基于视觉导航的自动引导车设计

基于视觉导航的自动引导车设计 计算.飙应用汽车科技第5期2006年9月 基于视觉导航的自动引导车设计 李碧春,李进 (合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009) 摘要:介绍了自行设计的视觉导航AGV,它综合应用了图像处理,单片机控制,数据 通信等相关理论.视觉导航AGV 设计包括软件,硬件两部分内容.软件设计包括图像处理,电机控制,数据通信等的 内容.图像处理部分用VC编写.电 机控制程序用单片机C语言编写.硬件设计包括控制系统硬件组成,电机驱动控制 电路设计. 关键词:自动引导车;视觉导航;路径跟踪;电机控制 中图分类号:?,271+.4文献标识码:A文章编号:1005-2550(2006)05-0034—04 AGV(AutomaticGuidedVehicle).即自动引导 车.指装备有电磁或光学导向设备.能够沿着规定的 路径行驶的全自动运输装置.目前.AGV在国内外已 经广泛应用于自动仓库,柔性加工生产线,柔性装配 线等领域.现有的AGV导航技术主要分为电磁导引 和激光导引两类.电磁导引的AGV.需要在AGV要行 走的路线下面埋设专门的电缆线.同时在车上装有 感应线圈.利用电磁感应原理.引导AGV沿着埋设的 路径行驶.但此方法路径改变困难.激光导引的AGV 要求在导引的区域周围布置足够的反射板.AGV运 行时根据实时接收固定位置的3点定位激光信号.与 存储的运行路径信息进行比较.引导AGV运行.激光 导引方式成本高.传感器和发射或反射装置的安装 复杂,位置计算也复杂.视觉导航的AGV.运用CCD 摄像头捕捉图像.微处理器处理数据.普通道路标识 线来导航,成本低,变更路径容易,智能化水平高. 1视觉导航AGV简介 1.1引导原理 AGV根据路面铺设的道路标识线.通过车载 CCD摄像机实时动态捕捉路面图像.经车载计算机 处理识别出路径标识线.测算出AGV与标识线的位 置和角度偏差.采用模糊控制方法,并通过电机差速 控制系统.使AGV的实际行驶路线与路径标识线的 跟踪误差保持在允许的范围. 1.2实物 自行研制的视觉导航AGV见图1.它由控制系 统,机械装置和驱动电源3部分组成.控制系统包括: CCD摄像机,图像采集卡,工控机,液晶显示器,通信 装置,单片机,电机测速机构和外围驱动电路.机械 装置包括:车体总成,驱动,转向电机及减速机构和 牧稿日期:2005—11-22 ? 34? 图1视觉导航AGV 随动角轮.电源装置包括:DC—DC转换电源,蓄电 池组和充电装置.AGV在工作时.通过图像识别系统 检测路面标识线的方向信息.由计算机一单片机组 成的上一下位机控制系统调整小车运行.使AGV按 照路面标识线的轨迹行驶 1.3运动模型 自动引导车运动模型如图2所示.两个前轮为独 立驱动轮,各采用一台直流电机独立驱动.通过调节 各自的输人电压以控制两前轮的转速.调整车体与 跟踪轨迹的位置关系,后轮为万向轮.其主要作用是 D 图2自动引导车运动模型 基于视觉导航的自动引导车设计,李碧春.李进计算飙应用 支撑车体和导向. 2视觉导航AGV控制系统 2.1控制系统硬件组成 视觉导航AGV控制系统采用计算机一单片机组 成的上一下位机结构.上位计算机选用威达电(iEi) 的工业级计算机PR--1300w.配有IP一3S2底板和 150W的DC—DC电源主板卡的型号为PCISA一 3716E2V--R4.系统内存为256MB.选用奥尼克斯 MBC--5050黑白摄像机和中国大恒(集团)有限公司 的DH--CG400彩色/黑白图像采集卡进行图像采集. 图像采集卡基于高性能的PCI总线.使其能够实时传 送数字视频信号到显示存储器或系统存储器.数据 传送过程由图像采集卡控制.无需CPU参与,瞬时传 输速度可达132MB,s下位单片机采用的是 P87LPC769单片机.它负责接收上位机的控制指令, 控制两驱动电机转速 2.2图像处理系统 图像处理系统运行于上位机.它主要包括图像 采集,图像识别,参数提取三部分,见图3. ' 图像采集l I 图3图像处理系统流程框图 CCD摄像机拍摄路面标识线的图像.再由图像 采集卡把CCD摄像机捕获的模拟图像信号实时转换 为数字图像信号传给计算机.对采集到的数字图像. 采用阈值分割的方法,运用最优阈值理论.把路面标 识线从背景图像中分离.并且加强标识线图像和背 景的对比度.为了提高图像处理的实时性和导航算 法的需要.在数字图像的上下两个区域分别识别标 识线图像.根据识别出的标识线图像.提取导航参数 角度偏差d和位置偏差口 2.3电机控制系统 在自行研制的AGV上,采用两只XYD-3型24V, 150W直流电机作为前驱动轮动力来源.