視覺導(dǎo)航AGV及其在制造業(yè)廠內(nèi)的應(yīng)用

視覺導(dǎo)航作為一種*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(shí)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(diǎn)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(dòng)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(diǎn)，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(shí)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(diǎn)。在實(shí)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(duì)于埋設(shè)導(dǎo)線/磁條、安裝磁釘?shù)确椒ǘ? 視覺導(dǎo)航進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性, 并且降低了安裝使用成本，同時(shí)視覺識(shí)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(duì)于激光導(dǎo)航方法，視覺導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)在于其低廉的系統(tǒng)硬件成本以及識(shí)別功能的擴(kuò)展能力——只要軟件和模式識(shí)別功能足夠智能，自動(dòng)導(dǎo)引車就可以實(shí)現(xiàn)多種導(dǎo)航和定位功能。本文將對(duì)視覺導(dǎo)航的原理以及系統(tǒng)組成進(jìn)行分析介紹，研究其導(dǎo)航控制流程，并介紹了視覺識(shí)別AGV系統(tǒng)在電子、家電、電氣等制造業(yè)工廠內(nèi)自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用。視覺識(shí)別系統(tǒng)的組成視覺識(shí)別AGV的關(guān)鍵技術(shù)是計(jì)算機(jī)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(shí)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(hào)采集裝置、圖像信號(hào)處理裝置和圖像識(shí)別及運(yùn)動(dòng)控制單元等組成，其中圖像采集裝置由數(shù)字?jǐn)z像頭完成，圖像信號(hào)處理由圖像采集卡完成，圖像識(shí)別和運(yùn)動(dòng)控制由主控板上的MCU完成，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器為AGV車體上差速驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。AGV車體系統(tǒng)還包括紅外/激光安全傳感器、電機(jī)測(cè)速旋轉(zhuǎn)編碼器、補(bǔ)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(jī)測(cè)速編碼器用電機(jī)速度與位置的伺服控制，補(bǔ)光照明系統(tǒng)用于增強(qiáng)車體下方的路徑上的光照強(qiáng)度，以便使AGV準(zhǔn)確識(shí)別路徑標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)邏輯組成如圖1所示。數(shù)字?jǐn)z像頭信號(hào)通過圖像采集卡直接送入主控系統(tǒng)板，安全傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器和輔助照明直接與主控板連接，電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)主軸之間由機(jī)械連接，編碼器反饋信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jìn)行原始圖像的灰度圖生成、濾波、圖像增強(qiáng)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(shí)別處理。圖形模式識(shí)別模塊主要完成對(duì)預(yù)處理后的二值圖像與預(yù)設(shè)的圖形模版的對(duì)比，根據(jù)關(guān)鍵位置的比較，識(shí)別出該圖形。導(dǎo)航控制模塊根據(jù)識(shí)別出的圖形信息，生成對(duì)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?jǐn)z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(hào)，再由圖像采集卡進(jìn)行預(yù)處理，形成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的二值圖形；之后送入主控系統(tǒng)進(jìn)行路徑識(shí)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(jìn)行比較，從而生成運(yùn)動(dòng)控制指令，并送入行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器解析后生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)航控制。

AGV圖像識(shí)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?jǐn)z像頭采集，形成特定彩色空間中的圖像原始信號(hào)，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(hào)中的噪聲點(diǎn)，采用自適應(yīng)閾值濾波方法。對(duì)于路徑識(shí)別來說，彩色圖像的信息是冗余的，為了節(jié)省CPU運(yùn)算時(shí)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(diǎn)狀和碎屑狀噪聲去除，得到路徑識(shí)別結(jié)果。從識(shí)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(chǔ)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(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行。

