基于視覺(jué)和PID算法的重載AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 勇，王曉麗，楊明來(lái)，沈 正

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 201620；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，上海 201418)

0 引言

隨著傳統(tǒng)制造業(yè)逐漸向智能生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，AGV(自動(dòng)導(dǎo)引車)的利用率越來(lái)越高。盡管AGV系列產(chǎn)品已趨于多樣化，但仍存在磁導(dǎo)航的磁條易損、激光導(dǎo)航成本過(guò)高等缺點(diǎn)，而且對(duì)于大噸位物料，傳統(tǒng)的小型AGV已無(wú)法滿足運(yùn)輸要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中運(yùn)用先進(jìn)的視覺(jué)技術(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)循跡和定位的功能，結(jié)合PID算法，增強(qiáng)了導(dǎo)引柔性且進(jìn)一步地提高了循跡精度，設(shè)計(jì)出一種雙向循跡結(jié)構(gòu)、搬運(yùn)能力在30 t級(jí)別的重載AGV。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AGV總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，前側(cè)為從動(dòng)輪，后側(cè)為驅(qū)動(dòng)輪，其動(dòng)力源于減速電機(jī)。車體前后各安裝1個(gè)測(cè)障傳感器，側(cè)面配置觸摸屏，具有調(diào)速和設(shè)置站點(diǎn)等功能。由于重載AGV體型龐大，不易調(diào)轉(zhuǎn)車頭，所以前后均采用轉(zhuǎn)向?qū)б到y(tǒng)(含視覺(jué)傳感器)，便于雙向循跡。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控及電機(jī)選型

控制系統(tǒng)的主控單元采用S7-200 Smart系列PLC，CPU型號(hào)為ST30直流輸入/直流輸出型[1]。系統(tǒng)由48 V蓄電池供電，經(jīng)開(kāi)關(guān)電源降壓后為PLC及其他低壓元器件供電。

為了避免重載AGV制動(dòng)困難且電機(jī)易損壞的問(wèn)題，本系統(tǒng)使用擺線針輪減速電機(jī)，力矩大且壽命更長(zhǎng)，能夠更好地控制啟停動(dòng)作，極大提升負(fù)載能力。根據(jù)AGV載重m1=30 t，自身質(zhì)量m2=8 t，車速v=20 m/min，加速時(shí)間t=5 s，可爬坡度α=2°，滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.02?？捎?jì)算出所需電機(jī)的功率，AGV受力分析如圖2所示。

圖2 AGV受力分析圖

加速度a=v/t=0.067 m/s2；勻速牽引力F1=μN(yùn)+mgsinα=μmgcosα+mgsinα=20 440 N；加速牽引力F2=μN(yùn)+mgsinα+ma=22 973 N(m=m1+m2)；牽引合力F=F1+F2=43 413 N；電機(jī)功率P=Fv=14 471 W。式中N為斜面對(duì)AGV的支持力；m為貨物(圖中采用整體分析法，未畫出)與AGV的質(zhì)量之和。

由于有2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，所以采用2個(gè)7.5 kW的減速電機(jī)來(lái)分別驅(qū)動(dòng)。

2.2 測(cè)障傳感器

為保證AGV自動(dòng)循跡時(shí)的安全性，采用PBS-03JN紅外測(cè)障傳感器。該傳感器利用紅外檢測(cè)原理，由內(nèi)部LED發(fā)出紅外線進(jìn)行180°全向掃描，在檢測(cè)范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，傳感器的接收管會(huì)收到反射回來(lái)的紅外信號(hào)，輸出高電平[2]。當(dāng)PLC的輸入端接收到該高電平時(shí)，會(huì)執(zhí)行減速、停車程序。

2.3 觸摸屏

為提高可操控性，采用Smart Line系列的700 IE V3觸摸屏，通過(guò)RJ-45以太網(wǎng)端口與PLC相連，其應(yīng)用程序使用WinCC flexible SMART V3軟件繪制、編寫。HMI界面設(shè)計(jì)如圖3所示，有前進(jìn)后退、復(fù)位按鍵，速度調(diào)整和站點(diǎn)設(shè)置區(qū)域。

圖3 HMI界面設(shè)計(jì)圖

2.4 轉(zhuǎn)向?qū)б到y(tǒng)

