視覺(jué)導航AGV及其在制造業(yè)廠(chǎng)內的應用

視覺(jué)導航作為一種*導航方式，適應性廣、靈活性高，可顯著(zhù)提升廠(chǎng)內物流效率，節省人力成本，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。本文分析研究了視覺(jué)導航AGV的圖像識別與導航原理，介紹了導航系統組成與控制流程，總結了AGV應用特點(diǎn)及其在電子電器制造業(yè)廠(chǎng)內物流中的應用情況。在自動(dòng)導航車(chē)（Automated Guided Vehicle, AGV）的應用中，廣泛使用的導航技術(shù)主要有磁、電磁、激光等幾種。視覺(jué)導航方法由于其本身*特點(diǎn)，近年來(lái)在我國AGV應用中逐漸引起注意。視覺(jué)導航通過(guò)視覺(jué)傳感器采集周?chē)h(huán)境中的地理信息，經(jīng)過(guò)圖像處理和識別，生成導航指令。與非視覺(jué)類(lèi)傳感器相比，視覺(jué)傳感器具有無(wú)噪聲、無(wú)有害影響、信息量大等特點(diǎn)。在實(shí)際應用中,只需在路面上畫(huà)出路徑引導線(xiàn)或者路標圖形, AGV就可以通過(guò)視覺(jué)導航系統來(lái)控制自身行走。相對于埋設導線(xiàn)/磁條、安裝磁釘等方法而言, 視覺(jué)導航進(jìn)一步增強了系統的靈活性, 并且降低了安裝使用成本，同時(shí)視覺(jué)識別也可以避免出現如慣性導航等虛擬路徑導航方法存在的誤差積累問(wèn)題（在部分應用中，視覺(jué)可以作為慣性導航的誤差校正方法）。相對于激光導航方法，視覺(jué)導航的優(yōu)勢在于其低廉的系統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(dòng)導引車(chē)就可以實(shí)現多種導航和定位功能。本文將對視覺(jué)導航的原理以及系統組成進(jìn)行分析介紹，研究其導航控制流程，并介紹了視覺(jué)識別AGV系統在電子、家電、電氣等制造業(yè)工廠(chǎng)內自動(dòng)化物流系統中的應用。視覺(jué)識別系統的組成視覺(jué)識別AGV的關(guān)鍵技術(shù)是計算機視覺(jué)技術(shù)，即利用視覺(jué)傳感器獲取AGV前方/下方的路面環(huán)境信息，經(jīng)過(guò)控制系統的識別和解析，生成控制指令，從而使AGV小車(chē)沿規劃的路徑行駛。

視覺(jué)導航系統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(dòng)控制單元等組成，其中圖像采集裝置由數字攝像頭完成，圖像信號處理由圖像采集卡完成，圖像識別和運動(dòng)控制由主控板上的MCU完成，運動(dòng)執行器為AGV車(chē)體上差速驅動(dòng)伺服電機。AGV車(chē)體系統還包括紅外/激光安全傳感器、電機測速旋轉編碼器、補光照明等元件。安全傳感器用于車(chē)體前方障礙物的預警，電機測速編碼器用電機速度與位置的伺服控制，補光照明系統用于增強車(chē)體下方的路徑上的光照強度，以便使AGV準確識別路徑標識。系統邏輯組成如圖1所示。數字攝像頭信號通過(guò)圖像采集卡直接送入主控系統板，安全傳感器、電機驅動(dòng)控制器和輔助照明直接與主控板連接，電機由驅動(dòng)器驅動(dòng)，旋轉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動(dòng)器。導航系統的工作流程導航系統總體控制軟件系統由數字圖像預處理、圖形模式識別和路徑跟蹤等模塊組成。數字圖像預處理模塊主要進(jìn)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)鍵信息的基礎上更加易于識別處理。圖形模式識別模塊主要完成對預處理后的二值圖像與預設的圖形模版的對比，根據關(guān)鍵位置的比較，識別出該圖形。導航控制模塊根據識別出的圖形信息，生成對AGV車(chē)體的處理指令。

導航軟件控制流程如圖2，首先數字攝像頭CCD采集地面的路標圖像，形成彩色空間的數字圖像信號，再由圖像采集卡進(jìn)行預處理，形成計算機可識別的二值圖形；之后送入主控系統進(jìn)行路徑識別，系統由此確定AGV當前的位置等地理信息；系統將當前位置與AGV的目標位置進(jìn)行比較，從而生成運動(dòng)控制指令，并送入行走機構的驅動(dòng)系統；經(jīng)過(guò)驅動(dòng)器解析后生成驅動(dòng)信號并驅動(dòng)行走系統驅動(dòng)電機，實(shí)現AGV的導航控制。

AGV圖像識別導航算法流程如圖3，視覺(jué)系統的原始輸入圖像經(jīng)數字攝像頭采集，形成特定彩色空間中的圖像原始信號，并通過(guò)數據總線(xiàn)傳輸到數字圖像處理器中。首先去除圖像信號中的噪聲點(diǎn)，采用自適應閾值濾波方法。對于路徑識別來(lái)說(shuō)，彩色圖像的信息是冗余的，為了節省CPU運算時(shí)間，將彩色空間圖像轉化為二值圖像。通過(guò)數學(xué)形態(tài)濾波算法將二值圖像中的點(diǎn)狀和碎屑狀噪聲去除，得到路徑識別結果。從識別出的圖像中可以提取出AGV當前的地理位置信息，加上地面RFID標簽中存儲的工位和任務(wù)信息，主控系統生成導航控制指令，送入驅動(dòng)系統執行。

