视觉AGV的导引系统研究.docx
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视觉AGV的导引系统研究
视觉AGV的导引系统研究
中文摘要[参考中国知识写作网，包过]
随着现代物流运输行业的迅速发展，越来越多的物流装备也应运而生和发展壮丈
AGV作为一种无人操作的智能化物流设备，已被广泛应用到国民经济中涉及物流转
的各行各业。
它是融入了机械、计算机技术、控制理论、智能技术、电子学等学科技
的综合智能车辆。
自诞生以来，AGV就以其高度智能化、柔性化的特点，引起了国
外许多学者的关注和研究。
本文的研究对象是视觉导引AGV，并重点研究了其导引系统。
视觉AGV的导引
理是通过视觉系统识别工作环境中预先设置的导引路标，以获取小车与路径的偏差来
制AGV沿着导引路径准确行驶。
从工作过程看，导引系统可分为视觉系统、控制系
和驱动系统三部分。
具体来说，视觉系统负责获取和处理图像，驱动系统负责小车的
驶和转向，控制系统则是根据路径参数调整小车的行驶状态。
对此，本文主要从三个
面进行了研究:
C1）在图像处理方面，通过对采集的路径图像每步处理方法进行分析和最优选择，
获得准确的路径中心线，提取出准确的参数，同时也使图像处理达到实时性要求。
C2）在运动控制方面，分别对粒子群优化算法和滑模控制方法进行了研究。
针对滑
控制的抖振影响，文中提出了一种用免疫粒子群算法优化滑模控制律参数的方法。
最t
将优化后的滑模变结构控制方法作为AGV路径跟踪控制策略，并分别对其在直线、
线和圆周三种路径下进行了仿真，以验证该控制策略的有效性。
（3）在硬件设计方面，分别对控制系统、视觉图像处理系统和驱动系统进行了分析
硬件选型。
为了使导引系统尽量满足实时性要求，文中设计了一种基于微处理器AP
和数字信号处理器DSP架构的嵌入式控制系统。
关键词:
AGV;图像处理;路径跟踪;滑模控制;粒子群算法
目录
第一章绪论..............................................................1
1.1研究背景及意义......................................................................................................……1
1.2国内外AGV研究现状.................................................................................................2
1.2.1国外研究现状.........................................................................................................2
1.2.2国内研究现状.........................................................................................................2
1.3AGV总体结构介绍........................................................................................................3
1.4AGV导引方式及特点....................................................................................................6
1.5本文主要研究内容........................................................................................................8
第二章视觉图像处理算法...................................................................................................11
2.1引言..............................................................................................................................11
2.2图像滤波................................................................................................................……11
2.2.1图像灰度化.....................................................................................................……11
2.2.2图像滤波.........................................................................................................……13
2.3图像二值化............................................................................................................……14
2.3.1图像二值化简介...................................................................................................14
2.3.2Otsu阀值分割算法..........................................................................................……15
2.4图像细化................................................................................................................……16
2.5路径参数提取........................................................................................................……17
2.5.1Hough变换基本原理......................................................................................……17
2.5.2极坐标系下的Hough变换..................................................................................19
2.5.3路径参数的提取...................................................................................................20
2.6本章小结......................................................................................................................21
第三章免疫粒子群算法.......................................................................................................23
3.1引言..............................................................................................................................23
3.2粒子群算法..................................................................................................................23
3.2.1粒子群算法简介...................................................................................................23
3.2.2粒子群算法基本原理...........................................................................................23
3.2.3目标函数的选择...................................................................................................24
3.2.4算法流程...............................................................................................................24
3.2.5粒子群算法参数选取...........................................................................................25
3.2.6粒子群算法收敛性分析.......................................................................................26
3.3粒子群算法存在的问题..............................................................................................26
3.4免疫粒子群算法..........................................................................................................27
3.4.1免疫机理简介.......................................................................................................27
