叉車的視覺智能化系統(tǒng)研究

張愛梅，李林巖，吳衛(wèi)衛(wèi)

ZHANG Ai-mei, LI Lin-yan, WU Wei-wei

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

叉車是現(xiàn)代自動(dòng)物流系統(tǒng)和柔性運(yùn)輸系統(tǒng)的主要搬運(yùn)工具[1]。在工廠、倉庫和港口等，成件托盤貨物裝卸、堆垛和短距離搬運(yùn)作業(yè)中叉車被廣泛的應(yīng)用。但其不足是智能化和自動(dòng)化水平低。而人工操作叉車過程中存在的問題是勞動(dòng)強(qiáng)度大、高貨架貨物存取不易精確目測(cè)?；谝陨蠁栴}，本文提出叉車視覺智能化系統(tǒng)。

叉車視覺智能系統(tǒng)由兩部分組成：一部分是自動(dòng)尋址，另一部分是路徑規(guī)劃。自動(dòng)尋址是以有線視覺引導(dǎo)[2,3]、雙比例控制，實(shí)現(xiàn)叉車沿引導(dǎo)線運(yùn)行，叉車在自動(dòng)尋址過程中保證了運(yùn)行精度、實(shí)時(shí)性和魯棒性。路徑規(guī)劃是根據(jù)叉車運(yùn)行的起點(diǎn)和預(yù)定的工作位置，給出以幾何參數(shù)描述的期望參考點(diǎn)，路徑規(guī)劃保證了叉車能適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境和多變的柔性運(yùn)輸系統(tǒng)?？傮w上來說，自動(dòng)尋址研究的是叉車如何自動(dòng)運(yùn)行，路徑規(guī)劃研究的是叉車如何選擇路徑到達(dá)預(yù)定的工作位置。色中心線用作引導(dǎo)線和尋址標(biāo)記，在托盤上貼反光帶以輔助貨叉定位。

添加設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能為：CCD攝像頭動(dòng)態(tài)地獲得車輛前方路徑的灰度圖像信息；紅外傳感器獲得貨叉的位置信息；單片機(jī)結(jié)合相應(yīng)程序，對(duì)路徑的圖像信息和貨叉的位置信息處理，并輸出控制信號(hào)

圖1 添加的設(shè)備安裝位置

1 自動(dòng)尋址

本文選用三支點(diǎn)平衡重式電動(dòng)叉車，該叉車主運(yùn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向和貨叉提升由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。叉車最大行駛速度12 km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑1.45m，貨叉最大提升高度3.3m。

為實(shí)現(xiàn)叉車自動(dòng)尋址需要在叉車上添加相關(guān)設(shè)備，各添加的設(shè)備安裝位置如圖1所示。在叉車前后各安裝一個(gè)CCD攝像頭；在兩個(gè)貨叉前端各安裝紅外線傳感器；安裝單片機(jī)及外圍電路作為系統(tǒng)核心。另外在叉車運(yùn)行的白色路徑上涂黑PWM分別控制主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)。

自動(dòng)尋址包括路徑尋址模塊和貨叉定位模塊，如圖2所示。路徑尋址模塊：圖像采集、提取中心線是獲得前方路徑信息并為后續(xù)控制提供導(dǎo)航參數(shù)；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)導(dǎo)航參數(shù)不斷修正運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。貨叉定位模塊：紅外傳感器獲得的貨叉位置信息，保證在正確的高度提取和卸載貨物。

圖2 自動(dòng)尋址構(gòu)成示意圖

1.1 路徑尋址

1.1.1 圖像采集

由CCD攝像頭獲取的路徑圖像是連續(xù)灰度圖像序列。根據(jù)叉車的運(yùn)行速度、控制精度設(shè)定每秒20幀圖像。為了解決叉車對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高、單片機(jī)硬件處理能力及存儲(chǔ)空間有限等問題，應(yīng)該盡量減少采集量和運(yùn)算量。本文提出圖像采集方法是將一幅圖像分為上下兩個(gè)部分，中間區(qū)域像素丟失，如圖3所示。首先逐行采集圖像處理二區(qū)，在等待采集圖像處理一區(qū)的時(shí)間里對(duì)圖像處理二區(qū)進(jìn)行二值化、濾波等處理。這樣的采集方法減少了一半數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量。

