隆康+趙曉偉

摘 要：針對為提升視覺導(dǎo)引自動導(dǎo)引車（AGV）精準(zhǔn)定位，探討出多窗口實時測距精確定位方案。這種方案利用定位點(diǎn)設(shè)置圓形標(biāo)識來進(jìn)行定位標(biāo)識符，首先依據(jù)車載視覺裝置組裝，建設(shè)模型進(jìn)行視覺實時測距。提取運(yùn)用橢圓幾何特點(diǎn)來使用，并且利用橢圓周邊來的曲角率估算方法來進(jìn)行精確識別定位，而后使用最小二乘擬合直線來取得橢圓中心點(diǎn)，最后，采取多個窗口進(jìn)行圖像分別處理的辦法，把定位劃分成多個不同的進(jìn)程來處理，緩步逼近，已達(dá)到精確定位的目的。實驗結(jié)論表明，這種方案能把視覺導(dǎo)引AGV精確定位提高到2mm。

關(guān)鍵詞：自動導(dǎo)引車；視覺導(dǎo)引；實時測距；精確識別

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

物料運(yùn)輸?shù)淖詈玫墓ぞ呤亲詣訉?dǎo)引車（AGV），分別很好地運(yùn)用在不同的行業(yè)領(lǐng)域。但是，AGV在使用過程中，定位精度不足，在各種工業(yè)領(lǐng)域很難推廣使用。當(dāng)前AGV有各種各樣的驅(qū)動定位方式，AGV在各種領(lǐng)域使用不同驅(qū)動定位方式的使用成本和性能也有很大的區(qū)別。其中方便低廉的定位方法是磁力定位驅(qū)動方案，這種定位方式十分簡單，但是不精確，大多數(shù)定位精度在±20mm范圍內(nèi)；AGV利用激光導(dǎo)引定位的精度能達(dá)到±5mm，但是其成本高，而且傳感、發(fā)射器以及反射裝置安裝很復(fù)雜；定位的精確以及性價比高的方案就是采用視覺導(dǎo)引AGV，其前景市場發(fā)展很好，只是其精確定位技術(shù)存在不足，定位精度大多數(shù)在±10mm范圍內(nèi)。

使視覺導(dǎo)引的定位精度得到突破，就能解決它在AGV推廣運(yùn)用中遇到的瓶頸。

時下的視覺導(dǎo)引AGV存在著諸如定位的精確度不高、定位方法單一等多種缺點(diǎn)。以往的相對定位算法主要包括里程計法與慣性導(dǎo)航法，出現(xiàn)的誤差主要是由輪子側(cè)滑或者積分累積導(dǎo)致的，其定位精度也不盡人意。曾有人利用基于慣性導(dǎo)航和視覺里程計法的定位方式，也有人使用設(shè)備同一時間定位跟地圖創(chuàng)建（SLAM），在大場景下實現(xiàn)了AGV定位，但其缺陷是缺少工作點(diǎn)處精確定位的策略，還需要額外安裝大量傳感器，而且沒有實時測距功能。利用導(dǎo)航信標(biāo)定位方案，是在地面架設(shè)工位標(biāo)識，通過系統(tǒng)識別圖像的定位標(biāo)識后，進(jìn)而給出停車信號，AGV接收執(zhí)行后，反饋不能實時傳達(dá)視覺信息，進(jìn)而不能達(dá)到驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制的目的，所以是相對較差的定位方案，而且該系統(tǒng)存在運(yùn)輸過程中如果速度過快或者負(fù)載過重，都會對系統(tǒng)的精確定位產(chǎn)生直接影響。

