喻 俊,武 星,沈偉良
(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第713研究所,河南鄭州 450015)(2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇南京 210016)
隨著物流行業(yè)的不斷發(fā)展,自動導(dǎo)引車(automated guided vehicle,AGV)已經(jīng)在很多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。AGV是指裝有諸如磁傳感器、激光、攝像機(jī)等導(dǎo)引裝置,能夠沿既定的路徑行駛,在車體上安裝有主控制器、無線通訊模塊、安全保護(hù)裝置以及各種物料移載平臺的搬運(yùn)車輛,是一種智能輪式移動機(jī)器人,廣泛用于工廠自動化生產(chǎn)線、倉儲物流、機(jī)場和港口的物料傳送[1-2]。相比于其他導(dǎo)引方式,視覺導(dǎo)引具有精度高、成本低、路徑設(shè)置柔性高等優(yōu)點(diǎn),且攝像機(jī)獲取的信息豐富,因此能適應(yīng)多分支路徑場合,逐漸成為近年來研究的熱點(diǎn)。
視覺導(dǎo)引AGV利用CCD攝像機(jī)采集地面路徑信息,提取地面路徑與攝像機(jī)視野中心的角度偏差與距離偏差,將偏差信息發(fā)送給控制器,控制器根據(jù)接收到的偏差信息來調(diào)整AGV車體的位姿,使車體始終保持在導(dǎo)引線上方。攝像機(jī)有垂直安裝與傾斜安裝兩種方式。垂直安裝方式定位精度比較高,但視野相對較小,若車體擺動幅度過大,路徑容易脫離視野。傾斜安裝方式由于采集的圖像存在傾斜畸變,對其進(jìn)行校正插值后,精度沒有垂直安裝方式的高,但能夠獲得更大視野,另外也能檢測前進(jìn)方向上是否存在障礙物,以便及時停車或進(jìn)行避障。
AGV移動機(jī)構(gòu)種類比較多,典型的有車輪式、履帶式、腿腳式等[3],目前車輪式移動機(jī)構(gòu)因其控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、路況適應(yīng)能力較強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用。車輪式移動機(jī)構(gòu)利用電機(jī)控制兩輪差速運(yùn)動,能實現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等功能,但單驅(qū)轉(zhuǎn)彎需要較大轉(zhuǎn)彎半徑,且不能橫向移動,使用有一定的局限性。Mecanum輪是瑞士工程師BengtIlon于1973發(fā)明的一種全向輪[4],采用Mecanum輪平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)AGV在任意方向上的轉(zhuǎn)動和移動,能原地自傳任意角度,方便側(cè)移,運(yùn)動靈活性非常高。
本文以Mecanum輪為平臺,采用攝像機(jī)傾斜安裝方式研制了一款全向運(yùn)動視覺導(dǎo)引AGV。系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠,設(shè)計了優(yōu)化的圖像處理算法,實時性和魯棒性較好。
基于Mecanum輪平臺的全向運(yùn)動視覺導(dǎo)引AGV電氣系統(tǒng)由視覺模塊、運(yùn)動控制模塊、無線通信模塊、電源模塊等4部分組成,如圖1所示。
車體機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括車架本體、4個直流有刷伺服電機(jī)以及4個Mecanum輪。4個Mecanum輪在車體前后兩兩平行布置,每個電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動一個Mecanum輪,布置在前側(cè)的兩輪為共軸擺式懸掛結(jié)構(gòu),即使AGV運(yùn)行在不平整路面,4個驅(qū)動輪也能有效著地并提供足夠的驅(qū)動力。
圖1 AGV硬件結(jié)構(gòu)框圖
視覺模塊包括1個CCD攝像機(jī)、1個環(huán)形光源以及1塊核心為TMS320 DM642的DSP處理板。CCD攝像機(jī)為圖像采集設(shè)備,將采集到的路徑圖像送入DSP進(jìn)行處理。環(huán)形光源照射地面路徑,保證攝像機(jī)采集的圖像具有足夠的亮度,同時能夠消除外界雜光的干擾。TMS320DM642是一款專門應(yīng)用于圖像采集與處理領(lǐng)域的高性能定點(diǎn)DSP,具有3個視頻采集通道及其他豐富的外圍擴(kuò)展接口,主要用于處理攝像機(jī)傳來的路徑圖像,提取路徑,得到路徑相對視野中心的角度偏差與距離偏差。
