基于图像处理的AGV视觉导航研究.pdf

发布时间：2022-06-12 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.87M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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基于图像处理的AGV 视觉导航研究

VISUAL NAVIGATION OF AGV BASED ONIMAGE PROCESSING

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外AGV的应用发展概况

1.3 AGV的分类

1.3.1 固定路径导引方式

1.3.2 自由路径导引方式

1.4 国内外视觉导航AGV的研究近况

1.5 主要研究内容

第2章 AGV运动学分析和数学模型的建立

2.1 运动学分析

2.2 数学模型的建立

2.3 本章小结

第3章导航图像的处理技术

3.1 数字图像的采集与输出

3.1.1 视频获取的实现

3.1.2 数据显示的实现

3.2 数字图像的预处理

3.2.1 彩色图变灰色图

3.2.2 图像增强

3.2.3 灰度图的二值化

3.2.4 路径边界的提取

3.3 本章小结

第4章导航图像的特征识别与标识

4.1 摄像头成像模型

4.2 摄像头逆透视映射

4.3 路径位置偏差和角度偏差的测量算法

4.3.1 路径中心线的确定算法

4.3.2 位置偏差与角度偏差的测量算法

4.4 本章小结

第5章 AGV模糊控制器的设计

5.1 模糊控制理论概述

5.1.1 模糊控制理论的发展

5.1.2 模糊控制的优点

5.1.3 模糊控制器的组成和工作原理

5.2 模糊控制器的设计

5.2.1 模糊化过程

5.2.2 模糊规则的制定

5.2.3 清晰化过程

5.3 模糊控制器的仿真测试与分析

5.3.1 仿真工具的选择

5.3.2 模糊控制器性能仿真分析

5.4 本章小结

第6章实验和结果分析

6.1 实验平台概述

6.2 导航测试实验

6.3 误差分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢

硕士学位论文基于图像处理的 AGV 视觉导航研究 VISUAL NAVIGATION OF AGV BASED ON IMAGE PROCESSING 李灵芝哈尔滨工业大学 2011 年 6 月

国内图书分类号：TP242.6 学校代码：10213 国际图书分类号：681.5 密级：公开工学硕士学位论文基于图像处理的 AGV 视觉导航研究硕士研究生：李灵芝导师：杨名利教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：信息科学与工程学院答辩日期： 2011 年 6 月授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index: TP242.6 U.D.C: 681.5 Dissertation for the Master Degree in Engineering VISUAL NAVIGATION OF AGV BASED ON IMAGE PROCESSING Li Lingzhi Prof. Yang Mingli Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Affiliation： Date of Defence： Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology Control Science and Engineering School of Information Science and Engineering June, 2011

