朱訓(xùn)棟　張鑫

摘要：概述了AGV的主要導(dǎo)航方式，分析了目前國內(nèi)外AGV固定路徑視覺導(dǎo)航與柔性路徑視覺導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并指出該領(lǐng)域在今后一段時期內(nèi)的一些重要的研究方向。

關(guān)鍵詞：AGV；視覺導(dǎo)航；研究進展

中圖分類號：F253.9 文獻標(biāo)識碼：A

0引言

自動導(dǎo)引小車（Automated Guided Vehicle，AGV）指裝備有導(dǎo)引裝置，能夠按照規(guī)定路徑行駛，并具有編程與停車選擇、安全保護及各種移載功能的運輸小車。AGV技術(shù)集機械、機電控制、傳感器、無線通訊、計算機網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的技術(shù)于一體，目前已廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等多個領(lǐng)域，是當(dāng)前國際機器人應(yīng)用研究領(lǐng)域的熱點之一。

導(dǎo)航技術(shù)是AGV技術(shù)的研究核心，其主要解決車輛位姿獲取、環(huán)境模型構(gòu)建以及行駛路徑規(guī)劃等三方面問題，即要告訴小車“在何處”、“到何處去”，以及“如何走”。目前，國內(nèi)外主流AGV導(dǎo)航方式可分為固定路徑導(dǎo)航和柔性路徑導(dǎo)航兩類。其中，固定路徑導(dǎo)航法需要在運行路徑上預(yù)先設(shè)置引導(dǎo)物質(zhì)，如軌道、黑白膠帶、磁帶或電磁導(dǎo)線等，通過傳感器獲取引導(dǎo)物質(zhì)的位置來引導(dǎo)AGV，該類技術(shù)相對成熟，是國內(nèi)AGV采用的主流導(dǎo)航方法，但該類技術(shù)無法滿足運行路徑需經(jīng)常調(diào)整的情況。柔性路徑導(dǎo)航法可根據(jù)需要實時規(guī)劃導(dǎo)引路徑并引導(dǎo)AGV運動，是AGV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢，目前應(yīng)用較多的有激光引導(dǎo)技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、基于WIFI或ZigBee等無線信號定位的導(dǎo)引技術(shù)及視覺導(dǎo)航技術(shù)等。各種導(dǎo)航方法具有不同的優(yōu)缺點，一般需要根據(jù)實際情況選擇合適的方案。

近些年來，隨著芯片性能和數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷提升，視覺導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展更為迅速。視覺導(dǎo)航利用AGV車載攝像頭動態(tài)獲取環(huán)境圖像，經(jīng)過圖像檢測獲取導(dǎo)航參數(shù)（小車位置、速度、姿態(tài)等），并規(guī)劃所需路徑、實現(xiàn)對小車的導(dǎo)航控制。目前，視覺導(dǎo)航技術(shù)在固定路徑導(dǎo)航和柔性路徑導(dǎo)航方面均有比較廣泛的應(yīng)用。

1 AGV固定路徑視覺導(dǎo)航技術(shù)研究

AGV固定路徑導(dǎo)航技術(shù)亦稱結(jié)構(gòu)化路徑導(dǎo)航技術(shù)，指AGV在行駛過程中利用車載視覺傳感器實時獲取鋪設(shè)在路面或工作空間內(nèi)軌跡標(biāo)志的圖像，依據(jù)控制車體的圖像特征點與導(dǎo)引軌跡輪廓中心線間的偏差，以及車體前進方向與軌跡中心線的角度偏差，引導(dǎo)車體在允許的誤差范圍內(nèi)沿導(dǎo)引軌跡運動。該導(dǎo)航方式導(dǎo)引線易于鋪設(shè)、視覺識別穩(wěn)定性高，擁有廣泛的應(yīng)用空間。

歐美國家在該領(lǐng)域起步較早，研究成果較多，處于領(lǐng)先地位。日本在20世紀(jì)80年代研制的“Pochi”機器人可利用攝像機采集路面的白色標(biāo)記線，作為路標(biāo)信息進行作業(yè)。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）研制的RALPH，能夠通過識別車道標(biāo)識線和分析路面信息實現(xiàn)自主導(dǎo)航的功能，研制的NAVLAB利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進一步提高了其智能化程度。Saitoh T等研究了一種采用單目攝像頭和筆記本電腦實現(xiàn)的輪式移動機器人走廊中線跟蹤方法。Horswill I采用單目視覺提取地面紋理，實現(xiàn)了車體在固定環(huán)境下的視覺導(dǎo)航。D.L.Boley等利用車載攝像機和輔助傳感器通過識別路標(biāo)進行導(dǎo)航，并利用卡爾曼濾波器進行最優(yōu)估計，有效抑制了噪聲并具有較好的實時性。

