文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173846
中文引用格式: 李照,舒志兵,嚴(yán)亮. 基于模糊路徑糾偏的AGV視覺精定位研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(4):81-85.
英文引用格式: Li Zhao,Shu Zhibing,Yan Liang. Research on precise positioning of AGV vision based on fuzzy path rectification[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(4):81-85.
0 引言
自動引導(dǎo)車(Automated Guided Vehicle,AGV)是現(xiàn)代物流行業(yè)的高效運(yùn)輸工具[1-3]。但是,在AGV運(yùn)行過程中,導(dǎo)航定位精度差,一直制約其在許多工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]提出一種最優(yōu)偏差路徑的AGV糾偏方法,可以實現(xiàn)5 mm范圍內(nèi)糾正,但是系統(tǒng)魯棒性較差。文獻(xiàn)[5]采用了一種基于慣性導(dǎo)航和視覺里程計的定位算法,實現(xiàn)視覺輔助定位,克服慣性導(dǎo)航的不足,但是仍然無法實現(xiàn)后期AGV的位置修正;文獻(xiàn)[6]采用自定義定位標(biāo)識符法,在地面鋪設(shè)停車標(biāo)識,系統(tǒng)識別停車標(biāo)志符后,即根據(jù)直線運(yùn)動公式計算AGV停車距離,直至距離為0,但后期缺少視覺信息反饋,不具備停車糾偏能力。
針對以上情況,本文提出一種基于模糊控制和QR碼的精確定位方法。首先通過模糊控制實現(xiàn)AGV快速路徑糾偏,然后根據(jù)不同工位定位精度要求利用每幀圖片尺寸不變特性實現(xiàn)QR碼精確定位,實現(xiàn)了路徑快速準(zhǔn)確跟蹤和特殊工位點精確定位。
1 AGV運(yùn)動學(xué)模型
建立AGV四輪差動運(yùn)動學(xué)模型,如圖1所示[7-8]。坐標(biāo)系XOY為AGV小車運(yùn)行區(qū)域,視為大地坐標(biāo)系,作為AGV運(yùn)動坐標(biāo)參考。X1O1Y1為以AGV小車幾何中心建立的AGV車體坐標(biāo)系,隨AGV移動。AGV小車的位姿由小車幾何中心在大地坐標(biāo)系中的位置(X,Y)和AGV前進(jìn)方向與大地坐標(biāo)系的X軸正方向的夾角θ確定,即P=[X,Y,θ]T。
圖1中,o1、o2分別為AGV小車前后驅(qū)動單元的中心;L為驅(qū)動單元中心距AGV小車幾何中心的距離;B為各驅(qū)動輪中心到各自驅(qū)動單元中心的距離;α1、α2分別為兩個驅(qū)動單元中軸線與AGV小車坐標(biāo)系X1軸正方向的夾角,按照順正逆負(fù)取值;Vo1、Vo2分別為兩個驅(qū)動單元中心點的線速度;A點為AGV小車的瞬時轉(zhuǎn)動中心。
同時,假設(shè):
(1)兩個驅(qū)動單元中心的角速度分別為ωo1、ωo2;
(2)4個輪轂電機(jī)的線速度和角速度分別為v1、v2、v3、v4、ω1、ω2、ω3、ω4;
(3)前后兩個驅(qū)動單元的中點在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點分別設(shè)為(Xo1、Yo1)、(Xo2、Yo2)。
根據(jù)P=[X,Y,θ]T即AGV幾何中心的位置,可以得到兩個驅(qū)動單元中心點的大地坐標(biāo)為:
通過以上運(yùn)動模型可知,只要控制前后兩個驅(qū)動單元的運(yùn)動速度和加速度,就可以控制AGV小車的運(yùn)行狀態(tài)。
AGV小車模型如圖2所示,主要由工控機(jī)+顯示屏模塊、視覺模塊、驅(qū)動模塊構(gòu)成。
2 模糊糾偏設(shè)計
2.1 模糊控制原理
模糊控制是一種相比于傳統(tǒng)控制更加貼近于人類思維的控制方法。與傳統(tǒng)的控制方式不同之處是,模糊控制技術(shù)在復(fù)雜的多變量系統(tǒng)中可以通過各種變量之間的關(guān)系完成對系統(tǒng)進(jìn)行控制,從而使得系統(tǒng)的控制在直觀上更加簡便[9-10]。模糊控制基本原理如圖3所示。
2.2 模糊控制器設(shè)計
模糊控制規(guī)則輸出曲面如圖4所示,可以看出模糊控制規(guī)則曲面在E或EC在零值附近時波動比較大,利于精確控制;在E或EC絕對值較大時曲面波動小,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。
模糊量清晰化處理即為把模糊推理得出的結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以識別的確定值。通過重心法計算橫坐標(biāo)軸和隸屬度函數(shù)曲線圍成的區(qū)域重心,如式(7)所示。
