基于顏色識別技術的AGV固定路徑導航改進方案

倪海鵬 顧新艷 趙偉軍 陳立成 李昕鳴

（南京工程學院 汽車與軌道交通學院，南京 211167）

自動導航車（Automated Guided Vehicles，AGV）是一種自動化的無人駕駛的智能化搬運設備，屬于移動式機器人系統，能夠沿預先設定的路徑行駛，是現代工業自動化物流系統的關鍵設備之一。導航技術是AGV技術的研究核心，目前國內外主流AGV導航方式可分為固定路徑導航和柔性路徑導航兩類，其中，固定路徑導航法需要在運行路徑上預先設置引導物質，如軌道、黑白膠帶、磁帶或電磁導線等，通過傳感器獲取引導物質的位置來引導AGV，該類技術相對成熟，是國內AGV采用的主流導航方法。但在實際應用中，當AGV的運行路徑需要調整時，固定路徑導航法的弊端則凸顯出來，軌道、磁帶等引導線路由于其本身的特性，無法快速、方便地調整。基于此，提出一種基于圖像處理技術的導航方案，在原來的AGV小車上加裝視覺處理模塊，并在既有道路的路口放置指示燈，小車到達路口時，根據指示燈顏色所代表的含義，完成左轉彎、右轉彎或直行的動作，當運行路徑需要調整時，僅需更改路口指示燈的顏色，便可以完成新的路徑規劃。

1 系統方案設計

1.1 運行方式設計

在設定的環境中，AGV直線行駛時，運行避障、測距、驅動等常規程序，并將AGV運行狀態等數據通過WiFi通信上傳至系統上位機進行狀態顯示，以便相關人員對運行狀態進行監測；AGV行駛至路口時，視覺處理模塊捕捉到指示燈，視覺處理模塊將每幀圖像中指示燈的顏色、位置、指示燈像素點數量（距離）等數據通過串口發送到主控板。主控板根據指示燈顏色判斷路徑規劃，即此路口左轉、右轉或直行（顏色和方向的對應關系見表1），根據指示燈像素點數量即鏡頭和指示燈間距來判斷是否到達預設轉彎距離，根據其車身偏移量調整車身姿態；當距離到達設定閾值，AGV完成原地轉彎動作，而后繼續運行。

表1 顏色和方向的對應關系表

1.2 系統控制方案設計

視覺導航AGV小車的整體控制方案如圖1所示。視覺處理使用搭載OV7725攝像頭的OPENMV模塊，不斷地抓取并處理車輛前方圖像信息，將指示燈的顏色、距離、方位等信息通過串口傳遞給主控板；與此同時，避障模塊的毫米波雷達將障礙物信息通過串口傳遞給主控板；主控板整合路標相關數據及車周障礙物情況，分析小車在下一路口運動方向，及時按照相關通信協議通過232串行通信給驅動模塊發送相關驅動指令，并將小車運行狀態、車周障礙物信息通過無線WiFi模塊上傳至Windows端進行狀態顯示，以便監測人員對小車運行狀態進行實時監測；同樣，監測人員可以通過上位機對小車發送緊急停止的指令。

2 控制系統設計

2.1 硬件系統設計

2.1.1 整機設計

主控板CPU采用i.MX RT1052芯片，此款芯片無需片內閃存，能夠降低成本，而且集高性能、低延遲、高能效和安全性于一體。主控板與各模塊電氣連接、供電系統如圖2所示。

圖1 控制方案示意圖

圖2 各模塊電氣連接及供電示意圖

2.1.2 視覺處理模塊

視覺處理采用OPENMV模塊，此模塊搭載STM32H743II ARM Cortex M7處理器，主頻能達到480MHz，擁有1MB RAM、2MB Flash，外 部 搭 配32MB的32-bit SDRAM、100MHz的時鐘，擁有400MB/s的帶寬，能夠滿足高效率的圖像處理任務。攝像頭采用OV7725 COMS傳感器，能夠輸出640×480分辨率的圖像并保持60幀的輸出速率。此外，OPENMV模塊外部留有UART接口，將之與主控板UART相連接，以完成視覺處理模塊將路標數據傳遞給主控板。

2.1.3 避障模塊

避障采用毫米波定高雷達模塊，該模塊波束寬度40°×40°，數據率達到50Hz，能夠同時檢測前方多個障礙物的距離，測距范圍0.15～30m，測距精度±0.02m。

2.2 軟件系統設計

主控板軟件系統流程圖如圖3所示。

視覺模塊OPEN MV在處理完一幀數據后，將指示燈相關數據通過串口發送到主控板，此過程中，兩設備間通信協議擬定規則如圖4所示。

（1）起始：表示一幀數據的開始，這是一個恒定值0X01，其數據長度為一個字節。

（2）數據長度：表示數據段的長度，其數據長度為一個字節。

（3）數據段：表示攝像頭模塊處理的具體信息，第一個字節為指示燈的顏色；第二個字節為AGV搬運車與信號燈的距離；第三個字節為信號燈相對于AGV搬運車的偏移量；其數據長度為3個字節。

（4）結束：表示一幀數據的結束，恒定值為0X02；其數據長度為1個字節。

3 功能測試

3.1 測試環境及任務

在設定的運行環境中，小車相繼經過兩個路口，在第一個路口處小車左拐，在第二個路口處小車右拐。在整個運行過程中，主控板持續將運行狀態發送至Windows端。此外，為了測試整機系統運行狀態，將視覺模塊通過串口傳給主控板的數據也一并發送至Windows端，作為測試數據。

3.2 測試記錄

路口環境如圖5所示。

圖3 軟件流程圖

小車運行過程中，Windows端狀態顯示數據如圖6所示。

圖4 通信協議字段組成

圖5 路口環境

圖6 狀態顯示

3.3 測試結果分析

通過對串口回傳的數據分析，視覺模塊能夠正常識別到指示燈各項信息，主控板能夠給底層驅動發送正確的驅動信號，小車運行正常。

4 結語

基于顏色的視覺導航AGV小車能夠在較為簡單的硬件基礎上，跟隨指示燈的指引方向運行，并且通過WiFi與上位機實時通信。相較于傳統的AGV固定路徑導航技術，本方案通過改變指示燈顏色，便可輕松更改AGV的固定運行軌跡。對于已經建成的運用傳統AGV固定路徑導航技術的廠房，僅需要加裝一套簡單的可變指示燈系統，便可完成對AGV的改造升級。