基于雙攝像掃碼的agv運(yùn)動(dòng)軌跡修正方法

基于雙攝像掃碼的agv運(yùn)動(dòng)軌跡修正方法

0agv部分誤差補(bǔ)償在這項(xiàng)工作中，我們使用了基于雙攝像頭掃描的視覺導(dǎo)航技術(shù)來(lái)補(bǔ)償agv的慣性定位誤差。agv車輛和車身中心兩側(cè)以下的攝像頭識(shí)別并信息校正，以調(diào)整點(diǎn)的定位誤差，并結(jié)合車輛慣性傳感器接收的角和其他信息來(lái)補(bǔ)償選擇性駕駛的固有誤差，提高運(yùn)動(dòng)軌跡的精度。1agv結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文提及的AGV系統(tǒng)采用雙輪差速方式驅(qū)動(dòng),車體結(jié)構(gòu)如圖1所示,AGV前后各設(shè)兩個(gè)萬(wàn)向輪,左右兩輪各自使用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過控制兩驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,這種車體結(jié)構(gòu)提高了AGV的穩(wěn)定性與實(shí)操性?？紤]到AGV運(yùn)行軌跡的精度要求,本文中的AGV安裝有兩個(gè)攝像頭在車頭兩萬(wàn)向輪連軸中心和兩驅(qū)動(dòng)輪的連軸正中心,分別記為攝像頭1和攝像頭2。當(dāng)攝像頭1讀取到二維碼信息時(shí)CPU定時(shí)器開始計(jì)時(shí),直到攝像頭2讀取到二維碼圖像信息時(shí)停止,當(dāng)小車經(jīng)過分配運(yùn)動(dòng)命令為直行的二維碼碼點(diǎn)時(shí),通過兩攝像頭固定點(diǎn)間距和計(jì)時(shí)時(shí)間可得AGV在此點(diǎn)的瞬時(shí)速度,當(dāng)AGV經(jīng)過分配運(yùn)動(dòng)命令為停止或轉(zhuǎn)向的二維碼碼點(diǎn)時(shí),攝像頭1讀取二維碼信息無(wú)誤后,在兩攝像頭間的固定間距中做勻減速運(yùn)動(dòng),使得攝像頭1中心點(diǎn)與二維碼圖標(biāo)中心點(diǎn)重合時(shí)AGV停止,增長(zhǎng)了小車剎車的制動(dòng)距離,避免在馱運(yùn)貨物時(shí)驟停的不利影響,加強(qiáng)了AGV定位的精確度,降低了路徑中二維碼點(diǎn)讀取的誤碼率。針對(duì)如圖1所示的AGV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過控制兩個(gè)獨(dú)立電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右兩輪的速度差實(shí)現(xiàn)車體旋轉(zhuǎn),以逆時(shí)針為正轉(zhuǎn),速度記為正速度,應(yīng)有:(1)當(dāng)V故通過控制驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速,AGV可作直線運(yùn)動(dòng)或繞驅(qū)動(dòng)輪軸心連線上任意點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示,圖中Y軸為小車?yán)硐氲男旭偮肪€,O為左右驅(qū)動(dòng)輪中軸線中點(diǎn)。當(dāng)小車發(fā)生圖示的路徑偏移現(xiàn)象時(shí),u為驅(qū)動(dòng)輪連軸中心的水平偏移距離,α為實(shí)際形式路徑與理想路徑的角度偏差,R為小車偏移時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑。由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知其中,V假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)小車向右的偏移變化量極小,則α與sinα近似相等,則由式(1)、式(2)兩式結(jié)合可得2岸塊和路徑修正算法的設(shè)計(jì)2.1agv自動(dòng)檢測(cè)在AGV的工作區(qū)域內(nèi)等間距粘貼內(nèi)含坐標(biāo)信息的二維碼作為定位點(diǎn),利用攝像頭掃碼可提取出AGV定位信息以及AGV相對(duì)于定位點(diǎn)的偏移信息。根據(jù)接收任務(wù)命令結(jié)合定位信息完成AGV的路徑導(dǎo)航,期間利用偏移信息結(jié)合慣性傳感器對(duì)AGV進(jìn)行軌跡修正?？刂屏鞒倘鐖D3所示。