盧光旭
(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所,河南 洛陽(yáng) 471400)
近年來(lái),AGV 行業(yè)發(fā)展迅速,越來(lái)越多的AGV 應(yīng)用在物資配送、巡邏巡檢、倉(cāng)儲(chǔ)管理等領(lǐng)域。AGV 的導(dǎo)航控制漸漸成為AGV 行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心。目前AGV 的導(dǎo)航方式包括磁導(dǎo)航、色帶導(dǎo)航、激光導(dǎo)航以及衛(wèi)星定位導(dǎo)航等多種導(dǎo)航方式。就環(huán)境適應(yīng)性來(lái)說(shuō),磁導(dǎo)航施工困難,激光導(dǎo)航要求環(huán)境固定、特征明顯,衛(wèi)星導(dǎo)航依賴于衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱。在環(huán)境特征單調(diào)、不明顯,沒(méi)有衛(wèi)星信號(hào)的場(chǎng)所,采用鋪設(shè)軌道導(dǎo)航的方式是優(yōu)先選擇。而磁導(dǎo)航需要在路面鋪設(shè)磁條,施工困難,而且磁傳感器工作距離一般在50 mm 左右,這就造成AGV 底盤低,通過(guò)性差。色帶導(dǎo)航可在路面涂漆,施工方便。熒光導(dǎo)航是一種基于熒光感應(yīng)原理的色帶導(dǎo)航方式,具有精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),但是成本偏高。該文提出了基于波峰尋找法的色帶導(dǎo)航,采用普通的可見(jiàn)光攝像機(jī)和照明,同樣達(dá)到了較高的精度和可靠性,并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)岔路口和彎道的自主導(dǎo)航。
該文選擇寬度為25 mm 的紅色色帶進(jìn)行可見(jiàn)光識(shí)別和導(dǎo)航。可見(jiàn)光識(shí)別分為2 個(gè)步驟:色帶顏色特征提取、波峰法尋找色帶位置。
顏色空間是一個(gè)包含所有可能的三色刺激值(所有顏色和所有亮度)的三維空間。三色刺激的值不僅描述了顏色,也包含了亮度。在該文中,我們利用2 種顏色空間來(lái)提取色帶的顏色特征,分別是RGB 和HSV。RGB 是常說(shuō)的光學(xué)三原色,R 代表紅色的值,G 代表綠色,B 代表藍(lán)色。自然界中肉眼所能看到的任何色彩都可以由這3 種色彩混合疊加而成。在HSV 中,H 是色相,S 是飽和度,V 是亮度。色相是指主要顏色,即最近的光譜顏色;飽和度是指顏色的純潔性,即缺少混合的白色。對(duì)R、G、B 每種純色來(lái)說(shuō)飽和度都是1[1]?;谝陨项伾臻g原理,我們采用如下公式對(duì)圖像顏色空間進(jìn)行特征提?。?/p>
式中:R,G,B 為圖像RGB 空間三原色的值,s 為HSV 空間中的飽和度的值,r 為紅色通道在R、G、B 三通道中所占的比重,k 為轉(zhuǎn)換后的灰度圖像。將圖像中每個(gè)像素按式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算,可得到值k,并進(jìn)行歸一化,轉(zhuǎn)換為灰度圖像。轉(zhuǎn)換后的圖像如圖1所示,可以看出,經(jīng)過(guò)公式(2)變換后的圖像,色帶和背景的對(duì)比度更明顯。
圖1 色帶顏色特征提取
在該章節(jié)中,我們將要用波峰法,在提取顏色特征后的圖像中找到色帶的位置。在此,我們選取圖像中的某一行進(jìn)行處理。
1.2.1 計(jì)算閾值th1、th2
按如下公式(3)、(4)計(jì)算閾值th1、th2。
式中:α、β 是計(jì)算系數(shù),在該文試驗(yàn)中α=1.3,β=1.5。W 是圖像的寬度,line 是所選圖像的行數(shù),k 是顏色特征提取并歸一化后的灰度圖像,i 是圖像像素所在的列,W 是圖像的寬度。th1和th2是該文用波峰法計(jì)算色帶位置需要的2 個(gè)閾值。
1.2.2 計(jì)算權(quán)重lineweight
按公式(5)計(jì)算lineweight。
式中:k 是顏色特征提取并歸一化后的灰度圖像,lineweight[m]表示以第m 個(gè)像素為起點(diǎn),linewidth 個(gè)像素的灰度和。linewidth 由色帶在圖像中所占的像素寬度決定。該文中l(wèi)inewidth=30。lineweight[m]的計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。
圖2 權(quán)重lineweight
1.2.3 尋找波峰
首先計(jì)算lineweight[m]的最大值(lineweight_max)及位置(L,L+linewidth)。L 是色帶左側(cè)像素序號(hào), L+linewidth 是色帶右側(cè)像素序號(hào)。比較lineweight_max 與閾值th 的大小。如果lineweigth_max ≤th2,則認(rèn)為目前圖像中沒(méi)有波峰。如果lineweigth_max >th2,則認(rèn)為圖像中有波峰。接下來(lái)從兩側(cè)開(kāi)始,依次比較像素灰度k(line,left)、k(line,right)與th1的大小??词欠駶M足條件
圖3 試驗(yàn)結(jié)果
找到滿足條件的第一個(gè)left 和right,就是波峰的準(zhǔn)確位置,也是色帶再圖像中的位置。
該文選取了幾種不用場(chǎng)景,不同顏色和寬度的色帶和車道線進(jìn)行測(cè)試,均能成功識(shí)別,如圖3 所示。而且該文所提出的基于波峰尋找發(fā)色帶定位的AGV 導(dǎo)引技術(shù),運(yùn)算量小,實(shí)時(shí)性高,也可用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。
計(jì)算復(fù)雜度、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度是定位算法的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)。該文提出的波峰伐色帶定位技術(shù),采用提取RGB 和HSV 2 個(gè)顏色空間的特征進(jìn)行分析,通過(guò)計(jì)算單行的波峰位置找到色帶的位置。該算法具有較高的定位精度和穩(wěn)定性,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也較高。算法簡(jiǎn)單,計(jì)算量小??蓱?yīng)用于AGV 自主導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。