視覺導(dǎo)航作為一種的導(dǎo)航方式，適應(yīng)性廣、靈活性高，可顯著提升廠內(nèi)物流效率，節(jié)省人力成本，未來發(fā)展前景廣闊。本文分析研究了視覺導(dǎo)航AGV的圖像識別與導(dǎo)航原理，介紹了導(dǎo)航系統(tǒng)組成與控制流程，總結(jié)了AGV應(yīng)用特點及其在電子電器制造業(yè)廠內(nèi)物流中的應(yīng)用情況。在自動導(dǎo)航車（Automated Guided Vehicle, AGV）的應(yīng)用中，廣泛使用的導(dǎo)航技術(shù)主要有磁、電磁、激光等幾種。視覺導(dǎo)航方法由于其本身*特點，近年來在我國AGV應(yīng)用中逐漸引起注意。視覺導(dǎo)航通過視覺傳感器采集周圍環(huán)境中的地理信息，經(jīng)過圖像處理和識別，生成導(dǎo)航指令。與非視覺類傳感器相比，視覺傳感器具有無噪聲、無有害影響、信息量大等特點。在實際應(yīng)用中,只需在路面上畫出路徑引導(dǎo)線或者路標(biāo)圖形, AGV就可以通過視覺導(dǎo)航系統(tǒng)來控制自身行走。相對于埋設(shè)導(dǎo)線/磁條、安裝磁釘?shù)确椒ǘ? 視覺導(dǎo)航進一步增強了系統(tǒng)的靈活性, 并且降低了安裝使用成本，同時視覺識別也可以避免出現(xiàn)如慣性導(dǎo)航等虛擬路徑導(dǎo)航方法存在的誤差積累問題（在部分應(yīng)用中，視覺可以作為慣性導(dǎo)航的誤差校正方法）。相對于激光導(dǎo)航方法，視覺導(dǎo)航的優(yōu)勢在于其低廉的系統(tǒng)硬件成本以及識別功能的擴展能力——只要軟件和模式識別功能足夠智能，自動導(dǎo)引車就可以實現(xiàn)多種導(dǎo)航和定位功能。本文將對視覺導(dǎo)航的原理以及系統(tǒng)組成進行分析介紹，研究其導(dǎo)航控制流程，并介紹了視覺導(dǎo)航AGV系統(tǒng)在電子、家電、電氣等制造業(yè)工廠內(nèi)自動化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用。視覺識別系統(tǒng)的組成視覺識別AGV的關(guān)鍵技術(shù)是計算機視覺技術(shù)，即利用視覺傳感器獲取AGV前方/下方的路面環(huán)境信息，經(jīng)過控制系統(tǒng)的識別和解析，生成控制指令，從而使AGV小車沿規(guī)劃的路徑行駛。
視覺導(dǎo)航系統(tǒng)主要由圖像信號采集裝置、圖像信號處理裝置和圖像識別及運動控制單元等組成，其中圖像采集裝置由數(shù)字攝像頭完成，圖像信號處理由圖像采集卡完成，圖像識別和運動控制由主控板上的MCU完成，運動執(zhí)行器為AGV車體上差速驅(qū)動伺服電機。AGV車體系統(tǒng)還包括紅外/激光安全傳感器、電機測速旋轉(zhuǎn)編碼器、補光照明等元件。安全傳感器用于車體前方障礙物的預(yù)警，電機測速編碼器用電機速度與位置的伺服控制，補光照明系統(tǒng)用于增強車體下方的路徑上的光照強度，以便使AGV準(zhǔn)確識別路徑標(biāo)識。系統(tǒng)邏輯組成如圖1所示。數(shù)字攝像頭信號通過圖像采集卡直接送入主控系統(tǒng)板，安全傳感器、電機驅(qū)動控制器和輔助照明直接與主控板連接，電機由驅(qū)動器驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)編碼器與電機主軸之間由機械連接，編碼器反饋信號送入驅(qū)動器。導(dǎo)航系統(tǒng)的工作流程導(dǎo)航系統(tǒng)總體控制軟件系統(tǒng)由數(shù)字圖像預(yù)處理、圖形模式識別和路徑跟蹤等模塊組成。數(shù)字圖像預(yù)處理模塊主要進行原始圖像的灰度圖生成、濾波、圖像增強等作業(yè)，使圖像在保留關(guān)鍵信息的基礎(chǔ)上更加易于識別處理。圖形模式識別模塊主要完成對預(yù)處理后的二值圖像與預(yù)設(shè)的圖形模版的對比，根據(jù)關(guān)鍵位置的比較，識別出該圖形。導(dǎo)航控制模塊根據(jù)識別出的圖形信息，生成對AGV車體的處理指令。