該系統(tǒng)兼具轉(zhuǎn)向和導(dǎo)引的功能，通過(guò)連桿分別與兩邊車輪相連，車輪與車體通過(guò)回轉(zhuǎn)支承固定。AGV的轉(zhuǎn)向角度由兩側(cè)極限位置的行程開(kāi)關(guān)決定，保證系統(tǒng)在直線導(dǎo)軌的滑動(dòng)范圍內(nèi)工作。視覺(jué)傳感器裝在系統(tǒng)中間的支架上，循跡運(yùn)行時(shí)，由該系統(tǒng)的直流電機(jī)控制去尋找色帶。

BLD50A是一款自帶霍爾傳感器的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有大扭矩、快速啟停等特性，與直流電機(jī)、PLC的接線方式如圖4所示。驅(qū)動(dòng)器的三相端口及霍爾傳感器的HU、HV、HW、VCC、GND端口與直流電機(jī)相連，為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)和傳感器信號(hào)。BRK、EN、F/R都由PLC輸出端經(jīng)過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)[3]，控制電機(jī)的制動(dòng)、使能及正反轉(zhuǎn)。ALM是報(bào)警信號(hào)輸出端；SPD是速度信號(hào)輸出端，通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊EM AM06的輸出端0～10 V電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖

2.5 視覺(jué)傳感器

系統(tǒng)采用PGV100-F200A-R4-V19視覺(jué)傳感器作為導(dǎo)航元件，上面5個(gè)LED燈的亮滅情況可反映當(dāng)前工作狀態(tài)，具體狀態(tài)如表1所示。

表1 LED工作狀態(tài)指示表

傳感器基于視覺(jué)成像原理工作，可將鏡頭捕獲到的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，其內(nèi)部建立的坐標(biāo)系以AGV運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸，以垂直于運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閅軸[4]，偏差允許范圍為傳感器相對(duì)色帶中心線在Y軸方向左右偏移30 mm。在循跡運(yùn)行時(shí)，PLC每個(gè)掃描周期發(fā)出1次請(qǐng)求報(bào)文，傳感器反饋1次響應(yīng)數(shù)據(jù)，判斷與色帶中心線的相對(duì)位置，由系統(tǒng)糾正偏差。

本設(shè)計(jì)采用Data Matrix(以下簡(jiǎn)稱DM)碼帶實(shí)現(xiàn)非接觸式定位，對(duì)于在惡劣的工廠環(huán)境下，DM碼自動(dòng)糾錯(cuò)的能力可以保證數(shù)據(jù)讀取的完整性。由如圖5(a)、圖5(b)所示的2組(共12個(gè))相同的DM碼構(gòu)成條形碼帶，保證AGV在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下有足夠的讀碼時(shí)間。

(a)第1組DM碼

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制流程

AGV的工作流程如圖6所示，系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化，并在觸摸屏上設(shè)置目標(biāo)站點(diǎn)。AGV后側(cè)車輪回正后，前側(cè)轉(zhuǎn)向?qū)б到y(tǒng)開(kāi)始工作，視覺(jué)傳感器尋找色帶并進(jìn)行圖像處理，完成后減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)AGV自動(dòng)循跡運(yùn)行。若出現(xiàn)跑偏，由PID算法控制及時(shí)糾正偏差，轉(zhuǎn)向?qū)б到y(tǒng)立即調(diào)整轉(zhuǎn)向以糾正運(yùn)行軌跡。在運(yùn)行時(shí)遇到障礙物會(huì)先減速后停車，移除障礙物后AGV繼續(xù)運(yùn)行[5]。當(dāng)視覺(jué)傳感器識(shí)別到目標(biāo)站點(diǎn)的DM碼帶時(shí)，解碼后停車。

圖6 AGV控制流程

3.2 圖像處理

3.2.1 DM碼帶處理

3.2.1.1 圖像預(yù)處理

傳感器內(nèi)部CMOS相機(jī)捕獲的原圖像見(jiàn)圖7(a)，按式(1)以相應(yīng)權(quán)值對(duì)RGB三原色分量進(jìn)行加權(quán)平均[7]，得到灰度圖像，見(jiàn)圖7(b)。其灰度均值用V1表示：

V1=0.30R(x,y)+0.59G(x,y)+0.11B(x,y)

(1)

