叉車的視覺智能化系統研究

張愛梅，李林巖，吳衛衛

ZHANG Ai-mei, LI Lin-yan, WU Wei-wei

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001）

0 引言

叉車是現代自動物流系統和柔性運輸系統的主要搬運工具[1]。在工廠、倉庫和港口等，成件托盤貨物裝卸、堆垛和短距離搬運作業中叉車被廣泛的應用。但其不足是智能化和自動化水平低。而人工操作叉車過程中存在的問題是勞動強度大、高貨架貨物存取不易精確目測?；谝陨蠁栴}，本文提出叉車視覺智能化系統。

叉車視覺智能系統由兩部分組成：一部分是自動尋址，另一部分是路徑規劃。自動尋址是以有線視覺引導[2,3]、雙比例控制，實現叉車沿引導線運行，叉車在自動尋址過程中保證了運行精度、實時性和魯棒性。路徑規劃是根據叉車運行的起點和預定的工作位置，給出以幾何參數描述的期望參考點，路徑規劃保證了叉車能適應復雜的運行環境和多變的柔性運輸系統。總體上來說，自動尋址研究的是叉車如何自動運行，路徑規劃研究的是叉車如何選擇路徑到達預定的工作位置。色中心線用作引導線和尋址標記，在托盤上貼反光帶以輔助貨叉定位。

添加設備實現的功能為：CCD攝像頭動態地獲得車輛前方路徑的灰度圖像信息；紅外傳感器獲得貨叉的位置信息；單片機結合相應程序，對路徑的圖像信息和貨叉的位置信息處理，并輸出控制信號

圖1 添加的設備安裝位置

1 自動尋址

本文選用三支點平衡重式電動叉車，該叉車主運動由電機驅動，轉向和貨叉提升由液壓系統驅動。叉車最大行駛速度12 km/h，最小轉彎半徑1.45m，貨叉最大提升高度3.3m。

為實現叉車自動尋址需要在叉車上添加相關設備，各添加的設備安裝位置如圖1所示。在叉車前后各安裝一個CCD攝像頭；在兩個貨叉前端各安裝紅外線傳感器；安裝單片機及外圍電路作為系統核心。另外在叉車運行的白色路徑上涂黑PWM分別控制主驅動電機、轉向機構、提升機構。

自動尋址包括路徑尋址模塊和貨叉定位模塊，如圖2所示。路徑尋址模塊：圖像采集、提取中心線是獲得前方路徑信息并為后續控制提供導航參數；轉向機構和驅動電機根據導航參數不斷修正運動狀態。貨叉定位模塊：紅外傳感器獲得的貨叉位置信息，保證在正確的高度提取和卸載貨物。

圖2 自動尋址構成示意圖

1.1 路徑尋址

1.1.1 圖像采集

由CCD攝像頭獲取的路徑圖像是連續灰度圖像序列。根據叉車的運行速度、控制精度設定每秒20幀圖像。為了解決叉車對實時性要求很高、單片機硬件處理能力及存儲空間有限等問題，應該盡量減少采集量和運算量。本文提出圖像采集方法是將一幅圖像分為上下兩個部分，中間區域像素丟失，如圖3所示。首先逐行采集圖像處理二區，在等待采集圖像處理一區的時間里對圖像處理二區進行二值化、濾波等處理。這樣的采集方法減少了一半數據量和運算量。

圖3 路徑圖像示意圖

1.1.2 提取中心線和導航參數

本文結合黑色引導線在空間的連續性和黑色引導線分布的特點[4]，采用追蹤搜索方法進行黑色中心線提取。

黑色中心線在空間上連續是指獲取的圖像中黑色中心線在短時間內不會有大的位置變化，而黑色中心線分布特點是連續的、無中斷點。根據這兩個特點，在圖像處理二區最下方一行采用全行搜索的邊緣檢測，如圖4所示。確定第一行黑色線左右兩個邊界位置的像素點A1（L1，1），B1（R1，1）。而第一行黑色線的中心點位置為C1[(R1—L1)/2，1]。第二行邊緣檢測時，確定一個領域值 Δδ，在 [(L1-Δδ，2），(R1+Δδ，2)]內檢測 A2，B2，第二行黑線中心位置為C2[(R2—L2)/2，2]。同理利用第n行左右邊緣區間[(Ln-Δδ，n），(Rn+Δδ，n)]搜索第n+1行中心點。追蹤搜索法只是在比黑色線略寬的帶狀區域上檢測黑線左右邊緣。鄰域值Δδ需要根據叉車運行的速度和黑色中心線圓弧半徑確定。追蹤搜索方法有效的解決了黑色中心線兩側噪聲對圖像處理干擾問題，并且減少了運算量，提高了系統的實時性。最后用得到的每行中心點擬合出中心線。在獲得一幅圖像中心線后，就可以算出方向偏差角α和位置偏差b。α反映前方路徑與當前叉車中心的方向偏離關系，其值越大表明偏差越大，b反映路徑中心和叉車軸線的位置偏離關系。α，b為轉向控制提供依據。

