一種基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法及自動(dòng)導(dǎo)航車的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法及自動(dòng)導(dǎo)航車。該自動(dòng)導(dǎo)航車包括轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、SOC控制端、PC控制端、攝像頭和九個(gè)以上的超聲傳感器；所述PC控制端負(fù)責(zé)圖像處理和軌道跟蹤的計(jì)算，所述SOC控制端負(fù)責(zé)超聲避障動(dòng)作，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)的梯形拉桿轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是利用差速器使兩邊車后輪以純滾動(dòng)的形式作不等距行駛，五個(gè)或以上的超聲傳感器安裝在導(dǎo)航車的前方，另外有四個(gè)或以上的超聲傳感器安裝在導(dǎo)航車的側(cè)后方。該自動(dòng)導(dǎo)航車能跟蹤導(dǎo)軌和進(jìn)行避障檢測(cè)，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，具有較高的魯棒性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)單實(shí)用，適合產(chǎn)業(yè)化推廣。
【專利說明】一種基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法及自動(dòng)導(dǎo)航車

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動(dòng)導(dǎo)航領(lǐng)域，特別涉及一種基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法及自動(dòng)導(dǎo)航車。

【背景技術(shù)】
[0002]自動(dòng)導(dǎo)航車(Automatic Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱AGV)，用于運(yùn)載貨物，能跟蹤軌跡路線行駛，可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛，與傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式相比具有更改路線成本低、運(yùn)行噪聲少、能源清潔等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代物流領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域都有著重要的地位。如今AGV向著一個(gè)高智能的方向發(fā)展:無人工干預(yù)、自主路徑智能檢測(cè)和導(dǎo)航、適應(yīng)生產(chǎn)流程復(fù)雜多變，能運(yùn)用到幾乎所有搬運(yùn)場(chǎng)合。傳統(tǒng)的有線式視覺導(dǎo)航AGV是在路上鋪設(shè)黑色或白色的條形導(dǎo)軌，但該導(dǎo)航方式很容易受到干擾且對(duì)環(huán)境要求高，在粉塵大，光線變化明顯的環(huán)境下很容易產(chǎn)生誤識(shí)別。同時(shí)，現(xiàn)有的視覺AGV設(shè)計(jì)一般只涉及視覺導(dǎo)航，涉及導(dǎo)航與避障的較少，或者避障的形式不可靠，然而避障環(huán)節(jié)可靠性反映AGV的智能程度且直接影響著運(yùn)輸過程中是否安全高效。此外，AGV的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)很多，傳統(tǒng)的有單舵雙驅(qū)式、雙舵輪型、雙輪差速轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)型、麥克納姆輪等，這些機(jī)構(gòu)適合不同的領(lǐng)域且有各自的缺陷，為了更好地控制AGV的轉(zhuǎn)向，需要設(shè)計(jì)適合各種場(chǎng)合、轉(zhuǎn)向平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供一種可以同時(shí)視覺導(dǎo)航與超聲避障、具有較高魯棒性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性的基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用上述可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便的自動(dòng)導(dǎo)航車。
[0005]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]一種基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法，包括下述步驟:
