视觉AGV的导引系统研究.docx

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视觉AGV的导引系统研究

视觉AGV的导引系统研究

中文摘要[参考中国知识写作网，包过]

随着现代物流运输行业的迅速发展，越来越多的物流装备也应运而生和发展壮丈

AGV作为一种无人操作的智能化物流设备，已被广泛应用到国民经济中涉及物流转

的各行各业。

它是融入了机械、计算机技术、控制理论、智能技术、电子学等学科技

的综合智能车辆。

自诞生以来，AGV就以其高度智能化、柔性化的特点，引起了国

外许多学者的关注和研究。

本文的研究对象是视觉导引AGV，并重点研究了其导引系统。

视觉AGV的导引

理是通过视觉系统识别工作环境中预先设置的导引路标，以获取小车与路径的偏差来

制AGV沿着导引路径准确行驶。

从工作过程看，导引系统可分为视觉系统、控制系

和驱动系统三部分。

具体来说，视觉系统负责获取和处理图像，驱动系统负责小车的

驶和转向，控制系统则是根据路径参数调整小车的行驶状态。

对此，本文主要从三个

面进行了研究:

C1）在图像处理方面，通过对采集的路径图像每步处理方法进行分析和最优选择，

获得准确的路径中心线，提取出准确的参数，同时也使图像处理达到实时性要求。

C2）在运动控制方面，分别对粒子群优化算法和滑模控制方法进行了研究。

针对滑

控制的抖振影响，文中提出了一种用免疫粒子群算法优化滑模控制律参数的方法。

最t

将优化后的滑模变结构控制方法作为AGV路径跟踪控制策略，并分别对其在直线、

线和圆周三种路径下进行了仿真，以验证该控制策略的有效性。

（3）在硬件设计方面，分别对控制系统、视觉图像处理系统和驱动系统进行了分析

硬件选型。

为了使导引系统尽量满足实时性要求，文中设计了一种基于微处理器AP

和数字信号处理器DSP架构的嵌入式控制系统。

关键词:

AGV;图像处理;路径跟踪;滑模控制;粒子群算法

目录

第一章绪论..............................................................1

1.1研究背景及意义......................................................................................................……1

1.2国内外AGV研究现状.................................................................................................2

1.2.1国外研究现状.........................................................................................................2

1.2.2国内研究现状.........................................................................................................2

1.3AGV总体结构介绍........................................................................................................3

1.4AGV导引方式及特点....................................................................................................6

1.5本文主要研究内容........................................................................................................8

第二章视觉图像处理算法...................................................................................................11

2.1引言..............................................................................................................................11

2.2图像滤波................................................................................................................……11

2.2.1图像灰度化.....................................................................................................……11

2.2.2图像滤波.........................................................................................................……13

2.3图像二值化............................................................................................................……14

2.3.1图像二值化简介...................................................................................................14

2.3.2Otsu阀值分割算法..........................................................................................……15

2.4图像细化................................................................................................................……16

2.5路径参数提取........................................................................................................……17

2.5.1Hough变换基本原理......................................................................................……17

2.5.2极坐标系下的Hough变换..................................................................................19

2.5.3路径参数的提取...................................................................................................20

2.6本章小结......................................................................................................................21

第三章免疫粒子群算法.......................................................................................................23

3.1引言..............................................................................................................................23

3.2粒子群算法..................................................................................................................23

3.2.1粒子群算法简介...................................................................................................23

3.2.2粒子群算法基本原理...........................................................................................23

3.2.3目标函数的选择...................................................................................................24

3.2.4算法流程...............................................................................................................24

3.2.5粒子群算法参数选取...........................................................................................25

3.2.6粒子群算法收敛性分析.......................................................................................26

3.3粒子群算法存在的问题..............................................................................................26

3.4免疫粒子群算法..........................................................................................................27

3.4.1免疫机理简介.......................................................................................................27

3.4.2免疫粒子群算法原理...........................................................................................28

3.4.3算法收敛性分析...................................................................................................30

3.4.4算法流程...............................................................................................................31

3.5算法验证................................................................................................................……犯

3.6本章小结......................................................................................................................35

第四章AGV运动控制策略.................................................................................................37

4.1引言..............................................................................................................................37

4.2滑模变结构控制简介..................................................................................................37

4.2.1变结构控制简介...................................................................................................37

4.2.2滑模变结构控制系统抖振问题...........................................................................38

4.3离散系统滑模变结构控制..........................................................................................38

4.3.1离散系统滑模控制的描述...................................................................................39

4.3.2准滑动模态的特性...............................................................................................39

4.3.3离散滑动模态的到达条件...................................................................................40

4.3.4离散滑模控制的不变性.......................................................................................40

4.4AGV运动学模型..........................................................................................................41

4.5离散滑模控制律设计..................................................................................................43

4.5.1趋近律选取.....................................................................................................……43

4.5.2离散系统控制律设计...........................................................................................43

4.5.3离散滑模控制系统的抖振分析...........................................................................44

4.6免疫粒子群算法优化的离散滑模控制系统设计......................................................45

4.6.1目标函数设计.......................................................................................................45