綜上所述，根據(jù)多窗口實時測距的視覺導(dǎo)引AGV精確定位技術(shù)來進(jìn)行研究，利用具有特殊性視覺導(dǎo)引AGV，搭建模型來進(jìn)行視覺實時測距，并且利用橢圓周邊來的曲角率估算方法來實現(xiàn)精確識別定位，而后使用最小二乘擬合直線來取得橢圓中心點(diǎn)來進(jìn)行合成，來進(jìn)行坐標(biāo)的精確定位；最后，使用多個窗口進(jìn)行圖像分別處理的辦法，將把設(shè)備定位停車劃分成3個進(jìn)程初步標(biāo)識定位、根據(jù)預(yù)測進(jìn)行減速、在進(jìn)行精確定位，實時測量AGV和標(biāo)識點(diǎn)之間的距離與角度，把測量的數(shù)據(jù)傳達(dá)給AGV運(yùn)動系統(tǒng)。再結(jié)合反饋所得視覺信息，對AGV移動線路進(jìn)行調(diào)整，最終在顯示器上展現(xiàn)采集、提前處理、位置識別、定位標(biāo)識、距離實時測量、定位點(diǎn)精準(zhǔn)停車的功能。

1.多窗口視覺實時測距模型

本文所設(shè)計的視覺導(dǎo)引AGV裝置（如圖1所示），采用多個麥克拉姆輪作為其動力裝置，通過運(yùn)動控制器對多個麥克拉姆輪進(jìn)行控制，實現(xiàn)AGV可以沿著任何方向自由運(yùn)動，其特點(diǎn)是靈活性高。其導(dǎo)引與定位監(jiān)控設(shè)備置于AGV的前面，采用傾斜安裝的方法。

跟視頻頭使用垂直安裝方法比較，AGV的視野范圍更大，可獲取更多路線信息，能加強(qiáng)AGV對導(dǎo)引路徑與目標(biāo)工位點(diǎn)檢測能力，能提升動力系統(tǒng)的精準(zhǔn)性與實時性。本文探究多窗口視覺測距系統(tǒng)（如圖2所示），該方式利用多窗口來劃分單幅圖像。利用上部窗口來進(jìn)行預(yù)測，AGV提前預(yù)判地面信息，如若識別了橢圓標(biāo)識，則立馬進(jìn)行減少操作；位于中間的顯示器進(jìn)行初步定位，依靠獲得定為引導(dǎo)的路線對AGV進(jìn)行調(diào)整，位于最下部顯示器進(jìn)行精確定為和精準(zhǔn)測量距離。

2.精準(zhǔn)定位與定位標(biāo)識識別

2.1預(yù)先處理定位標(biāo)識

倒相（PAL）的視頻信號采用彩色模擬CCD監(jiān)控裝置進(jìn)行采集，再通過視頻解碼，就會在顯示器上顯示出8位BT.601YCbCr分辨率720×480彩色圖像。利用YCbCr顏色格式系統(tǒng)，其顏色格式中的Cb與Cr兩種元素能辨別藍(lán)色與紅色。此次在以水磨石為基礎(chǔ)的路面的實驗環(huán)境下進(jìn)行，在路面上鋪設(shè)藍(lán)色引導(dǎo)帶。當(dāng)實驗設(shè)備的行進(jìn)線路與藍(lán)色圓形標(biāo)識來作為定位辨別點(diǎn)，輔助照明設(shè)備是采用LED光源，使用LED光源的非均勻光照和高光自然現(xiàn)象，利用對缺省的led光源使用補(bǔ)償法，補(bǔ)色高光區(qū)域的Cb元素。同時，利用后TsaiR.Y.對增強(qiáng)后的圖像的畸變參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，使用中值濾波器進(jìn)行濾波處理。進(jìn)而使用自適應(yīng)全局閾值分割法，得到一副前景為1后景為0的二值圖像，至此完成圖像分割。

2.2進(jìn)行檢測與跟蹤定位點(diǎn)邊緣

由于用于檢測定位的區(qū)域只是個整區(qū)域中的很小部分，為了提高定位系統(tǒng)的工作效率，所以只需在標(biāo)記點(diǎn)附近設(shè)置成圖像熱點(diǎn)方位，獲取只含有標(biāo)記的區(qū)域圖像，從而減輕計算龐大的像素點(diǎn)。再結(jié)合膨脹掩膜，進(jìn)行掃描的熱點(diǎn)方位，來對橢圓標(biāo)記外圍進(jìn)行高效率掃描獲取。但是傳統(tǒng)的外圍檢測方式比較不好融入實現(xiàn)，而且也沒辦法保證在顯示器中出現(xiàn)實時信息。實驗總結(jié)出了幾點(diǎn)非常好的利用橢圓的幾何特征獲取完美的邊緣，如圖3所示。

