方案简述
自动化立体仓库已实现了自动拣选货物、无人堆垛货物、无人输送货物，实
现了货物入库全流程的可视化。但是在货物的装卸过程中，使用的仍然是人工叉
车在进行货物的装卸。尤其是小件家电的卸货，需要大量的人力参与，而且人工
卸货物效率低下，存在一定的安全隐患和工人违规操作的可能。
我们提出了智能自动装卸叉车在小件家电装卸过程中的应用。在月台工作时
智能自动装卸叉车通过货车上的 RFID 标签，对货物平面位置实现精准定位，利
用图像处理技术识别货物高度，配合红外定位系统、安全控制系统、最短路径算
法智能自动装卸叉车可对路径自动导引，自动避障。到达暂存区后，通过识别暂
存区地面的 RFID 标签矩阵，智能选取货物暂存位置，堆放货物后设备通过图像
处理，在数据库更新暂存位置的高度，智能自动装卸车在下次工作时可根据原货
物位置高度参数，调节自身货叉的高度，对货物在暂存区实现堆放功能。在技术
上，智能自动装卸叉车具备了代替人工叉车的能力，保证了货物装卸过程的安全、
有序的进行。
智能自动装卸叉车配合现有托盘、货车的标准化系统使用，解决了货物从工
厂到仓库周转不畅的问题，省去了人工在托盘上堆码小件家电的过程，对
* 的板车装卸过程，可节约装卸时间约 20-30 分钟，减少工作人员约 3-5
人，提高了装卸车工作效率约百分之三十，同时也避免了工人误操作、违规操作
现象的出现。智能自动装卸叉车的使用，推动了无人仓储的进程，加快了实现物
流行业全自动化的步伐。
第 3 章 方案设计
整体思路
以工厂到货的整车小件家电为例，夹抱车对它的卸车效率并不高，而且小件
家电中也存在一些不可夹抱的特殊产品，比如：电视机。因此这类产品的装卸要
反复在托盘上进行装卸，不仅效率低下，更大大增加了货物损毁的可能。于是我
们想设计一种智能自动装卸叉车，以解放人力提高装卸效率，加强装卸流程的规
范化操作。
方案中我们采用一种定制型 * 后挂式双层板车进行货物运输，运
输过程采用带托盘运输的方式，以 1200mm*1000mm 规格的托盘为例，一层能
装托盘数为 12*2=24 个托盘。车厢底部贴有 RFID 标签，每个标签和托盘的相对
位置固定，便于装卸过程的货物定位。货车在进入月台后，以侧面贴近月台的方
式停靠在月台旁，智能自动装卸叉车在月台上工作，从货车侧面对货物进行装卸。
智能自动装卸叉车通过信号接收器和 RFID 标签发射的信号，进行托盘位置的定
位，并由上位机下达指令，完成货物叉取操作。
图 3-1 智能自动装卸叉车月台工作示意图
在智能自动装卸叉车的运行区域，设有激光反射板，智能自动装卸叉车发射
激光并接收反射回来的激光束，通过计算确定自身的位置。而超声波的应用则为
智能自动装卸叉车提供了可靠的避障技术。
智能自动装卸叉车抵达暂存区后，可通过地面提前设置的 RFID 标签矩阵，
判断托盘应该放置的平面位置，货物摆放操作完成后，暂存区的摄像头会对货物
图像进行捕捉，后台系统分析货物的高度，实时更新至数据库中，为下一次智能
自动装卸叉车堆放时提供高度参数。
图 3-2 智能自动装卸叉车的工作流程
方案适用性介绍
托盘占用率分析
中国现采用的托盘多为 1200mm*1000mm 和 1100*1100mm 两种规格，在本
方案的研究中为了阐述方便，我们主要以 1200mm*1000mm 规格为研究对象。
但是在生产过程中，家电的包装模数并不一定和托盘的模数采用统一标准，我们
利用海尔公司现有产品的包装模数进行分析。
通过对比货物平行摆放和垂直放置两种方式，选取对托盘空间占用率最大的
方式进行摆货，再数出一层可摆放多少件货物，最终计算得出托盘空间使用率。
设托盘长度为 Ta，托盘宽度为 Tb，托盘面积为 T，则根据面积公式可得：
T=Ta*Tb；
设货物长度为 Ha，货物宽度为 Hb，通过面积公式算的单件货物所占面积为：