通過對(duì)攝像頭2采集到的二維碼圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)、Hough變換等圖像處理方法獲得碼點(diǎn)中心與AGV車體中心的相對(duì)位置信息,包括水平方向的位移偏差以及角度偏差,根據(jù)這3個(gè)信息可對(duì)AGV小車在碼點(diǎn)上方的位姿進(jìn)行糾正,或在直行通過碼點(diǎn)時(shí),將其代替此刻慣性傳感器所測(cè)數(shù)值作為初始偏差。碼間運(yùn)動(dòng)中利用慣性傳感器獲取AGV的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與理想路徑的偏移角度,結(jié)合初始偏差信息,控制左右兩驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)小角度轉(zhuǎn)向糾正偏差,使AGV在運(yùn)動(dòng)過程中能順利采集到下一個(gè)二維碼標(biāo)簽。2.2ncy算法分析在AGV工作區(qū)域內(nèi)等間距粘貼內(nèi)含坐標(biāo)信息的二維碼標(biāo)簽,坐標(biāo)信息形如:0102,0309,0005等,前2位和后2位分別表示該碼點(diǎn)的X、Y軸坐標(biāo)。首先采集圖像,根據(jù)獲得的運(yùn)動(dòng)圖像,利用相位相關(guān)算法初步確定前后幀圖像中相位相關(guān)區(qū)域,并通過平移變換進(jìn)行一次運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,再利用Harris算法檢測(cè)特征點(diǎn),并結(jié)合SURF描述子進(jìn)行特征點(diǎn)匹配完成運(yùn)動(dòng)估計(jì),利用6參數(shù)仿射運(yùn)動(dòng)參數(shù)模型構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型,確定全局運(yùn)動(dòng)參量,再根據(jù)上述參量做運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,補(bǔ)償?shù)玫椒€(wěn)定的圖像序列;再對(duì)穩(wěn)定的圖像序列采用三幀差分算法檢測(cè)得到運(yùn)動(dòng)的區(qū)域,提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo);之后對(duì)提取的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖形進(jìn)行預(yù)處理;采用改進(jìn)的Canny算法結(jié)合Hough直線檢測(cè)進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)與畸變矯正,可得到二維碼在圖像采集界面中的位置信息以及旋轉(zhuǎn)角度,從而得到AGV在該碼點(diǎn)的位姿信息;最后對(duì)采集到的圖像進(jìn)行解碼。圖像處理流程如圖4所示。車體共安裝兩個(gè)攝像頭,此處僅分析攝像頭2的圖像采集界面。可得到攝像頭采集界面如圖5所示。圖5中方框區(qū)域即為攝像頭2的圖像采集界面:o點(diǎn)為攝像頭2中心點(diǎn)也即車體中心;圖中14為AGV中心線與二維碼中心線的方向偏差,記為θ;圖中15、16分別為二維碼碼點(diǎn)相對(duì)于車體中心的橫縱位移偏量,也即二維碼中心在圖像坐標(biāo)系XoY中的坐標(biāo),記二維碼中心為O點(diǎn),則圖中15、16記為Ox,Oy。θ、Ox、Oy表明了在該時(shí)刻AGV與期望位置點(diǎn)的3項(xiàng)偏差信息。其中:當(dāng)Ox>0時(shí),車輛在理想路徑的右側(cè),當(dāng)Ox<0時(shí),車輛在理想路徑左側(cè);當(dāng)θ>0時(shí),車輛運(yùn)動(dòng)方向偏向左側(cè),當(dāng)θ<0時(shí),車輛運(yùn)動(dòng)方向偏向右側(cè)。想要獲取準(zhǔn)確的偏移角度信息,我們需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像處理工作,而為了能夠適應(yīng)實(shí)際工作區(qū)域內(nèi)不同的光照強(qiáng)度,需要進(jìn)行圖像預(yù)處理操作,將初始圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像,并進(jìn)行降噪處理,然后進(jìn)行邊緣檢測(cè)確定具體圖像,即通過檢測(cè)每個(gè)像素點(diǎn)及其鄰域的灰度值變化判斷該像素點(diǎn)是否恰好在圖像的邊界。