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　的设计包括软件、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：Ⅱ，２７１＋．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－２５５０（２００６）０５－００３４—０４　ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）．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。　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　１　视觉导航ＡＧＶ简介　１．１　引导原理　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　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　Ｄ　图２　自动引导车运动模型　・３４・　维普资讯 http://www.cqvip.com

基于视觉导航的自动引导车设计，李碧春．李　进　支撑车体和导向。　计算飙应用　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　２视觉导航ＡＧＶ控制系统　２．１　控制系统硬件组成　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　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－－１３００　ｗ。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１３２　ＭＢ，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２４　Ｖ、　１５０　Ｗ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　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．２　ｓ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　ＲＸＤ　０Ｕ－Ｉ’　１４　Ｒ１０ＵＴＴＸＤ黑色线Ｒ１　Ｋｌｌ　：＝：　ＧＡＮ　Ｉ　：　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・　维普资讯 http://www.cqvip.com

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。　采集一幅路标图像　滤波处理　选用何种　识别方法　基于最优闽　基于固定闽　值的边缘检测　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　Ｙ　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　体初始位置偏差一０．１５　ｍ，角度偏差为２０。时，分别以　不同的车速（　＝１　ｍ／ｓ，２　ｍ／ｓ，３　ｍ／ｓ）／￣踪直线和弧线　路径　跟踪误差如表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　跟踪　＼速度　１　ｍ／ｓ　２　ｍ／ｓ　３　ｍ／ｓ　直线　０．０７３　Ｏ．０９１　Ｏ．１３５　弧线　Ｏ．０８６　ｏ．１２５　Ｏ．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０．１３　ｍ：高速行驶时，跟踪误差小于０．２　ｍ。　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，Ｃｈａｐｕｉｓ　Ｒ，Ａｕｆｒｅｒｅ　Ｒ，Ｃｈａｕｓｓｅ　Ｆ．Ａ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｖｉｓｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　Ｒｅｃｏｖｅｒ　ｔｈｅ　３Ｄ　ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ａ　Ｎｏｎ－Ｓｔｕｒｃｔｕｒｅｄ　Ｒｏａｄ［Ｃ］．１９９８　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ＩｎｔｅＵｉ－　ｇｅｎｔ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ．　［２］Ｍ．Ｏｕｓｓａｌａｈ，Ａ．Ｚａａｔｒｉ．Ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　ｌａｎｅ　ｅｘ－　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ａｎｄ　Ｒｏｂｏｔｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ・２００２，（３４）：１９５～２１８・　（下转第５４页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

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　滑，如果第一桥与第二桥拉杆过长会出现右边轮胎　弯半径小，机动性强。轴荷分配合理等优点，被广大　比左边轮胎磨损严重，反之第一桥与第二桥拉杆过　用户所欢迎．但有些车辆在走合保养和万公里保养　短则左边轮胎比右边轮胎磨损更严重　时发现轮胎异常磨损．服务站应依据轮胎磨损故障　在调整的过程应仔细检查排除各部件是否松　形态分析原因，做出准确判断，采取正确措施及时调　动、磨损、变形。调整平行度和前束方法如下：　整，可排除故障，使车辆正常使用。　１）检查调整一二桥的前束　８ｘ４多桥车常见轮胎磨损主要原因有以下几点：　①将车辆停在平坦地段直行驶位置．用千斤顶　①多轴车转向桥负荷大．应根据载货的质量及　顶起一二桥使方向盘处于自由行程范围内：　时调整轮胎的气压：　②调整第一二桥的前束，控制在０　ｍｍ（仅仅针　②前束调整不当，转向车轮不平行造成前轮定　对子午轮胎）　位不准，车轮不能沿直线稳定行驶；　２）检查并调整前第一桥和前第二桥平行度　③第一桥与第二桥拉杆之间的距离过长或过短　①将第一桥任意轮胎冠面做一记号．轮胎记号　都会造成第二桥轮胎的磨损　转向前端．用直尺测量大梁与轮胎做的记号之间的　上述因素都会使轮胎冠花纹在较短行驶里程内　距离与轮胎转向后端测量的值数相同。（保证在同一　出现磨损，严重时将轮胎报废。我们应在维修中认真　高度测量）：　对待，查找原因，一般来说：　②将第一桥任意轮胎冠面做一记号，轮胎记号　①轮胎出现周围锯齿状磨损多是因为多轴车转　转向前端．用直尺测量大梁与轮胎做的记号之间的　向轿负荷大．应根据装载货物的重量及时调整轮胎　距离与轮胎转向后端测量的值数不相等时．应将第　的气压：　一桥与第二桥拉杆的卡箍螺栓松开并调整拉杆长度　②轮胎胎冠平面状磨损多是因为前束调整失准，　再测量值数相同为止，紧固拉杆两端卡箍螺栓，测量　前束值过大或为反前束，造成轮胎边滚边滑加速磨损；　中不得转动方向盘和保证在同一高度测量。　③轮胎胎冠呈平面状磨损，因为前双桥平行度　在利用３．５　ｍ的直尺检查前二桥左右的前后轮　不够，当前一桥转向轮在直线行驶位置时，前二桥转　胎的平行度　向轮不能与前一桥一致偏转造成二桥车轮边滚边　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。　收稿日期：２００５—１２—１８　（上接第３６页）　ＬＩ　Ｂｉ－ｃｈｕｎ，ＬＩ　Ｊｉｎ　［３］Ｍｉｎｇ　Ｘｉｅ．Ｔｒｉｎｏｃｕｌａｒ　ｖｉｓｉｏｎ　ｆｏｒ　ＡＧＶ　ｇｕｉｄａｎｃｅ：ｐａｔｈ　ｌｏｃａｌ－　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　ｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｂｓｔａｃｌｅ　ｄｅｔｅｃｉｔｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　Ｅｌｅｃｔ．Ｅｎｇｉ—　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３ｏｏＯ９，Ｃｈｉｎａ）　ｎｅｅｒｉｎｇ，１９９５，２１（６）：４４１－－４５２．　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｖｉｓｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｇｕｉｄｅｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ（ＡＧＶ）　［４］沈中杰，王武宏．智能交通系统中基于机器视觉的数字　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｃｏｎ—　车辆控制［Ｊ］．汽车工程，２００３，２５（５）：４２８－－４３３．　ｔｒｏｌ，ｄａｔａ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ．Ｖｉｓｉｏｎ—　［５］王宏，何克忠．智能车辆的自主驾驶与辅助导航［Ｊ］．机器　ｂａｓｅｄ　ＡＧＶ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｗｏ　ｐａｒｔｓ，Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　Ｈａｒｄｗａｒｅ．　人．１９９７，１９（２）：４５—５０．　ｏＳｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ，　［６］王荣本，李兵．基于视觉的智能车辆自主导航最优控制器　ｄａｔａ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ．Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ—　设计［Ｊ］．汽车工程，２００１，２３（２）：９７￣１００．　ｅｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ，ｔｈｅ　ｄｅ—　ｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｒｉｖｅｎ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ．　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｖｉｓｉｏｎ－Ｂａｓｅｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＧＶ；ｖｉｓｉｏｎ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｐａｔｈ　ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｅｍｏｔｏｒ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｎｔｒｏ】　・５４・