智能 AGV视觉导航控制系统研究及应用

智能 AGV视觉导航控制系统研究及应用

范志婷 范传文 江秀聪

临沂市产业技术研究院

临沂市妇女儿童活动中心

临沂市产业技术研究院

276000

摘要：随着科学技术的良好发展以及产业升级改造的实际标准需求，智能AGV的科学有效应用，也变成企业柔性生产设备以及仓储自动化优化升级的重要选择，自动化程度与灵活性以及安全可靠性等优秀。基于此，本文对智能AGV视觉导航控制系统研究及应用进行分析。

关键词：智能AGV；视觉导航；控制系统

前言：AGV即自动导向车在众多行业领域获得良好应用，如制造业与军事以及医药等领域。AGV可以位于具备相应地形特点的环境下，按照预期路径行驶或是达到指定地点。路径跟踪以及路障躲避属于AGV的突出功能，同样使AGV导航的重要目的。AGV导航能力以及路径跟踪精度，则同控制策略以及实施控制性能存在紧密联系。本文对智能AGV视觉导航控制系统研究及应用进行分析，以此为有关人员提供帮助参考。

1、智能AGV视觉导航方案规划

1.1智能AGV车体结构设计

视觉导航型智能AGV，具体涵盖车体架构与驱动单元、视觉导航模块、通讯模块以及电源模块等装置，模块之间协同工作，下图为智能AGV车体结构。本文主要对视觉导航模块采取重点研究，视觉传感器位于车底部以及前部设置安装。

图1智能AGV车体结构

1.1.1车体分析

本文研究的智能AGV属于潜伏式视觉导航型，四轮后驱模型，设置自动升降销，潜伏范围较大，基于视觉监测标识符以及其他辅助定位信息完成精准定位，车体长、宽、高依次为1.2m、0.8m、0.35m，为确保车架稳固耐久，车架通过钢板焊接并采取钣金成型。车体属于系统稳定运行的关键平台。

1.1.2视觉导航模块

视觉导航模块涵盖视觉传感器以及车体路径信息采集视觉传感器，前者可完成路径通过性监测，检测范围可以进行具体调整。后者可完成引导路径信息获取，若智能AGV运行期间产生偏差的情况下，向图像处理器以及运动控制器进行上传。视觉导航模块属于研究关键内容。

1.1.3安全模块

安全模块涵盖物理单元以及非接触检测单元，物理单元，即车辆前段安装设置的防撞杆以及车体四周设置的防撞设施，非接触检测单元，即视觉与超声波信息结合形成的障碍物检测模块，能够完成智能AGV主动避障或是安全距离之内可以完成停车报警。

1.2智能AGV运动模式构建

1.2.1智能AGV驱动模式

智能AGV运动模型，即对驱动单元进行运动分析，当前，智能AGV采用的驱动模式相对较多，具体详见下图。

图2 智能AGV驱动方式

本文研究智能AGV以双后轮差速驱动，双万向轮为前轮的四轮模型，并以轮毂式电机为主，缩减车体宽度的同时，提升灵活性。

1.2.2智能AGV运动模型

为构建智能AGV运动模型，应先对驱动方式做出明确，之后完成运动学分析，最终构建运动模型。本文以两轮差速式独立驱动为主，方向通过差速变化进行控制，详见图3，驱动轮位于后侧，确保竞相平行以及轴向中心线，且可完成独立驱动。为构建科学运动模型，对运动状态做出相应的假设：第一，车体属于刚性；第二，水平运动；第三，左右轮保持相同受力，同地面不发生滑动；第四，空气阻力忽略不计。

图3 智能AGV运动示意图

L代表驱动轮间距；R代表转弯半径； 以此代表左右轮线速度。

智能AGV运行过程中，调节驱动轮速度，实现转向与转弯半径的变化，即控制 。智能AGV保持正常运动，假设驱动轮沿中心线速度 ，则可以计算出 关系式。

（1）

假设转交速度 ，

（2）

时间，智能AGV同路径中心线之间距离、角度偏差 。通过上述公式，可计算出AGV运动方程，

（3）

（4）

较小，基于（3）则可计算出 变化率，

（5）

同理，可计算出 变化率，

（6）

基于 、（1）、（5）、（6），可建立基于 为状态变量的智能AGV状态方程。

（7）

智能AGV保持直线运动情况下， ， 。

基于（7）得知，智能AGV运动期间， 变化仅同驱动轮速度差存在联系，即可通过速度差对角度、距离偏差做出有效调节，确保正常导航。

1.3智能AGV视觉导航系统结构设计

基于视觉导航技术，确保智能AGV可以自动引导，具体结构详见图4。

图4 智能AGV视觉导航系统结构

由图4得知，系统结构具体涵盖两部分：第一，车前安装设置的视觉传感器，负责障碍物监测，避免出现碰撞，实现智能AGV自动上线。第二，车底安装设置的视觉传感器，负责获得路径中心线同车体中心线之间偏差图像信息，利用图像处理器完成系统运算，科学计算 ，并及时上传至运动控制器。此外，标识符图像信息，完成速度调节与停车。

最终图像处理结果，对指令发送至运动控制器，以此完成对驱动电机的有效控制，确保智能AGV稳定正常运行。

2、试验和仿真

2.1避障试验

2.1.1超声波模块测试

（1）障碍物布局设计

测量传感器波束角实验期间，障碍物布局对结果的影响，详见下午所示。超声波探头同障碍物平面保持平行与垂直的情况下，有效角度具体是40°、60°。

图5 超声波模块布局

基于实验得知，超声波探头同障碍物平面保持平行，位于左右极限部分，障碍物角度转向传感器位置，速度介于0-20°之间，仍旧可对物体做出有效监测。超声波探头同障碍物平面保持垂直，位于左右极限部分，障碍物平面同传感器保持相对，才可被有效检测。鉴于障碍物平面指向具有的随机性，波束角以40°为宜。

2.2路径检测试验

2.2.1路径监测试验

基于智能AGV同路径形成的偏差获取算法，通过PC完成算法仿真。

图6 智能AGV与路径偏差

图7 位姿偏差获取仿真

2.2.2路径检测结果分析

基于实时测量获取的智能AGV同路径之间的距离、角度偏差，随机选择部分数据点做出系统分析，通过matlab软件绘制距离、角度偏差同时间之间的关系图像，详见图8、9。

图8 智能AGV与路径的角度偏差变化

图9 智能AGV与路径的距离偏差变化

基于仿真记过恩能够得知，设计研究的偏差获取算法，可以相对准确的获取智能AGV同预设路径形成的位姿偏差，智能AGV可以基于偏差，对方向与速度做出有效调节，从而有效实现自动导航功能。

结论：综上所述，随着科学技术的快速发展与产业升级改造的实际标准需求，智能AGV的科学有效应用，也变成企业柔性生产设备以及仓储自动化优化升级的重要选择，智能AGV依已然变成现代化制造业最具高新科技代表性的产品，自动化程度与灵活性以及安全可靠性等优秀，在众多行业领域获得良好应用。

参考文献：

[1]张在房,沈敏德.基于电子地图的视觉AGV导航控制系统研究[J].山东轻工业学院学报(自然科学版),2015,19(02):16-21.

[2]方雪清,黄晓婷,郑灿塔.基于嵌入式视觉导航的AGV控制系统[J].现代计算机(专业版),2018,216(08):123-125.