2.3進(jìn)行識別定位點(diǎn)

實驗總結(jié)出根據(jù)曲率角預(yù)算橢圓辨別方法，大力使用橢圓曲率角特征，來精準(zhǔn)識別橢圓標(biāo)記。曲線上兩個相鄰切向量中間夾角稱作曲線角，可很有效地對曲線形狀進(jìn)行描述，就理論而言曲率角度越大，曲線的彎曲程度越大。

2.4進(jìn)行定位標(biāo)識

根據(jù)目標(biāo)橢圓顯示的輪廓中心進(jìn)行精確定位，參數(shù)需要圖像空間映射來進(jìn)行多維計算，運(yùn)算消耗非常大而且運(yùn)算效率十分低下，實時傳輸不能達(dá)到AGV要求。最小二乘橢圓擬合方案根據(jù)橢圓外圍點(diǎn)數(shù)據(jù)，估算橢圓方程的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)參數(shù)，獲得相對高橢圓擬合精度（如圖4所示）。只是，此方案假定的數(shù)據(jù)噪聲達(dá)到了獨(dú)立的分布環(huán)境，在橢圓外圍不完全的條件下，獲得的數(shù)據(jù)誤差很大。本文總結(jié)出利用最小二乘擬合橢圓正中心直線橢圓正中心定位方式。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)橢圓幾何特點(diǎn)，兩個平行的橢圓，其中點(diǎn)必定在一條直線，利用圖像像素坐標(biāo)程序的特征，來運(yùn)用雙邊界外圍進(jìn)行掃描，就進(jìn)行由左向右、由上至下對圖像逐行逐列掃描，分別獲得目標(biāo)區(qū)域圖像橫向坐標(biāo)和縱向坐標(biāo)采樣弦數(shù)據(jù)。

3.實驗與其結(jié)果分析

本文使用的視覺導(dǎo)引AGV實驗裝置，其視覺采集裝置使用車載廣角攝像頭與以DM642為主要的嵌入式圖像處理設(shè)備，微控芯片是STM32F407，AGV利用ZigBee無線裝置與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)發(fā)送不同任務(wù)指令給AGV，不同的任務(wù)指令包含路線信息和不同的定位點(diǎn)。為了總結(jié)實驗的穩(wěn)定性和精確定位，此次采用普通水磨石為基礎(chǔ)的路面的實驗環(huán)境下進(jìn)行，在路面上鋪設(shè)藍(lán)色引導(dǎo)帶當(dāng)實驗設(shè)備的行進(jìn)線路與藍(lán)色圓形標(biāo)識作為定位辨別點(diǎn)，使用分辨率為720×480的采集器模擬視頻信號，使用25幀/秒的采集頻率。

為判斷本文的定位方法有作用，視覺導(dǎo)引AGV定位精度準(zhǔn)確，進(jìn)行了連續(xù)在同一個工位上連續(xù)長時間實驗停車運(yùn)行300次，AGV的定位誤差如圖5所示。實驗結(jié)果表明AGV定位在水平方向距離偏差Δy穩(wěn)定在±1mm，角度偏差Δθ穩(wěn)定在±1°、停車誤差Δy穩(wěn)定在±2mm。

結(jié)語

結(jié)合多窗口實時測距的橢圓標(biāo)志識別定位技術(shù)，車載導(dǎo)引識別設(shè)備為主要適用對象，組建木星來實現(xiàn)視覺實時測距。使用橢圓圖像幾何特點(diǎn)獲得曲率角，并且根據(jù)曲率角估算獲得橢圓外圍的精確辨別；隨后，利用最小二乘擬合直線得知該橢圓的中點(diǎn)的具體位置，最后，使用多窗口圖像處理，精確劃分為多個程序。實驗表明，這種方案能使視覺導(dǎo)引AGV的定位精度提升到±2mm，為將來提高視覺導(dǎo)引AGV的定位精度提供參考作用。

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