视觉导航的实用型AGV设计.pdf

第3 8 卷第1 1 期机械工程学报v o l3 8N 0 1 1 2 0 0 2 年1 1 月 C H I N E S EJ O U R N A L O F M E C H A N l C A L E N G T N E E R I N G N o u2 0 0 2 一种视觉导航的实用型A G V 设计 王荣本储江伟冯炎游峰纪寿文 吉林大学交通学院吉林1 3 0 0 2 5 1 摘要 论述了 种基丁视觉导航的新型白动导向车辆J L u I v3 犁A G v 的结构 功能及 作原理 并详细介绍 了导航路径的识别方法和A G v 自主导航的最优控制方法 关键词 A G v 机器视觉最优控制 中图分类号 T H l 6 51 0 前言 自动导向乍辆 A u t o T m t e d g u i d e d v e h i c l e A G v 是一种无人操纵的自动化运输设备 它能承载一定 的质量在出发地和目的地之间自主驾驶和自动运 行 A G v 是自动化物流运输系统 柔性生产组织 系统的核心关键设备 自动导向车辆A G v 的研究始十2 0 世纪5 0 年 代的美国 在发达工 p 国家 A G v 已实现商品化 并在机械工业 自动仓库和物流中心等各个领域得 到了广泛应用 如瑞典v o l v oK a l I n a r 轿车装配厂 的轿车自动装配线 美国通用公司的汽车自动生产 线等 据估计 目前国外投入运行的自动车辆A G v 约有几f 万台 随着我国经济技术的发展 国内一 些企业也开始应用A G v 根据导航信息的形式 A G v 的导航一般分为 无线式导航和有线式导航 无线式导航又可分为参 考位置设定法 D e a d r e c k o n i 矩 标志反射法 B e a c o n s y s t e m 和图像识别法 D i r e c ti m a g j n gs y s t e m 忆有 线导航可分为埋线磁感应式引导法 标识线圈像识 别法 G u i d e dl i n ei m a g i n gs y s t e m 其中地下埋线磁 感应引导方式技术成熟 应用较为广泛 埋线磁感应式引导方法一般是在地同上 沿预 先设定的行驶路径埋设电线 当高频电流流经导线 时 导线周围产生电磁场 A G v 上左有对称安装 有两个电磁感应器 它们所接收的电磁信号的强度 差异可以反映车辆偏离路径的程度 自动控制系统 根据这种偏差来控制智能车辆的转向 连续的动 态闭环控制能够保证车辆对设定路径的稳定自动 跟踪 地下埋线电磁感应引导方式虽然技术成熟 并 吉林省科技敖展计划项目 2 0 0 1 0 3 2 6 1 选白2 0 叭年中崮机械工秆学 会年会 2 0 0 2 0 5 0 8 嘘到修改稿 已商品化 但该种引导方式的路径设置成奉高 周 期长 不便于维护和改造 随着A G v 应用领域的 不断扩展 其引导柔性差的缺点日趋明显 更难以 实现户外长距离变路径场合F 的运输作业 此外 该种引导方式在电磁干扰严重的环境下也难以应 用 计算机视觉具有信息量丰富 智能化水平高等 特点 近年来被广泛用于车辆的自主导航 本文研 制了一种采用计算机视觉识别地面两维条状路标实 现车辆自主导航的新型A G v 儿u I v 一3 型 该种 A G v 具有引导柔性好 技术先进 性能优越 工 作n J 靠祁智能化水平高的特点 1 新型自动导向车A G v 的结构和工 作原理 1 1J L u 3 型视觉导航A G v 的功能 所研制的实用化J L u I v 一3 型A G v 采用两维 视觉导航 以地面上涂设的条带状白色油漆线为导 航路径标识符 可实现路径自动跟踪 自动转向 自动行驶 在行驶过程中能够自动识别数字编码的 多停靠工位和多分支路径 能够自动识别加速 减 速 直角转弯 停车等车辆运动状态标识符 能够 智能识别障碍物 A G v 根据 二述图像识别信息 自动完成各种相应的运行操作 此外 该种A G v 还能够实现和中央管理中心之间的无线通讯 该种 视觉导航A G v 可用于实际的柔性生产组织和户内 外物流自动化运输 1 2J L u 一3 型视觉导航A G v 的结构 J L u I v 一3 型视觉导航A G v 主要由车体 c c D 摄像系统 上控微机测控系统 行走转向驱动系统 避障系统和通讯系统等组成 其中工控微机测控系 统包含工控微机 各种A D D A