圖3 路徑圖像示意圖

1.1.2 提取中心線和導(dǎo)航參數(shù)

本文結(jié)合黑色引導(dǎo)線在空間的連續(xù)性和黑色引導(dǎo)線分布的特點(diǎn)[4]，采用追蹤搜索方法進(jìn)行黑色中心線提取。

黑色中心線在空間上連續(xù)是指獲取的圖像中黑色中心線在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大的位置變化，而黑色中心線分布特點(diǎn)是連續(xù)的、無中斷點(diǎn)。根據(jù)這兩個(gè)特點(diǎn)，在圖像處理二區(qū)最下方一行采用全行搜索的邊緣檢測(cè)，如圖4所示。確定第一行黑色線左右兩個(gè)邊界位置的像素點(diǎn)A1（L1，1），B1（R1，1）。而第一行黑色線的中心點(diǎn)位置為C1[(R1—L1)/2，1]。第二行邊緣檢測(cè)時(shí)，確定一個(gè)領(lǐng)域值 Δδ，在 [(L1-Δδ，2），(R1+Δδ，2)]內(nèi)檢測(cè) A2，B2，第二行黑線中心位置為C2[(R2—L2)/2，2]。同理利用第n行左右邊緣區(qū)間[(Ln-Δδ，n），(Rn+Δδ，n)]搜索第n+1行中心點(diǎn)。追蹤搜索法只是在比黑色線略寬的帶狀區(qū)域上檢測(cè)黑線左右邊緣。鄰域值Δδ需要根據(jù)叉車運(yùn)行的速度和黑色中心線圓弧半徑確定。追蹤搜索方法有效的解決了黑色中心線兩側(cè)噪聲對(duì)圖像處理干擾問題，并且減少了運(yùn)算量，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。最后用得到的每行中心點(diǎn)擬合出中心線。在獲得一幅圖像中心線后，就可以算出方向偏差角α和位置偏差b。α反映前方路徑與當(dāng)前叉車中心的方向偏離關(guān)系，其值越大表明偏差越大，b反映路徑中心和叉車軸線的位置偏離關(guān)系。α，b為轉(zhuǎn)向控制提供依據(jù)。

圖4 追蹤搜索方法示意圖

1.1.3 叉車的轉(zhuǎn)向控制

通過分析，叉車采用開環(huán)雙比例控制[5,6]。計(jì)算公式為：

得到控制轉(zhuǎn)角值φ后，再將轉(zhuǎn)角映射成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角的PWM信號(hào)。公式中k1、k2根據(jù)速度和控制周期確定。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角不變的情況下，叉車做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)速度為Vm/s。如圖5所示，前后軸距B，導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角β，回轉(zhuǎn)中心O，圓周半徑R。

圖5 叉車轉(zhuǎn)向模型

則得到以下的關(guān)系：

設(shè)控制周期為T，一個(gè)控制周期內(nèi)叉車走過的弧度數(shù)為θ，則有：

由公式(2)、(3)得：

由公式（4）可得到一個(gè)控制周期叉車走過的弧度數(shù)。

1.2 貨叉定位

貨叉定位是指貨叉沿著貨架高度方向定位。在定位過程中主要解決的問題是如何保證貨叉能在正確的高度撿取和卸載貨物。由于要完成入庫和出庫兩種作業(yè)，因而對(duì)貨叉的定位有不同要求。入庫時(shí)：要求貨叉停高位，叉車靠近貨架到達(dá)指定位置時(shí)貨叉微降，叉車后退，完成存儲(chǔ)貨物操作。出庫時(shí)：要求貨叉停低位，叉車前進(jìn)到指定位置后貨叉微升至高位，然后叉車后退。貨叉下降完成提取操作。

由安裝在貨叉前端的兩個(gè)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)定位，為了確保定位的準(zhǔn)確性，在貨架和托盤上貼上反光帶如圖6所示。下面以入庫為例敘述貨叉的定位過程。

