基于视觉导引的智能叉车控制系统设计

基于视觉导引的智能叉车控制系统设计

周业超

杭叉集团股份有限公司    浙江杭州   311300  浙江杭叉智能科技有限公司浙江杭州   311300

摘要：叉车作为仓库中的重要设备，工作环境恶劣、作业危险，已经成为很多工厂自动化仓储作业中的瓶颈。为了提高叉车的作业效率，降低叉车的事故发生率，提出了基于视觉导引的智能叉车控制系统。首先介绍了视觉导引的工作原理、系统组成及控制流程，然后详细论述了控制器硬件选型、控制系统软件设计等内容，最后通过实验验证了基于视觉导引的智能叉车控制系统工作可靠、稳定性好、效率高，可以有效降低企业生产成本。

关键词：视觉引导；智能叉车控制系统；设计分析

引言

在进行智能叉车控制系统的设计时，使用了惯量导导的方法，在设计结束后，经过试验，发现与常规的 智能叉车控制系统相比，样车在整个运转过程中，比常规的智能叉车控制系统要稳定得多，并且具备准确的定位功能，可以实现控制的需求。以视觉为导向的智能驱动方式，已成为当今 FMS及自动化仓库中最重要的交通工具。随着科学技术的不断发展，无人工作已经越来越多地被用于生产设计中的一项主要的工作，智能叉车是一种智能的、无人驾驶的交通工具，它有着非常高的生产效率，并且可以在运行的时候进行高准确度的位置，它是目前互联网发展的一个主要表现。

一、视觉导引原理

视觉导引是指通过对叉车前方障碍物的识别，利用摄像头采集障碍物的图像，根据图像处理算法判断障碍物距离，进而控制叉车动作的导引方式。该系统由叉车运动控制器、视觉传感控制器和移动平台三部分组成。

叉车运动控制器通过接收外部指令，控制移动平台上安装的摄像头拍摄障碍物图像，通过视觉传感控制器分析图像处理算法得到的障碍物距离和障碍物尺寸，经过比较得到叉车当前行驶方向、速度以及执行动作的目标位置，进而控制移动平台上安装的视觉传感控制器完成目标位置采集并执行动作。

视觉传感控制器对叉车运动控制器发出指令，通过激光扫描障碍物，并将扫描结果传输给视觉传感控制器，计算出当前目标位置、路径长度等参数后传递给运动控制系统，最后由运动控制系统指令给移动平台执行动作。

二、控制系统构成

智能叉车控制系统结构中，主控 CPU为基于 ARM内核的STM32F407VET6芯片，主要负责控制整个系统的运行状态；无线通信模块为基于802.11n的 WIFI模块，主要负责数据传输；视觉处理模块为基于 PSC图像传感器的 CCD摄像头，主要负责完成叉车运行过程中对周围环境的视觉导引；无线通信模块为无线射频模块，主要负责将信号传递给主控 CPU；控制系统软件包括主程序、视觉处理、无线通信、定位导航程序等部分。其中，主控 CPU对图像处理模块和无线通信模块进行控制，而视觉处理和定位导航程序对叉车运行状态进行监测和控制。

摄像头获取到叉车前方目标区域的图像后，首先将其传送给主控 CPU，根据摄像头所提供的信息对叉车当前位置进行计算。之后，控制系统根据所得到的位置信息和所计算出来的参数，计算出行走速度。

三、控制器硬件选型

根据控制系统功能要求，控制器硬件选型，采用工业级处理器，采用双核架构，分别为主控 CPU和运动控制 CPU。主控 CPU负责整个系统的控制功能，它采用32位高性能微处理器，采用Cortex-M3内核架构，具有丰富的 IO口，包括4个高速串口、两个高速接口和2个高速 USB接口；运动控制 CPU负责将视觉导引系统采集到的数据信息处理后驱动电机完成作业，它具有32位高性能嵌入式处理器架构、丰富的 IO口和2个高速串行接口等特点。

运动控制 CPU采用三星公司Cortex-M3处理器芯片S3C2440,它具有32位高性能Cortex-M3内核，主频最高可达372 MHz。其数据处理能力高、指令执行速度快且低功耗；支持4K×4K的外部 RAM和64 KB的内部 RAM；支持32位 SPI接口和串行通信接口；支持8K×8K的外部 Flash；具有2路高速 UART端口、2路高速 Socket接口；采用高速16位同步串行外设接口 SPI。

四、软件设计

智能叉车控制系统的软件设计包括主程序、车辆运动程序及设备监控程序，软件流程。其中主程序根据用户要求自动生成控制指令，并发送到相应设备的舵机控制器，通过接收来自叉车控制器的控制信号实现对叉车的转向控制。车辆定位程序通过对摄像头拍摄到的图像处理，提取出图像中车辆边缘信息，计算出车身与目标物的距离，然后将距离信息通过串口发送给运动控制程序。车辆运动控制程序采用 PID算法进行运动控制，其中主函数调用位置 PID模块和速度 PID模块，完成对两个模块的参数整定后通过电机控制模块输出给舵机控制器，实现对舵机控制器的位置与速度调整。设备监控程序主要功能是对摄像头采集到的图像信息进行处理与分析，当检测到有物料在行驶过程中经过或有人员经过时会发出报警信号提醒驾驶员注意。当出现叉车压伤物料等情况时会发出减速信号提醒驾驶员注意。

智能叉车系统采用了多任务模式以提高系统的可靠性和灵活性，可以方便地实现对多台叉车同时进行监控、调度、操作及管理。由于采用了多种不同的任务模式，不同任务之间相互独立且相互影响较小。系统各个任务之间主要通过通信模块实现通信连接。

五、实验验证及分析

智能叉车的控制系统采用C语言编程，以C语言为开发平台，采用面向对象的设计思想，设计了智能叉车控制系统的人机交互界面。在实际运行中，智能叉车可以按照预先设定好的路径行驶。在实际运行中，图像采集模块通过摄像头采集周围环境图像，通过 USB接口将采集到的图像发送给主控计算机。主控计算机接收到图像后，通过比较控制量的大小，发送控制智能叉车完成相应动作。为了验证该叉车控制系统工作可靠、稳定性好、效率高，在实验过程中使用了多组不同规模的样本进行验证。

实验结果表明：在使用视觉导引的情况下，智能叉车运行平稳、速度快、效率高，具有很好的稳定性和安全性。智能叉车行走路径清晰流畅、平稳舒适，智能叉车作业时没有碰撞现象发生。

结语

本文介绍了一种基于视觉导引的智能叉车控制系统，该系统通过采用 CCD摄像头和激光传感器识别货物的位置，通过主控模块计算货物位置并控制伺服电机，从而实现叉车的自主定位和路径跟踪。本系统具有以下特点：（1）控制方式灵活，既可以通过控制面板设置当前货物位置，也可以通过控制器直接读取目标区域信息并与视觉信息进行对比，从而判断当前货物的位置；（2）可以自动识别货叉上的货物、货叉下的托盘上的货物，并根据货物状态及时调整叉车的工作方向、速度和位置；（3）控制器与 PLC之间进行通信时采用C语言编程实现，采用 VB作为上位机界面开发工具，界面友好、操作简单；（4）通过实验证明该系统工作可靠、稳定性好、效率高，在实际生产中应用前景广阔，可以有效提高企业的生产效率、降低企业生产成本。

参考文献

[1]于文远. 基于视觉导引的智能叉车控制系统设计. 桂林电子科技大学, 2019.

[2]杨光明, 李潇波, 徐政锋,等. 基于视觉导航的智能叉车式AGV控制系统:, CN205527598U[P]. 2016.