此电机自 带一套减速机构.后轮为一脚轮.可以进行任意转 动.这样,只要分别控制两个驱动轮的转速或者改变 两驱动轮的驱动电压.就可以使AGV按照所要求的 方向和速度移动.为了实时检测左右轮的转速.在左 右驱动轮处各安装了一个渐开线齿盘.同时在对应 位置的车体上各安装一个磁阻式转速传感器.在驱 动轮运转时可检测到对应齿盘转动的脉冲信号.采 用外部中断1和中断2来计算脉冲数.并结合定时器 1.可计算出左右驱动轮的转速. 为了能够方便地对电机进行控制.在试验中使 用了SE_769仿真器及装备了MedWin仿真软件的 PC机对所编写的控制程序进行调试该PC机与仿真 器间通过并口连接.考虑到程序的可读性和维护性. 而且上位机图像处理系统采用的是VC++6.0编程. 因此在AGV电机控制系统的单片机程序中.采用C 语言进行编写. 2.4数据通信系统 视觉导航AGV控制系统采用上一下位机的结 构(见图4).上一下位机通过串行端口通讯.在上 位机中,每隔O.2s发送一次指令送下位机执行.下 位机通过串口中断响应程序接受控制.并根据指 令调整AGV的位置和航向.从而实现对路面标识 线的跟踪.试验中,上位机与下位机的数据通讯是 通过MAX232型驱动芯片连接RS一232串行接口来 实现的.MAX232驱动芯片在RS一232与单片机两 者之间起电平转换的作用.串行接口数据通信软 件包括上位机通信和下位机通信两个部分.其中 上位机负责数据的发送.下位机负责数据的接收 和信息的反馈 +5V RXD0U-I' R10UTTXD黑色线R1 14 Kll:=: GANI :电控制 :系统 :电路图 图4电机驱动控制与上下位机通讯电路图 ? 35? 计算飙应用 3视觉导航AGV工作流程 视觉导航AGV跟踪控制总流程如图5所示.其 中,上位机进行图像识别和参数提取(见图6),按照 模糊控制规则负责对车体状态信息进行判断.并将 结果通过RS232传输给下位机:下位机通过串口接 收上位机的通讯信息.通过电机控制程序调整左右 驱动轮电压.从而实现对路径跟踪控制. 基于最优闽 值的边缘检测 Y 采集一幅路标图像 滤波处理 选用何种 识别方法 基于固定闽 值的边缘检测 导航参数 二[ 模糊控制器 二[ 发送 控制电压A/D转换 车体位置调整 停止转向控删II进行转向控制 图5视觉导航AGV跟踪控制软件总流程图 4试验 跟踪控制试验在水泥地面上进行.以白色纸带 作为AGV跟踪标识线.在进行跟踪控制过程中,视觉 导航AGV跟踪控制软件能准确实时提取标识线的导 航参数.控~JAGV实时跟踪路面标识线.设定AGV车 体初始位置偏差一0.15m,角度偏差为20.时,分别以 不同的车速(=1m/s,2m/s,3m/s)/~踪直线和弧线 路径跟踪误差如1所示. ? 36? 汽车科技第5期2006年9月 图6视觉导航AGV控制软件工作图 表1跟踪误差表【均方根值RMS)m \速度 跟踪1m/s2m/s3m/s 直线0.073O.091O.135 弧线O.086o.125O.178 由以上数据可看出.当跟踪不同路径时.在低速 工况下.视觉导航AGV表现出较好的控制效果.在 速度较高的情况下,跟踪效果则不太理想.这是因 为速度较高时.系统响应略显滞后,导致跟踪误差变 大.而跟踪弧线的误差较跟踪直线要大.这是因为路 径的复杂使得对电机的电压需要反复调整.从整体 上分析.当视觉导航AGV低速行驶时,其跟踪误差小 于0.13m:高速行驶时,跟踪误差小于0.2m. 5结束语 本文介绍了自行研制的视觉导航自动引导车. 利用上位计算机作为图像处理和识别的控制单元, 采用P87LPC769单片机作为执行控制单元.建立起 一 闭环实时控制系统.理论分析和实时跟踪控制试 验证明自行设计的视觉导航自动引导车具有可靠性 高,跟踪误差小和实时性强等优点. 参考文献: [1]Sayd,ChapuisR,AufrereR,ChausseF.ADynamicVision AlgorithmtoRecoverthe3DshapeofaNon-Structured Road[C].1998IEEEIntemationalConferenceonInteUi- gentVehicles. [2]M.Oussalah,A.Zaatri.Kalmanfilterapproachforlaneex- tractionandfollowing[J].JournalofIntelligentandRobotic Systems?2002,(34):195,218?(下转第54页) 使用?维修汽车科技第5期2006年9月 帮稔蘑戆蕊蓐暴辩除移藩 陈晓勇 (东风汽车公司宁夏固原玉祥服务站.