[0007](I)避障模塊包括九個(gè)以上的超聲傳感器，分布在導(dǎo)航車的前方和側(cè)后方，超聲傳感器用于采集車身周圍的距離信息，以檢測(cè)車身周圍是否存在障礙物及其距離；開始導(dǎo)航時(shí)，首先采用導(dǎo)航車前方的超聲傳感器輪流采集障礙物的距離信息；然后對(duì)前方各個(gè)超聲傳感器收集的障礙物距離信息在單片機(jī)系統(tǒng)里進(jìn)行模糊化，并根據(jù)模糊化信息來判斷是否存在障礙物；
[0008](2)如果存在障礙物，則停止視覺導(dǎo)航，并根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)得出的模糊化信息來判斷障礙物的大概位置；然后使用障礙物模糊推理規(guī)則，控制導(dǎo)航車初步轉(zhuǎn)向；同時(shí)，采用導(dǎo)航車側(cè)后方的超聲傳感器測(cè)量障礙物的距離信息，當(dāng)側(cè)后方的超聲傳感器探測(cè)到有障礙物時(shí)，表明障礙物已經(jīng)在導(dǎo)航車的側(cè)后方，此時(shí)可以判斷導(dǎo)航車已經(jīng)越過障礙物；然后控制導(dǎo)航車進(jìn)行回軌動(dòng)作，回到視覺導(dǎo)航的軌道上；
[0009](3)如果不存在障礙物，則繼續(xù)由視覺模塊來控制導(dǎo)航，即通過攝像頭獲取導(dǎo)航車前方的圖像信息；通過自適應(yīng)模糊(簡(jiǎn)稱PID)控制，使導(dǎo)航車穩(wěn)定地跟蹤導(dǎo)軌。
[0010]步驟I中，所述模糊化，其步驟如下:設(shè)方向上的方向模糊子集為{左方(L)，偏左方(LL)，中間(M)，偏右(LR)，右(R)}，距離上的距離模糊子集為{遠(yuǎn)(far)，中(middle)，近(close)，死區(qū)(death)};其中，若前方超聲傳感器中最左邊的超聲傳感器測(cè)出的障礙物距離最短，則理解為方向模糊子集中的左方，同理，若偏左方的超聲傳感器測(cè)出的障礙物距離最短，則理解為方向模糊子集中的偏左方，依次類推；其中，障礙物距離車頭在區(qū)間[0cm, 5cm)為距離模糊子集中的“死區(qū)”，障礙物距離車頭在區(qū)間[5cm，35cm)為距離模糊子集中的“近”，障礙物距離車頭產(chǎn)在區(qū)間[35cm，65cm)為距離模糊子集中的“中”；障礙物距離車頭在區(qū)間[65cm，100cm)為距離模糊子集中的“遠(yuǎn)”;超出10cm可以認(rèn)為忽略障礙物存在，即認(rèn)為不存在障礙物；導(dǎo)航車前方的超聲傳感器以扇形放射式探測(cè)，當(dāng)前方超聲傳感器探測(cè)出的障礙物距離大于100cm，則認(rèn)為沒有障礙物；當(dāng)其中一個(gè)或多個(gè)前方超聲傳感器探測(cè)到的障礙物距離小于100cm，則認(rèn)為有障礙物。
[0011]步驟2中，所述障礙物模糊推理規(guī)則是:(I)若障礙物在左方、遠(yuǎn)距離，則不作響應(yīng)；(2)若障礙物在左方、中等距離，則偏右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)20° ; (3)若障礙物在左方、近距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)40° ;(4)若障礙物在偏左方、遠(yuǎn)距離，則偏右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)25° ;(5)若障礙物在偏左方、中等距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)35° ; (6)若障礙物在偏左方、近距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)45° ;
(7)若障礙物在偏右方、遠(yuǎn)距離，則偏左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)25。; (8)若障礙物在偏右方、中等距離，則左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)35° ;(9)若障礙物在偏右方、近距離，則左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)45° ;(10)若障礙物在右方、遠(yuǎn)距離，則不作響應(yīng)；(11)若障礙物在右方、中等距離，則偏左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)20° ;(12)若障礙物在右方、近距離，則左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)40° ;(13)若障礙物距離在死區(qū)距離，則停車；(14)若障礙物在中間、遠(yuǎn)距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)30° ;(15)若障礙物在中間，中等距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)45° ;(16)若障礙物在中間，近距離、則停車。