式中：x，y分別表示圖像的行和列；R(x,y)為紅色分量；G(x,y)為綠色分量；B(x,y)為藍(lán)色分量。

使用二維高斯濾波器進(jìn)行去噪平滑處理，經(jīng)處理后的灰度值為V2(σ表示方差)，如式(2)所示。該傳感器還采用了雙采樣保持電路設(shè)計(jì)，提高了信噪比，進(jìn)一步地降低噪聲對(duì)解碼的影響。

(2)

處理好的灰度圖像是前景色(DM碼中深色單元)與背景色(圖像中其他不同灰度的部分)組成的，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理時(shí)采用大津算法[7]，它自動(dòng)計(jì)算出的閾值可將前景色和背景色盡可能地分開(kāi)。此閾值稱作類間方差I(lǐng)CV(intra-class variance)，定義為式(3)。

ICV=PA(VA-V2)2+PB(VB-V2)2

(3)

式中VA和VB為前景色和背景色灰度平均值；PA和PB為前景色和背景色像素?cái)?shù)占總像素?cái)?shù)的比例。

根據(jù)灰度均值V2計(jì)算出的灰度直方圖被閾值分割成的兩部分，圖7(c)為二值化處理后的圖像。

(a)原圖像

3.2.1.2 DM碼定位

利用傳感器內(nèi)部坐標(biāo)系，對(duì)傾斜的DM碼進(jìn)行矯正處理。如圖8所示，實(shí)線方框?yàn)槌C正前DM碼位置，經(jīng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度β后到虛線方框的矯正位置。再利用邊緣虛、實(shí)“L型”尋邊區(qū)實(shí)現(xiàn)DM碼的精確定位。

圖8 DM碼矯正示意圖

3.2.1.3 解碼識(shí)別

完成精確定位后提取出數(shù)據(jù)區(qū)，調(diào)用DM碼核心庫(kù)libdmtx內(nèi)的功能矩陣將碼字流順序調(diào)整后解碼輸出[8]。

傳感器的響應(yīng)報(bào)文RX共由21字節(jié)組成，使用RS485串口通訊工具可查詢當(dāng)前AGV的請(qǐng)求、響應(yīng)報(bào)文。如表2所示，其中Byte15和Byte16反饋DM碼帶信息。當(dāng)傳感器讀取到DM碼帶時(shí)，可利用式(4)、式(5)和響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)計(jì)算得出站點(diǎn)信息，可知目前AGV位于6號(hào)站點(diǎn)。

表2 當(dāng)前AGV的響應(yīng)報(bào)文(RX)

Byte15_1=Byte15 and H07

=08 and H07=H00

(4)

Control code=Byte15_1×H80 + Byte16

=00×H80 + 06=H006=06

(5)

3.2.2 色帶處理

對(duì)運(yùn)行中拍攝到的色帶先進(jìn)行預(yù)處理，與DM碼的預(yù)處理采用相同技術(shù)實(shí)現(xiàn)。下一步進(jìn)行模板匹配[9]，將處理完的圖像與傳感器內(nèi)存中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)圖像比較、匹配并計(jì)算相似度，與設(shè)置的循跡色帶顏色相同時(shí)，AGV開(kāi)始自動(dòng)循跡運(yùn)行。如圖9所示，是傳感器配套軟件采集到的色帶基準(zhǔn)圖像。

圖9 色帶基準(zhǔn)圖

AGV循跡時(shí)，傳感器對(duì)圖像預(yù)處理后需提取色帶中心線以計(jì)算出偏差值，實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)向。提取色帶中心線采用從中心線沿Y軸向兩側(cè)橫向掃描的方式進(jìn)行[10]，如有像素點(diǎn)的值從0變成1時(shí)，則將2點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)值通過(guò)式(6)計(jì)算得到色帶中心線的Y軸坐標(biāo)值，那么由(xn，y1)和(xn，y2)計(jì)算得出的點(diǎn)(xn，y0)就能夠擬合出色帶中心線。

y0=(y1+y2)/2

(6)

式中：y0為中心線上的Y軸坐標(biāo)值；y1、y2分別為左、右邊界Y軸坐標(biāo)值。

圖10(a)為某時(shí)刻拍攝的色帶圖像，圖10(b)對(duì)應(yīng)圖像10(a)擬合出的中心線。

(a)原圖像

傳感器讀頭相對(duì)于色帶中心線右偏，Y方向偏差值為正，AGV需要向左轉(zhuǎn)向；反之，AGV則需要向右轉(zhuǎn)向。由圖10(a)易觀察出傳感器相對(duì)于色帶左偏，進(jìn)一步地可根據(jù)此時(shí)反饋得到的響應(yīng)報(bào)文中的數(shù)據(jù)位信息(Byte7～Byte8反饋Y方向偏差值，如表2所示)，利用式(7)計(jì)算出該時(shí)刻具體偏差值。