以連續(xù)的函數(shù)f(x,y)作為處理對(duì)象,利用Canny算子卷積模板與相應(yīng)的圖像原數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積運(yùn)算,再做閾值處理檢測(cè)來(lái)確定邊緣。針對(duì)如圖5所示的圖像采集界面,對(duì)圖中二維碼進(jìn)行處理后的效果如圖6所示。圖像出現(xiàn)傾斜時(shí),利用Hough變換檢測(cè)直線進(jìn)行校正,基本思想是點(diǎn)———線的對(duì)應(yīng)性。直角坐標(biāo)系中直線上的點(diǎn)經(jīng)過Hough變化后對(duì)應(yīng)了極坐標(biāo)(ρ,θ)上的點(diǎn)。圖像進(jìn)行Hough校正,篩選得到參數(shù)空間經(jīng)數(shù)據(jù)處理,可得出圖6中二維碼旋轉(zhuǎn)角度為21°(順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正角度,以二維碼圖像邊緣與采集圖像界面y軸重合時(shí)為0度)。則針對(duì)圖5所示的二維碼圖像采集界面可知,當(dāng)前情況下AGV的運(yùn)動(dòng)狀況判斷為:車輛偏移至理想行駛路線右側(cè),且車頭朝向偏向右側(cè),偏離理想路線約21°。2.3理想軌跡調(diào)整本文中軌跡修正包括兩種修正類型,一種是在碼間運(yùn)動(dòng)過程中糾偏,一種是在碼點(diǎn)上方調(diào)整。理想狀態(tài)下或碼間運(yùn)動(dòng)糾偏順利完成時(shí),當(dāng)AGV經(jīng)過分配運(yùn)動(dòng)命令為停止或轉(zhuǎn)向的二維碼碼點(diǎn)時(shí),通過在兩攝像頭間的固定間距中作勻減速運(yùn)動(dòng),使得AGV停止時(shí)車體中心正與碼點(diǎn)中心重合,但實(shí)際情況下可完成在AGV停止時(shí),車體中心與碼點(diǎn)在同一水平線上且垂直于運(yùn)動(dòng)方向,此時(shí)圖像采集界面的偏差信息僅有θ和Ox。此時(shí)假設(shè)θ和Ox均大于0,表明小車偏離到理想軌跡的左邊且車頭朝向偏左。在原地調(diào)整時(shí)令小車原地旋轉(zhuǎn),如圖8所示。兩驅(qū)動(dòng)輪間距設(shè)為L(zhǎng),兩輪轉(zhuǎn)速分別為n故欲讓車體與二維碼碼點(diǎn)中心對(duì)準(zhǔn)且朝向相同,兩輪應(yīng)以符合上式比例的轉(zhuǎn)速作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)AGV在碼點(diǎn)上方糾正好位姿后向前運(yùn)動(dòng),理論上應(yīng)沿導(dǎo)航路徑作直線運(yùn)動(dòng),但由于摩擦力或配重不均等影響因素,AGV會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑偏移現(xiàn)象,根據(jù)慣性傳感器檢測(cè)的角度信息θ可判斷小車走向與理想路徑的角度差,進(jìn)行糾偏使其順利讀取到下一二維碼標(biāo)簽;當(dāng)AGV經(jīng)過分配運(yùn)動(dòng)命令為直行的二維碼碼點(diǎn)時(shí),小車采集二維碼圖像獲取3項(xiàng)偏移信息,其中的角度信息可對(duì)六軸檢測(cè)的角度信息進(jìn)行補(bǔ)正,以避免慣性傳感器的累積誤差對(duì)軌跡修正產(chǎn)生影響。碼間運(yùn)動(dòng)軌跡糾正如圖9所示。圖9中部分1隱含了部分2、3、4這3種情況,即Ox>0時(shí),θ>0、θ=0和θ<0。假設(shè)此時(shí)AGV朝向較導(dǎo)航路徑向右偏θ,應(yīng)控制小車作彎道轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),若單純只考慮將θ糾正,不對(duì)車體與導(dǎo)航路徑間的水平位置偏移做修正,則導(dǎo)致小車運(yùn)動(dòng)路徑與導(dǎo)航路徑平行但不重合,不滿足導(dǎo)航精度要求,故可考慮控制小車作彎道轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),使其運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)限逼近于導(dǎo)航路徑。