3 QR碼關(guān)鍵點精確定位
3.1 二維碼3點定位
根據(jù)二維碼的3個位置探測圖形形狀相同位置對稱,所以采用3點定位法確定二維碼位置。首先確定3個位置探測圖形中點坐標(biāo),然后通過直線擬合法獲取關(guān)鍵4點坐標(biāo),最終確定整個二維碼區(qū)域。定位結(jié)果如圖5所示。
3.2 QR碼精定位原理
視覺定位相機(jī)安裝在AGV底板中心下面,距離地面高度為25 cm。
AGV的位移糾偏移動方向如圖7所示,根據(jù)S1、S2值的正負(fù)可以實現(xiàn)AGV的4個方向自由糾偏運(yùn)動,從而避免對另外兩個邊距的冗余計算。
最后通過反余弦變換求得偏轉(zhuǎn)角α,旋轉(zhuǎn)糾偏方向如圖9所示。取水平方向為0°方向,當(dāng)偏差角度為正則順時針旋轉(zhuǎn)AGV糾偏,反之逆時針旋轉(zhuǎn)AGV。
4 實驗驗證
實驗采用自主研發(fā)的基于激光雷達(dá)+視覺引導(dǎo)的AGV實驗平臺,如圖10所示。實驗環(huán)境為工廠的地坪漆地面,采用黑白二維碼作為標(biāo)識符,單目相機(jī)采樣分辨率為1 280×720。
首先通過MATLAB中的Simulink組件對模糊控制建立仿真模型,如圖11所示。設(shè)初始偏差輸入為[0.6,5],輸入模型后仿真結(jié)果如圖12所示,圖13為最優(yōu)控制器結(jié)果??梢钥闯鯝GV小車較大偏差狀態(tài)下可以快速調(diào)整到平衡狀態(tài)。在初始距離偏差0.5 m、角度偏差0.6 rad的情況下,只需3.5 s就可以消除偏差,明顯優(yōu)于最優(yōu)控制器,所以本文采用模糊控制器可以顯著提高小車糾偏能力與反應(yīng)速度。
其次,為了驗證該方法的有效性,驗證AGV視覺引導(dǎo)AGV的定位精度,連續(xù)在同一定位點???00次,AGV的定位誤差如圖14所示,圖14(a)為X方向偏差,圖14(b)為Y方向上偏差,圖14(c)為角度偏差??梢钥闯鯴和Y方向偏差在±1 mm以內(nèi),角度偏差在±1°以內(nèi)。
5 結(jié)論
首先建立四輪差速模型,通過設(shè)置前后兩個驅(qū)動中心簡化模型間的耦合度。根據(jù)運(yùn)動學(xué)模型確定位置偏差和角度偏差兩個變量作為二維模糊控制器的輸入,進(jìn)而獲得糾偏控制量。在初始誤差較大的情況下可以快速調(diào)整小車到平行狀態(tài),具有較高的魯棒性和快速性。
其次,針對高精度的應(yīng)用場合,對一些工位有較高的定位精度要求,提出一種基于單QR碼視覺精定位法。通過3點定位法提取QR碼輪廓,利用幀圖片尺寸不變特性,計算出位移偏差和角度偏差,定位精度穩(wěn)定在±1 mm以內(nèi),AGV視覺定位精度顯著提高,滿足高精度場合定位需要。
參考文獻(xiàn)
[1] 武星,樓佩煌,唐敦兵.自動導(dǎo)引車路徑跟蹤和伺服控制的混合運(yùn)動控制[J].機(jī)械工程學(xué)報,2011,47(3):43-48.
[2] 孟文俊,劉忠強(qiáng).視覺導(dǎo)引AGV的路徑跟蹤控制研究[J].控制工程,2014,21(3):321-325.
[3] 鐘鉅斌.基于多種導(dǎo)航技術(shù)混合的AGV系統(tǒng)設(shè)計[D].杭州:浙江大學(xué),2016.
[4] 羅哉,唐穎奇,李冬,等.基于最優(yōu)偏差路徑的自動導(dǎo)引車糾偏方法[J].儀器儀表學(xué)報,2017,38(4):853-860.
[5] 夏凌楠,張波,王營冠,等.基于慣性傳感器和視覺里程計的機(jī)器人定位[J].儀器儀表學(xué)報,2013,34(1):166-172.
[6] 魏明明,汪焰恩.基于計算機(jī)視覺反饋的AGV定位停車研究[J].機(jī)床與液壓,2011,39(15):35-37.
[7] 張建鵬,樓佩煌,錢曉明,等.多窗口實時測距的視覺導(dǎo)引AGV精確定位技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報,2016,37(6):1356-1363.
[8] 章植棟. AGV視覺導(dǎo)航技術(shù)與路徑規(guī)劃[D].西安:長安大學(xué),2013.
[9] 席愛民.模糊控制技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.
[10] 佟紹成,王濤,王艷平,等.模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計及穩(wěn)定性分析[M].北京:科學(xué)出版社,2004.
作者信息:
李 照,舒志兵,嚴(yán) 亮
(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京211816)