[0012]步驟3中，所述自適應(yīng)模糊控制是:首先通過對(duì)圖像進(jìn)行色調(diào)-飽和度-亮度色彩模型(HSV)與紅-綠-藍(lán)色彩模型(RGB)分割，加權(quán)疊加成新的灰度圖；然后提取邊緣點(diǎn)，并通過鄰域?qū)Ρ榷扰袛?、梯度判斷、?biāo)準(zhǔn)差判斷，過濾邊緣點(diǎn)；再根據(jù)導(dǎo)航車前方距離，從上而下分割圖像成N個(gè)圖像片段，并使用霍夫變換探測(cè)各個(gè)圖像片段中道路信息邊緣點(diǎn)的直線，以形成道路信息；得出道路信息后，由于事先對(duì)攝像頭進(jìn)行了標(biāo)定，求出了投影變換矩陣，因此通過投影變換矩陣求出圖像上的道路信息點(diǎn)的實(shí)際三維位置；然后，以圖像道路信息點(diǎn)集的擬合曲線與圖像頂端的交點(diǎn)T以及Λ T聯(lián)合決定PID的控制參數(shù)，以T與下方中點(diǎn)的連線與導(dǎo)航車朝向的夾角a作為輸出反饋，組成自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)。
[0013]在自適應(yīng)模糊導(dǎo)航控制中，由于導(dǎo)航車的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型已經(jīng)確定，導(dǎo)航車朝向的夾角a與轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的時(shí)間關(guān)系確定，因此可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)合適的PID參數(shù)的模糊推理規(guī)則，并用于MATLAB仿真驗(yàn)證；仿真驗(yàn)證后，根據(jù)上述的導(dǎo)航車數(shù)學(xué)模型和仿真得出的模糊PID參數(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的實(shí)物驗(yàn)證，控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向，讓AGV始終沿著預(yù)先鋪設(shè)的軌道進(jìn)行視覺導(dǎo)航。
[0014]一種基于視覺導(dǎo)航和超聲傳感的自動(dòng)導(dǎo)航車，采用上述可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法進(jìn)行導(dǎo)航，包括導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)系統(tǒng)(SOC)控制端、個(gè)人電腦(PC)控制端、攝像頭和九個(gè)以上的超聲傳感器；所述PC控制端負(fù)責(zé)圖像處理和軌道跟蹤的計(jì)算，從攝像頭中獲取導(dǎo)航車前方的導(dǎo)軌圖像，通過圖像處理，分析計(jì)算，坐標(biāo)換算，得出導(dǎo)航車前方的路徑信息，建立行駛的數(shù)學(xué)模型，通過自適應(yīng)模糊PID算法，控制導(dǎo)航車對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行跟蹤；所述SOC控制端負(fù)責(zé)超聲避障動(dòng)作，控制多個(gè)超聲傳感器對(duì)前方的障礙物位置進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)障礙物時(shí)，可以檢測(cè)到障礙物位置，并在導(dǎo)航車側(cè)后方超聲傳感器的配合下，完成繞過障礙物的動(dòng)作；所述導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)的梯形拉桿轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，使用U型桿帶動(dòng)梯形拉桿左右運(yùn)動(dòng)，從而改變車的轉(zhuǎn)向圓心和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用差速器使兩邊車后輪以純滾動(dòng)的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦，使轉(zhuǎn)向過程轉(zhuǎn)彎更加平穩(wěn)順暢；所述超聲傳感器，其中五個(gè)或以上的超聲傳感器安裝在導(dǎo)航車的前方，以弧形放射式探測(cè)導(dǎo)航車前方，另外有四個(gè)或以上的超聲傳感器安裝在導(dǎo)航車的側(cè)后方。
[0015]所述SOC控制端，用于控制所有的超聲傳感器；并且SOC控制端內(nèi)嵌有模糊推斷算法，在檢測(cè)到障礙物位置后能規(guī)劃導(dǎo)航車的避障軌跡，控制導(dǎo)航車?yán)@過障礙物；沒有障礙物情況下，SOC端能接收PC控制端發(fā)來的轉(zhuǎn)向信息，轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，控制導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向。
