如何設(shè)計(jì)一款無(wú)人搬運(yùn)車？

0 引言

無(wú)人搬運(yùn)車（Automated Guided Vehicle，AGV），也叫做自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車，是指裝備有電磁或光學(xué)傳感器裝置，能夠沿規(guī)定好的路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車。

傳統(tǒng)的工廠和倉(cāng)庫(kù)中的貨物搬運(yùn)需要大量人力，效率低下，容易出錯(cuò)。貨物儲(chǔ)存位置、不同貨物大小和重量，對(duì)機(jī)器和人都是一種挑戰(zhàn)。

目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)導(dǎo)引車普遍使用在地面上的標(biāo)線對(duì)小車進(jìn)行導(dǎo)航，或者在規(guī)定區(qū)域的地面，貼上標(biāo)志圖形，其缺點(diǎn)在于需要在地面上鋪設(shè)大量標(biāo)志線和圖形，其活動(dòng)范圍受到限制，且標(biāo)志線被污染容易造成導(dǎo)航精度降低甚至失效的后果?；蛘卟捎萌?jǐn)z像頭定位小車在室內(nèi)的位置，其缺點(diǎn)是定位精度差，成本高。

在AGV的相關(guān)技術(shù)研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其核心技術(shù)，也是其實(shí)現(xiàn)真正的智能化和完全的自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航研究的目標(biāo)是在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù)。而路徑軌跡計(jì)算又是導(dǎo)航的核心技術(shù)之一，只有知道了機(jī)器人自身移動(dòng)的軌跡，才能完成導(dǎo)航任務(wù)。

本文利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)地面，使用塊匹配算法計(jì)算AGV軌跡。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需在地面鋪設(shè)大量標(biāo)志線和圖形，精度高，成本低。在運(yùn)行較長(zhǎng)軌跡后，只需用極少坐標(biāo)作為誤差矯正即可完成AGV的長(zhǎng)期導(dǎo)航任務(wù)。

1 直線行駛圖像匹配

圖像匹配是通過(guò)計(jì)算相似性度量來(lái)判斷圖像間的變換參數(shù)，從不同傳感器、不同方位、不同時(shí)間采集同一場(chǎng)景的2幅或多幅圖像，將其變換到同一坐標(biāo)系下，并在像素層上實(shí)現(xiàn)最佳匹配的效果。圖像匹配的方法可以劃分為4類：基于灰度的匹配、基于模板的匹配、基于變換域的匹配和基于特征的匹配。

本文利用CCD拍攝地面，從地面的圖像的移動(dòng)來(lái)判斷小車移動(dòng)的距離，由于地面特征變化很多，特征有時(shí)明顯有時(shí)不明顯，所以采用基于模板的匹配的方法來(lái)計(jì)算小車移動(dòng)的距離，簡(jiǎn)單實(shí)用。

1.1 基于模板的匹配

基于模板的匹配是在圖像已知的重疊區(qū)域里選擇一塊矩形區(qū)域作為模板，與掃描被匹配圖像中同樣大小的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其相似性度量，確定最佳的匹配位置，所以此方法也被稱為塊匹配過(guò)程。其匹配過(guò)程包括4個(gè)步驟，如圖1所示。

圖1 基于模板的匹配算法流程圖

1.2 基于塊匹配過(guò)程

CCD攝像頭拍攝地面，以幀的方式傳輸?shù)?a target="_blank">處理器中，圖2是相鄰2幀可能的相對(duì)位置情況。

圖2 相鄰2幀相對(duì)位置情況

如圖3所示，假設(shè)每2幀的圖像有部分重疊，重疊部分用陰影表示，此重疊區(qū)域即為塊匹配的基準(zhǔn)模板，相鄰2幀重疊區(qū)域與前一幀圖像面積的比值定義為重疊系數(shù)β。

圖3相鄰2幀圖像重疊的位置情況

模板的大小和坐標(biāo)定義如下：前一幀的坐標(biāo)系是x - y，每一像素點(diǎn)的灰度值為f（x，y），后一幀的坐標(biāo)系是X - Y，每一像素點(diǎn)的灰度值為g（X，Y），坐標(biāo)系變換是x = X + ΔX，y = Y + ΔY。