導(dǎo)航軟件控制流程如圖2，首先數(shù)字攝像頭CCD采集地面的路標(biāo)圖像，形成彩色空間的數(shù)字圖像信號，再由圖像采集卡進行預(yù)處理，形成計算機可識別的二值圖形；之后送入主控系統(tǒng)進行路徑識別，系統(tǒng)由此確定AGV當(dāng)前的位置等地理信息；系統(tǒng)將當(dāng)前位置與AGV的目標(biāo)位置進行比較，從而生成運動控制指令，并送入行走機構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)；經(jīng)過驅(qū)動器解析后生成驅(qū)動信號并驅(qū)動行走系統(tǒng)驅(qū)動電機，實現(xiàn)AGV的導(dǎo)航控制。
AGV圖像識別導(dǎo)航算法流程如圖3，視覺系統(tǒng)的原始輸入圖像經(jīng)數(shù)字攝像頭采集，形成特定彩色空間中的圖像原始信號，并通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)綌?shù)字圖像處理器中。首先去除圖像信號中的噪聲點，采用自適應(yīng)閾值濾波方法。對于路徑識別來說，彩色圖像的信息是冗余的，為了節(jié)省CPU運算時間，將彩色空間圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像。通過數(shù)學(xué)形態(tài)濾波算法將二值圖像中的點狀和碎屑狀噪聲去除，得到路徑識別結(jié)果。從識別出的圖像中可以提取出AGV當(dāng)前的地理位置信息，加上地面RFID標(biāo)簽中存儲的工位和任務(wù)信息，主控系統(tǒng)生成導(dǎo)航控制指令，送入驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行。
如圖4所示，為攝像頭采集的原始圖像信號和經(jīng)過計算機識別后的數(shù)字圖像信號。數(shù)字圖像識別的精度可以達到1mm以內(nèi)，顯著高于常用磁/電磁傳感器的識別分辨率。從圖4中可看出，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)能夠識別出路徑標(biāo)識及其輪廓，從而能夠用于車輛的控制。視覺導(dǎo)航AGV的典型應(yīng)用1.電子制造業(yè)在mobile制造等行業(yè)中，產(chǎn)品的裝配工藝需要大量的人工。常規(guī)的裝配往往采用人工流水線的方式進行，隨著人力成本的迅速提升以及對勞動條件改善的要求日益強烈，用機器人代替人工進行枯燥繁瑣的裝配作業(yè)成為行業(yè)的一個發(fā)展趨勢。mobile裝配的工位點數(shù)量多，如果每個工位都配置一臺裝配機器人，則設(shè)備一次性投入的數(shù)量將非常大。而如果能夠?qū)㈥P(guān)節(jié)機器人與移動AGV結(jié)合，使得一臺機器人能夠同時完成多個工位點之間的作業(yè)，則將顯著減少一次性投入，并且今后機器人的作業(yè)設(shè)定也可以隨著工藝的調(diào)整而隨時改變，使生產(chǎn)線的柔性化程度大大提升。
圖5為搭載關(guān)節(jié)機器人的視覺導(dǎo)航AGV平臺，圖6是一臺搭載了關(guān)節(jié)機器人的視覺導(dǎo)航AGV。在視覺識別導(dǎo)航AGV上搭載關(guān)節(jié)機器人，可以*替代人工作業(yè)，完成生產(chǎn)裝配工作及CNC的自動生產(chǎn)工作，工作精度達到1mm，工廠人工與生產(chǎn)成本得到大幅降低，同時產(chǎn)品品質(zhì)也得到穩(wěn)定和提升。表1顯示了在采用視覺識別AGV系統(tǒng)后，工廠的運營成本下降了。
2.家電行業(yè)