4.6.2免疫粒子群算法优化的离散滑模控制器设计...................................................45

4.7仿真分析......................................................................................................................46

4.7.1直线路径跟踪.......................................................................................................46

4.7.2曲线路径跟踪.......................................................................................................53

视觉AGV的导引系统研究

6

开研究，并取得了一定的成果，如清华大学研究的面向自由路径行驶的

AGV

、天津理

工大学研制的

TIT-1

全方位视觉导引

AGV

、浙江大学等院校联合研制了

ATB-1

军用智

能轮式机器人移动平台。

在产品生产推广方面，安徽合力、沈阳新松、北京机科、昆船

重工、吉大易飞等厂商纷纷抢占

AGV

的国内市场。

总体来讲，国产

AGV

的技术水平

和普及率都还比较低，有待进一步的发展和提高。

目前，国内投入使用的

AGV

系统达

到了

700

余家，

AGV

总量达到

3500

多台，而国产

AGV

仅为总量的

1/5

左右

[11]

。

随着

我国经济和物流产业的发展，国内

AGV

的应用和需求必然会大幅度的增加，其应用领

域也必将拓展。

因此，对于

AGV

进行积极地研究开发具有重要意义。

1.3AGV

总体结构介绍

按照不同的结构功能，

AGV

小车大致可以分成机械系统、控制系统和动力系统三大

部分。

而

AGV

的具体功能模块则由车体、导引装置、驱动转向装置、车载控制系统、移

载装置、安全装置、通信装置及电源装置等构成。

可见，

AGV

是一个融入多门技术的复

杂智能车辆系统，下面将具体介绍各组成部分的功能。

通用

AGV

的总体结构框图如图

1.1

所示，本文研究的视觉

AGV

小车的结构示意图如图

1.2

所示。

此外，

AGV

的主要技术参

数如表

1.1

所示。

AGV

动力系统控制系统机械系统

车

体

安

全

装

置

移

载

装

置

转

向

装

置

车

轮

驱

动

控

制

装

置

安

全

控

制

装

置

通

讯

信

息

装

置

转

向

控

制

装

置

移

载

控

制

装

置

驱

动

电

机

电

源

装

置

移

载

电

机

转

向

电

机

图

1.1AGV

总体结构框图

Fig.1.1OverallStructureBlockDiagramofAGV

第一章绪论

7

（

1

）车体

车体是

AGV

小车的机械部分，也是其承载的主体结构，用于安装小车其他功能模块，

因而就要求其必须有足够的刚度及强度，以满足小车的运行或负载需要。

（

2

）导引装置

导引装置是任何

AGV

都必不可少的重要部分，其作用就是指引

AGV

在工作环境当

中该如何向前行驶。

这也是

AGV

智能化水平的最大特点和主要体现。

在后面部分中，将

会对

AGV

的各种导引技术作出具体的分析和对比。

（

3

）驱动转向装置

驱动装置由车轮、减速器、驱动电机及电机驱动器等部分构成，是

AGV

小车正常运

行的执行机构。

小车的运行指令一般由计算机控制系统或手动控制器发出，以控制其运

行速度大小、运行方向、停车制动等功能调节。

转向装置则由转向车轮及转向电机构成，

通过接受计算机控制系统的方向信号，以控制小车行驶方向。

如果

AGV

采用的是两个驱

动轮差速转向，就不需要设置单独的转向装置。

（

4

）车载控制系统

控制系统是

AGV

小车的核心部分，也是衡量其技术水平的重要性能指标。

一般意义

1

—车体；

2

—车载控制器；

3

—摄像机；

4

—蓄电池；

5

—安全挡板；

6

—从动轮；

7

—编码器；

8

—直流电动机；

9

—驱动轮；

10

—减速器

图

1.2

视觉

AGV

小车结构示意

Fig.1.2SchematicDiagramofVision-basedAGV4

第一章绪论

1.1

研究背景及意义

近年来，随着物流运输行业的快速发展和不断进步，相应的物流设备也在不断地丰

富完善与发展壮大。

为了适应国民经济的发展需求，当前已经有诸多的搬运设备应用于

现代物流系统中，比如多向托盘、各式叉车、分拣机、自动导引车、集装箱等。

它们极

大减轻了工人搬运的操作强度，加快了物流转运效率和降低了运输成本，在物流行业中

扮演着非常重要角色。

因此，诸多的物流设备不但提高了生产效率，还为物流业的快速

持续发展提供了保证。

自从

20

世纪

80

年代以后，自动导引车已经发展成为现代物流行业和柔性制造系统

中最重要的自动化装备之一。

AGV

是自动导引车（

AutomatedGuidedVehicle

）的英文简

写，是指通过装备电磁或光学等自动导引装置，能够按照预先设定的导引路径运行，具

有安全保护及各种移载功能的运输车辆

[1]

。

与物流运输行业中其他设备相比，

AGV

的工作区域不但无需铺设轨道、支座架等固定装置，而且也不会受到场地、道路

及空间的限制。

因此，在自动物流系统中，其充分展示了柔性好和自动化程度高

的显著特点，能够实现高效、经济、灵活