AGV视觉导航设计方案经典
AGV搬运机器人视觉导航方案
AGV（Automated Guided Vehicle，AGV）作为现代制造系统中的物料传送设备已经得到了广泛应用。从理论上看，视觉导引AGV具有较好的技术应用前景，然而其却没能像电磁导引和激光导引 AGV 那样广泛使用，主要问题在于视觉导引技术在实时性、鲁棒性和测量精度方面还有待进一步突破。
由多个 AGV 单元组成的 AGV 系统（ Automated Guided Vehicle System，AGVS）配有系统集成控制平台，对 AGV 的作业过程进行监管和优化，例如，创立任务、地图生成、发出搬运指令、控制AGV 的运行路线、跟踪传送中的零件以及多 AGV 的任务规划和调度。将 AGV 与外部自动化物流系统、生产管理系统有机结合，对系统内每台 AGV 合理地分配当前任务、选择最佳路径、实时图形监控、管理运行安全，实现信息化的管理和生产，方便地构成由调配中心计算机控制的自动化生产线、自动仓库和全自动物流系统。
当前视觉导引方式主要方法有基于局部视觉和全局视觉两种方法。基于视觉导引的 AGV 还没有大规模产业化，但其潜在的市场前景使其成为近几年来国内外 AGV 研究的热点。
全局视觉导引方法是将摄像机安装在天花板或者墙上，以整个工作环境为目标，对包括 AGV、导引路径、障碍物等进行对象识别，对各个摄像机获取的图像进行基于特征的图像融合，得到全局地图。在生成的全局地图中，每个 AGV 单元，导引线，障碍
物的绝对坐标都能够实时获取。全局视觉方法相对于将摄像机安装在车体上的局部视觉方法，在多 AGV 调度、障碍物检测（固定和移动）、避障、全局监测方面更具优势。特别是能够对AGV 和障碍物的特征进行分类，经过增强型的卡尔曼滤波方法进行运动估计，动态跟踪每一个目标的位置、速度。可是这种方法要根据不同的现场环境，按照视野不被遮挡并覆盖整个工作空间的原则，根据摄像机放置算法决定摄像机的数目、安装位姿。因此这张全局视觉方法仅仅适用于室内且空间较大的场合，而且导引精度较低。
相对而言，当前国内外研究较多的是局部视觉导引方式。局部视觉导引方式是将单车看作一个智能体，在车上安装摄像机和图像采集系统实时地处理环境信息，其主要有基于自然场景和结构化场景两种导航方式。基于自然场景的导航方式经过运行路径周围环境的图像信息与环境图像数据库中的信息进行比较，从而确定当前位置并对运行路线做出决策。这种方法不要求设置任何物理路径，在理论上具有最佳的柔性；但三维图像处理的实时性差和环境图像数据库的难以建立，限制了它的实际应用。
基于结构化场景的导引方式一般是在地面粘贴或铺设一些特殊形状或颜色的线路和符号，由视觉系统识别预定义的路经，包括导引路径相对 AGV 的位置偏差和角度偏差、路径节点、工位、转弯、停车、加减速等标识。这种视觉导航方式的优点是视觉系统只需提取预设的特定目标，并根据目标特征的先验知识做进一
步的计算，提高了图像处理的速度和系统的鲁棒性。基于结构化场景的视觉导航技术能较好满足柔性制造系统对物流设备在导向柔性、空间利用、运行安全性以及成本等方面的要求，具有路径设置柔性高、信息识别速度快、导航稳定程度好、导航行走精度高和导向信息容量大等突出优点，因此有着更广阔的应用前景，也是国内外研究机构和学者近年来研究较多的视觉导引方式。
1、视觉导引 AGV 系统
运动型视觉导引 AGV 系统模型图如图 1 所示。
图 1 视觉导引 AGV 系统模型图
AGV 的差速驱动系统由左右两个直流伺服电机驱动的驱动轮组成，其前后两个万向轮起支撑作用，这种驱动结构能够经过调节两个驱动轮的速度和转向，实现前进、后退双向运动。当两驱动轮的速度相同且方向一致时，AGV 做直线运动；当两驱动轮的速度相同且方向相反时，AGV 绕驱动轮轴线的中心点做原地自转
运动；当两驱动轮的速度不同时，AGV 能做任意转弯半径的圆弧运动。差速转向驱动方式具有无最小转弯半径限制且能够双向运动的优点。控制系统经过安装在驱动轴上的编码器反馈，组成一个闭环系统。基于两轮差速驱动的 AGV 路径跟踪法采用PID 控制法。