3.4.2免疫粒子群算法原理...........................................................................................28
3.4.3算法收敛性分析...................................................................................................30
3.4.4算法流程...............................................................................................................31
3.5算法验证................................................................................................................……犯
3.6本章小结......................................................................................................................35
第四章AGV运动控制策略.................................................................................................37
4.1引言..............................................................................................................................37
4.2滑模变结构控制简介..................................................................................................37
4.2.1变结构控制简介...................................................................................................37
4.2.2滑模变结构控制系统抖振问题...........................................................................38
4.3离散系统滑模变结构控制..........................................................................................38
4.3.1离散系统滑模控制的描述...................................................................................39
4.3.2准滑动模态的特性...............................................................................................39
4.3.3离散滑动模态的到达条件...................................................................................40
4.3.4离散滑模控制的不变性.......................................................................................40
4.4AGV运动学模型..........................................................................................................41
4.5离散滑模控制律设计..................................................................................................43
4.5.1趋近律选取.....................................................................................................……43
4.5.2离散系统控制律设计...........................................................................................43
4.5.3离散滑模控制系统的抖振分析...........................................................................44
4.6免疫粒子群算法优化的离散滑模控制系统设计......................................................45
4.6.1目标函数设计.......................................................................................................45
4.6.2免疫粒子群算法优化的离散滑模控制器设计...................................................45
4.7仿真分析......................................................................................................................46
4.7.1直线路径跟踪.......................................................................................................46
4.7.2曲线路径跟踪.......................................................................................................53
视觉AGV的导引系统研究
6
开研究，并取得了一定的成果，如清华大学研究的面向自由路径行驶的
AGV
、天津理
工大学研制的
TIT-1
全方位视觉导引
AGV
、浙江大学等院校联合研制了
ATB-1
军用智
能轮式机器人移动平台。
在产品生产推广方面，安徽合力、沈阳新松、北京机科、昆船
重工、吉大易飞等厂商纷纷抢占
AGV
的国内市场。
总体来讲，国产
AGV
的技术水平
和普及率都还比较低，有待进一步的发展和提高。
目前，国内投入使用的
AGV
系统达
到了
700
余家，
AGV
总量达到
3500
多台，而国产
AGV
仅为总量的
1/5
左右
[11]
。
随着
我国经济和物流产业的发展，国内
AGV
的应用和需求必然会大幅度的增加，其应用领
域也必将拓展。
因此，对于
AGV
进行积极地研究开发具有重要意义。
1.3AGV
总体结构介绍
按照不同的结构功能，
AGV
小车大致可以分成机械系统、控制系统和动力系统三大
部分。
而
AGV
的具体功能模块则由车体、导引装置、驱动转向装置、车载控制系统、移
载装置、安全装置、通信装置及电源装置等构成。
可见，
AGV
是一个融入多门技术的复
杂智能车辆系统，下面将具体介绍各组成部分的功能。
通用
AGV
的总体结构框图如图
1.1
所示，本文研究的视觉
AGV
小车的结构示意图如图
1.2
所示。
此外，
AGV
的主要技术参
数如表
1.1
所示。
AGV
动力系统控制系统机械系统
车
体
安
全
装
置
移
载
装
置
转
向
装
置
车
轮
驱
动
控
制
装
置
安
全
控
制
装
置
通
讯
信
息
装
置
转
向
控
制
装
置
移
载
控
制
装
置
驱
动
电
机
电
源
装
置
移
载
电
机
转
向
电
机
图
1.1AGV
总体结构框图
Fig.1.1OverallStructureBlockDiagramofAGV
第一章绪论
7
（
1
）车体
车体是
AGV
小车的机械部分，也是其承载的主体结构，用于安装小车其他功能模块，
因而就要求其必须有足够的刚度及强度，以满足小车的运行或负载需要。
（
2
）导引装置
导引装置是任何
AGV
都必不可少的重要部分，其作用就是指引
AGV
在工作环境当
中该如何向前行驶。
这也是
AGV
智能化水平的最大特点和主要体现。
在后面部分中，将
会对
AGV
的各种导引技术作出具体的分析和对比。
（
3
）驱动转向装置
驱动装置由车轮、减速器、驱动电机及电机驱动器等部分构成，是
AGV
小车正常运
行的执行机构。
小车的运行指令一般由计算机控制系统或手动控制器发出，以控制其运
行速度大小、运行方向、停车制动等功能调节。
转向装置则由转向车轮及转向电机构成，
通过接受计算机控制系统的方向信号，以控制小车行驶方向。
如果
AGV
采用的是两个驱
动轮差速转向，就不需要设置单独的转向装置。
（
4
）车载控制系统
控制系统是
AGV
小车的核心部分，也是衡量其技术水平的重要性能指标。
一般意义
1
—车体；
2
—车载控制器；
3
—摄像机；
4
—蓄电池；
5
—安全挡板；
6
—从动轮；
7
—编码器；
8
—直流电动机；
9
—驱动轮；
10
—减速器
图
1.2
视觉
AGV
小车结构示意
Fig.1.2SchematicDiagramofVision-basedAGV4
第一章绪论
1.1
研究背景及意义
近年来，随着物流运输行业的快速发展和不断进步，相应的物流设备也在不断地丰
富完善与发展壮大。
为了适应国民经济的发展需求，当前已经有诸多的搬运设备应用于
现代物流系统中，比如多向托盘、各式叉车、分拣机、自动导引车、集装箱等。
它们极
大减轻了工人搬运的操作强度，加快了物流转运效率和降低了运输成本，在物流行业中
扮演着非常重要角色。
因此，诸多的物流设备不但提高了生产效率，还为物流业的快速
持续发展提供了保证。
自从
20
世纪
80
年代以后，自动导引车已经发展成为现代物流行业和柔性制造系统
中最重要的自动化装备之一。
AGV
是自动导引车（
AutomatedGuidedVehicle
）的英文简
写，是指通过装备电磁或光学等自动导引装置，能够按照预先设定的导引路径运行，具
有安全保护及各种移载功能的运输车辆
[1]
。
与物流运输行业中其他设备相比，
AGV
的工作区域不但无需铺设轨道、支座架等固定装置，而且也不会受到场地、道路
及空间的限制。
因此，在自动物流系统中，其充分展示了柔性好和自动化程度高
的显著特点，能够实现高效、经济、灵活
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