H=Ha*Hb；
设一层总共可摆放货物件数为 n，托盘占用率用φ表示，则可得：
φ=（H*n）/T；
此部分计算在 Excel 模拟如图 3-3 示：
图 3-3 托盘占用率分析
通过统计我们发现，在提供的 5724 中货物包装模数中，托盘占用率在百分
之七十以上的货物种类有 1848 中，托盘占用率在百分之八十以上的货物种类有
1092 种，托盘占用率在百分之九十以上的货物种类有 248 种，托盘占用率在百
分之九十五以上的货物种类有 94 种。而适用托盘的货物种类主要集中在小型家
电，因此我们可以发现托盘系统在小型家电适用性较好，这也符合我们目前采用
托盘加人工叉车装卸小型家电的现状。
货物定位
（1）基于无源 RFID 的射频技术
RFID 技术是一种无线射频通信技术，其具有的非接触的自动识别与传递信
息的功能是通过电磁波的传输实现的。通常 RFID 系统由阅读器，天线和上位机
组成。其结构如图 3-12 所示：
图 3-12 RFID 设备结构图
RFID 系统具有携带信息量大，无需人工干预，非视距（通信的两节点间允
许视线受阻），成本较低，传输精度不易受传输环境因素，影响等优点。一个完
整的 RFID 系统工作流程框图如图 3-13 所示：
阅读器
（Reader）
阅读器采读
信息并解码
天线
识读器通过天线
发送出一定频率
的射频信号
标签（Tag）
当标签进入时产生感应电
流从而获得能量，向阅读
器发送自身编码等信息。
上位机系统
阅读器将信息传送
至上位机进行处理
图 3-13 RFID 系统工作流程
（2）货物定位算法
本方案采用一种基于无源 RFID 非测距定位的一维行程定位算法，设叉车沿
着与紧贴月台的货车车身平行的方向运行，且始终与月台边缘保持一定距离。如
图 3-14 所示：
开始
阅读器发射
载波信号
电子标签是否工作？
电子标签通过天线发射
含代码信息的载波信号
阅读器通过天线接收
标签信息，解调编码
后传送给上位机
上位机对信息进
行处理，发送命
令给执行机构
等待激活
否
是
图 3-14 智能自动装卸叉车月台工作示意图
由于测距的进度要求高，且影响因素较多，因此可采用阅读器检测到的接收
信号强度（RSSI）来标定阅读器与指定 RFID 标签的距离。RSSI 信号强度与阅
读器 与指定 RFID 标签的距离 的关系为：
其中 k 路径长度与路径损耗之间的比例因子，与障碍物的材料和结构有关，
适用范围为 2~5； 为标准差为 4~10，平均值为 0 的高斯分布随机变量。
表示参考距离下的信号强度。
设 为参考回波信号强度（理想状态下位于叉车侧面中心的阅读器与指定
RFID 标签两点连线垂直于托盘侧面时阅读器接收到的回波信号强度）如下图（需
要绘制示意图），随着叉车的移动，位于叉车侧面的阅读器与 RFID 标签之间的
距离经历从小变大的过程，标签对阅读器的回波信号强度由弱变强再变弱，记录
第一次测距时该过程的值。确定参考距离的算法流程如下。
d
0
0
10 lg( )d d
d
k X
d
X 0d
0
（2）
Step1：记录当前阅读器接收到的回波信号强度
Step2：叉车沿与货车车身平行的方向平移 。记录此时阅读器接收到的回
波信号强度为 。
Step3：若 ，返回 Step1。若 ，令 ，并在当前操作中令叉
车平移 。若 ，令 。
图 3-17 暂存区存、取货进叉示意图
（3）叉车导引
采用在货物暂存区与卸货区及装货区（货车停靠的月台）间，货物暂存区内
部铺设磁道的方法来完成叉车的路径导引。暂存区磁道铺设图如下：
1
L
2
1 2 1 2 0 1
L 1 2 0 1
取货
进叉
高度
存货
进叉
高度
（4）基于红外测距暂存区货物模糊定位软件模拟
本方案中我们通过使用 RFID 定位技术，通过阅读器和电子标签之间无线信