导引用摄像机位于运动控制中心点上方，垂直于地面安装。这种设计方式使得运动控制中心点在摄像机视野内，能够获得即时和未来小范围内前进、后退两个方向的路径信息。这种安装方式因视野小，模型估计的精度相对较高，同时也不易受到外界环境的干扰；但其也弱化了对路径的预测功能，因此对视觉测量和运动控制的实时性要求更高。封闭的 AGV 车体内成像较暗，有必要放置辅助照明光源，同时也能够提高对环境光的抗干扰性，将用于照明的环形 LED 光源与摄像机同轴放置有利于系统的模块化设计，便于安装和维护。
1）视觉定位
利用 AGV 上车载传感器的感知信息估计其在给定环境中的位姿。AGV 作为物料传输工具，在运动途中，对其行走精度要求不高，在工作点要求其有较高的定位精度。在大多数工业应用中，位置精度一般要求在±10mm 内，姿态精度一般要求在±1°内。在常见的 AGV 导航方式中，激光导引的定位精度能达到±3mm，电磁导引的定位精度能达到±5mm。
经过识别预先设置的参照路标，求出 AGV 相对于路标在局部
坐标系下的方位，根据已知的这些路标在全局坐标系下的坐标，经过坐标变换能够求出 AGV 在全局坐标系中的坐标。这种方法的测量精度依赖于摄像机的分辨率和摄像机视野范围的大小，这两者决定了图像单位像素相对真实场景的放大倍数。
2）路径规划和调度
制造单元或工作站之间的物料传送靠 AGV 来实现，因而，在创立AGVS 导引地图中，十字路口、丁字路口、直角转弯、路径编号、停车工位、仓库编号等规划系统运行的拓扑地图。在视觉导引 AGVS 中，采用在地面贴数字 0～9 或者阿拉伯字母 a～z 来描述这些信息，由车载视觉系统对采集的实时图像进行分析和识别。AGV 识别的信息特征经过无线通讯报告给地面控制站，地面控制站查找数据库系统中相对应的 AGV 编号和标记特征，判断此AGV 在柔性生产线中的位置，再综合路径编号、目的地、加工工艺和其它 AGV 的信息，根据中心控制计算机的任务调度确定最佳路线、运行速度、等待时间等，经过无线通讯返回控制命令给每台AGV。
3）射频识别（RFID）
RFID系统是一种具有广泛应用前景的自动识别系统。基本的射频识别系统由 RFID 电子标签（Tag 或者 Transponder）和 RFID 读写器构成，电子标签的存储容量高达 32K bits。根据射频工作的频段和应用场合的不同，RFID 能够识别从几厘米到几十米范围内的
电子标签，而且能在运动中实时读取。采用在 AGV 路径旁放置非接触射频卡，由车载射频卡读卡器实时读取射频卡中存储的加减速、路径编号、工位编号、仓库编号、等待时间等大量信息，能够很好地解决视觉识别标识特征所带来的实时性、多义性问题。
2、视觉导航与运动控制平台设计
采用基于双处理器的分布式嵌入式系统来设计视觉导引AGV。善于并行计算的 DSP/FPGA 处理器作为视觉系统处理器，主要用于对地面环境的视频采集、视觉信息处理和 RFID 信息获取；善于事务处理的 ARM 处理器作为运动控制器和任务管理处理器，负责 AGV 单车的运动控制、无线通信、任务管理和其它辅助功能。
AGV 车载系统平台主要包括视觉导航和车辆控制两大功能。
（1）视觉导航功能由摄像机采集导引路径场景信息，DSP 由采集的视频图像识别出当前的路径模型并精确计算 AGV 相对导引路径之间的位置关系，然后融合 RFID 传感器信息，获得AGV 在拓扑地图中的位置。导航功能不但要完成视频采集、图像预处理、路径识别以及路径模型参数估计等计算量大的视觉信息处理，而且要完成与运动控制器双向通讯和 RFID 信息读取，对算法和通讯的实时性要求较高。视觉导航模块采用基于DSP 的嵌入式系统平台，其主要特点是具有专门的视频采集和处理单元，而且具有并行计算能力和流水线指令，数值运算功能强大，外围接口丰富。
（2）车辆控制功能主要涉及到多类型传感器输入，运动控制
信号输出，需要接口类型丰富，能够处理多种逻辑任务，相对于导航功能模块，其运算能力要求不高，可是需要能够实时响应外设信号。将车辆控制模块硬件模块化，采用配置实时操作系统的ARM处理器来处理车辆传感器输入、运动控制输出和通讯任务。
整个单车 AGV 分布式嵌入式系统工作原理如图 2所示。
DSP
ARM
无线通讯
PC
图2 嵌入式平台工作原理图