[0016]所述PC控制端，是裝有自主開發(fā)的AGV導(dǎo)航信息軟件，是人與導(dǎo)航車人機(jī)交互的通道，集成圖像處理與道路識(shí)別算法、轉(zhuǎn)向計(jì)算算法、導(dǎo)航車參數(shù)設(shè)置、通訊模塊及其設(shè)置、實(shí)時(shí)信息反饋顯示這幾個(gè)模塊；其中，圖像處理與道路識(shí)別算法，是分別使用HSV&RGB雙顏色空間分割，對(duì)比度、鄰域梯度、標(biāo)準(zhǔn)差過濾邊沿點(diǎn)，區(qū)域分割和霍夫變換求出道路信息；轉(zhuǎn)向計(jì)算算法，是根據(jù)導(dǎo)航車的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，和自適應(yīng)模糊PID控制器，計(jì)算轉(zhuǎn)向的幅度；通訊模塊會(huì)把轉(zhuǎn)向計(jì)算的數(shù)據(jù)發(fā)送至SOC控制端，同時(shí)也會(huì)接收SOC控制端的避障模式下的數(shù)據(jù)；導(dǎo)航車的參數(shù)設(shè)置包括圖像處理算法閾值的設(shè)置、PID調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)向計(jì)算閾值設(shè)置，AGV速度設(shè)置，可根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)算法的參數(shù)以適應(yīng)各種環(huán)境；實(shí)時(shí)信息反饋模塊，能顯示和記錄AGV行走時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括圖像處理數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)、移動(dòng)速度數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)。
[0017]所述攝像頭安裝在車身頂部的前方中間，光軸45度朝向地面。
[0018]所述超聲傳感器的數(shù)量?jī)?yōu)選9個(gè)，其中5個(gè)以放射式探測(cè)方式并排放置于導(dǎo)航車的車身正前方，2個(gè)安裝在車身兩側(cè)的后方，探測(cè)方向分別垂直于車身兩側(cè)部，2個(gè)分別安裝在車身左右兩側(cè)的后方，探測(cè)方向?yàn)榕c車身兩側(cè)成45度向后。
[0019]所述U型桿是采用數(shù)字舵機(jī)或帶編碼器的直流減速電機(jī)帶動(dòng)。
[0020]所述轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向過程如下:S0C控制端發(fā)送控制信號(hào)到數(shù)字舵機(jī)或者帶編碼器的直流減速電機(jī)，數(shù)字舵機(jī)或直流減速電機(jī)根據(jù)控制信號(hào)帶動(dòng)U型桿，然后U型桿旋轉(zhuǎn)并拉動(dòng)拉桿左右運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)航車的兩個(gè)前輪發(fā)生轉(zhuǎn)向；soc控制端根據(jù)轉(zhuǎn)彎需求，發(fā)送控制信號(hào)到導(dǎo)航車后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過減速箱，加大驅(qū)動(dòng)力度，同時(shí)，經(jīng)過差速器使導(dǎo)航車的兩后輪以不等距行駛，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)。
[0021]導(dǎo)航車的自動(dòng)導(dǎo)航過程如下:啟動(dòng)后，SOC控制端實(shí)時(shí)監(jiān)控前方的障礙物信息，如果前方?jīng)]有障礙物，則進(jìn)入視覺導(dǎo)航模式，PC控制端通過攝像頭實(shí)時(shí)獲取圖像，并進(jìn)行圖像處理和轉(zhuǎn)向計(jì)算，通過串口把轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)發(fā)送至SOC控制端，由SOC控制端來控制前輪轉(zhuǎn)向；當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，進(jìn)入避障模式，通過前方超聲傳感器的模糊推斷，大致得出前方障礙物的具體位置，通過各個(gè)傳感器的配合監(jiān)控及SOC控制端的轉(zhuǎn)向控制，繞開障礙物；同時(shí)，SOC控制端一直負(fù)責(zé)后輪的驅(qū)動(dòng)控制。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0023](I)本發(fā)明使用PC控制端與SOC控制端協(xié)同檢測(cè)控制，能跟蹤導(dǎo)軌和進(jìn)行避障檢測(cè)，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，具有較高的魯棒性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)單實(shí)用，適合產(chǎn)業(yè)化推廣。
[0024](2)本發(fā)明依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，可以通過數(shù)學(xué)模型求出轉(zhuǎn)動(dòng)半徑及轉(zhuǎn)向圓心，易于精確控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航控制流程圖
[0026]圖2為傳感器位置圖
