：

1.可对仓位的坐标进行设置；

2.可对物品放置传送带上的位置进行设置；

3.可对分拣机械臂，分拣物品放置的位置坐标进行设置；

4.软件方式调整机械臂位置。职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务一软件设计任务检查与评价06序号评价内容评价标准分值得分1知识运用（20%）掌握相关理论知识，理解本次任务要求，制定详细计划，计划条理清晰，逻辑正确（20分）20分

理解相关理论知识，能根据本次任务要求、制定合理计划（15分）了解相关理论知识，有制定计划（10分）无制定计划（0分）