基于慣導(dǎo)和視覺(jué)定位的AGV倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人

朱士光+張帆+張聰

摘 要：采用慣性導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航組成的組合導(dǎo)航模式，慣性導(dǎo)航，應(yīng)用慣性元件（加速度計(jì)）來(lái)測(cè)量機(jī)器人自身的加速度，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航定位的目的。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在機(jī)器人體內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，抗干擾能力很強(qiáng)，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)；視覺(jué)導(dǎo)航是在地面上利用顏色反差較大的色帶對(duì) AGV 小車的行駛路徑進(jìn)行規(guī)劃，AGV 上安裝的攝圖傳感器將不斷拍攝的圖片傳送給中央控制單元，通過(guò)與存儲(chǔ)圖片進(jìn)行對(duì)比，輸出偏移量信號(hào)給驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，從而糾正 AGV 的行駛路徑，實(shí)現(xiàn) AGV 的導(dǎo)航。 而慣性導(dǎo)航是利用陀螺儀等傳感器實(shí)時(shí)獲取車輛的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合圖像信息，實(shí)時(shí)做出判別和命令，以達(dá)到無(wú)人運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

關(guān)鍵詞：慣性導(dǎo)航；角速度計(jì)；加速度傳感器；陀螺儀；視覺(jué)導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：V249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著倉(cāng)儲(chǔ)物流的日益發(fā)展以及勞動(dòng)力成本的不斷提高，智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)已成為不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)。因此，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始著手研究和應(yīng)用AGV。目前，國(guó)內(nèi)外AGV應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)原理主要有電磁導(dǎo)航、磁帶導(dǎo)航、激光導(dǎo)航和二維碼導(dǎo)航。電磁導(dǎo)航出現(xiàn)時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)用比較廣泛，但是在應(yīng)用過(guò)程中改變或擴(kuò)充新路徑比較煩瑣。磁帶導(dǎo)航技術(shù)工作原理與電磁導(dǎo)航相似，缺點(diǎn)也很明顯，磁帶維護(hù)頻率較高，而且損壞嚴(yán)重的磁帶要及時(shí)更換。激光導(dǎo)航相比其他導(dǎo)航方式則比較先進(jìn)，AGV小車定位也更加精確，行駛路徑可以隨意改變。但由于其控制比較困難，而且激光技術(shù)安裝昂貴致使成本過(guò)高。二維碼導(dǎo)航技術(shù)出現(xiàn)較晚，視覺(jué)機(jī)器人就是基于視覺(jué)識(shí)別二維碼和慣性導(dǎo)航的一種智能倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人，將其作業(yè)范圍做成一個(gè)相當(dāng)于圍棋棋盤的地圖，機(jī)器人就可以到達(dá)范圍內(nèi)的所有點(diǎn)。 本文設(shè)計(jì)的慣性導(dǎo)航是利用陀螺儀等傳感器實(shí)時(shí)獲取車輛的姿態(tài)，結(jié)合圖像信息，實(shí)時(shí)做出判別和命令，以達(dá)到無(wú)人運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) INS（ Inertia Navigation System，以下簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)）

慣導(dǎo)是一種應(yīng)用慣性傳感器測(cè)量載體的比例及角速度信息，并根據(jù)給定的初始條件實(shí)時(shí)推算速度、位置、姿勢(shì)等參數(shù)的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航的基本原理是根據(jù)某已知點(diǎn)測(cè)得的運(yùn)載體航向角和速度來(lái)推算預(yù)測(cè)點(diǎn)的位置，從而可以測(cè)出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和當(dāng)前位置。利用陀螺儀構(gòu)建導(dǎo)航坐標(biāo)系，使慣導(dǎo)中的加速度計(jì)測(cè)量軸相對(duì)穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，進(jìn)而測(cè)量出物體的姿態(tài)角和航向狀態(tài)；利用加速度計(jì)來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到距離。

1.2 加速度計(jì)

加速度傳感器是一種利用重力加速度與傾斜角度的關(guān)系，測(cè)量運(yùn)動(dòng)設(shè)備傾斜角度的元件。由于運(yùn)動(dòng)加速度的存在，測(cè)量的傾角值誤差很大。利用陀螺儀和磁傳感器對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。磁傳感器是一種利用地磁場(chǎng)效應(yīng)測(cè)量物體方位角的元件，系統(tǒng)電流的導(dǎo)磁性以及導(dǎo)磁材料的存在都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響?？梢杂迷黾蛹铀俣葌鞲衅鳎▋A角傳感器）和陀螺儀的方法進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)分析重力加速度測(cè)量值，可以計(jì)算出機(jī)器人相對(duì)于水平面的傾斜角度。然后根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬即可得到機(jī)器人運(yùn)行的軌跡，從而對(duì)其進(jìn)行智能控制。