[0027]圖3為導(dǎo)航車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
[0028]圖4為導(dǎo)航車的控制流程圖
[0029]圖5為自適應(yīng)模糊PID模糊表
[0030]圖中:1、攝像頭；2、側(cè)后方的超聲傳感器；3、前方的超聲傳感器；4、U型桿；5、后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)；6、齒輪減速器；7、差速器；8、梯形拉桿。

【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0032]實(shí)施例1
[0033]自動(dòng)導(dǎo)航車，采用如圖1所示的基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航控制流程圖進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航，包括導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)系統(tǒng)(SOC)控制端、個(gè)人電腦(PC)控制端、攝像頭和超聲傳感器。
[0034]如圖2所示，攝像頭I為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(簡(jiǎn)稱C0MS)攝像頭，安裝在車身頂部的前方中間，光軸45度朝向地面；導(dǎo)航車有9個(gè)超聲傳感器，型號(hào)為HC-SR04，其中五個(gè)前方的超聲傳感器3以放射式探測(cè)方式并排放置于導(dǎo)航車的車身正前方，兩個(gè)側(cè)后方的超聲傳感器2安裝在車身兩側(cè)的后方，探測(cè)方向分別垂直于車身兩側(cè)部，另外兩個(gè)側(cè)后方的超聲傳感器2分別安裝在車身左右兩側(cè)的后方，探測(cè)方向?yàn)榕c車身兩側(cè)成45度向后。
[0035]PC控制端負(fù)責(zé)圖像處理和軌道跟蹤的計(jì)算，從攝像頭中獲取導(dǎo)航車前方的導(dǎo)軌圖像，通過圖像處理，分析計(jì)算，坐標(biāo)換算，得出導(dǎo)航車前方的路徑信息，建立行駛的數(shù)學(xué)模型，通過自適應(yīng)模糊PID算法，控制導(dǎo)航車對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行跟蹤。
[0036]所述SOC控制端負(fù)責(zé)超聲避障動(dòng)作，控制多個(gè)超聲傳感器對(duì)前方的障礙物位置進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)障礙物時(shí)，可以檢測(cè)到障礙物位置，并在導(dǎo)航車側(cè)后方超聲傳感器的配合下，完成繞過障礙物的動(dòng)作，導(dǎo)航車的控制流程圖如圖4所示。
[0037]所述導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)的梯形拉桿轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，使用U型桿4帶動(dòng)梯形拉桿8左右運(yùn)動(dòng)，從而改變車的轉(zhuǎn)向圓心和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，U型桿4是采用數(shù)字舵機(jī)或帶編碼器的直流減速電機(jī)帶動(dòng)。所述轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向過程如下:S0C控制端發(fā)送控制信號(hào)到數(shù)字舵機(jī)或者帶編碼器的直流減速電機(jī)，數(shù)字舵機(jī)或直流減速電機(jī)根據(jù)控制信號(hào)帶動(dòng)U型桿4，然后U型桿4旋轉(zhuǎn)并拉動(dòng)梯形拉桿8左右運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)航車的兩個(gè)前輪發(fā)生轉(zhuǎn)向；soc控制端根據(jù)轉(zhuǎn)彎需求，發(fā)送控制信號(hào)到導(dǎo)航車后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過齒輪減速箱6，加大驅(qū)動(dòng)力度，同時(shí)，經(jīng)過差速器7使導(dǎo)航車的兩后輪以不等距行駛，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為減速電機(jī)傳動(dòng)到差速器7的輸入軸，兩輪的軸為了適應(yīng)高承重，在軸上使用多個(gè)軸承，采用后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)5驅(qū)動(dòng)，利用差速器7使兩邊車后輪以純滾動(dòng)的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦，使轉(zhuǎn)向過程轉(zhuǎn)彎更加平穩(wěn)順暢；同時(shí)前輪通過梯形拉桿8來轉(zhuǎn)向，梯形拉桿8的運(yùn)動(dòng)由U型桿4帶動(dòng)，U型桿4的運(yùn)動(dòng)由舵機(jī)或者帶編碼器減速直流電機(jī)帶動(dòng)，從而控制前輪的轉(zhuǎn)向。