我國在該領(lǐng)域起步較晚，但發(fā)展較快，近些年相繼涌現(xiàn)出一大批相關(guān)研究成果。吉林大學(xué)研制的JUTIV-3型視覺導(dǎo)引AGV，可通過車載攝像頭采集地面鋪設(shè)的色線和標(biāo)識符圖像，經(jīng)處理后獲取導(dǎo)航參數(shù)，并通過模糊控制器使車體實時跟蹤色線運行，同時具有識別工位標(biāo)識符與分叉路等功能。南京航空航天大學(xué)研制的NHV-Ⅱ型視覺導(dǎo)航AGV，通過構(gòu)建直線路徑模型、圓弧拐彎路徑模型和非圓弧拐彎路徑模型等三種路徑模型，實現(xiàn)了對AGV的精確控制。劉晶等設(shè)計的基于FPGA+ARM的輪式機器人，可通過識別道路中設(shè)置10cm寬的導(dǎo)航線以及轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，實現(xiàn)自主導(dǎo)航行走。朱翔等設(shè)計的基于FPGA+FIFO的移動機器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，可根據(jù)行走趨勢的變化改變車體行進速度，提升了導(dǎo)航精度。

2 AGV柔性路徑視覺導(dǎo)航技術(shù)研究

AGV柔性路徑導(dǎo)航技術(shù)基于對場景中景物的理解獲取導(dǎo)航參數(shù)，可稱為非結(jié)構(gòu)化路徑導(dǎo)航技術(shù)。其需要預(yù)先構(gòu)建路徑周嗣環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)庫，在車體運行過程中，系統(tǒng)實時地通過車載攝像頭捕捉周同環(huán)境信息，并與前述圖像數(shù)據(jù)庫進行匹配，得出車體當(dāng)前的位姿信息，進而進行路徑規(guī)劃并控制車體運行。該類視覺導(dǎo)航方式無需預(yù)先鋪設(shè)路徑、適用范圍更廣，但同時存在路徑形狀復(fù)雜、邊界模糊、易受光照變化和路面陰影干擾等諸多問題，因而對硬件性能、圖像處理算法和導(dǎo)航控制算法等提出了更高的要求。

美國Kiva公司的Kiva系統(tǒng)，可控制AGV通過視覺識別地面上的二維碼貼片信息，實現(xiàn)路徑規(guī)劃與導(dǎo)航。Wooden D研制的LAGR機器人中采用了一種基于立體視覺的占柵格地圖構(gòu)建方法進行室外導(dǎo)航，系統(tǒng)中還集成了慣性導(dǎo)航單元、GPS接收器和前端防碰撞單元來進行外界感知。Ohta Y I等利用車載攝像機采集圖像信息，并借助超聲波傳感器感知復(fù)雜路況信息，對導(dǎo)航信號進行了合理的濾波處理，解決了基于視覺導(dǎo)航系統(tǒng)中的避障問題。Hashima M等提出了一種自然地標(biāo)導(dǎo)航算法，該算法使用相關(guān)性跟蹤選定的地標(biāo)，通過立體視覺信息計算車體位置，并在車體移動過程中逐步更新地標(biāo)。Royer等提出了一種基于單目視覺訓(xùn)練導(dǎo)航方法，該方法在導(dǎo)航前先進行訓(xùn)練，訓(xùn)練過程中系統(tǒng)記錄行進中圖像信息并生成環(huán)境三維地圖、標(biāo)記有價值的地標(biāo)用于導(dǎo)航階段的定位；自主導(dǎo)航過程中，通過匹配當(dāng)前圖像與預(yù)先存儲的關(guān)鍵幀圖像進行定位、導(dǎo)航；該系統(tǒng)較適合用于有較多明顯地標(biāo)的環(huán)境。

國內(nèi)在該領(lǐng)域起步較晚，但隨著研究學(xué)者和商業(yè)公司的研究投入，該領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展。付夢印等提出了一種以踢腳線為參考目標(biāo)的移動機器人室內(nèi)單目視覺導(dǎo)航方法，該方法采用閾值分割和以Hough變換為基礎(chǔ)的直線提取方法，提高了視覺導(dǎo)航的實時性。周俊等針對非結(jié)構(gòu)化的農(nóng)田自然環(huán)境，提出了一種農(nóng)業(yè)機器人視覺導(dǎo)航多分辨率路徑識別算法。閔華松等提出了一種將IMU和體感攝像機相結(jié)合的地圖構(gòu)建算法，提高了地圖的精度。龍超等利用增量平滑和優(yōu)化建圖的方法估算相機位姿，并獲取最終的點云地圖和運動軌跡。白明等利用立體視覺傳感器構(gòu)建了環(huán)境地圖以用于機器人導(dǎo)航。李華等研制的THMR-V型AGV，通過機器視覺算法檢測車體與行車道的相對位置與方向信息，并結(jié)合多種傳感器融合檢測實現(xiàn)在結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境中自主行駛。2015年12月首次進行公路測試的百度無人車采用激光雷達和視覺傳感器相結(jié)合的方法，通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)車輛的地圖構(gòu)建和導(dǎo)航。