大長寬比AGV循跡導航控制方法研究

李陽 ，劉連喜 ，靳陽

(1.北京星航機電裝備有限公司，北京 100074；2.北京德動能自動化科技有限公司，北京101102)

0 前言

如今，工廠轉向智能化的發展趨勢愈加明顯，AGV(Automated Guided Vehicle)，即自動導引車，成為眾多學者研究的熱點課題[1]。近年來，AGV在制造、物流等行業發揮著重要作用[2-3]，通過將產品按照預定的導引路徑運輸，實現產品的自動搬運和配送作業，滿足了工廠產品的自動化運輸需求。在零部件裝配線等一些特定的工作場景中，AGV需要與機床、工位、機械手等高精準對接，但受到場地空間的限制，AGV可通過的路徑狹窄[4]。因此，對AGV的路徑跟蹤精確度與系統穩定性提出了更高的要求[5]。

文中的研究對象是具有大長寬比的AGV尋跡控制方法。常見AGV車體結構有1∶1方形車體、直徑500～1 000 mm圓形車體與長寬比為3∶1或接近4∶1的AGV車型(例如小客車自動泊車AGV寬1.6 m，長6 m)。在公路運輸中，長寬比大于4∶1時被認為是大長寬比公路車輛，該種車輛能夠滿足特定的運輸需求，例如卡車、半掛車(例如半掛車，長17.5 m，寬2.2 m)。車間生產為滿足車間內運輸需求，對AGV的長寬比要求達到8∶1。

當大長寬比AGV橫向行駛時，由于行駛方向為車身的寬度方向，目前常用的AGV運動軌跡控制方法易使車體姿態產生累積偏差，遠距離行駛時車體易偏離尋跡導航標記，因此對大長寬比AGV行進路徑導航的研究具有重要的現實意義[6]。

文中研究了大長寬比AGV橫向移動的行進方式以及循跡導航的控制方法。常用的遁跡方法有電磁導引、激光導引與視覺導引，其中電磁導引與激光導引方法成本較高，視覺導引方法成本低且易維護[7]，更加適用于實際生產作業，因此文中選取視覺循跡方法用于大長寬比AGV的導航控制。

1 大長寬比AGV的機械結構設計

為滿足特殊的產品需求，解決大長寬比AGV運動路線規劃困難的問題，其結構尤其是車體的底盤及輪系結構需要滿足一定的條件，使其能夠完成規劃路徑。本文作者提出一種底盤及其輪系結構方案，以配合循跡方案。

1.1 大長寬比AGV的底盤設計

圖1所示為大長寬比AGV的底盤機械結構示意，其中，拍照攝像頭和傳感器對稱分布在車頭和車尾。主動輪系和從動輪系呈對角線分布，實現車體的直行、橫行、原地轉圈等功能。

圖1 大長寬比AGV的底盤機械結構示意

1.2 大長寬比AGV的輪系結構設計

AGV行走、橫移、旋轉等功能依托于輪系模塊實現。輪系模塊分為主動輪系和從動輪系，圖2與圖3所示分別為主動輪系與從動輪系組成。

圖2 主動輪系組成

圖3 從動輪系組成

4個車輪既是驅動輪又是轉向輪，每個車輪都配有行走電機與轉向電機，分別控制車的驅動與轉向，從而實現車的縱向、橫向、回轉等方向的行駛。車體各輪間通過轉速和旋向的配合實現全方位運動，不僅使AGV轉向靈活，能夠在狹小的空間自由移動行駛，而且算法相對簡單。

圖4所示為輪系控制系統原理，根據視覺反饋得到的位置信息，將信號傳遞給車載控制器，按車的路徑提供的目標值計算出車的實際控制命令值，控制器處理信號后(即給出車的設定速度和轉向角)，向輪系驅動單元的伺服電機發送命令使電機做出調整，從而控制舵輪使AGV按照導航路線在路面上行駛。控制輪系結果保持同步動作即可控制AGV完成地面上的前進、后退、旋轉以及轉彎等一系列動作。

圖4 輪系控制系統原理

2 大長寬比AGV的控制方法

2.1 控制系統設計

基于視覺的AGV引導系統主要由車體、圖像采集單元、圖像處理單元、驅動單元和通信單元等組成[8-9]。圖5為大長寬比AGV導航的控制流程，利用車首和車尾安裝的工業照相機識別循跡導航條，通過圖像反饋判斷AGV行進姿態，結合車身偏移類型，控制系統形成控制策略[10]。具體循跡導航控制實施步驟如下：

