基于dsPIC單片機和機器視覺的AGV車控制器研究

樊 劍，袁月峰，蔡曉雯

（中國計量學院 質量與安全工程學院，杭州 310018）

0 引言

AGV是Automated Guided Vehicle的英文縮寫，中文解釋為自動導引車輛[1]。近幾年，隨著計算機技術的發(fā)展和CCD圖像技術的成熟，加上自動化加工生產(chǎn)和柔性制造系統(tǒng)等先進的生產(chǎn)技術在社會生產(chǎn)中逐漸興起，微控制器和機器視覺技術在工業(yè)領域的應用也越來越廣泛，設計穩(wěn)定的AGV自動導航車也顯得越來越重要[2]。AGV自動導航車的控制方法要根據(jù)不同的應用場合而有所變化，本文以制造業(yè)運輸裝配線為研究對象。

主要的研究內容是以單片機為核心控制器采用基于機器視覺的AGV自動導航車的圖像數(shù)據(jù)采集與處理和步進電機的控制方法等。

1 軌跡規(guī)劃

本系統(tǒng)的自動導航車的軌跡規(guī)劃如圖1所示。由圖可知，自動導航車的運行流程為。

1）導航車在停車工位停止等候送貨指令的發(fā)送，待接收到指令（送貨工位x）后，開始沿著黑線循跡，直到找到工位x的進工位標志，之后直角轉彎進入工位卸貨，待接收到卸貨完成的指令之后繼續(xù)前進，直到出工位標志。

2）直角轉彎之后循跡回到倉庫停車位置等待下一次運輸指令的發(fā)送。

圖1 自動導航車軌跡規(guī)劃

2 硬件設計

CCD圖像采集和和處理電路的設計是本系統(tǒng)硬件設計的關鍵部分，具體電路設計如圖2所示。其中，J1為Omnivsion公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器OV7620，系統(tǒng)選用的OV7620是YUV 16/8位可選模式，系統(tǒng)主要研究的是在320×240分辨率下處理8位的Y信號分量。系統(tǒng)涉及的信號有場中斷（VSYNC）、行中斷（HREF）和8位的Y數(shù)據(jù)（Y0-Y7）。U1為單片機控制器，采用的是Microchip公司的16位單片機PIC33FJ256MC710。U2為MAX232電平轉換芯片，P1為電腦的串口。單片機控制器分別通過三個信號線（EN，Dir，PWM）與Stepper motor_1（步進電機驅動器1）和Stepper motor_2（步進電機驅動器2）相連。為了能清晰直觀地看出單片機中采集到的圖像信息，需要將單片機中采集到的數(shù)據(jù)通過串口通信與上位機連接，通過上位機上的軟件顯示采集到的數(shù)據(jù)，從而判斷單片機的數(shù)據(jù)采集的準確性[3]。

3 圖像采集和處理的實現(xiàn)

3.1 數(shù)字圖像的采集

為了提高系統(tǒng)的實時性，視頻采集采用的是外部中斷觸發(fā)采樣的方式采集圖像數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)在進行中斷函數(shù)初始化時，需要將場中斷設置為下降沿捕捉，行中斷設置為上升沿捕捉，在場中斷中開啟行中斷，在行中斷之后連續(xù)讀取8位的Y數(shù)據(jù)[4]。

在8位數(shù)據(jù)的讀取中，要通過調整讀取數(shù)據(jù)的時間間隔來保證采樣的準確性，防止采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)生左右偏移的現(xiàn)象，這個過程就需要通過上位機進行聯(lián)合測試，系統(tǒng)的圖像采集流程圖如圖3所示。

從整個自動導航車來看，由于場中斷信號的頻率是60Hz，所以系統(tǒng)在16.67ms的場中斷時間間隔中，不但要完成圖像數(shù)據(jù)的采集和處理，還要完成電機脈沖的控制。

因此，系統(tǒng)采用隔行采樣的方式，但又要保證足夠的采樣數(shù)據(jù)，所以必須選擇合適的采樣間隔。系統(tǒng)采用從第17行開始采樣，每隔7行采樣一次的方式，這樣的話需要采樣的行為17，24，31……共采集40行50列，即采樣數(shù)組CCD_DATA為40行50列的數(shù)組，數(shù)據(jù)采樣到第290個行中斷之后停止采樣。

圖2 圖像采集與處理電路

3.2 數(shù)字圖像的處理

圖像信息經(jīng)過CCD采集之后傳輸給單片機，單片機接收到的是灰色圖的數(shù)據(jù)，要想更近一步地處理圖像數(shù)據(jù)，需要將灰色圖像的數(shù)據(jù)經(jīng)過閾值分割（二值化）之后轉換成黑白兩色的二值化圖，這項技術也叫圖像閾值分割[5]。閾值分割之后的二值化圖只有0（0x00）和255（0xff）兩個值，如圖4所示。其中，0x00表示的是黑色的像素點，0xff表示的是白色的像素點。由此可見，最優(yōu)的二值化分割閾值（T1）就是擁有良好二值化效果的一個關鍵和決定性因素。

圖3 圖像數(shù)據(jù)采集流程圖

圖4 二值化灰度變換函數(shù)

閾值確定的一般方法有：峰谷法、迭代法、大律法和分水嶺法等[6]。為了能使單片機控制器更加快速簡單的實現(xiàn)該算法，本系統(tǒng)采用了大律法進行閾值分割。大律法又稱最大方差法，其實現(xiàn)過程如下：