如圖4所示，為攝像頭采集的原始圖像信號(hào)和經(jīng)過計(jì)算機(jī)識(shí)別后的數(shù)字圖像信號(hào)。數(shù)字圖像識(shí)別的精度可以達(dá)到1mm以內(nèi)，顯著高于常用磁/電磁傳感器的識(shí)別分辨率。從圖4中可看出，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)能夠識(shí)別出路徑標(biāo)識(shí)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)在手機(jī)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(jìn)行，隨著人力成本的迅速提升以及對(duì)勞動(dòng)條件改善的要求日益強(qiáng)烈，用機(jī)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(shì)。手機(jī)裝配的工位點(diǎn)數(shù)量多，如果每個(gè)工位都配置一臺(tái)裝配機(jī)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(jī)器人與移動(dòng)AGV結(jié)合，使得一臺(tái)機(jī)器人能夠同時(shí)完成多個(gè)工位點(diǎn)之間的作業(yè)，則將顯著減少一次性投入，并且今后機(jī)器人的作業(yè)設(shè)定也可以隨著工藝的調(diào)整而隨時(shí)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(jī)器人的視覺導(dǎo)航AGV平臺(tái)，圖6是一臺(tái)搭載了關(guān)節(jié)機(jī)器人的視覺導(dǎo)航AGV。在視覺識(shí)別導(dǎo)航AGV上搭載關(guān)節(jié)機(jī)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(dá)到1mm，工廠人工與生產(chǎn)成本得到大幅降低，同時(shí)產(chǎn)品品質(zhì)也得到穩(wěn)定和提升。表1顯示了在采用視覺識(shí)別AGV系統(tǒng)后，工廠的運(yùn)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(jī)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(yùn)系統(tǒng)代替人力和固定式輸送線搬運(yùn)。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(yùn)需求。該系統(tǒng)包括62 個(gè)生產(chǎn)單元、14 臺(tái)自動(dòng)移載式AGV 及中央智能調(diào)度系統(tǒng)。

項(xiàng)目所用自動(dòng)移載式AGV在其車體上部安裝有動(dòng)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(shí)現(xiàn)無人對(duì)接以及無人搬運(yùn)。在運(yùn)輸通道上鋪設(shè)了雙向?qū)Ш缴珟В⒃诿總€(gè)?？奎c(diǎn)鋪設(shè)RFID芯片。在AGV車載輥筒上架設(shè)2～3套對(duì)射光電開關(guān)。輸送機(jī)上裝設(shè)2套對(duì)射光電開關(guān)，一套檢測(cè)傳感器。AGV與輸送機(jī)對(duì)接時(shí)，控制輸送機(jī)和AGV輥筒傳動(dòng)。輸送機(jī)通過檢測(cè)傳感器檢測(cè)輸送機(jī)是否有料箱。各個(gè)生產(chǎn)單元均根據(jù)生產(chǎn)情況，隨機(jī)地通過調(diào)度系統(tǒng)，呼叫AGV 到對(duì)應(yīng)產(chǎn)線運(yùn)載物料，進(jìn)行實(shí)時(shí)、全自動(dòng)的物料配送。該項(xiàng)目于2013年實(shí)施，目前系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)電機(jī)通常為大扭矩特種電機(jī)。該電機(jī)生產(chǎn)過程中電機(jī)殼和轉(zhuǎn)子部件需要在車間內(nèi)進(jìn)行搬運(yùn)，以往采用人工駕駛叉車運(yùn)輸。由于物料運(yùn)輸頻率高，空間狹窄，不僅人力運(yùn)輸投入大，而且有一定的安全隱患。采用AGV替代人工搬運(yùn)可以減少人力投入，而且AGV搬運(yùn)比人工運(yùn)輸更加平穩(wěn)，安全性好。由于電機(jī)部件重量大，在交通路口若鋪設(shè)鋼板以保護(hù)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(duì)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(xiàng)目采用視覺識(shí)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(yùn)輸電機(jī)外殼，AGV荷載2T；另一條用于運(yùn)輸電機(jī)轉(zhuǎn)子，采用自動(dòng)移載式，荷載2T。兩條線路的交叉口采用調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)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(jì)劃的提出，智能物流作為制造業(yè)升級(jí)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(jì)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(yùn)營成本，已經(jīng)成為制造業(yè)升級(jí)的趨勢(shì)之一。視覺識(shí)別導(dǎo)航方法，由于其對(duì)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(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(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(jìn)一步擴(kuò)展在制造業(yè)廠內(nèi)物流系統(tǒng)中的應(yīng)用。