l o 计数卡 行走转向驱动系统包括直流电动机和电动机调速 万方数据 机械T 程学报 第3 8 卷第1 1 期 板 整车结构如图l 所示 系统的工作原理如图2 所示 圈1 儿u I v 3 型A G 结构示意罔 1 载货平台2c c D 摄像机3 防滑橡腔 4 转向灯5J 控机6 驱动电动机 7 驱动轮 g 承重角轮9 仪表盘1 0 蓄电池组 测速传感器 1 2 减速器1 3 电控箱1 4 避障传感器 1 用条带形路标作为A G V 的导航路径标识 导航路径分为直线 弧线 s 型线和直角线等多种 类型 2 采用数字编码标识多分支路径和多目标 工位 3 采用特殊形状标识符标识A G v 的各种运 动状态 4 主驱动采用两轮独立驱动的方式 可实现 A G V 原地转向 绕左轮转向和绕右轮转向 5 以侧向偏差 方位偏差为输入的多偏差最 优导航控制器能够保证A G v 在各种类型路径F 的 稳定可靠导航 6 高性能的微型激光识障传感器对周围的障 碍物进行实时探测 在车载工控微机控制下实现 A G v 的减速或制动 避免与障碍物碰撞 确保A G v 的安全工作 7 A G V 与控制中心之间实现无线通讯 各工 位缓冲站与控制中心实现有线通讯 三者形成有 机信息交换系统 从而构成更高水准的自动物流 系统 8 自动在线专家系统可保证A G v 在起始工 作时的自动上线和因意外原因停车后的重新自动 上线 9 在路径标识局部污染和残缺时 先进的 人工智能算法可保证A G v 对运输路径的稳定可靠 跟踪 2 视觉导航A G V 的路径检测算法 c c D 摄像机所采集的大小为3 2 8 2 3 8 像素图 像作为导航图像 如图3 所示 系统采集的导航图 像中除包含路径信息外 不可避免地因地面反光 凹凸 污染等引入噪声 所以在识别导航路径前应 对导航图像进行滤波处理 图2 视觉导航A G V T 作原理 1 3J L u I v 一3 型视觉导航A G v 的性能参数 该视觉导航A G v 的工作性能参数如下 有效载质量 5 0 0 妇 工作速度 2 5 k H 汕 最高行驶速度 1 0k r n m 最小转弯半径 原地转向1 0 7 5m 外形尺寸 长 宽 高1 1 8 m 1 1m O 6 m 有效避障距离 3m 图3 导航图像与跟踪参数定义示意型 1 4 J L u 一3 型视觉导航A G V 的特点 在图3 中 白色区域为所需提取的路径信息 儿u 一3 型视觉导航A G V 具有以下特点 大面积的灰黑区域为道路背景 口为导航路径与车 万方数据 2 0 0 2 年1 1 月土荣本等 一种视觉导航的实用型A G v 设计 辆中心线之间的方向偏差 为两者之间的距离偏 差 按如下的步骤提取正确的跟踪路径信息 采 集图像 对每行数据进行中值滤波 使用s o b e l 算子进行图像锐化 智能化选取各行的阀值 对 图像进行二值化处理 寻找正确的跟踪路径信息 采用一个3 3 像素的窗口对图像进行中值滤 波 以窗口的中值y 作为中值滤波的输出 可得 y F 吉 h u 1 式中斗 原始图像像素点的灰度值 卢2 2 1 9 户2 2 9 9 采用s o b e l 算子对图像进行锐化处理 其差分 模板矾 吐如下 雠纠 i 1 l 一1 ol12l J 矾啦 s o b e l 算子差分计算公式为川 r s 口 d l 厂 0 2 d 2 2 2 式中d l 厂 f d 扩 f 卜 一d l 畦模板在像素 f 处的卷积值 经过s o b e l 算子的锐化处理 会使边界点变得 更亮 由于A G v 的跟踪路标图像中的边缘是那些 灰度发生跳变的区域 所以锐化处理增强了图像的 边缘 将有利于采用边缘检测方法进行路径识别 3儿u I v 3 型视觉导航A G v 的路 径跟踪算法 如图4 所示 设经过 r 时间 A G V 产生的方 位偏差增量为 口 侧向偏差增量为 上一彳 一曼 f y p t 图4A G v 运动状态变化示意图 设A G V 的左轮速度为v 右轮的速度为u 车辆轮轴中点的速度为n 当 f 趋近于0 时 A G V 的运动方程为 v 一 兰 生 a 土二些2 垒 j d 口 堡二旦2 d ff 4 1 上L f 兰L 旦 f s 协 口 d 与兰s i n a d f 5 式中 两驱动轮之间的距离 设电动机电枢电压为u 电动机转速为n 电 动机负载常数为k 电动机反电动势常数为女 车 轮半径为 减速机传动比为 设 等 