運(yùn)動控制模塊包括1塊以STM32F407為核心的運(yùn)動控制板和1個四軸電機(jī)驅(qū)動器。STM32F407芯片通過RS232串口與DSP通信,接收DSP傳遞過來的偏差控制信號,根據(jù)偏差、信號以及導(dǎo)引策略計算每個電機(jī)的速度,并把速度控制信息發(fā)送至四軸電機(jī)驅(qū)動器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。
無線通信模塊包括2個DRF系列ZigBee模塊。DRF系列ZigBee模塊運(yùn)行ZigBee2007/PRO協(xié)議,上電即用,能自動組網(wǎng)。2個ZigBee模塊一個設(shè)為Coordinator(主),另一個設(shè)為Router(從),實現(xiàn)主機(jī)與運(yùn)動控制板間的通信。
電源模塊采用1個DC12V的鋰電池以及1個電源與總線接口,為AGV各元器件、設(shè)備進(jìn)行集線、供電。
本文研制的視覺導(dǎo)引AGV首先利用CCD攝像機(jī)采集地面路徑圖像,對圖像進(jìn)行預(yù)處理以及圖像分割之后獲得路徑特征,在判斷出視野中存在路徑后,將路徑相對視野的角度偏差與距離偏差傳遞給運(yùn)動控制板,運(yùn)動控制板首先判斷偏差是否大于預(yù)設(shè)閾值,若大于預(yù)設(shè)閾值,則調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速,減小車體與導(dǎo)引線的偏差值,使車體穩(wěn)定運(yùn)行在導(dǎo)引線上方。AGV系統(tǒng)控制流程如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)控制流程圖
在地面上鋪設(shè)藍(lán)色色帶作為導(dǎo)引路徑,由CCD攝像機(jī)作為圖像采集設(shè)備,其輸出信號為PAL制式模擬信號,通過TVP5150視頻解碼芯片解碼成YCbCr格式的數(shù)字信號,因為藍(lán)色路徑在Cb(藍(lán)色色度)分量空間中與地面背景有著較大的對比度,故提取圖像的Cb分量進(jìn)行圖像處理。
由于CCD攝像機(jī)鏡頭存在畸變,首先需要對圖像進(jìn)行畸變校正。采用平面模板標(biāo)定法對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,獲得標(biāo)定參數(shù)以及鏡頭畸變系數(shù),確定原始圖像中的像素點(diǎn)在畸變校正平面中的實際位置,消除由鏡頭帶來的桶形畸變[5]。本文采用大小為7×11的矩形格子作為標(biāo)定板,每個小單元為20mm×20mm的正方形?;冃U昂蟮臉?biāo)定模板圖像如圖3(a)、(b)所示。
在完成圖像的畸變校正后,需要對圖像進(jìn)行閾值分割,提取路徑信息。由于使用了環(huán)形光源,采集到的圖像會存在高光現(xiàn)象,即靠近光源中心的圖像會過亮[6]。本文采用基于光照約束的非均勻光照補(bǔ)償算法消除非均勻光照及高光現(xiàn)象的影響[7],然后對圖像進(jìn)行分段閾值分割。分割完成后對二值圖像進(jìn)行先膨脹后腐蝕的形態(tài)學(xué)處理,可消除路徑圖像中的孔洞,得到平滑光整的路徑邊緣。如圖4所示。
圖3 透視畸變校正前后的圖像
圖4 路徑圖像二值化圖
得到二值化的路徑圖像后,便可以采用場掃描法得到路徑信息了。場掃描法也叫行列掃描法,即沿著水平和垂直方向掃描圖像,可以得到路徑寬度及路徑中點(diǎn)信息,將路徑簡化為直線模型x=y×tanΔθ+Δx,采樣n個路徑中心點(diǎn)行、列坐標(biāo)分別為yi和xi,圖5為角度偏差與距離偏差的定義,采用最小二乘法計算路徑相對視野的角度偏差和距離偏差為
圖5 路徑偏差定義
AGV在運(yùn)行過程中由于任務(wù)調(diào)度的需要,會經(jīng)過多分支路徑,并要求能夠準(zhǔn)確識別多分支路徑,靈活實現(xiàn)路徑切換。本文采用基于霍夫變換的多分支路徑聚類分析方法[8],準(zhǔn)確實現(xiàn)了二分支、三分支路徑的識別。
視覺模塊將路徑偏差信號以十六進(jìn)制形式通過RS232串口傳遞給運(yùn)動控制板。運(yùn)動控制板核心ARM芯片每隔50ms讀取一次與DSP通信的串口1數(shù)據(jù)以及與上位機(jī)ZigBee通信的串口2數(shù)據(jù)。根據(jù)串口2的數(shù)據(jù)決定AGV的運(yùn)行任務(wù)及跟蹤方式,根據(jù)串口1的數(shù)據(jù)進(jìn)行車體位姿糾偏,實現(xiàn)導(dǎo)引目的。圖6為Mecanum輪全方位運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖6 Mecanum輪全方位運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)俯視圖