Y position=Byte7×H80+Byte8

=7F×H80+7A=H3FFA

(7)

因Y position>H2000(色帶中心線)，Y軸偏差值為負(fù)值。

Y deviation=H4000-H3FFA=H6

(8)

所以此時(shí)偏差值為-6 mm，轉(zhuǎn)向?qū)б到y(tǒng)需要向右調(diào)整方向。

3.3 糾偏算法模型

AGV循跡過(guò)程中，糾偏不及時(shí)則會(huì)偏離色帶路徑，影響導(dǎo)引柔性及生產(chǎn)效率。針對(duì)跑偏問(wèn)題，工業(yè)控制中常采用經(jīng)典PID算法來(lái)處理，該算法如式(9)所示，由比例調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)組成，通過(guò)調(diào)整KP，KI和KD這3個(gè)參數(shù)來(lái)不斷優(yōu)化控制效果。

(9)

式中：e(k)為偏離值，本設(shè)計(jì)中傳感器內(nèi)部坐標(biāo)軸的X軸與色帶中心線重合時(shí)，e(k)=0；KP為比例系數(shù)，用來(lái)消除系統(tǒng)的當(dāng)前誤差；KI為積分控制參數(shù)，用來(lái)平均過(guò)去的誤差；KD為微分控制參數(shù)，用來(lái)通過(guò)誤差的改變來(lái)預(yù)測(cè)將來(lái)的誤差[11]。

在本系統(tǒng)中，采用基于PID算法的速度及位置雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)控制方法。如圖11所示，外層結(jié)構(gòu)為位置環(huán)，經(jīng)視覺(jué)傳感器對(duì)色帶路徑檢測(cè)并計(jì)算出偏離中心線的差值，回傳給PLC后調(diào)用PID算法，計(jì)算出傳感器的移動(dòng)速度；內(nèi)層為速度環(huán)，外環(huán)計(jì)算得出的速度輸入到BLD50A電機(jī)驅(qū)動(dòng)器后，輸出PWM脈沖驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向?qū)б到y(tǒng)控制轉(zhuǎn)向完成AGV的循跡動(dòng)作。BLD50A驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的霍爾傳感器檢測(cè)到直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(+v為正轉(zhuǎn)，-v為反轉(zhuǎn))，和計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。當(dāng)偏移量較大時(shí)，需要及時(shí)、快速地提高視覺(jué)傳感器的移動(dòng)速度，將傳感器位置矯正到色帶寬度范圍內(nèi)，避免AGV脫離色帶路徑。具體的軟件設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖11 雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)控制模型

圖12 軟件設(shè)計(jì)流程

4 運(yùn)行測(cè)試

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出色帶寬度w=30 mm，觸摸屏設(shè)定AGV自動(dòng)循跡時(shí)速度v=20 m/min，利用上位機(jī)軟件對(duì)視覺(jué)傳感器進(jìn)行監(jiān)控，記錄循跡過(guò)程中色帶中心點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)并計(jì)算出偏差值，如表3所示。

表3 偏差值記錄 mm

測(cè)試結(jié)果表明：采用基于PID算法的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)控制方法能有效地將偏差值控制在-13～13 mm內(nèi)，循跡過(guò)程中傳感器始終在色帶寬度范圍內(nèi)工作，極大提高了導(dǎo)引柔性。而且DM碼帶也能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)站點(diǎn)的準(zhǔn)確停車，如圖13所示，在現(xiàn)場(chǎng)30 t的載重測(cè)試下能夠平穩(wěn)運(yùn)行，說(shuō)明該AGV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可實(shí)際運(yùn)用到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖13 載重循跡運(yùn)行測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中的重載AGV主要依靠視覺(jué)傳感器完成導(dǎo)引定位，糾偏時(shí)采用PID算法控制，搬運(yùn)能力較傳統(tǒng)AGV顯著提升，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。下一步工作是對(duì)多臺(tái)AGV調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行研究，使AGV之間協(xié)同合作，幫助管理者更好地運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)車間，打造出靈活高效的智能工廠。