息传递，使 AGV 车对暂存区货物摆放位置实现精准确定，对托盘的堆放实现精
细化控制。在此过程中我们通过软件 Excel 中的 MAX,IF 等函数对托盘堆放进行
模拟，我们以表中的 3 号托盘为例。
表 3-2 Excel 中各参数值的对应单元格
托盘编号 3 对应单元格
货物堆放长度（m） B5
货物堆放宽度（m） 1 C5
磁道
磁道
堆码后暂存区剩余长度（m） D5
堆码后暂存区剩余宽度（m） 4 E5
摆放位置（行数） 1 F5
摆放位置（列数） 3 G5
智能自动装卸叉车获得指令 继续按行依次摆放 H5
最大列数 3 I5
最大行数 1 J5
表中设计公式如下：
B5=IF(H3="没有空闲库位，暂停工作",0,G4*$M$3+(G4-1)*$M$5)
C5=IF(H4="没有空闲库位，暂停工作",0,F5*$M$4+(F5-1)*$M$5)
D5=IF(H4="没有空闲库位，暂停工作",0,$M$6-B5)
E5=IF(H4="没有空闲库位，暂停工作",0,$M$7-C5)
F5=IF(H4="没有空闲库位，暂停工作",0,IF(D4>$M$3,F4,F4+1))
G5=IF(H4=" 没 有 空 闲 库 位 ， 暂 停 工 作
",0,IF(AND(E4+1>$M$4,D4>$M$3),G4+1,G4-I4+1))
H5=IF(H4=" 没 有 空 闲 库 位 ， 暂 停 工 作 "," 没 有 空 闲 库 位 ， 暂 停 工 作
",IF(AND(G5=I4,E5<$M$4),"没有空闲库位，暂停工作",IF(D5>$M$3,"继续按行依
次摆放","换行，从第一列开始摆放")))
I5=MAX(G5,I4)
J5=MAX(F5,J4)
此部分在 Excel 中计算如下图：
图 3-18 暂存区货物堆放模拟
暂存区货物摆放示意图如 3-19 所示：
图 3-19 暂存区货物摆放示意图
（5）基于数据库的货车内空间数字化管理
由于 RFID 技术所需要的 RFID 成本较高，一般的二维码普通标签一张只需
要几分钱的成本，而好一点的 RFID 标签要 元左右。对于大型物流公司一天
几十万件的物流量，给每一个货物贴上标签成本显然过高。
为了能使 RFID 标签被重复利用，本策划提出了基于数据库的货车内空间数
字化管理方案：
将货车内的存储空间划分为一个个与标准叉盘大小相等的矩形区域，在其几
何中心贴上 RFID 标签。RFID 阅读器可以识别每一个 RFID 标签所携带的唯一的
识别号，可以使用该识别号访问数据库。例如：将 RFID 识别号作为关键字查找
数据库。数据库格式如表 4-3 所示：
表 4-3 数据库格式
RFID 识别号（主键） ID1 ID2 ID3 ID4
区域编号
货物类型
货物数量
货车编号
中心坐标
(仅货物暂存区需要)
货垛高度
某一货物暂存区各个区域的中心坐标确定方法：
（1）货物暂存区规划人员在规划区域时确定某一暂存区的东西侧一脚中心
区域的坐标。
（2）由于托盘的长宽由国际标准给定，编号区域长宽由托盘决定，同一货
物暂存区各编号区域间隔相等。故剩余区域中心坐标可由计算机经简单的长度计
算自动生成。
区域编号=层编号+该层位置编号。区域编号和货车编号就可以唯一确定货
物的位置。货车存货区区域编号遵循从车头到车尾、下层到上层编号递增的规律
进行编号，号码大小代表装货与取货的优先级，号码小的优先。使用相同方法将
货物暂存区进行编号。货物暂存区区域编号=暂存区区号+货物位置编号。
图 3-20 暂存区存货示意图
以上图中一侧墙封闭的货物暂存区为例，越靠内侧墙壁的区域编号越小，卸
货时（叉车将货车上面的货物搬往暂存区），编号小的优先级高。装货时，编号
大的优先级高。
叉车在货物暂存区与货车之间反复进行物流运输，当叉车进行装货操作时。