重疊區(qū)域S的比對(duì)采用差值法，重疊區(qū)域相似性度量計(jì)算公式如下：

模板掃描策略從β ~ 1，每次掃描都會(huì)有一個(gè)A值，取所有A值中的最小值：min（A1，A2，A3，…）

此時(shí)的ΔX是AGV在2幀時(shí)間內(nèi)行駛前進(jìn)方向的路程，ΔY是AGV行駛方向的垂直方向的偏移。在時(shí)間t內(nèi)前進(jìn)方向行駛的距離為∑ΔX，垂直方向?yàn)椤痞。

1.3 CCD攝像頭與AGV移動(dòng)速度關(guān)系

CCD攝像頭拍攝面積、傳輸幀數(shù)與AGV行駛速度之間的關(guān)系如下：

其中，v是AGV移動(dòng)速度，β是重疊區(qū)域重疊系數(shù)，LONG是CCD攝像頭窗口拍攝矩形長(zhǎng)度大小，COLUMN是CCD攝像頭分辨率列數(shù)，F(xiàn)PS是幀率。

1.4 拍攝條件

1）消除拖影。運(yùn)動(dòng)物體如果速度過(guò)快，在每一幀的圖像中會(huì)有拖影出現(xiàn)，所以在選擇CCD攝像頭時(shí)，最好選擇120 FPS的CCD攝像頭，快門速度>=1/50 s，小車行駛越快，需要快門速度越快。這樣可以有效消除拖影對(duì)算法的影響。

2）消除曝光瑕疵。照射地面的光線可能由于外在原因，導(dǎo)致不同幀的圖像的不同位置的光強(qiáng)度有變化對(duì)算法的結(jié)果有一定影響。所以需要在AGV底部增加主動(dòng)光源，如圖4所示。

圖4 光源與CCD攝像頭位置示意圖

試驗(yàn)選擇日常的瓷磚地面，瓷磚地面普遍比較光滑，顏色趨于一致。但是如果近距離用攝像頭拍攝，會(huì)發(fā)現(xiàn)瓷磚表面會(huì)有大小不一的孔洞，有光源照射時(shí)，與瓷磚背景形成鮮明對(duì)比，如圖5 ~ 圖6所示，CCD攝像頭鏡頭角度為30.4°，距離地面距離100mm。

圖5 光源以30°角照射地面

圖6 光源垂直照射地面

根據(jù)地面狀況不同，光源入射角度也不同，此試驗(yàn)選擇光源垂直照射地面，使得特征孔洞與地面整體有更大的對(duì)比反差。

2 轉(zhuǎn)彎行駛圖像匹配

試驗(yàn)使用的AGV是由2個(gè)無(wú)刷電機(jī)帶主動(dòng)輪和一個(gè)萬(wàn)向輪被動(dòng)輪構(gòu)成的樣車即小車，如圖7所示。

圖7 小車示意圖

CCD攝像頭安裝在小車下方，2個(gè)主動(dòng)輪中心位置，向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，小車右輪不動(dòng)，左輪轉(zhuǎn)動(dòng)，向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，小車左輪不動(dòng)，右輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1 轉(zhuǎn)彎塊匹配算法

小車轉(zhuǎn)彎的過(guò)程也是CCD攝像頭繞固定輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程，以向左轉(zhuǎn)彎為例，示意圖如8所示。

圖8 相鄰2幀的位置

模板的大小和坐標(biāo)定義如下：前一幀的坐標(biāo)系是ρ - θ，每一像素點(diǎn)的灰度值為f（ρ，θ），后一幀的坐標(biāo)系是r - φ，每一像素點(diǎn)的灰度值為g（r，φ），坐標(biāo)系變換是φ = θ + Δθ，r = ρ + Δρ。在此采用極坐標(biāo)系。

重疊區(qū)域S的比對(duì)采用差值法，重疊區(qū)域相似性度量計(jì)算公式如下：

板掃描策略從β ~ 1，每次掃描都會(huì)有一個(gè)B值，取所有B值中的最小值：min（B1，B2，B3，…）

此時(shí)的Δρ值是小車在2幀時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)瞬心的偏移，直角坐標(biāo)系內(nèi)的值是（Δρ × cosθ，Δρ × sinθ），Δθ是小車行轉(zhuǎn)彎時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角。在時(shí)間t內(nèi)轉(zhuǎn)彎的偏移量為（∑Δρ × cosθ，∑Δρ × sinθ）和轉(zhuǎn)彎角度為∑Δθ。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析

3.1 其中2幀對(duì)比的計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)用CCD攝像頭設(shè)定為320 x 240像素，β系數(shù)設(shè)定為0.9，用Matlab仿真，圖9為其中2幀掃描結(jié)果。