则左右车轮的线速度为 旷忐u 肾南u 当A G v 匀速直线运动时 左右电动机控制信 号相等 即 U U U 当A G V 在运动中出现 侧向偏差和方位偏差时 设纠偏控制量为 则 U5 阢 A U珥2 U 相应电动机输出线速度为 v l v c v U v i v 据此 可以画出A G v 的动态特性结构图 如 图5 所示 图中取五 v 置 口 焉 气嚣巴孽 图5A G v 状态变量框图 量1 2 亏善叫 薹 X A X 曰Uf 8 1 采用二次型指标设计最优反馈控制器 r x 1 躺 u 1 置u d r 9 解黎卡提方程 爿 朋一P B 眉一1 曰 P Q 口 1 0 得最优状态控制矩阵置 x 胄一1 曰7 P 陋1 五2 七3 1 1 U陀m m 一 万方数据 机械 程学报 第3 8 卷第1 l 期 4 儿u I v 一3 型A G v 的试验及应用 本文所研制的儿u I v3 型视觉导航A G v 已 经在室内和户外进行了多次试验 试验包括路径识 别 停车工位号识别 加减速标识符识别 自动避 障和自动导向等多项内容 运输路径包括直线 弧 线 直角弯 停车工位号从0 9 9 试验路商包括 水磨石地面和柏油路面 试验的光照环境从较暗的 室内到很亮的室外等多种情况 试验秀U 步表明 儿u I V 一3 型视觉导航A G v 导航稳定 识别各种 标识符准确和自动避障安仝可靠 该种A G v 已于 2 0 0 2 年1 月在一汽大众捷达轿车变速箱装配线上 进行了实际生产中试 中试中A G v 主要完成从零 部件仓库向变速箱装配工位自动运送零部件的任 务 图6 为几u I V 3 在中试现场的工作照片 e 转弯过 Jm 安全避障 图6 儿u l v 一3 中试现场工作照片 参考文献 1 纪寿文 上荣奉国内外智能牟辆研究进展见 中困 交通研究与探索北京 人民交通出版社 1 9 9 9 2L a r c o m kMH E 丁r a c k i 岵s l a b i i 哼o fH 恤倒i d e dv e h j c l eI n G e n g l a n d P m c0 f A G V E B U K I F sL t d 1 9 8 6 1 3 7 1 4 4 3 剂仁杰 叶秀清 徐胜荣 等 计算机图像处理杭 州 浙江大学出版社 1 9 9 2 4 饶蚺 邓岳湘 仟永益关于自动导向车最优控制的 设计控制理论与应用 1 9 9 6 1 3 6 1 8 3 8 8 4 2 D E S I G NF o RAN E WT Y P E o FA G V B A S E Do NM A C H I N EV l S l 0 N 黝n gR o H g b e nC h H 五 n g W 邓岳湘 任永益 关于自动导向车最优控制的设计 1996 06 2 荆仁杰 叶秀清 徐胜荣 计算机图像处理 1992 3 Larcombe M H E Tracking stability of wire guided vehicle 1986 4 纪寿文 王荣本 国内外智能车辆研究进展 1999 引证文献 23条 引证文献 23条 1 甄红涛 齐晓慧 一种非均匀行采集的智能车路径识别算法 期刊论文 电子产品世界 2010 11 2 徐玉华 张崇巍 鲍伟 傅瑶 汪木兰 基于动态滑模控制的移动机器人路径跟踪 期刊论文 合肥工业大学学报 自 然科学版 2009 1 3 陈峰 卞丽琴 仿盲人摸巷机理的机器人导航方法分析 期刊论文 系统仿真技术 2009 3 4 辛江慧 李舜酩 廖庆斌 基于传感器信息的智能移动机器人导航评述 期刊论文 传感器与微系统 2008 4 5 刘大维 王江涛 严天一 陈焕明 陈秉聪 多线程技术在自动引导车导航系统开发中的应用 期刊论文 河南科技大 学学报 自然科学版 2007 1 6 张香圃 射频IC卡在视觉导引AGV运动控制中的应用 期刊论文 新技术新工艺 2007 9 7 刘大维 王江涛 严天一 陈秉聪 基于彩色视觉的自动引导车路标识别 期刊论文 农业机械学报 2006 4 8 夏锡全 王继先 杨海东 李兆文 自动引导车作业平台的研制 期刊论文 安徽农业大学学报 2006 3 9 张捍东 董保华 郑睿 自动化仓库中AGVS的设计 期刊论文 起重运输机械 2006 11 10 陈无畏 孙海涛 李碧春 王启瑞 李进 基于标识线导航的自动导引车跟踪控制 期刊论文 机械工程学报 2006 8 11 刘大维 严