CCD 摄像机获取导引路径场景PAL 制式模拟视频，经视频解码后，由DSP 进行视觉信息采集与处理，并融合RFID 信息后，获得完整的导航信息，再经串口通讯发给ARM 控制器。控制器经过工业无线以太网串口将 AGV 的状态信息经过工业无线通讯发送到地面控制站PC，并经过与地面控制站的双向通讯获取运行任务，然后根据 DSP 发送的导引路径信息做出运行决策，完成导航任务。在运行的过程中，控制器还要能够实时处理传感器信号输
入，并能够接受手持遥控器的控制。
在嵌入式实时操作系统 DSP/BIOS 上实现视频采集、视觉信息处理、RFID
信息采集和通讯等多任务处理；以 ARM 为运动控制和任务管理处器，主要实现路径跟踪、工业无线以太网通讯和任务管理。将RFID 技术融合到视觉系统中，由车载 RFID 读写器实时读取路径旁放置的电子标签，获取速度等级、路径编号、工位编号、分支路径节点编号、仓库编号、等待时间等大量节点信息。组建小型AGVS，并开发地面控制站 AGV 调度监控系统，实现 AGVS 地图创立、工位标识、路径规划、任务调度和状态监控等功能。
分布式嵌入式系统采用模块化设计方法，整个系统基于导航和车辆控制两大功能划分为 3 个硬件模块，分别为基于 DSP 的视觉导航板模块、基于 ARM 处理器的车辆控制板模块和为设备提供不同电压的电源管理板模块。
每个模块单独设计为一个功能板，各模块原理图如图 3所示。
DSP
ARM
图3 嵌入式系统模块化设计
视觉导航板以 DSP 为核心，外围扩展了视频采集、SDRAM 数据存储器、
FLASH 程序存储器、E2PROM 电可擦只读存储器、串口 RS232 收发器和视频输出功能。经过TL16C752 串口收发器扩展两个通道的串口通讯，分别用于与 RFID 读写器和 LPC2200 ARM的数据交互。
车辆控制板以 ARM 为核心，该处理器具有 A/D、RS232、I/O 输入输出、PWM脉冲调制等多种接口，外围扩展了光电编码器测速反馈、直流伺服电机驱动器 PWM 控制、电机正反转 I/O 控制、传感器 I/O 输入检测、声光报警 I/O 输出、移载平台 I/O 控制、工业无线以太网通信、蓄电池电压检测和液晶显示功能。ARM自带两个 RS232 通讯接口，一个用于接收 DSP 发送的视觉导航信息，
另一个经过工业无线以太网串口服务器扩展无线通讯功能。
电源管理板是将蓄电池组提供的24V直流电经过电源转换模块得到系统设备和嵌入式系统需要的电压。蓄电池输出的 24V 电压可直接用于直流伺服电机，但电机启动的瞬间电流过大，容易引起蓄电池输出电压的瞬间急剧下降，因此需要 DC/DC 电源转换模块隔离电源，使系统的其它设备不受电机启动和调速的干扰。电源管理板将蓄电池 24V 电源变换成可靠的 12V、5V和 3.3V 供电。
3、AGVS 调度监控系统
AGVS （多AGV协调运行）作为现代集成制造系统的组成部分，主要用于完成仓库和工位之间的物料传送，一般可分为三级控制方式：中央管理控制计算机、地面控制站和车载控制器。
中央管理控制计算机是整个制造系统的控制指挥中心，它与各区域内的地面控制站进行通信，地面控制站接受中央控制计算机的管理。
地面控制站负责对区域内的业务情况进行监控管理，如监视现场设备的状况、统计 AGV利用率、小车交通管制、跟踪装载、制定目标地址、实时存储小车的地址并将 AGV 的位置与装载物的类型、数量传输给中央控制计算机。
车载控制器解释并执行从地面控制器站传送来的指令，根据导航信息实现单车自动运行，并把状态信息及时反馈给地面控制站，接受地面控制的监控。
在 AGV 系统管理中，视觉导引 AGV 能够工作在手动控制、半自动控制和自主运行三种模式，手动控制是由手持遥控器控制，主要用于人工临时干预状况；半自动控制由地面控制站设置相关参数后，交由车辆管理系统控制；自主运行是根据工厂环境，创立电子地图，并按照生产任务实现的系统管理和任务调度。
注：视觉导航机理
CCD 摄像机采集的图像输入到 DSP 中，DSP 经过相应的机器视觉算法做路径模型估计和多分支路径识别，计算 AGV 运动控制中心相对导引线的距离偏差和 AGV 当前前进方向相对于导引线的角度偏差，定时发送一次路径偏差信息给控制系统。当识别到多分支路径时，立即将多分支路径识别结果发送给控制系统，计算出分支路径转弯节点的位置，并在转弯开始后跟踪转弯完成的过程，以上路径信息经过串口发送给 ARM，控制系统再做出相应的前进、调速、转弯等控制策略。