关于视觉的AGV道路识别和导引系统设计研究

AGV主要是用在一些自动化生产工厂中进行物料的水平运输，也称为移动机器人或者自动导引车。其具有非常多的优点，诸如应用灵活、自动化的程度比较高、可靠性和安全性都比较高、可实现无人操作等。在一些柔性的制造系统以及物流系统中得到了非常广泛的运用，有效的提高了整体的生产效率和自动化程度。随着时代科技的进步，相关研究人员也正在不断的开发和研究新型的AGV系统，基于视觉AGV道路识别和导引系统的设计取得了一定的成果。该系统对于路径的设置比较简单，而且不会受到电磁场的干扰比，非常便于维护，对于路径分支以及多工位的识别更加的轻松，已经成为当前AGV技术研究的热点。

1 视觉导引AGV技术的相关概述

1.1 AGV导引技术概述

AGV导引技术涵盖了诸如动力控制技术、导引技术以及自动控制技术等诸多技术领域，在这些技术中的核心部分就是导引技术，因为其对系统整体的柔性程度起到了决定性的作用，并且整个系统的安全、可靠运行都受到其直接的影响。对于不同的AGV系统其采用的导引技术也存在较大的差异，因此要研制合适的AGV导引技术必须充分的了解各种自动导引技术的技术特点。根据导引的原理不同可以大体分为以下几种方式：

(1)电磁感应导引技术，在小车的行驶路径地面以下提前埋设导线，并且在导线中加载导引电流，然后通过电流形成的交变磁场来驱动智能小车运行。在智能小车的两侧提前防止两个电磁的传感器，这样就能够同时的检测两边的电磁信号强弱，可以根据这电磁信号的强弱差来调整车辆的转向。其工作的原理如图1所示。

图1 电磁感应导引原理图

(2)惯性导引技术，该导引技术主要是通过在智能小车的路径上安装相应的定位块，然后在AGV上安装陀螺仪来实现[1]。通过采集陀螺仪和定位块信号进行计算来调整小车的运行状态，如果小车偏离预定的路线，陀螺仪就会检测到偏差，然后产生一个和运动方向垂直的加速度，经过两次的积分就能够得到位移量再传输给伺服系统进行位置纠正，其工作原理图如图2所示。

图2 惯性导引工作原理图

(3)激光导引技术，该技术的实现就是通过在AGV的行驶路径周围垂直墙壁上安装激光反射板，小车上安装可以旋转的激光扫描器，这样就可以随时的采集反射板反射回来的定位信号，然后经过计算确定小车的实际位置，和预定值进行比较从而控制小车的行驶路线。

1.2 视觉导引AGV技术相关分析

近几年以来，视觉导引AGV技术的快速发展离不开视觉传感器技术、计算机技术等相关技术支撑。视觉导引AGV技术主要可以划分成两个模式：一方面是采用视觉传感器获取小车运行路径周围的一些图像信息，然后将其和数据库存储的信息进行比较，这样就能够有效的确定小车的位置以及即将运行的路线。这种方式对于物理路径的设置要求比较低，从理论的角度看具有较大优势，但是在实际运用时因为信息库的建立比较困难以及实时性方面都有较大弊端。另一个方面是标识线图像识别技术，在行驶的地面上设置引导线，利用视觉传感器获取标线的图像进行分析处理，得出相对偏差来控制小车运行[2]。这种方式随着当前计算机图形处理技术以及存储等相关技术的快速发展已经逐渐的变得越来越实用。