入庫定位過程：貨叉由液壓驅(qū)動(dòng)，當(dāng)紅外傳感器每掃描到一個(gè)貨架上的反光帶后層計(jì)數(shù)器Cz加一，當(dāng)Cx=zi-1時(shí)提升機(jī)構(gòu)減速運(yùn)行。當(dāng)Cx=zi時(shí)，貨叉已經(jīng)到達(dá)預(yù)定層。但貨叉需繼續(xù)提升Δh，停在高位，Δh由固定PWM控制信號(hào)保，然后叉車前進(jìn)，貨叉下降Δh停地位，完成入庫操作。

2 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是根據(jù)叉車運(yùn)行的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，給出以幾何參數(shù)描述的期望參考點(diǎn)。叉車按規(guī)劃好的路徑運(yùn)行，以便準(zhǔn)確快速地到達(dá)目的地點(diǎn)。

圖6 貨叉高低位及控制示意圖

叉車的作業(yè)情況分為單一入庫、出庫作業(yè)和復(fù)合作業(yè)。單一入庫、出庫作業(yè)：貨物入庫時(shí)，根據(jù)預(yù)定的作業(yè)任務(wù)清單中入庫貨物的位置和數(shù)量，進(jìn)行路徑規(guī)劃。完成存儲(chǔ)操作后返回原處等待下次任務(wù)。出庫時(shí)與上述過程相反，將指定位置的貨物取出。復(fù)合作業(yè)：當(dāng)叉車完成地址1貨物的入庫后，隨即轉(zhuǎn)入地址2完成出庫操作。

叉車工作環(huán)境中，貨物放置可以用三維坐標(biāo)標(biāo)定，即貨架行數(shù)為Xi，貨架的列為Yi，貨位的層數(shù)位Zi，如圖7所示。因此根據(jù)工作環(huán)境，在路徑規(guī)劃時(shí)分別按行和列規(guī)劃。

圖7 視覺智能叉車工作環(huán)境

2.1 行規(guī)劃

叉車啟動(dòng)的位置設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0），啟動(dòng)后根據(jù)預(yù)定地址（xi，yi，zi）首先進(jìn)行行尋址，行尋址應(yīng)用計(jì)數(shù)法確定。叉車每走過一行后行計(jì)數(shù)器Cx自動(dòng)加一，當(dāng)Cx=xi-1時(shí)設(shè)定叉車減速運(yùn)行，當(dāng)Cx= xi時(shí)控制系統(tǒng)控制電液比例閥實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向，進(jìn)入第Xi行，計(jì)數(shù)器的數(shù)值（Cx=xi）保留。在叉車進(jìn)行復(fù)合作業(yè)時(shí)就可以利用計(jì)數(shù)器保留的值進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)尋址。

2.2 列規(guī)劃

列尋址同樣采用計(jì)數(shù)法來確定。當(dāng)叉車從行轉(zhuǎn)向列尋址后，列計(jì)數(shù)器Cy開始計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)Cy=yi，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。叉車在存取貨物前，需要利用攝像頭獲得的圖像實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。當(dāng)圖像處理一區(qū)出現(xiàn)定位標(biāo)志時(shí)，叉車緩慢運(yùn)動(dòng)；當(dāng)圖像處理二區(qū)出現(xiàn)定位標(biāo)志時(shí)叉車停止運(yùn)動(dòng)。為了保證貨叉能準(zhǔn)確插入托盤內(nèi)，必須檢測(cè)叉車中心線和引導(dǎo)線中心線是否重合。如果重合進(jìn)行貨叉起升操作；如果不重合叉車后退一段距離重新定位。

3 結(jié)束語

叉車的視覺智能化系統(tǒng)通過圖像獲取、圖像處理、自動(dòng)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有線視覺引導(dǎo)、路徑規(guī)劃，準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛和貨物存取功能。整個(gè)系統(tǒng)采用積木模式搭建，配置靈活，可應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，如生產(chǎn)流水線、自動(dòng)倉庫等。

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