数字图像处理技术在AGV上的应用--控制网



数字图像处理技术在AGV上的应用
企业:控制网 日期:2005-05-10
领域:SCADA-RTU 点击数:1534

 

1.引言
   自动导引车辆(AGV)以其灵活性、高效性和柔性已被广泛认为是物料搬运的好的解决办法。传统的AGV导引方式包括激光导引、电磁感应导引等,但是它们的灵活性较差,使用成本高,安装维护和改造也很不方便。随着数字图像处理技术的发展,开发视觉导引AGV已经成为了研究的热点,这一技术必定有着广阔的市场前景。本文将结合这一应用作简要的阐述。

2.AGV视觉导引系统原理简介

                   图1  视觉导引系统原理图
           (e为车体纵轴线和路径中线的偏差,α为方向偏差)

    AGV通过CCD摄像头获得视场如图所示,车辆沿着路径(白色)行驶,路面背景为黑色,通过程序来将采集到的视频数据进行灰度化处理,每个点的灰度值并可以通过DELPHI的scanline函数获得[1]。

    AGV在运行过程中的路径可以近似认为是直线(实际上带有一定的弧度),这样可以简化问题并保证一定的正确性。在扫描的时候,考虑到计算量以及实际的精度情况,可以采取隔行扫描的办法,这样可以减少计算量以及计算时间。
    假设扫描整幅图一共需要M行N列,则摄像头视场中心o的坐标为 ,,

故可以得到坐标系PUV到坐标系XOY的转换关系[2]:
 
                                 式(1)
    摄像头逐点扫描像素行(假设是从左向右),对于相邻两点,用右点减左点的灰度值,设在这里可以设定一个值k,凡差在K以内的都近似认为都为黑色点,为路面,即此时Br-B(r-1) ≤k,这样一直到出现Br-B(r-1) >k的时候可以认为点r已经为白点,即路径点,假设此点的坐标为(u1,v1),当Br-B(r-1)在≤k的时候,说明此时的r点已经为黑点,假设此点的坐标为(u2,v2), 则此像素行上的的路径中心线上的点坐标为

                                    式(2)
    在获得若干组坐标之后,通过最小二乘法对数据进行拟合,即如果被测数据满足线性关系式 yi = A + B xi,由相关结论可知 (其中 Σ 表示求和,N 表示资料组的总个数)

  式(3)


得到方程Au+Bv+C=0                                                  式(4)
将式(4)代入式(1),得到

                                   式(5)
由式(5)可以得到

                                       式(6)

     
             

         |                                  式(7)
 e和α是控制系统的输入,系统将根据这两个参数来获得车轮应该转动的角度β。

3.模糊控制策略
    由于AGV的运动模型不确定性比较大,很难建立一个精确的数学模型,所以很适合采
用模糊控制来进行车轮转动角度β的计算。

    在本文中,模糊控制器采用双输入单输出的结构,输入量为AGV车体纵轴线相对于视场中路径中心线的位置偏差e和方向偏差α,它们可以由AGV视觉系统获得,输出量为转向轮相对于车体纵轴线的偏转角β[3]。

    首先确定各个变量的基本论域,考虑到方向偏差α角度太大或者车体偏离距离e太大的时候车子已经不可能自动纠正偏差,所以考虑到实际意义,取e的基本论域为〔-240,240〕,
α的基本论域为〔-30°,30°〕,转向轮由于受到物理结构的限制最大的偏转角不能超过60°,所以取β的基本论域为〔-60°,60°〕。当车体纵轴线在路径中心线左边的时候e为负,右边的时候e为正;α、β都以顺时针转动方向为正。

   考虑到控制系统的实时性和复杂程度,将e,α,β的模糊集论域都取为{-6,-4,-2,
0,2,4,6},模糊子集都取为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}[4],其中:
● "正大"(PB)-- 取+6附近;
● "正中"(PM)-- 取+4附近;
● "正小"(PS)-- 取+2附近;
● "零"  (ZO)-- 取0附近;
● "负小"(NS)-- 取-2附近;
● "负中"(NM)-- 取-4附近;
● "负大"(NB)-- 取-6附近;

    在 AGV的运行过程中,偏差的产生是随机的,所以可以考虑采用正态分布函数来拟
合输入输出变量的模糊子集,即用函数
                     

  
来加以拟合,其中a为中心值,b>0称为模糊度。在参照上述公式以及主观驾驶经验的基础上,得到模糊集论域中各元素从属各模糊子集的隶属度,如表所示。


            表1  模糊集论域中各元素从属于各模糊子集的隶属度

    同时考虑到AGV路径跟踪的稳定性和响应速度,本文中一共归纳了49条控制规则,以下是根据经验获得的模糊控制规则表:

 
                     表2         模糊控制规则 

   
使用MATLAB的模糊控制工具箱建立起本模糊控制器的模型,并输入上述的模糊控制规则,在这里输入输出变量的隶属函数都服从正态分布,最后采用重心法反模糊化计算,可以得到输出在不同情况下的β,限于篇幅,在此将模糊控制表数据略去。

4.控制软件的编写思想

                                图2  软件流程图
    如图所示,通过CCD摄像头获得e以及α以后就可以编写查询语句从先前制定的模糊控制表获得对应的β,然后就可以根据β与光电编码器测得的当前转角β0 之差来发出电压信号以控制转向轮转动。

5.结束语
    本文介绍的基于数字图像处理技术的视觉导引系统顺应了当今AGV导引技术的发展趋势,所以研究应用价值较高。本文完成了该系统的方案、理论研究,对具体执行的过程做出了详细的技术分析,并且在此基础上完成了系统配套软件的制作,通过实验验证(实验部分未在本文中作介绍),已经基本完成了自动化、实时化,数字化测量的要求,实现了对AGV偏移量的自动测量及纠正,完成了预期的任务目标。

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