視覺導航AGV及其在制造業廠內的應用

視覺導航作為一種先進的導航方式，適應性廣、靈活性高，可顯著提升廠內物流效率，節省人力成本，未來發展前景廣闊。本文分析研究了視覺導航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應用特點及其在電子電器制造業廠內物流中的應用情況。在自動導航車（Automated Guided Vehicle, AGV）的應用中，廣泛使用的導航技術主要有磁、電磁、激光等幾種。視覺導航方法由于其本身*特點，近年來在我國AGV應用中逐漸引起注意。視覺導航通過視覺傳感器采集周圍環境中的地理信息，經過圖像處理和識別，生成導航指令。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。在實際應用中,只需在路面上畫出路徑引導線或者路標圖形, AGV就可以通過視覺導航系統來控制自身行走。相對于埋設導線/磁條、安裝磁釘等方法而言, 視覺導航進一步增強了系統的靈活性, 并且降低了安裝使用成本，同時視覺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題（在部分應用中，視覺可以作為慣性導航的誤差校正方法）。相對于激光導航方法，視覺導航的優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，自動導引車就可以實現多種導航和定位功能。本文將對視覺導航的原理以及系統組成進行分析介紹，研究其導航控制流程，并介紹了視覺識別AGV系統在電子、家電、電氣等制造業工廠內自動化物流系統中的應用。視覺識別系統的組成視覺識別AGV的關鍵技術是計算機視覺技術，即利用視覺傳感器獲取AGV前方/下方的路面環境信息，經過控制系統的識別和解析，生成控制指令，從而使AGV小車沿規劃的路徑行駛。

視覺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，圖像識別和運動控制由主控板上的MCU完成，運動執行器為AGV車體上差速驅動伺服電機。AGV車體系統還包括紅外/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圖像采集卡直接送入主控系統板，安全傳感器、電機驅動控制器和輔助照明直接與主控板連接，電機由驅動器驅動，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行原始圖像的灰度圖生成、濾波、圖像增強等作業，使圖像在保留關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的目標位置進行比較，從而生成運動控制指令，并送入行走機構的驅動系統；經過驅動器解析后生成驅動信號并驅動行走系統驅動電機，實現AGV的導航控制。

AGV圖像識別導航算法流程如圖3，視覺系統的原始輸入圖像經數字攝像頭采集，形成特定彩色空間中的圖像原始信號，并通過數據總線傳輸到數字圖像處理器中。首先去除圖像信號中的噪聲點，采用自適應閾值濾波方法。對于路徑識別來說，彩色圖像的信息是冗余的，為了節省CPU運算時間，將彩色空間圖像轉化為二值圖像。通過數學形態濾波算法將二值圖像中的點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信息，主控系統生成導航控制指令，送入驅動系統執行。

如圖4所示，為攝像頭采集的原始圖像信號和經過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以內，顯著高于常用磁/電磁傳感器的識別分辨率。從圖4中可看出，視覺導航系統能夠識別出路徑標識及其輪廓，從而能夠用于車輛的控制。視覺導航AGV的典型應用1.電子制造業在手機制造等行業中，產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的方式進行，隨著人力成本的迅速提升以及對勞動條件改善的要求日益強烈，用機器人代替人工進行枯燥繁瑣的裝配作業成為行業的一個發展趨勢。手機裝配的工位點數量多，如果每個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。而如果能夠將關節機器人與移動AGV結合，使得一臺機器人能夠同時完成多個工位點之間的作業，則將顯著減少一次性投入，并且今后機器人的作業設定也可以隨著工藝的調整而隨時改變，使生產線的柔性化程度大大提升。

圖5為搭載關節機器人的視覺導航AGV平臺，圖6是一臺搭載了關節機器人的視覺導航AGV。在視覺識別導航AGV上搭載關節機器人，可以*替代人工作業，完成生產裝配工作及CNC的自動生產工作，工作精度達到1mm，工廠人工與生產成本得到大幅降低，同時產品品質也得到穩定和提升。表1顯示了在采用視覺識別AGV系統后，工廠的運營成本下降了。

2.家電行業

家電行業是人力密集型制造業，其零部件的生產和整機的裝配過程需要大量人力，而其中物料的輸送占了相當大的比例。某空調生產企業在產品組裝生產線上采用柔性化搬運系統代替人力和固定式輸送線搬運。由于車間地面部分區域有鋼板鋪設，因此無法采用磁導航。視覺導航AGV可以*該生產線的搬運需求。該系統包括62 個生產單元、14 臺自動移載式AGV 及中央智能調度系統。

項目所用自動移載式AGV在其車體上部安裝有動力輥筒，生產線上完工的成品、半成品直接通過傳輸帶或者固定的軌道傳輸線轉移到AGV上，實現無人對接以及無人搬運。在運輸通道上鋪設了雙向導航色帶，并在每個?？奎c鋪設RFID芯片。在AGV車載輥筒上架設2～3套對射光電開關。輸送機上裝設2套對射光電開關，一套檢測傳感器。AGV與輸送機對接時，控制輸送機和AGV輥筒傳動。輸送機通過檢測傳感器檢測輸送機是否有料箱。各個生產單元均根據生產情況，隨機地通過調度系統，呼叫AGV 到對應產線運載物料，進行實時、全自動的物料配送。該項目于2013年實施，目前系統運行正常。 3.電氣生產業在電氣設備生產中，部件往往質量較大，如電梯行業使用的驅動電機通常為大扭矩特種電機。該電機生產過程中電機殼和轉子部件需要在車間內進行搬運，以往采用人工駕駛叉車運輸。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，導致無法采用磁導航式AGV。此外，重載車輛對導航磁條的反復碾壓極易導致磁條損壞，也是這類場所難以采用磁條導航的原因。在經過綜合分析成本和性能后，該項目采用視覺識別導航AGV，如圖8。系統設有兩條線路，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，采用自動移載式，荷載2T。兩條線路的交叉口采用調度系統進行交通管制，并與其它人工駕駛叉車共用路口。

總結隨著《中國制造2025》計劃的提出，智能物流作為制造業升級的核心之一，正越來越引起傳統制造業的重視。在經濟步入“寒冬”的大背景下，大量傳統制造業企業開始謀劃轉變。通過引入AGV系統提升廠內物流效率、降低運營成本，已經成為制造業升級的趨勢之一。視覺識別導航方法，由于其對地面適應性廣、地理標簽耐重載、導航精度高、硬件成本低等優點，已經在電子制造、家電生產、電氣制造等工業領域得到成功應用。由于視覺導航技術有一定的技術難度，因此目前國內的應用數量少。隨著視覺導航系統硬件成本逐漸下降，以及導航技術的不斷發展，這類AGV系統將進一步擴展在制造業廠內物流系統中的應用。