(vx,vy,ωo)T為 AGV 車體運(yùn)動速度,(ω1,ω2,ω3,ω4)T為各輪的轉(zhuǎn)速。每個車輪的半徑均為R,車輪中心與車體中心的水平和垂直方向的距離分別為l和L,輥子軸線與輪轂軸線的夾角α=45°??梢缘玫組ecanum輪平臺的正運(yùn)動學(xué)方程[9]為:
逆運(yùn)動學(xué)方程為:
運(yùn)動控制模塊進(jìn)行糾偏時,根據(jù)定位精度要求及AGV運(yùn)行的平穩(wěn)性要求,將角度偏差閾值范圍設(shè)定為-10°~ +10°,距離偏差閾值范圍設(shè)定為-10mm~+10mm,并且在糾偏時優(yōu)先進(jìn)行角度偏差的糾偏,調(diào)整車體姿態(tài)。由于攝像機(jī)采集到的是前方路徑的偏差信息,因此把車體與前方視野區(qū)域作為整體進(jìn)行考慮,確保在糾偏過程中路徑不偏離視野。
無線通信模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與運(yùn)動控制模塊間的通信。上位機(jī)發(fā)送的控制指令主要為啟動/停止命令以及任務(wù)切換命令,以5個字節(jié)為單位組成數(shù)據(jù)幀傳送。運(yùn)動控制模塊反饋給上位機(jī)的內(nèi)容為指令接收確認(rèn)、任務(wù)接收確認(rèn)、運(yùn)行狀態(tài)以及故障狀態(tài)。
圖7所示為全向運(yùn)動視覺導(dǎo)引AGV實物圖。仿照工廠環(huán)境,設(shè)計布置了一個AGV運(yùn)行路徑,如圖8所示。并結(jié)合實際需求,設(shè)計了4個任務(wù)。其中,任務(wù)1為默認(rèn)任務(wù),即輸送任務(wù),AGV沿著導(dǎo)引路徑前行,運(yùn)輸貨物;任務(wù)2為自動充電任務(wù),AGV收到上位機(jī)指令后,將默認(rèn)任務(wù)改為充電任務(wù),到達(dá)充電點(diǎn)時返回一個信號給上位機(jī),充電任務(wù)結(jié)束后切換回默認(rèn)任務(wù);任務(wù)3為協(xié)作裝配任務(wù),AGV到達(dá)裝配點(diǎn)時停止,反饋給上位機(jī)一個信號,開始裝配任務(wù),裝配任務(wù)結(jié)束后切換回默認(rèn)任務(wù);任務(wù)4為避障任務(wù),當(dāng)檢測到障礙物時,AGV減速停車,在避讓點(diǎn)反饋一個信號給上位機(jī),原地旋轉(zhuǎn)360°,觀察周圍環(huán)境,根據(jù)環(huán)境狀況做出避障決策,若前方障礙物較小,則繞行避障,否則在視野中尋找另外空閑的導(dǎo)引路徑,避開原故障路徑,避障任務(wù)結(jié)束后切換回默認(rèn)任務(wù)。
圖7 視覺導(dǎo)引AGV實物圖
圖8 路徑示意圖
圖9 為AGV運(yùn)行時實時采集到的距離偏差和角度偏差,采樣頻率為5幀/s。由圖分析可知,AGV在走直線路徑時,其距離偏差與角度偏差均比較平穩(wěn),距離偏差控制在±10mm以內(nèi),角度偏差控制在±3°以內(nèi)。當(dāng)AGV進(jìn)入圓弧轉(zhuǎn)彎路徑時,由于攝像頭裝在AGV前部,圓弧路徑與視野中心存在著比較大的角度偏差與距離偏差,但此時AGV車體本身還處于直線路徑上方,隨著AGV開始進(jìn)行糾偏,角度偏差與距離偏差開始減小,直到AGV走出圓弧路徑,角度偏差與距離偏差開始恢復(fù)在小范圍內(nèi)波動。整個運(yùn)行過程中,AGV車體始終處于導(dǎo)引線上方。圖9中角度偏差較大的兩個峰,即是AGV進(jìn)入兩個圓弧路徑的反映。實驗結(jié)果表明,本文設(shè)計的全向運(yùn)動視覺導(dǎo)引AGV能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)引,能準(zhǔn)確識別多分支路徑并靈活及時地切換。
圖9 AGV距離偏差與角度偏差圖
本文基于Mecanum輪平臺研制了一款全向運(yùn)動視覺導(dǎo)引AGV,利用CCD攝像機(jī)及DSP處理器實現(xiàn)了路徑特征和導(dǎo)引數(shù)據(jù)的提取,利用STM32F407處理器實現(xiàn)了Mecanum輪的運(yùn)動控制。最后通過實驗,實現(xiàn)了AGV的準(zhǔn)確導(dǎo)引,驗證了導(dǎo)引控制算法的有效性,同時開發(fā)了AGV的自主避障功能。本文研制的AGV運(yùn)行靈活,適用于作業(yè)空間狹小的工業(yè)應(yīng)用場合。
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