固原756205) 中图分类号:U472.2文献标识码:E文章编号:1005—2550(2006)05-0054-01 东风EQ1290W(8×4)系列型具有转向轻便,转 弯半径小,机动性强.轴荷分配合理等优点,被广大 用户所欢迎.但有些车辆在走合保养和万公里保养 时发现轮胎异常磨损.服务站应依据轮胎磨损故障 形态分析原因,做出准确判断,采取正确措施及时调 整,可排除故障,使车辆正常使用. 8x4多桥车常见轮胎磨损主要原因有以下几点: ?多轴车转向桥负荷大.应根据载货的质量及 时调整轮胎的气压: ?前束调整不当,转向车轮不平行造成前轮定 位不准,车轮不能沿直线稳定行驶; ?第一桥与第二桥拉杆之间的距离过长或过短 都会造成第二桥轮胎的磨损 上述因素都会使轮胎冠花纹在较短行驶里程内 出现磨损,严重时将轮胎报废.我们应在维修中认真 对待,查找原因,一般来说: ?轮胎出现周围锯齿状磨损多是因为多轴车转 向轿负荷大.应根据装载货物的重量及时调整轮胎 的气压: ?轮胎胎冠平面状磨损多是因为前束调整失准, 前束值过大或为反前束,造成轮胎边滚边滑加速磨损; ?轮胎胎冠呈平面状磨损,因为前双桥平行度 不够,当前一桥转向轮在直线行驶位置时,前二桥转 向轮不能与前一桥一致偏转造成二桥车轮边滚边 收稿日期:2005—12—18 滑,如果第一桥与第二桥拉杆过长会出现右边轮胎 比左边轮胎磨损严重,反之第一桥与第二桥拉杆过 短则左边轮胎比右边轮胎磨损更严重 在调整的过程应仔细检查排除各部件是否松 动,磨损,变形.调整平行度和前束方法如下: 1)检查调整一二桥的前束 ?将车辆停在平坦地段直行驶位置.用千斤顶 顶起一二桥使方向盘处于自由行程范围内: ?调整第一二桥的前束,控制在0mm(仅仅针 对子午轮胎) 2)检查并调整前第一桥和前第二桥平行度 ?将第一桥任意轮胎冠面做一记号.轮胎记号 转向前端.用直尺测量大梁与轮胎做的记号之间的 距离与轮胎转向后端测量的值数相同.(保证在同一 高度测量): ?将第一桥任意轮胎冠面做一记号,轮胎记号 转向前端.用直尺测量大梁与轮胎做的记号之间的 距离与轮胎转向后端测量的值数不相等时.应将第 一 桥与第二桥拉杆的卡箍螺栓松开并调整拉杆长度 再测量值数相同为止,紧固拉杆两端卡箍螺栓,测量 中不得转动方向盘和保证在同一高度测量. 在利用3.5m的直尺检查前二桥左右的前后轮 胎的平行度 以上仅是EQ1290W多轴车常见的故障.仅供参 考.希望能对该种车型故障排除有所帮助. (上接第36页) [3]MingXie.TrinocularvisionforAGVguidance:pathlocal- izationandobstacledetection[J].ComputersElect.Engi— neering,1995,21(6):441--452. [4]沈中杰,王武宏.智能交通系统中基于机器视觉的数字 车辆控制[J].汽车工程,2003,25(5):428--433. [5]王宏,何克忠.智能车辆的自主驾驶与辅助导航[J].机器 人.1997,19(2):45—50. [6]王荣本,李兵.基于视觉的智能车辆自主导航最优控制器 设计[J].汽车工程,2001,23(2):97~100. TheDesignofVision-BasedAutomatic GuidedVehicle ? 54? LIBi-chun,LIJin (SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei23ooO9,China) Abstract:Thevision-basedautomaticguidedvehicle(AGV) integratestheimageprocessingapplications,singlechipcon— trol,datacommunicationsandotherrelatedtheories.Vision— basedAGVdesignincludestwoparts,SoftwareandHardware. Softwaredesignincludesimageprocessing,electromotorcontrol, datacommunicationsandothercontent.Hardwaredesignin— eludesthecompositionofthecontrolsystemhardware,thede— signofelectricalcontroldrivencircuits. Keywords:AGV;visionnavigation;pathtracking;electremotor contro】