基于顏色識(shí)別技術(shù)的AGV固定路徑導(dǎo)航改進(jìn)方案

倪海鵬 顧新艷 趙偉軍 陳立成 李昕鳴

（南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院，南京 211167）

自動(dòng)導(dǎo)航車（Automated Guided Vehicles，AGV）是一種自動(dòng)化的無(wú)人駕駛的智能化搬運(yùn)設(shè)備，屬于移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)，能夠沿預(yù)先設(shè)定的路徑行駛，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。導(dǎo)航技術(shù)是AGV技術(shù)的研究核心，目前國(guó)內(nèi)外主流AGV導(dǎo)航方式可分為固定路徑導(dǎo)航和柔性路徑導(dǎo)航兩類，其中，固定路徑導(dǎo)航法需要在運(yùn)行路徑上預(yù)先設(shè)置引導(dǎo)物質(zhì)，如軌道、黑白膠帶、磁帶或電磁導(dǎo)線等，通過(guò)傳感器獲取引導(dǎo)物質(zhì)的位置來(lái)引導(dǎo)AGV，該類技術(shù)相對(duì)成熟，是國(guó)內(nèi)AGV采用的主流導(dǎo)航方法。但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)AGV的運(yùn)行路徑需要調(diào)整時(shí)，固定路徑導(dǎo)航法的弊端則凸顯出來(lái)，軌道、磁帶等引導(dǎo)線路由于其本身的特性，無(wú)法快速、方便地調(diào)整?；诖?，提出一種基于圖像處理技術(shù)的導(dǎo)航方案，在原來(lái)的AGV小車上加裝視覺(jué)處理模塊，并在既有道路的路口放置指示燈，小車到達(dá)路口時(shí)，根據(jù)指示燈顏色所代表的含義，完成左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎或直行的動(dòng)作，當(dāng)運(yùn)行路徑需要調(diào)整時(shí)，僅需更改路口指示燈的顏色，便可以完成新的路徑規(guī)劃。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)行方式設(shè)計(jì)

在設(shè)定的環(huán)境中，AGV直線行駛時(shí)，運(yùn)行避障、測(cè)距、驅(qū)動(dòng)等常規(guī)程序，并將AGV運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi通信上傳至系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行狀態(tài)顯示，以便相關(guān)人員對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；AGV行駛至路口時(shí)，視覺(jué)處理模塊捕捉到指示燈，視覺(jué)處理模塊將每幀圖像中指示燈的顏色、位置、指示燈像素點(diǎn)數(shù)量（距離）等數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到主控板。主控板根據(jù)指示燈顏色判斷路徑規(guī)劃，即此路口左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或直行（顏色和方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1），根據(jù)指示燈像素點(diǎn)數(shù)量即鏡頭和指示燈間距來(lái)判斷是否到達(dá)預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)彎距離，根據(jù)其車身偏移量調(diào)整車身姿態(tài)；當(dāng)距離到達(dá)設(shè)定閾值，AGV完成原地轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，而后繼續(xù)運(yùn)行。

表1 顏色和方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

1.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

視覺(jué)導(dǎo)航AGV小車的整體控制方案如圖1所示。視覺(jué)處理使用搭載OV7725攝像頭的OPENMV模塊，不斷地抓取并處理車輛前方圖像信息，將指示燈的顏色、距離、方位等信息通過(guò)串口傳遞給主控板；與此同時(shí)，避障模塊的毫米波雷達(dá)將障礙物信息通過(guò)串口傳遞給主控板；主控板整合路標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)及車周障礙物情況，分析小車在下一路口運(yùn)動(dòng)方向，及時(shí)按照相關(guān)通信協(xié)議通過(guò)232串行通信給驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送相關(guān)驅(qū)動(dòng)指令，并將小車運(yùn)行狀態(tài)、車周障礙物信息通過(guò)無(wú)線WiFi模塊上傳至Windows端進(jìn)行狀態(tài)顯示，以便監(jiān)測(cè)人員對(duì)小車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同樣，監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)小車發(fā)送緊急停止的指令。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