2 视觉AGV道路识别和导引系统硬件组态

通常情况下，视觉导引AGV都是由一些子系统之间的相互配合来实现其功能的，每个子系统都包括不同的硬件部分，按照功能的不同可以分为以下几个主要部分。

2.1 感应系统硬件组态

感应层系统的硬件主要包括红外设备、CMOS摄像头、仪表盘以及光电编码器等部分，该系统主要是采集路面信息，分析检测遇到的障碍物等，同时将计算的信息传输给驱动器。红外设备主要是指一些光电开关、光电传感器等，这样就能够将输入的电流转换成光信号，当采集的光信号发生强弱变化就可以感应是否有障碍物等，而且所有的反射光线都能够被检测到[3]。CMOS摄像头主要是用来采集光学图像，并且将模拟量信号转换成数字信号处理芯片能够分析处理的数字量信号，同时进行传输，这样就可以在显示器上看到图像。仪表盘主要是指控制的一个平台，包括一些启动、停止、急停按钮、操作柄、报警指示灯等部分，可以实现手动控制并且有报警功能。光电编码器主要是利用光电来转换机械的一些位移变量，将其转换成为电信号，主要包括光电检测装置和光栅盘两个部分。

2.2 决策控制系统硬件组态

(1)CPU控制部分，视觉导引AGV的主要的核心控制部分是工业控制计算机，可以通过编写程序来实现小车的各种控制要求。

(2)运动控制部分，该部分主要是指运动控制板卡，安装在PC机上控制伺服系统。可以处理运动控制方面的所有信息，比如脉冲的输出、速度的控制、对于原点和限位的一些监测等。

2.3 执行机构硬件组态

(1)直流伺服驱动部分，该部分分析处理来自电机编码器的信号，实现系统的闭环控制功能。可以说来自伺服电机编码器的任何一个脉冲信号，直流伺服驱动部分都能够有可靠的响应。因此，直流伺服电机的启动、停止、调速等特性都非常的优秀，能够在非常宽的范围内可靠的实现平滑的无极调速功能。

(2)直流伺服电机，和普通直流电机工作原理一致，内部的转子都是永磁铁，这样三相电压就可以形成电磁场，转子会发生转动，电机自带的编码器会马上检测到信号并进行传输，驱动器接收到信号以后会将其和设定值进行比较，根据差值来进行转动角度的调整[4]。总体来说伺服电机的控制精度比普通电机要高的多，其对精度的把控主要来自编码器。直流伺服电机有非常多的优点，诸如其可控性和稳定性非常高，控制的精度高，反应迅速，损坏比较小，转矩比较大等。

3 视觉AGV道路识别和导引系统相关控制策略

相对于传统的AGV导引系统来说，视觉导引AGV系统的智能水平比较高，信息更加丰富，性价比也比较合适，这种导引的方式更加便于设置，系统的稳定性也能够得到有效的保障。目前，跟踪控制AGV的路径主要有最优控制器、PID控制器以及模糊控制器等。单纯的PID控制算法比较简单，稳定性也比较差。模糊控制的适应性和鲁棒性比较好，但是控制的精度不是非常高，而且非常容易引起振荡环节。由于视觉导引AGV系统的工作环境主要是在室内，相对来说路况稳定，干扰的部分不多，建立数学模型的方式完全可以实现控制要求，这对于最优控制的策略比较适用[5]。

3.1 自适应道路检测算法设计分析

该算法主要包括自适应的学习过程和识别过程两个部分，在自适应学习的过程中主要涵盖预处理、边缘检测、样本的自动选择以及聚类分析四个部分。图像的预处理主要是指系统将采集到的图像信息，然后经过处理后从图像背景中分离出路径标线得到相对位置的偏差。预处理可以将图像转换为单通道灰度，用Canny算法获取边缘信息，边缘灰度值是不连续的，通过求导的方法进行检测。

3.2 基于视觉的AGV路径跟踪算法设计分析

利用CMOS摄像头进行路径标线图像的采集，然后经过图像分割技术进行计算，得到在某一时刻小车位置和路径标线的相对位置，这样就能够得到小车的纵轴线和路径中心线的夹角θ和偏差距离d，如图3所示，其中白色的路径，虚线部分是中心线。

图3 夹角和偏差示意图

在此主要分析采用线性拟合路径模型，根据最小二乘法的原理进行路径标线中心像素拟合操作，以此来确定上述坐标系中的两个主要参数θ和d。假设在图像的空间中的像素点数量是N，任意的一个像素坐标定义为(xi,yi)，这样就能够得到拟合的直线方程为：y=φ(x)=ax+b。像素点和直线之间的偏差δ=φ(xi)-yi，使数据点和拟合曲线之间的偏差平方和最小是最小二乘法的原理，利用该原理可以得到总的偏差(取最小值)，然后将上述的y值带入上述公式得到根据取最小值的原理能够得到代表的是像素点数，进一步进行化简计算能够得到