那么針對(duì)如圖9中情況1所示的AGV運(yùn)動(dòng)修正軌跡,第1步,應(yīng)控制AGV向左作轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)至AGV車體與導(dǎo)航路徑平行,轉(zhuǎn)彎軌跡為夾角為θ,半徑為R第2步,應(yīng)控制AGV右輪加速走過一定角度后,使得θ<0,此時(shí)左右輪交換速度,再次進(jìn)行彎道轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),且后兩次轉(zhuǎn)彎軌跡為兩段對(duì)稱的圓弧,即R3雙邊材料對(duì)agv定位的影響本文實(shí)驗(yàn)在4.2m*4.2m的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,最終結(jié)果是AGV通過WIFI接收到一連串運(yùn)動(dòng)命令后,采用二維碼結(jié)合慣性傳感器的導(dǎo)航方式,完成自主導(dǎo)航。利用二維碼坐標(biāo)信息與圖像信息,分別實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV的定位和對(duì)慣性導(dǎo)航長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)誤差的修正。AGV運(yùn)行軌跡的精確性包含了AGV運(yùn)動(dòng)的控制精度,除了采集實(shí)驗(yàn)軌跡結(jié)果外,還需要對(duì)AGV直線運(yùn)動(dòng)距離、旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)定。精確控制AGV直線運(yùn)動(dòng)距離的意義在于:當(dāng)小車停止時(shí)攝像頭2中心點(diǎn)與二維碼圖標(biāo)中心點(diǎn)重合。采用雙攝像頭增長(zhǎng)了小車剎車的制動(dòng)距離,在兩攝像頭間的固定間距中作勻減速運(yùn)動(dòng),避免在馱運(yùn)貨物時(shí)驟停的不利影響,加強(qiáng)了AGV定位的精確度。對(duì)比單攝像頭檢測(cè)到二維碼目標(biāo)后控制AGV減速停止,有數(shù)據(jù)差異見表1。如表1中數(shù)據(jù)可知,碼間距離固定時(shí),針對(duì)不同的行駛速度,AGV在碼間運(yùn)動(dòng)的啟停存在不同的效果,可知在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)AGV采用中高速檔位運(yùn)行時(shí),單攝像頭檢測(cè)到正確圖像信息后減速停車難以達(dá)到準(zhǔn)確的定位效果。將文中方法應(yīng)用于AGV運(yùn)動(dòng)控制,對(duì)慣性傳感器進(jìn)行累計(jì)誤差修正。實(shí)驗(yàn)區(qū)域等間距粘貼二維碼標(biāo)簽,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,圖10中圖(a)為各方法獲得的轉(zhuǎn)彎角度和真實(shí)角度的誤差。圖(b)為各方法經(jīng)過碼間運(yùn)動(dòng)后到達(dá)指定碼點(diǎn)時(shí),真實(shí)位置與理想定位點(diǎn)在X軸方向上的誤差。圖(c)為車載單攝像頭和雙攝像頭情況下,AGV到達(dá)指定碼點(diǎn)停止后的真實(shí)位置和理想定位點(diǎn)在Y方向上的誤差。其中,針對(duì)如圖10所示的定位誤差,記AGV偏移至航線左方為X軸正向位移誤差,AGV超過定位點(diǎn)一定距離為Y軸正向位移誤差。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)可得出AGV運(yùn)行軌跡圖如圖11所示,將僅用慣性傳感器作為導(dǎo)航定位信息獲取來(lái)源和結(jié)合雙攝像頭掃碼與慣性傳感器的導(dǎo)航方法相比較,從圖中可看出:模擬AGV在工作區(qū)域內(nèi)預(yù)設(shè)的行進(jìn)軌跡為一個(gè)正方形,經(jīng)過雙攝像頭掃碼將慣性傳感器的累積誤差消除后,相比單一使用慣性傳感器時(shí)軌跡的精確度有了較好的改進(jìn),包括小車啟停時(shí)相較于定位碼點(diǎn)的Y軸位移誤差也得到了改善,大大提高了AGV的使用性能。4agv階段運(yùn)動(dòng)學(xué)建模本文提出了一種基于雙攝像頭掃碼的AGV運(yùn)動(dòng)軌跡修正方法:將二維碼圖像識(shí)別與慣性傳感器結(jié)合作為導(dǎo)航方式,對(duì)攝像頭采集到的二維碼圖像信息進(jìn)行特征點(diǎn)識(shí)別與匹配,并進(jìn)行邊緣檢測(cè)與旋轉(zhuǎn)矯正獲得AGV真實(shí)位置與理想定位點(diǎn)的差距,根據(jù)圖像處理得到的偏移信息并結(jié)合慣性傳感器獲取到的運(yùn)動(dòng)角度信