圖9 4個(gè)方向Matlab計(jì)算結(jié)果

分析從4個(gè)方向計(jì)算結(jié)果，在右上方有最小值，所以判斷第2幀圖像在第1幀圖像的右上方，將4個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果合成在一個(gè)坐標(biāo)系下，結(jié)果如圖10所示。

圖10 4個(gè)方向坐標(biāo)系合成Matlab計(jì)算結(jié)果

由坐標(biāo)系換算得到，第2幀圖像在第1幀圖像右上方，橫坐標(biāo)偏離21個(gè)像素點(diǎn)，縱坐標(biāo)偏離23個(gè)像素點(diǎn)。

3.2 小車直線行駛計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)用CCD攝像頭設(shè)定為320 x 240像素，β系數(shù)設(shè)定為0.9，幀率120 FPS。小車直線向前行駛距離，其中約1 s的數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 小車約1 s內(nèi)行駛前方和側(cè)方每幀像素個(gè)數(shù)

小車在約1 s時(shí)間內(nèi)，向右移動(dòng)了206個(gè)像素點(diǎn)，向下方偏移了32個(gè)像素點(diǎn)。換算成距離約向前移動(dòng)了34.9788 mm，偏移5.4336 mm。

使用基恩士激光位移傳感器（型號(hào)LK-G150，精度0.01 um）測(cè)量小車，將小車移動(dòng)200 mm的距離，重復(fù)試驗(yàn)30次。CCD攝像頭拍下的圖像，用基于塊匹配算法，實(shí)際計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 小車直線行駛200mm時(shí)算法誤差

3.3 小車轉(zhuǎn)彎2幀對(duì)比結(jié)果

以左轉(zhuǎn)彎為例，圖12為小車左轉(zhuǎn)彎時(shí)，2幀圖像基于塊掃描的匹配結(jié)果。

圖12 小車左轉(zhuǎn)彎2幀圖像塊掃描結(jié)果

表2 小車左轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)角計(jì)算誤差

使用精度為0.05°的陀螺儀芯片，使小車向左轉(zhuǎn)彎30°，CCD攝像頭拍下圖像，用基于塊匹配算法，四舍五入精度到小數(shù)點(diǎn)后一位。實(shí)際計(jì)算結(jié)果如表2所示。

經(jīng)計(jì)算，計(jì)算值與實(shí)際值存在一定誤差，直線行駛，計(jì)算值的誤差率比較低，轉(zhuǎn)彎行駛誤差比較高，分析其原因如下：

1）直線行駛。

①實(shí)際移動(dòng)不完全是像素點(diǎn)的整數(shù)倍，而算法中沒(méi)有考慮不是完整像素的情況。

②實(shí)際CCD攝像頭安裝位置和鏡頭角度導(dǎo)致攝像頭可照射范圍不是整數(shù)倍，本身鏡頭覆蓋面有一定誤差。

2）轉(zhuǎn)彎行駛。

①由于轉(zhuǎn)彎行駛是按照極坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算的，而像素點(diǎn)本身是直角坐標(biāo)系，在相互轉(zhuǎn)換計(jì)算中，會(huì)有一定誤差。

②由于轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)考慮轉(zhuǎn)動(dòng)瞬息的移動(dòng)情況，在算法消除瞬心移動(dòng)時(shí)，也會(huì)造成一定誤差。

所以整體轉(zhuǎn)彎行駛的算法的誤差會(huì)比直線行駛誤差要大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了使用CCD攝像頭，根據(jù)地面圖像，配合本文提出的算法，可以用于平整地面AGV的軌跡計(jì)算。其優(yōu)點(diǎn)是與全局?jǐn)z像頭相比成本低，精度高。

與傳統(tǒng)方法相比，無(wú)需在地面鋪設(shè)大量標(biāo)志線，適用范圍廣，AGV行駛更加自由。但本算法在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，其誤差的累積還是比較大。為此筆者將對(duì)以下幾種解決方法進(jìn)行研究：

1）選取像素更低、曝光時(shí)間更短的CCD攝像頭來(lái)提高精度。

2）選擇2個(gè)或者3個(gè)CCD攝像頭，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)來(lái)降低誤差。

3）在地面鋪設(shè)少許RFID標(biāo)簽，在導(dǎo)航路徑規(guī)劃時(shí)，行駛一定距離時(shí)，導(dǎo)航到RFID標(biāo)簽范圍內(nèi)，對(duì)其累積誤差進(jìn)行校正。