AGV视觉导航设计方案经典

AGV视觉导航设计方案经典

AGV搬运机器人视觉导航方案

AGV（Automated Guided Vehicle，AGV）作为现代制造系统中的物料传送设备已经得到了广泛应用。从理论上看，视觉导引AGV具有较好的技术应用前景，然而其却没能像电磁导引和激光导引 AGV 那样广泛使用，主要问题在于视觉导引技术在实时性、鲁棒性和测量精度方面还有待进一步突破。

由多个 AGV 单元组成的 AGV 系统（ Automated Guided Vehicle System，AGVS）配有系统集成控制平台，对 AGV 的作业过程进行监管和优化，例如，创立任务、地图生成、发出搬运指令、控制AGV 的运行路线、跟踪传送中的零件以及多 AGV 的任务规划和调度。将 AGV 与外部自动化物流系统、生产管理系统有机结合，对系统内每台 AGV 合理地分配当前任务、选择最佳路径、实时图形监控、管理运行安全，实现信息化的管理和生产，方便地构成由调配中心计算机控制的自动化生产线、自动仓库和全自动物流系统。

当前视觉导引方式主要方法有基于局部视觉和全局视觉两种方法。基于视觉导引的 AGV 还没有大规模产业化，但其潜在的市场前景使其成为近几年来国内外 AGV 研究的热点。

全局视觉导引方法是将摄像机安装在天花板或者墙上，以整个工作环境为目标，对包括 AGV、导引路径、障碍物等进行对象识别，对各个摄像机获取的图像进行基于特征的图像融合，得到全局地图。在生成的全局地图中，每个 AGV 单元，导引线，障碍

物的绝对坐标都能够实时获取。全局视觉方法相对于将摄像机安装在车体上的局部视觉方法，在多 AGV 调度、障碍物检测（固定和移动）、避障、全局监测方面更具优势。特别是能够对AGV 和障碍物的特征进行分类，经过增强型的卡尔曼滤波方法进行运动估计，动态跟踪每一个目标的位置、速度。可是这种方法要根据不同的现场环境，按照视野不被遮挡并覆盖整个工作空间的原则，根据摄像机放置算法决定摄像机的数目、安装位姿。因此这张全局视觉方法仅仅适用于室内且空间较大的场合，而且导引精度较低。

相对而言，当前国内外研究较多的是局部视觉导引方式。局部视觉导引方式是将单车看作一个智能体，在车上安装摄像机和图像采集系统实时地处理环境信息，其主要有基于自然场景和结构化场景两种导航方式。基于自然场景的导航方式经过运行路径周围环境的图像信息与环境图像数据库中的信息进行比较，从而确定当前位置并对运行路线做出决策。这种方法不要求设置任何物理路径，在理论上具有最佳的柔性；但三维图像处理的实时性差和环境图像数据库的难以建立，限制了它的实际应用。

基于结构化场景的导引方式一般是在地面粘贴或铺设一些特殊形状或颜色的线路和符号，由视觉系统识别预定义的路经，包括导引路径相对 AGV 的位置偏差和角度偏差、路径节点、工位、转弯、停车、加减速等标识。这种视觉导航方式的优点是视觉系统只需提取预设的特定目标，并根据目标特征的先验知识做进一

步的计算，提高了图像处理的速度和系统的鲁棒性。基于结构化场景的视觉导航技术能较好满足柔性制造系统对物流设备在导向柔性、空间利用、运行安全性以及成本等方面的要求，具有路径设置柔性高、信息识别速度快、导航稳定程度好、导航行走精度高和导向信息容量大等突出优点，因此有着更广阔的应用前景，也是国内外研究机构和学者近年来研究较多的视觉导引方式。

1、视觉导引 AGV 系统

运动型视觉导引 AGV 系统模型图如图 1 所示。

图 1 视觉导引 AGV 系统模型图

AGV 的差速驱动系统由左右两个直流伺服电机驱动的驱动轮组成，其前后两个万向轮起支撑作用，这种驱动结构能够经过调节两个驱动轮的速度和转向，实现前进、后退双向运动。当两驱动轮的速度相同且方向一致时，AGV 做直线运动；当两驱动轮的速度相同且方向相反时，AGV 绕驱动轮轴线的中心点做原地自转

运动；当两驱动轮的速度不同时，AGV 能做任意转弯半径的圆弧运动。差速转向驱动方式具有无最小转弯半径限制且能够双向运动的优点。控制系统经过安装在驱动轴上的编码器反馈，组成一个闭环系统。基于两轮差速驱动的 AGV 路径跟踪法采用PID 控制法。

导引用摄像机位于运动控制中心点上方，垂直于地面安装。这种设计方式使得运动控制中心点在摄像机视野内，能够获得即时和未来小范围内前进、后退两个方向的路径信息。这种安装方式因视野小，模型估计的精度相对较高，同时也不易受到外界环境的干扰；但其也弱化了对路径的预测功能，因此对视觉测量和运动控制的实时性要求更高。封闭的 AGV 车体内成像较暗，有必要放置辅助照明光源，同时也能够提高对环境光的抗干扰性，将用于照明的环形 LED 光源与摄像机同轴放置有利于系统的模块化设计，便于安装和维护。

1）视觉定位

利用 AGV 上车载传感器的感知信息估计其在给定环境中的位姿。AGV 作为物料传输工具，在运动途中，对其行走精度要求不高，在工作点要求其有较高的定位精度。在大多数工业应用中，位置精度一般要求在±10mm 内，姿态精度一般要求在±1°内。在常见的 AGV 导航方式中，激光导引的定位精度能达到±3mm，电磁导引的定位精度能达到±5mm。

经过识别预先设置的参照路标，求出 AGV 相对于路标在局部

坐标系下的方位，根据已知的这些路标在全局坐标系下的坐标，经过坐标变换能够求出 AGV 在全局坐标系中的坐标。这种方法的测量精度依赖于摄像机的分辨率和摄像机视野范围的大小，这两者决定了图像单位像素相对真实场景的放大倍数。

2）路径规划和调度

制造单元或工作站之间的物料传送靠 AGV 来实现，因而，在创立AGVS 导引地图中，十字路口、丁字路口、直角转弯、路径编号、停车工位、仓库编号等规划系统运行的拓扑地图。在视觉导引 AGVS 中，采用在地面贴数字 0～9 或者阿拉伯字母 a～z 来描述这些信息，由车载视觉系统对采集的实时图像进行分析和识别。AGV 识别的信息特征经过无线通讯报告给地面控制站，地面控制站查找数据库系统中相对应的 AGV 编号和标记特征，判断此AGV 在柔性生产线中的位置，再综合路径编号、目的地、加工工艺和其它 AGV 的信息，根据中心控制计算机的任务调度确定最佳路线、运行速度、等待时间等，经过无线通讯返回控制命令给每台AGV。

3）射频识别（RFID）

RFID系统是一种具有广泛应用前景的自动识别系统。基本的射频识别系统由 RFID 电子标签（Tag 或者 Transponder）和 RFID 读写器构成，电子标签的存储容量高达 32K bits。根据射频工作的频段和应用场合的不同，RFID 能够识别从几厘米到几十米范围内的