当叉车判定以装载当前需要运输的货物，就更新货仓数据库，删去已装载货物的
信息。当物流系统判定指定货物已运送至货车货架上时，更新货车数据库，在指
定区域编号的记录中增加已运送货物的信息，包括产品名，具体数量等。
基于最短路问题的路径规划
目前在 AGV 物流中应用较广的路径规划方案为使用磁导航技术，即在货物
暂存区铺设磁道来引导，但该方案会大大削减货物暂存区的空间利用率，且提高
成本。而将货物暂存区划分为各个区间，各区间中心坐标确定，就可以套用图论
中最短路问题的求解方案，从而降低成本，提高空间利用率。
（1）单个叉车负责一个暂存区算法步骤：
Step1：叉车移动到最近区域中心。
Step2：上位机分析当前区域，将可到达（未放置物品的）区域的中心坐标
连线的边角拐点设为节点（如下图），若两节点可沿直线到达，计算其欧式距离
000
001
002
003
004
005
006
007
008
009
010
RFI D标签
货物暂存区
000
003
002
001
叉车搬运
货仓数据库
货车数据库
货车
作为边权，生成有向图。
图 3-21 距离有向图
Step3：将当前位置作为起点，目的坐标作为中点使用 Dijkstra 算法求取最短
路。
（2）多个（一般 2~3 个）叉车负责一个暂存区算法
暂存区空间较大，需要多个小车协同工作时，需要加入避障算法。避障算法
流程如下：
Step1：当叉车 的避障设备监测到即将装上另一辆车 ，将这一信号发送
到控制设备，并通过无线通讯技术将这一信号发送给叉车 的控制设备。
Step2：叉车 刹车，叉车 将其所在区域发送给上位机，上位机将 所在
区域从 的“可到达区域”中除去，重新规划路径。
Step3：叉车 等待一段时间重新移动。
方法优点：灵活性高；节省时间；省去规划磁道与购买接收装置的费用；极
大地提高空间利用率。
16500. 00
14
15
0.
00 办公室
20 平方米
A B
B
A A A
B
A
图 3-22 Dijkstra 算法流程图
装货卸货过程算法流程图
要执行装货卸货操作，就必须确定货物暂存区的一块区域与货车上的某一区
域。目前智能化仓库管理自动确定闲置区域的方法通常是使用红外线扫描技术，
结合无人机的图像识别技术也正在发展。但是这两项技术都需要不菲的开销。
本方案舍弃了对每个货物贴上 RFID 识别标志方案的持续货物跟踪能力，而
是给货车与货物暂存区用 RFID 标签标号尽可能地使成本最优与算法最简。故可
以根据数据库中存储的该区域的货物数来确定是否能进行装卸货操作，在根据上
文给出的优先级顺序唯一地确定物流起始点。
装卸货算法流程图如图 3-23 所示：
图 3-23 卸货算法流程图
开始
传感器捕捉到有
货车停放
货物暂存区识别
车内RFID标签，
查询数据库
车上是否有存货
结合编号区域的数据库与编
号优先级，确定装货点与暂
存区取货点
进入装货算法
根据最短路模型规划路
径，前往编号该区域
根据上位机发对应区
域的货物高度信息，
调整货叉高度
取货，更新该暂存区编号区
域数据库自动寻路前往月台
根据最短路模型规划路
径，前往存货区
确定该次装货完毕
后，更新货车数据库
使用数据
库判断车内存货区
是否装满
结束
进入卸货算法
节货叉高度，利用一
维行程定位确定进叉
位置
结合编号区域的数据库与
编号优先级，确定卸货点
与暂存区存货点
自动寻路前往月台
利用 向量调节货叉高
度，利用一维行程定
位确定进叉位置
确定该次取货完毕
后，更新货车数据库
根据已设定的货物高度
参数，调整货叉高度。
进叉。
确定该次装货完毕后，
更新暂存区数据库
使用数据
库判断车内存货区
是否清空
是
是是
否
否
否
自动寻路前往暂存区
初始化数据库，
设定货物高度等
固定参数
注：场景展示中最号还要加入“货车”，功能只是向前直线行驶一段距离