1）首先記T為分割閾值，利用T把數(shù)組CCD_DATA分成兩組R1和R2，用公式（1）和公式（2）確定R1和R2的平均灰度。

其中N1和N2分別是R1和R2中的像素點個數(shù)。

2）從最小灰度值到最大灰度值遍歷T，當T使得公式（3）達到最大時，T即為分割的最佳閾值。其中 0w和 1w分別表示R1和R2的中像素點數(shù)所占總像素點數(shù)的比例。

在實際控制器的實現(xiàn)過程中，為了減少控制器的運算，可以對該方法進行適當?shù)母倪M?？梢栽O定一個T值的合理變化區(qū)間，在驗證公式（3）時，在這個區(qū)間之中從小到大遍歷T，這樣就可以減少運算次數(shù)，提高控制器的工作效率。

在閾值的確定中，環(huán)境明亮程度的變化會使最佳閾值發(fā)生變化，固定的閾值就無法適應明亮程度變化的環(huán)境，所以需要采用動態(tài)調整的閾值。本系統(tǒng)的動態(tài)閾值調整法的實現(xiàn)方法是每隔時間Δt，根據(jù)采集到的圖像數(shù)據(jù)，重新確定圖像的閾值，使圖像的閾值能根據(jù)環(huán)境的不同做相應的調整，從而消除了固定閾值不能適應環(huán)境變化的弊端。

圖5 單片機二值化路徑與實際路徑對比圖

本系統(tǒng)的圖像采集與處理的試驗是在鋪有接近白色的地面上進行的，在該地面上鋪設黑色的引導線?；趩纹瑱C控制器的視覺導航AGV能準確實時提取標識線的導航參數(shù)AGV實時跟蹤路面標識線，如圖5所示。

圖的上半部分是攝像頭采集到的實際路徑圖，圖的下半部分是上位機顯示，即單片機采集到經(jīng)過二值化處理的的路徑圖像。由圖5可知，當識別不同的路徑時，該導航車系統(tǒng)能表現(xiàn)出較好的路徑識別效果。

檢測路徑的中心位置是用來定位路徑的，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機的二值化處理之后，要想確定中心線，必須將二值化圖中的路徑用邊沿檢測的方法檢測出來，邊沿檢測后，確定一行數(shù)據(jù)的左右邊沿的位置，之后求左右邊沿的均值就可以確定中點的位置，并由中點確定圖像的中心線。

4 步進電機運動控制

4.1 步進電機的速度調節(jié)方法

當步進電機的運行頻率（fy）低于它本身的啟動頻率（fq）時，步進電機可以用運行頻率（fy）直接啟動，并以該頻率連續(xù)運行，當需要停止時可以從運行頻率（fy）直接降到零速；當步進電機的運行頻率（fy）高于啟動頻率（fq）時，由于頻率太高會產(chǎn)生丟步，甚至堵轉的情況，所以步進電機必須采用升降速控制，也就是脈沖頻率的升降頻控制[7]。

升降頻采用的是直線升降頻法，這種方法以恒定的加速度進行升降頻，這種方法平穩(wěn)性好，加速時間較長，適用于速度變化不是特別劇烈的情況，加減速過程較簡單，控制器容易實現(xiàn)[8]。

4.2 升降頻的離散化

由于步進電機真實速度不僅難以測量，而且用解析式也很難表示，所以在升降速控制時以控制脈沖的實時頻率為基準。

由于系統(tǒng)采用的是直線升降頻法，所以可以隨機截取一段升頻過程。假設當前脈沖頻率為fc，想要設置的脈沖頻率為ft（ft>fc），則升頻的算法如公式（4）所示，其中t為升降頻所用的時間，k為單位時間內所上升的頻率點數(shù)。

則程序運行時，可以由公式（5）計算出升頻所用的時間為：

由于系統(tǒng)采用的脈沖產(chǎn)生模式是定時器中斷模式，為了在單片機中實現(xiàn)升頻，必須將升頻段均勻地離散為n段。取n=6為例，如圖6所示。

將升速過程均勻地分成了6檔。由公式（5）可知，總的升頻時間為t，則相鄰兩次的頻率變化時間間隔為：

公式（6）中的n階梯升頻的分檔數(shù)，則每一檔的頻率為：

以上就是對升頻所做的處理，降頻過程的處理方法與升頻過程類似。

圖6 升降頻實現(xiàn)過程圖

4.3 直角轉彎的實現(xiàn)

由系統(tǒng)的運行線路可知，系統(tǒng)的所有轉彎都是采用直角轉彎，所以準確地轉過每一個直角轉彎是系統(tǒng)安全有效運行的關鍵。步進電機的開環(huán)控制可以使直角轉彎的實現(xiàn)更為簡單，因為步進電機轉過的角度可以通過計數(shù)發(fā)送的脈沖個數(shù)來決定[9,10]。

如圖7所示，車輪間距為R，車輪半徑為r，車子繞一個車輪的中心轉過90°角，則轉動的車輪走過的路程為：

由公式（8）可得電機轉過的角度為：

從而根據(jù)步進電機的步距角a，控制器要想實現(xiàn)直角轉彎需要發(fā)送的脈沖個數(shù)為：

5 結束語

本文介紹了基于PIC33FJ256MC710單片機控制器的機器視覺小車的控制方法，通過上位機測試圖像采集與處理的準確性。以單片機為控制核心，從理論分析和實時測試CCD圖像數(shù)據(jù)的采集與處理過程和步進電機的控制方法，在對步進電機的控制上建立了開環(huán)的控制方法。本文的硬件設計和控制方法是基于特定的運行場景和配送系統(tǒng)，本文提出的理論在普適性上還有待提高。

圖7 直角轉彎示意圖

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