主控板CPU采用i.MX RT1052芯片，此款芯片無(wú)需片內(nèi)閃存，能夠降低成本，而且集高性能、低延遲、高能效和安全性于一體。主控板與各模塊電氣連接、供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 控制方案示意圖

圖2 各模塊電氣連接及供電示意圖

2.1.2 視覺(jué)處理模塊

視覺(jué)處理采用OPENMV模塊，此模塊搭載STM32H743II ARM Cortex M7處理器，主頻能達(dá)到480MHz，擁有1MB RAM、2MB Flash，外 部 搭 配32MB的32-bit SDRAM、100MHz的時(shí)鐘，擁有400MB/s的帶寬，能夠滿足高效率的圖像處理任務(wù)。攝像頭采用OV7725 COMS傳感器，能夠輸出640×480分辨率的圖像并保持60幀的輸出速率。此外，OPENMV模塊外部留有UART接口，將之與主控板UART相連接，以完成視覺(jué)處理模塊將路標(biāo)數(shù)據(jù)傳遞給主控板。

2.1.3 避障模塊

避障采用毫米波定高雷達(dá)模塊，該模塊波束寬度40°×40°，數(shù)據(jù)率達(dá)到50Hz，能夠同時(shí)檢測(cè)前方多個(gè)障礙物的距離，測(cè)距范圍0.15～30m，測(cè)距精度±0.02m。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控板軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

視覺(jué)模塊OPEN MV在處理完一幀數(shù)據(jù)后，將指示燈相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到主控板，此過(guò)程中，兩設(shè)備間通信協(xié)議擬定規(guī)則如圖4所示。

（1）起始：表示一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，這是一個(gè)恒定值0X01，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)。

（2）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：表示數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)。

（3）數(shù)據(jù)段：表示攝像頭模塊處理的具體信息，第一個(gè)字節(jié)為指示燈的顏色；第二個(gè)字節(jié)為AGV搬運(yùn)車與信號(hào)燈的距離；第三個(gè)字節(jié)為信號(hào)燈相對(duì)于AGV搬運(yùn)車的偏移量；其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為3個(gè)字節(jié)。

（4）結(jié)束：表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，恒定值為0X02；其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)。

3 功能測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境及任務(wù)

在設(shè)定的運(yùn)行環(huán)境中，小車相繼經(jīng)過(guò)兩個(gè)路口，在第一個(gè)路口處小車左拐，在第二個(gè)路口處小車右拐。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，主控板持續(xù)將運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送至Windows端。此外，為了測(cè)試整機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，將視覺(jué)模塊通過(guò)串口傳給主控板的數(shù)據(jù)也一并發(fā)送至Windows端，作為測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試記錄

路口環(huán)境如圖5所示。

圖3 軟件流程圖

小車運(yùn)行過(guò)程中，Windows端狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖4 通信協(xié)議字段組成

圖5 路口環(huán)境

圖6 狀態(tài)顯示

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)串口回傳的數(shù)據(jù)分析，視覺(jué)模塊能夠正常識(shí)別到指示燈各項(xiàng)信息，主控板能夠給底層驅(qū)動(dòng)發(fā)送正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，小車運(yùn)行正常。

4 結(jié)語(yǔ)

基于顏色的視覺(jué)導(dǎo)航AGV小車能夠在較為簡(jiǎn)單的硬件基礎(chǔ)上，跟隨指示燈的指引方向運(yùn)行，并且通過(guò)WiFi與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信。相較于傳統(tǒng)的AGV固定路徑導(dǎo)航技術(shù)，本方案通過(guò)改變指示燈顏色，便可輕松更改AGV的固定運(yùn)行軌跡。對(duì)于已經(jīng)建成的運(yùn)用傳統(tǒng)AGV固定路徑導(dǎo)航技術(shù)的廠房，僅需要加裝一套簡(jiǎn)單的可變指示燈系統(tǒng)，便可完成對(duì)AGV的改造升級(jí)。