本文采取的方法就是利用加速度傳感器檢測(cè)AGV機(jī)器人體內(nèi)的交流信號(hào)和運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的某種規(guī)律性振動(dòng)，而加速度傳感器可以測(cè)量振動(dòng)的過(guò)零點(diǎn)，從而計(jì)算得到機(jī)器人所運(yùn)行的路程。通過(guò)檢測(cè)機(jī)器人設(shè)備的振動(dòng)幅度，就可以控制攝像頭快門的合適時(shí)間，從而保證拍攝照片的清晰度，AGV模塊組成如圖1所示。

1.3 角速度傳感器-陀螺儀

將角速度傳感器-陀螺儀安裝在機(jī)器人的四軸上，從而可以實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)器人不同位置傾斜的角度。陀螺儀輸出的是角速度信號(hào)不會(huì)受機(jī)器人振動(dòng)的干擾，因此噪聲可以忽略。通過(guò)對(duì)角速度積分處理，獲取機(jī)器人四軸的傾斜角度，從而進(jìn)一步平滑信號(hào)，使得角度信號(hào)更加穩(wěn)定。通過(guò)分析陀螺儀輸出的信號(hào)獲取控制機(jī)器人四軸所需的角速度和速度信息。上述獲取角度的方法需要經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，由于角度是對(duì)角速度的一次積分，即使角速度信號(hào)存在微小的誤差，積分后誤差將被放大，隨著時(shí)間累積，電路將到達(dá)飽和狀態(tài)，無(wú)法獲取精確地角度信息。

1.4 角度積分漂移校正

角度漂移積分校正是一種消除上述誤差的有效方法。加速度計(jì)獲取的角度信息不能直接使用，通過(guò)與陀螺儀獲取的角度信息進(jìn)行對(duì)比，得到一個(gè)兩者的比較誤差。然后將這個(gè)誤差按照一定比例放大，使之與陀螺儀輸出的角度信號(hào)疊加，然后進(jìn)行積分計(jì)算。由于加速度計(jì)獲取的角度信息基本沒(méi)有積累誤差，所以最終輸出角度 0 是比較準(zhǔn)確的?？梢栽诓杉盘?hào)的過(guò)程中加以控制：控制電路和程序運(yùn)行的開(kāi)始保持機(jī)器人四軸在水平狀態(tài)，這樣一開(kāi)始就使得輸出角度 0 與 0g 相等。此后，加速度計(jì)的作用只是消除積分的偏移，從而使輸出角度不會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

1.5 視覺(jué)部分（攝像頭）

本機(jī)器人根據(jù)地上的黑線循跡，從而進(jìn)行位置移動(dòng)，所以選取攝像頭作為傳感元件，后期會(huì)考慮成本問(wèn)題以及實(shí)際需要改變傳感器類型。如今市面上有比較適合本項(xiàng)目的使用 OV7725 芯片制作而成的鷹眼攝像頭，使用鷹眼攝像頭，主要原因在于 OV7725 信噪比更高，速度更快，穩(wěn)定性更好和微光靈敏度更好，鷹眼有兩三個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：一是高達(dá) 150Hz 的幀頻率，為機(jī)器人的高速運(yùn)行提供支持；二是硬件二值化，減小了 MCU 的運(yùn)算壓力；三是采用 BGA 封裝，電氣特性好，高速，高頻信號(hào)完整性好，適合多層板，焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度高。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的智能AGV倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試可靠性很高，而且效率與傳統(tǒng)AGV小車類似，但是其成本和后期維護(hù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)AGV倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人。通過(guò)實(shí)物仿真證明，本文所述的通過(guò)新型組合方式的新型AGV導(dǎo)航小車，可以在物流倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)制造等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無(wú)人化智能自動(dòng)化操作，從而大大降低企業(yè)用工成本。

結(jié)語(yǔ)

隨著倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化等迅速發(fā)展，AGV的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，對(duì)AGV的引導(dǎo)技術(shù)、軌跡規(guī)劃算法和跟蹤控制等相關(guān)技術(shù)也得到廣泛關(guān)注。目前大多數(shù)AGV已經(jīng)商業(yè)化，他們大都采用激光導(dǎo)航和磁導(dǎo)航，二維碼掃描方式，雖然這些導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成熟，但其成本高，難以維護(hù)和改造，因此新的導(dǎo)航技術(shù)越來(lái)越受到人們關(guān)注。本文所設(shè)計(jì)成果旨在為市場(chǎng)提供一種通過(guò)新型組合導(dǎo)航方式導(dǎo)航的新型 AGV 導(dǎo)航小車，可以應(yīng)用在物流運(yùn)輸、工業(yè)制造等領(lǐng)域，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域生產(chǎn)力的進(jìn)步。

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