[0038]所述SOC控制端，是使用STM32F103VET6 (單片機(jī)型號(hào)以cortex_M3為內(nèi)核)作為處理核心，串口通訊使用rs232模塊，電機(jī)控制使用脈沖寬度調(diào)變(PWM)控制，用于控制所有的超聲傳感器；并且SOC控制端內(nèi)嵌有模糊推斷算法，在檢測(cè)到障礙物位置后能規(guī)劃導(dǎo)航車的避障軌跡，控制導(dǎo)航車?yán)@過障礙物；沒有障礙物情況下，SOC端能接收PC控制端發(fā)來的轉(zhuǎn)向信息，轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，控制導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向。
[0039]所述PC控制端，是裝有自主開發(fā)的AGV導(dǎo)航信息軟件，是人與導(dǎo)航車人機(jī)交互的通道，集成圖像處理與道路識(shí)別算法、轉(zhuǎn)向計(jì)算算法、導(dǎo)航車參數(shù)設(shè)置、通訊模塊及其設(shè)置、實(shí)時(shí)信息反饋顯示這幾個(gè)模塊；其中，圖像處理與道路識(shí)別算法，是分別使用HSV&RGB雙顏色空間分割，對(duì)比度、鄰域梯度、標(biāo)準(zhǔn)差過濾邊沿點(diǎn)，區(qū)域分割和霍夫變換求出道路信息；轉(zhuǎn)向計(jì)算算法，是根據(jù)導(dǎo)航車的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，和自適應(yīng)模糊PID控制器，計(jì)算轉(zhuǎn)向的幅度；通訊模塊會(huì)把轉(zhuǎn)向計(jì)算的數(shù)據(jù)發(fā)送至SOC控制端，同時(shí)也會(huì)接收SOC控制端的避障模式下的數(shù)據(jù)；導(dǎo)航車的參數(shù)設(shè)置包括圖像處理算法閾值的設(shè)置、PID調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)向計(jì)算閾值設(shè)置，AGV速度設(shè)置，可根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)算法的參數(shù)以適應(yīng)各種環(huán)境；實(shí)時(shí)信息反饋模塊，能顯示和記錄AGV行走時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括圖像處理數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)、移動(dòng)速度數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)。
[0040]導(dǎo)航車的自動(dòng)導(dǎo)航過程如下:首先在PC端打開AGV導(dǎo)航信息軟件，根據(jù)場(chǎng)地來微調(diào)各種參數(shù)后啟動(dòng)導(dǎo)航車；啟動(dòng)后，車身前方超聲傳感器開始采集距離信息并模糊化，五個(gè)前方的超聲傳感器輪流測(cè)距，由于輪流測(cè)距的速度快，幾乎可以認(rèn)為是同時(shí)測(cè)距，通過比較五個(gè)前方的超聲傳感器測(cè)出的距離大小，障礙物可以認(rèn)為是位于距離最小的超聲傳感器的朝向方向中；已預(yù)先建立小車運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)道路信息點(diǎn)進(jìn)行初步處理，轉(zhuǎn)變成自適應(yīng)PID的輸入數(shù)據(jù)，通過自適應(yīng)模糊PID得出轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，所述自適應(yīng)模糊PID的模糊表如圖5所示；S0C控制端實(shí)時(shí)監(jiān)控前方的障礙物信息，如果前方?jīng)]有障礙物，則進(jìn)入視覺導(dǎo)航模式，PC控制端通過攝像頭實(shí)時(shí)獲取圖像，并進(jìn)行圖像處理和轉(zhuǎn)向計(jì)算，通過串口把轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)發(fā)送至SOC控制端，由SOC控制端來控制前輪轉(zhuǎn)向；當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，進(jìn)入避障模式，通過前方超聲傳感器的模糊推斷，大致得出前方障礙物的具體位置，通過各個(gè)傳感器的配合監(jiān)控及SOC控制端的轉(zhuǎn)向控制，繞開障礙物；同時(shí)，SOC控制端一直負(fù)責(zé)后輪的驅(qū)動(dòng)控制。完成一次流程后，重新執(zhí)行第一步，超聲傳感器采集距離信息并模糊化。
【權(quán)利要求】