圖5 控制系統流程

(1)視覺相機拍攝經過場地下方循跡導航條照片；

(2)圖像處理，完成色彩對比度分析，確定AGV車體相對循跡導航條位置；

(3)控制系統根據偏移類型，判斷偏移方向，下達調整方向命令；

(4)輪系完成轉向調整；

(5)相機再次拍攝循跡導航條照片，控制系統進行調整驗證。

2.2 雙相機控制

由于車體較長，局部色帶的偏差會引起放大效應，導致車體的偏移量較大。以往采用的單相機循跡方案，在車體發生偏移時不能精準測量出大長寬比AGV的姿態。因此針對大長寬比AGV的循跡方案，選用在車首和車尾各安裝一臺相機采樣車體與色帶的位置偏差與姿態偏差。圖6所示為AGV循跡導航示意，在橫向移動中利用視覺相機捕捉循跡導航條位置，反饋到控制系統，根據循跡導航條在視覺相機中的對比度，圖像信息控制系統給出調整指令及調整動作，完成調整后視覺相機識別循跡導航條位置反饋控制系統驗證，后沿循跡導航條鋪設路線繼續行走。

圖6 AGV循跡導航示意

3 導航線偏轉判定

導航線偏轉判定通過圖像識別技術，對地拍照識別地面循跡導航條，并對圖像進行處理及計算，從而判定導航線是否偏離。

圖7所示為循跡導航運算流程，循跡導航系統啟動后，對采集的圖像進行灰度化、二值化處理，區分出標記圖像，即地面的循跡導航條。圖8所示為圖像識別界面，其中圖8(a)為前置攝像頭采集圖像；圖8(b)為對圖(a)圖像處理后的結果，并在循跡導航條1/2位置標記點A。圖8(c)為后置攝像頭采集圖像；圖8(d)為對圖(c)圖像處理后的結果，并在循跡導航條1/4位置標記點B。根據兩點坐標求出線AB的斜率，當斜率為0時，即AGV未偏離原定路徑。

圖7 循跡導航運算流程

圖8 圖像識別界面

4 大長寬比AGV視覺尋跡導航控制方法應用實例

如圖9所示，圖(a)為視覺相機在行駛期間的位置信息視覺照片反饋，識別出導航的偏轉類型為平移+偏向，控制系統會以先偏向后平移的順序完成調整控制過程。

圖9 循跡導航實例示意

具體的矯正步驟如下：

(1)控制系統將相機采集的照片進行黑白化處理，利用色彩對比度，判斷位置偏移類型，如圖9(a)所示，即位置偏移類型為平移偏向類型，判斷平移方向為向右平移，偏向方向為向右偏向且夾角記為φ；

(2)控制系統以視覺相機圖像窗口中心建立坐標系，捕捉視覺照片反饋中圖形中心坐標，記為(0，y)；

(3)控制系統發出輪系轉向指令，AGV前左輪1和前右輪2向右偏轉，角度為φ；后左輪3和后右輪4向左偏轉，角度為φ，如圖9(b)所示；

(4)控制系統向輪系發出前進指令，車輪1、2、3、4運動，帶動AGV車體發生轉動，在首尾視覺相機和車體垂直方向時停止，即轉動角度為φ時停止；

(5)視覺相機再次拍攝照片反饋，黑白處理后控制系統進行坐標標定，確定視覺照片反饋中圖形中心坐標為(0，y)，允許存在誤差小于1×10-3m；

(6)控制系統向后右輪4發出轉向命令，向右轉動30°，并沿此方向前進2 |y|。利用勾股定理可知，AGV車體將向右移動|y|，此時循跡導航條中心點與視覺圖像窗口中心點重合。

(7)視覺相機再次拍攝照片反饋，黑白處理后控制系統進行坐標標定，確定視覺照片反饋中圖形中心坐標為(0，0)，允許存在誤差小于1×10-3m。

經過上述步驟完成了橫向移動大長寬比AGV發生平移+偏向的循跡導航調整，校正后AGV位置信息示意如圖10所示，后可沿循跡導航條鋪設軌道繼續運行。

圖10 AGV位置信息示意

5 結束語

為了實現大長寬比AGV搬運小車的平穩橫向移動，本文作者提出一種雙視覺相機識別法，利用車首和車尾安裝的視覺相機識別循跡導航條，根據行駛期間的視覺照片反饋，實現自動循跡導航。經過應用實例驗證了該方法可有效識別出大長寬比AGV的偏移并進行調整矯正。本文作者提出的基于視覺循跡的控制方案可實現大長寬比AGV遠距離橫向移動，有望應用于零部件裝配線等一些受到場地空間限制的AGV搬運工作場景中。