由此可以看出，通过图像分割技术能够得到路径的边缘信息，然后进行图像的抽取分割处理，就可以计算得到两个偏差参数，这大大的节省了运算量提高了系统的响应速度。假设在图像坐标系中a代表的是路径标线中心线的斜率，b代表的是路径中心线在纵坐标方向上的截距。根据最小二乘法的原理，能够确定这两值的大小，其计算公式为：d=-b/a,θ=arctan(a/b)，将这两个参数输入到控制系统中就可以实现对AGV运行跟踪的控制[6]。

3.3 路面的检测分析

在小车运行中的每时每刻都需要分析处理摄像头得到的图像信息，只有这样才能及时的得到路况信息，根据这些信息作出移动的调整策略。通过图像的预处理获取图像中的每个像素的特征向量，这能够分析出该像素的具体位置。另外选择路面像素作为种子点，并根据区域生长算法得到完整的道路形状。如果发现路面部分和背景的某个部分区域像素在纹理以及颜色等特征方面存在细微的链接，可以通过形态学来消除这些干扰链接部分。

4 视觉AGV道路识别和导引系统软件部分设计分析

在实际运行中的AGV控制软件主要包括开发平台和运行平台，根据功能的不同可以分为地面系统和车载系统两个部分。在此将元创兴公司开发的Reinovo视觉导引AGV系统作为研究的对象，分析车载控制部分的软件设计内容及结构。

4.1 视觉导引AGV系统的开发环境

AGV系统中的每个控制单元都是一个独立集成化的小系统。主要包括运行平台和开发平台。⑴运行平台主要包括车载和地面控制系统、仿真系统和监控系统等部分，车载和地面控制系统是整个AGV系统控制的核心。车载控制系统是AGV单机控制的核心部分，属于一个闭环的控制系统。主要包括检测装置、工控机、数字通讯以及执行机构等部分。地面控制系统也称为在线交通控制器，主要是根据系统的指令进行相关调度操作，同时还控制AGV的行走、自动充电以及外围的通讯等部分。车辆仿真系统主要是指仿真系统根据地面控制系统的质量进行模拟运行，然后反馈给小车执行相关操作。仿真系统主要是用来模拟真实的环境，这可以模拟小车的行走、装货卸货、通讯等环节。图像监控系统，该系统的主要功能就是监控AGV系统的运行状态，方便工作人员能够及时的掌握小车的运行状态，然后直观的看出各个运行区域；同时可以及时的发现故障意外，采取有效的控制措施解决故障。⑵开发平台，其实就是一个工具，作为用户对小车的路径、控制工艺、流程等部分设计开发的工具，让运行系统能按照用户需求进行运行控制，主要包括系统定义工具、系统规划工具以及车载定义工具三个部分。

4.2 视觉导引AGV系统模块

图像的预处理、视频的捕捉、图像的检测、驱动模块等部分组成了上位机系统。每个部分都是相对独立的，而且相互之间能够进行通讯，即可独立运行又可以通过信息的同步实现协调运行。这样就能够有效的控制导航车按照预定的路径行驶，用户也可以及时的通过上位机软件的人机界面来观察和检测实际的运行效果，并与及时进行参数的调整，系统的优化等操作。

综上所述，对于视觉导引AGV系统的研究开发是目前非常炙热的一个技术，在此主要分析了AGV的相关技术特点，并且通过分析软硬件系统的组态和道路识别跟踪算法的相关技术，设计了一种最优控制器，把一些复杂的非线性系信息转换为单输入的线形信息，让整体的控制系统更加的简化。总之，在AGV视觉导引系统中道路识别算法是非常重要的一个环节，将直接决定了导航车能否稳定、可靠运行。