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要 AGV（Automatic Guided Vehicle），即无人驾驶的自动导引车，能够装载货物在车间内沿指定的路径进行搬运。AGV 是现代化物流和车间作业重要的自动化设备。随着技术的发展，AGV 导航方式也从多元方面进行发展，模糊理论、神经网络等智能技术与其结合，产生了诸多成果，视觉导航方式就是其中的一种新型的导航方式，因为其具有路径铺设简单易维护，可以识别多种路标，柔韧性好等优点，所以是目前国内外研究的一个热点。本文为基于图像处理的视觉导航 AGV 的研究，对摄像机采集的数字图像进行处理，经过对比研究，从而确定了针对视觉导航更有利的图像预处理方法；然后利用图像的形态学知识，对路径图像进行边缘检测，进而确定了路径中心线的位置，并在中心线位置整合出一条直线作为最终的路径；然后设计了由位置偏差量与角度偏差量为输入的双输入单输出模糊控制，通过输出一个电压值来驱动两轮电机差速调节，调整速度和方向为满足需要的值。本文设计的模糊控制器通过了 Matlab 中 Simulink 环境下的仿真测试，能够在较小的误差下稳定的跟踪圆形路径。根据实验室的实验器材，搭建了实验平台，在平台上对文中的算法进行了大量的实验，实验验证了算法的有效性。关键词：图像处理；AGV；视觉导航；模糊控制 - I -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract AGV is the abbreviation of unmanned automatic guided vehicle. It is an important equipment in modern logistics and workshop, serving as a carrier in the workshop along the specified path. With the development of technology, the navigation methods of AGV are developing in multiple aspects. Combined with fuzzy theory, neural networks and other intelligence technology, researchers harvest many scientific achievements. Visual navigation is a novel navigation method and becomes a hot issue in the international AGV field, due to the following three reasons: first, its path laying is simple and easy maintained; second, it can identify a variety of road signs; third, it has good flexibility. This article focuses on the research of visual navigation of AGV based on image processing. The digital images captured from camera equipment get processed and compared at first so as to determine more suitable image pre-processing method for visual navigation. Then, make use of the morphological knowledge to realize image edge detection to determine the location of the path center line and fit a straight line according to the location as the final result. Next, fuzzy controller is designed, whose two inputs are positional deviation and Angle deviation respectively. Its output, the voltage value, is used to drive the differential rate of the two-wheel motors and adjust the speed as well as direction to meet the demand.Fuzzy controller designed in this paper passes the simulation test in Matlab/Simulink environment, and could track the circular path with smaller error limitation . The experimental platform verifies this method, various performance of the AGV are tested, and ultimately the conclusion of its effectiveness and feasibility is obtained. Keywords: Image processing, AGV, Visual navigation, Fuzzy control - II -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 ..........................................................................................................................I ABSTRACT................................................................................................................ II 第 1 章绪论 ...........................................................................................................1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 ................................................................. 1 1.2 国内外 AGV 的应用发展概况................................................................... 1 1.3 AGV 的分类 .............................................................................................. 2 1.3.1 固定路径导引方式....................................................................................2 1.3.2 自由路径导引方式....................................................................................3 1.4 国内外视觉导航 AGV 的研究近况 ........................................................... 4 1.5 主要研究内容 ........................................................................................... 5 第 2 章 AGV 运动学分析和数学模型的建立 ..........................................................6 2.1 运动学分析 ............................................................................................... 6 2.2 数学模型的建立........................................................................................ 8 2.3 本章小结..................................................................................................11 第 3 章导航图像的处理技术 .................................................................................12 3.1 数字图像的采集与输出........................................................................... 13 3.1.1 视频获取的实现......................................................................................13 3.1.2 数据显示的实现......................................................................................13 3.2 数字图像的预处理 .................................................................................. 14 3.2.1 彩色图变灰色图......................................................................................14 3.2.2 图像增强..................................................................................................16 3.2.3 灰度图的二值化......................................................................................21 3.2.4 路径边界的提取......................................................................................25 3.3 本章小结................................................................................................. 27 第 4 章导航图像的特征识别与标识 .....................................................................28 4.1 摄像头成像模型...................................................................................... 28 4.2 摄像头逆透视映射 .................................................................................. 30 4.3 路径位置偏差和角度偏差的测量算法 .................................................... 32 4.3.1 路径中心线的确定算法..........................................................................32 - III -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.3.2 位置偏差与角度偏差的测量算法..........................................................35 4.4 本章小结................................................................................................. 36 第 5 章 AGV 模糊控制器的设计............................................................................37 5.1 模糊控制理论概述 .................................................................................. 37 5.1.1 模糊控制理论的发展..............................................................................37 5.1.2 模糊控制的优点......................................................................................37 5.1.2 模糊控制器的组成和工作原理.............................................................. 38 5.2 模糊控制器的设计 .................................................................................. 39 5.2.1 模糊化过程.............................................................................................. 39 5.2.2 模糊规则的制定......................................................................................41 5.2.3 清晰化过程.............................................................................................. 42 5.3 模糊控制器的仿真测试与分析 ............................................................... 43 5.3.1 仿真工具的选择.......................................................................................43 5.3.2 模糊控制器性能仿真分析.......................................................................44 5.4 本章小结................................................................................................. 47 第 6 章实验和结果分析 .........................................................................................49 6.1 实验平台概述 ......................................................................................... 49 6.2 导航测试实验 ......................................................................................... 50 6.3 误差分析 ................................................................................................. 51 6.4 本章小结 ................................................................................................. 52 结论 .......................................................................................................................53 参考文献 ...................................................................................................................54 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 .......................................58 致谢 .......................................................................................................................59 - IV -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义课题来源于驻济南齐鲁软件园哈工大——碧通智能机器人研究中心与广州一汽车车间内部用于汽车部件搬运 AGV 设计开发的项目。 AGV（Automatic Guided Vehicle），是无人驾驶的自动导引车的英文缩写。美国储运协会（MHI）对 AGV 所下的定义为：一种使用电磁式、光学式或其他的自动导引方式控制的车辆，可按照控制室下达的指示，自动导引或依照原先规划好的路线前进、停止或转弯，定位和装卸货物。AGV 以蓄电池为动力，装有非接触式的导向装置，能够装载一定重量的货物在车间内沿指定的路径进行货物搬运。并且 AGV 能够十分方便的与其他物流系统实现自动链接，如各种缓冲站、升降机、机器人等，因此是现代化物流和车间作业关键的自动化装备[1]。 1.2 国内外 AGV 的应用发展概况国外对 AGV 的研究历史比较早，世界上第一台 AGV 是美国 Barrett 电子公司于 20 世纪 50 年代研发成功的，这台 AGV 是采用牵引方式，跟随一条钢丝索导引的路径行走。20 世纪 60 年代和 70 年代初，由于欧洲公司对托盘的尺寸和结构进行了标准化，大大的促进了 AGV 的发展。80 年代，技术传到美国，美国在欧洲技术的基础上将 AGV 推到了更加先进的水平，开发了更先进的计算机控制系统，增加了运输量，缩短了移载的时间，并且具有在线充电功能，提高了小车和控制器的可靠性。日本第一家 AGV 工厂，于 1966 年由一家运输设备制造厂和美国的 Web 公司采用合资的方式开设，之后，日本陆续建设了大福、 Murata(村田)、Fanuc 等 AGV 制造厂[2]。我国 AGV 的发展历史较短。我国第一台 AGV 是 1975 年北京起重运输机械研究所研发的电磁导引式定点通信的 AGV；1989 年我国第一台双向无线电通信的 AGV 在北京邮政科学研究规划院诞生；在这之后，沈阳自动化所为某汽车厂生产的多台用于装配线上的 AGV 成为我国在汽车工业中比较成功应用 AGV 的典范实例；在视觉导引 AGV 的研究方面，吉林大学所研发的新型视觉导航 AGV 和清华大学的 THMR-V 系列 AGV 做到了领先水平[3]；激光导引方面，昆明船舶设备研究中心开发的 AGV 取得了较好的成果。随着科技的发展， -1-

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