圖4 追蹤搜索方法示意圖

1.1.3 叉車的轉向控制

通過分析，叉車采用開環雙比例控制[5,6]。計算公式為：

得到控制轉角值φ后，再將轉角映射成相應的轉角的PWM信號。公式中k1、k2根據速度和控制周期確定。

在驅動電機的轉速和轉角不變的情況下，叉車做勻速圓周運動，設速度為Vm/s。如圖5所示，前后軸距B，導向輪轉角β，回轉中心O，圓周半徑R。

圖5 叉車轉向模型

則得到以下的關系：

設控制周期為T，一個控制周期內叉車走過的弧度數為θ，則有：

由公式(2)、(3)得：

由公式（4）可得到一個控制周期叉車走過的弧度數。

1.2 貨叉定位

貨叉定位是指貨叉沿著貨架高度方向定位。在定位過程中主要解決的問題是如何保證貨叉能在正確的高度撿取和卸載貨物。由于要完成入庫和出庫兩種作業，因而對貨叉的定位有不同要求。入庫時：要求貨叉停高位，叉車靠近貨架到達指定位置時貨叉微降，叉車后退，完成存儲貨物操作。出庫時：要求貨叉停低位，叉車前進到指定位置后貨叉微升至高位，然后叉車后退。貨叉下降完成提取操作。

由安裝在貨叉前端的兩個紅外傳感器實現定位，為了確保定位的準確性，在貨架和托盤上貼上反光帶如圖6所示。下面以入庫為例敘述貨叉的定位過程。

入庫定位過程：貨叉由液壓驅動，當紅外傳感器每掃描到一個貨架上的反光帶后層計數器Cz加一，當Cx=zi-1時提升機構減速運行。當Cx=zi時，貨叉已經到達預定層。但貨叉需繼續提升Δh，停在高位，Δh由固定PWM控制信號保，然后叉車前進，貨叉下降Δh停地位，完成入庫操作。

2 路徑規劃

路徑規劃是根據叉車運行的起點和終點位置，給出以幾何參數描述的期望參考點。叉車按規劃好的路徑運行，以便準確快速地到達目的地點。

圖6 貨叉高低位及控制示意圖

叉車的作業情況分為單一入庫、出庫作業和復合作業。單一入庫、出庫作業：貨物入庫時，根據預定的作業任務清單中入庫貨物的位置和數量，進行路徑規劃。完成存儲操作后返回原處等待下次任務。出庫時與上述過程相反，將指定位置的貨物取出。復合作業：當叉車完成地址1貨物的入庫后，隨即轉入地址2完成出庫操作。

叉車工作環境中，貨物放置可以用三維坐標標定，即貨架行數為Xi，貨架的列為Yi，貨位的層數位Zi，如圖7所示。因此根據工作環境，在路徑規劃時分別按行和列規劃。

圖7 視覺智能叉車工作環境

2.1 行規劃

叉車啟動的位置設定為坐標原點（0，0，0），啟動后根據預定地址（xi，yi，zi）首先進行行尋址，行尋址應用計數法確定。叉車每走過一行后行計數器Cx自動加一，當Cx=xi-1時設定叉車減速運行，當Cx= xi時控制系統控制電液比例閥實現轉向機構轉向，進入第Xi行，計數器的數值（Cx=xi）保留。在叉車進行復合作業時就可以利用計數器保留的值進行相對坐標尋址。

2.2 列規劃

列尋址同樣采用計數法來確定。當叉車從行轉向列尋址后，列計數器Cy開始計數。當時Cy=yi，轉向機構實現轉向。叉車在存取貨物前，需要利用攝像頭獲得的圖像實現準確定位。當圖像處理一區出現定位標志時，叉車緩慢運動；當圖像處理二區出現定位標志時叉車停止運動。為了保證貨叉能準確插入托盤內，必須檢測叉車中心線和引導線中心線是否重合。如果重合進行貨叉起升操作；如果不重合叉車后退一段距離重新定位。

3 結束語

叉車的視覺智能化系統通過圖像獲取、圖像處理、自動控制等技術實現了有線視覺引導、路徑規劃，準確可靠地實現了自動駕駛和貨物存取功能。整個系統采用積木模式搭建，配置靈活，可應用在工業自動化領域內，如生產流水線、自動倉庫等。

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