家電行業(yè)是人力密集型制造業(yè)，其零部件的生產(chǎn)和整機的裝配過程需要大量人力，而其中物料的輸送占了相當(dāng)大的比例。某空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線上采用柔性化搬運系統(tǒng)代替人力和固定式輸送線搬運。由于車間地面部分區(qū)域有鋼板鋪設(shè)，因此無法采用磁導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航AGV可以*該生產(chǎn)線的搬運需求。該系統(tǒng)包括62 個生產(chǎn)單元、14 臺自動移載式AGV 及中央智能調(diào)度系統(tǒng)。
項目所用自動移載式AGV在其車體上部安裝有動力輥筒，生產(chǎn)線上完工的成品、半成品直接通過傳輸帶或者固定的軌道傳輸線轉(zhuǎn)移到AGV上，實現(xiàn)無人對接以及無人搬運。在運輸通道上鋪設(shè)了雙向?qū)Ш缴珟В⒃诿總€停靠點鋪設(shè)RFID芯片。在AGV車載輥筒上架設(shè)2～3套對射光電開關(guān)。輸送機上裝設(shè)2套對射光電開關(guān)，一套檢測傳感器。AGV與輸送機對接時，控制輸送機和AGV輥筒傳動。輸送機通過檢測傳感器檢測輸送機是否有料箱。各個生產(chǎn)單元均根據(jù)生產(chǎn)情況，隨機地通過調(diào)度系統(tǒng)，呼叫AGV 到對應(yīng)產(chǎn)線運載物料，進行實時、全自動的物料配送。該項目于2013年實施，目前系統(tǒng)運行正常。 3.電氣生產(chǎn)業(yè)在電氣設(shè)備生產(chǎn)中，部件往往質(zhì)量較大，如電梯行業(yè)使用的驅(qū)動電機通常為大扭矩特種電機。該電機生產(chǎn)過程中電機殼和轉(zhuǎn)子部件需要在車間內(nèi)進行搬運，以往采用人工駕駛叉車運輸。由于物料運輸頻率高，空間狹窄，不僅人力運輸投入大，而且有一定的安全隱患。采用AGV替代人工搬運可以減少人力投入，而且AGV搬運比人工運輸更加平穩(wěn)，安全性好。由于電機部件重量大，在交通路口若鋪設(shè)鋼板以保護地面下方的管線，導(dǎo)致無法采用磁導(dǎo)航式AGV。此外，重載車輛對導(dǎo)航磁條的反復(fù)碾壓極易導(dǎo)致磁條損壞，也是這類場所難以采用磁條導(dǎo)航的原因。在經(jīng)過綜合分析成本和性能后，該項目采用視覺識別導(dǎo)航AGV，如圖8。系統(tǒng)設(shè)有兩條線路，一條采用潛入牽引式AGV，用于運輸電機外殼，AGV荷載2T；另一條用于運輸電機轉(zhuǎn)子，采用自動移載式，荷載2T。兩條線路的交叉口采用調(diào)度系統(tǒng)進行交通管制，并與其它人工駕駛叉車共用路口。
總結(jié)隨著《中國制造2025》計劃的提出，智能物流作為制造業(yè)升級的核心之一，正越來越引起傳統(tǒng)制造業(yè)的重視。在經(jīng)濟步入“寒冬”的大背景下，大量傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)開始謀劃轉(zhuǎn)變。通過引入AGV系統(tǒng)提升廠內(nèi)物流效率、降低運營成本，已經(jīng)成為制造業(yè)升級的趨勢之一。視覺識別導(dǎo)航方法，由于其對地面適應(yīng)性廣、地理標(biāo)簽?zāi)椭剌d、導(dǎo)航精度高、硬件成本低等優(yōu)點，已經(jīng)在電子制造、家電生產(chǎn)、電氣制造等工業(yè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。由于視覺導(dǎo)航技術(shù)有一定的技術(shù)難度，因此目前國內(nèi)的應(yīng)用數(shù)量少。隨著視覺導(dǎo)航系統(tǒng)硬件成本逐漸下降，以及導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，這類AGV系統(tǒng)將進一步擴展在制造業(yè)廠內(nèi)物流系統(tǒng)中的應(yīng)用。
來源：物流技術(shù)與應(yīng)用
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