如圖4所示，為攝像頭采集的原始圖像信號和經(jīng)過(guò)計算機識別后的數字圖像信號。數字圖像識別的精度可以達到1mm以?xún)?，顯著(zhù)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(jué)導航系統能夠識別出路徑標識及其輪廓，從而能夠用于車(chē)輛的控制。視覺(jué)導航AGV的典型應用1.電子制造業(yè)在手機制造等行業(yè)中，產(chǎn)品的裝配工藝需要大量的人工。常規的裝配往往采用人工流水線(xiàn)的方式進(jìn)行，隨著(zhù)人力成本的迅速提升以及對勞動(dòng)條件改善的要求日益強烈，用機器人代替人工進(jìn)行枯燥繁瑣的裝配作業(yè)成為行業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢。手機裝配的工位點(diǎn)數量多，如果每個(gè)工位都配置一臺裝配機器人，則設備一次性投入的數量將非常大。而如果能夠將關(guān)節機器人與移動(dòng)AGV結合，使得一臺機器人能夠同時(shí)完成多個(gè)工位點(diǎn)之間的作業(yè)，則將顯著(zhù)減少一次性投入，并且今后機器人的作業(yè)設定也可以隨著(zhù)工藝的調整而隨時(shí)改變，使生產(chǎn)線(xiàn)的柔性化程度大大提升。

圖5為搭載關(guān)節機器人的視覺(jué)導航AGV平臺，圖6是一臺搭載了關(guān)節機器人的視覺(jué)導航AGV。在視覺(jué)識別導航AGV上搭載關(guān)節機器人，可以*替代人工作業(yè)，完成生產(chǎn)裝配工作及CNC的自動(dòng)生產(chǎn)工作，工作精度達到1mm，工廠(chǎng)人工與生產(chǎn)成本得到大幅降低，同時(shí)產(chǎn)品品質(zhì)也得到穩定和提升。表1顯示了在采用視覺(jué)識別AGV系統后，工廠(chǎng)的運營(yíng)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(guò)程需要大量人力，而其中物料的輸送占了相當大的比例。某空調生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線(xiàn)上采用柔性化搬運系統代替人力和固定式輸送線(xiàn)搬運。由于車(chē)間地面部分區域有鋼板鋪設，因此無(wú)法采用磁導航。視覺(jué)導航AGV可以*該生產(chǎn)線(xiàn)的搬運需求。該系統包括62 個(gè)生產(chǎn)單元、14 臺自動(dòng)移載式AGV 及中央智能調度系統。

項目所用自動(dòng)移載式AGV在其車(chē)體上部安裝有動(dòng)力輥筒，生產(chǎn)線(xiàn)上完工的成品、半成品直接通過(guò)傳輸帶或者固定的軌道傳輸線(xiàn)轉移到AGV上，實(shí)現無(wú)人對接以及無(wú)人搬運。在運輸通道上鋪設了雙向導航色帶，并在每個(gè)?？奎c(diǎn)鋪設RFID芯片。在A(yíng)GV車(chē)載輥筒上架設2～3套對射光電開(kāi)關(guān)。輸送機上裝設2套對射光電開(kāi)關(guān)，一套檢測傳感器。AGV與輸送機對接時(shí)，控制輸送機和AGV輥筒傳動(dòng)。輸送機通過(guò)檢測傳感器檢測輸送機是否有料箱。各個(gè)生產(chǎn)單元均根據生產(chǎn)情況，隨機地通過(guò)調度系統，呼叫AGV 到對應產(chǎn)線(xiàn)運載物料，進(jìn)行實(shí)時(shí)、全自動(dòng)的物料配送。該項目于2013年實(shí)施，目前系統運行正常。 3.電氣生產(chǎn)業(yè)在電氣設備生產(chǎn)中，部件往往質(zhì)量較大，如電梯行業(yè)使用的驅動(dòng)電機通常為大扭矩特種電機。該電機生產(chǎn)過(guò)程中電機殼和轉子部件需要在車(chē)間內進(jìn)行搬運，以往采用人工駕駛叉車(chē)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，安全性好。由于電機部件重量大，在交通路口若鋪設鋼板以保護地面下方的管線(xiàn)，導致無(wú)法采用磁導航式AGV。此外，重載車(chē)輛對導航磁條的反復碾壓極易導致磁條損壞，也是這類(lèi)場(chǎng)所難以采用磁條導航的原因。在經(jīng)過(guò)綜合分析成本和性能后，該項目采用視覺(jué)識別導航AGV，如圖8。系統設有兩條線(xiàn)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子，采用自動(dòng)移載式，荷載2T。兩條線(xiàn)路的交叉口采用調度系統進(jìn)行交通管制，并與其它人工駕駛叉車(chē)共用路口。

總結隨著(zhù)《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(lái)越引起傳統制造業(yè)的重視。在經(jīng)濟步入“寒冬”的大背景下，大量傳統制造業(yè)企業(yè)開(kāi)始謀劃轉變。通過(guò)引入AGV系統提升廠(chǎng)內物流效率、降低運營(yíng)成本，已經(jīng)成為制造業(yè)升級的趨勢之一。視覺(jué)識別導航方法，由于其對地面適應性廣、地理標簽耐重載、導航精度高、硬件成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在電子制造、家電生產(chǎn)、電氣制造等工業(yè)領(lǐng)域得到成功應用。由于視覺(jué)導航技術(shù)有一定的技術(shù)難度，因此目前國內的應用數量少。隨著(zhù)視覺(jué)導航系統硬件成本逐漸下降，以及導航技術(shù)的不斷發(fā)展，這類(lèi)AGV系統將進(jìn)一步擴展在制造業(yè)廠(chǎng)內物流系統中的應用。