1.一種基于視覺和超聲傳感的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法，其特征在于包括下述步驟: (1)避障模塊包括九個(gè)以上的超聲傳感器，分布在導(dǎo)航車的前方和側(cè)后方，超聲傳感器用于采集車身周圍的距離信息，以檢測(cè)車身周圍是否存在障礙物及其距離；開始導(dǎo)航時(shí)，首先采用導(dǎo)航車前方的超聲傳感器輪流采集障礙物的距離信息；然后對(duì)前方各個(gè)超聲傳感器收集的障礙物距離信息在單片機(jī)系統(tǒng)里進(jìn)行模糊化，并根據(jù)模糊化信息來判斷是否存在障礙物； (2)如果存在障礙物，則停止視覺導(dǎo)航，并根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)得出的模糊化信息來判斷障礙物的大概位置；然后使用障礙物模糊推理規(guī)則，控制導(dǎo)航車初步轉(zhuǎn)向；同時(shí)，采用導(dǎo)航車側(cè)后方的超聲傳感器測(cè)量障礙物的距離信息，當(dāng)側(cè)后方的超聲傳感器探測(cè)到有障礙物時(shí)，表明障礙物已經(jīng)在導(dǎo)航車的側(cè)后方，此時(shí)可以判斷導(dǎo)航車已經(jīng)越過障礙物；然后控制導(dǎo)航車進(jìn)行回軌動(dòng)作，回到視覺導(dǎo)航的軌道上； (3)如果不存在障礙物，則繼續(xù)由視覺模塊來控制導(dǎo)航，即通過攝像頭獲取導(dǎo)航車前方的圖像信息；通過自適應(yīng)模糊控制，使導(dǎo)航車穩(wěn)定地跟蹤導(dǎo)軌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟I中，所述模糊化，其步驟如下:設(shè)方向上的方向模糊子集為{左方(L)，偏左方(LL)，中間(M)，偏右(LR)，右(R) }，距離上的距離模糊子集為{遠(yuǎn)(far)，中(middle)，近(close)，死區(qū)(death)};其中，若前方超聲傳感器中最左邊的超聲傳感器測(cè)出的障礙物距離最短，則理解為方向模糊子集中的左方，同理，若偏左方的超聲傳感器測(cè)出的障礙物距離最短，則理解為方向模糊子集中的偏左方，依次類推；其中，障礙物距離車頭在區(qū)間[Ocm，5cm)為距離模糊子集中的“死區(qū)”，障礙物距離車頭在區(qū)間[5cm，35cm)為距離模糊子集中的“近”，障礙物距離車頭產(chǎn)在區(qū)間[35cm，65cm)為距離模糊子集中的“中”;障礙物距離車頭在區(qū)間[65cm，100cm)為距離模糊子集中的“遠(yuǎn)”;超出10cm可以認(rèn)為忽略障礙物存在，即認(rèn)為不存在障礙物；導(dǎo)航車前方的超聲傳感器以扇形放射式探測(cè)，當(dāng)前方超聲傳感器探測(cè)出的障礙物距離大于100cm，則認(rèn)為沒有障礙物；當(dāng)其中一個(gè)或多個(gè)前方超聲傳感器探測(cè)到的障礙物距離小于100cm，則認(rèn)為有障礙物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟2中，所述障礙物模糊推理規(guī)則是:(I)若障礙物在左方、遠(yuǎn)距離，則不作響應(yīng)；(2)若障礙物在左方、中等距離，則偏右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)20° ; (3)若障礙物在左方、近距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)40° ; (4)若障礙物在偏左方、遠(yuǎn)距離，則偏右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)25。;(5)若障礙物在偏左方、中等距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)35° ; (6)若障礙物在偏左方、近距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)45° ;(7)若障礙物在偏右方、遠(yuǎn)距離，則偏左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)25° ;(8)若障礙物在偏右方、中等距離，則左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)35° ; (9)若障礙物在偏右方、近距離，則左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)45° ;(10)若障礙物在右方、遠(yuǎn)距離，則不作響應(yīng)；(11)若障礙物在右方、中等距離，則偏左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)20° ; (12)若障礙物在右方、近距離，則左轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪左偏轉(zhuǎn)40° ;(13)若障礙物距離在死區(qū)距離，則停車；(14)若障礙物在中間、遠(yuǎn)距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)30° ; (15)若障礙物在中間，中等距離，則右轉(zhuǎn)，即導(dǎo)航車的前輪右偏轉(zhuǎn)45° ; (16)若障礙物在中間，近距離、則停車。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可避障自動(dòng)導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟3中，所述自適應(yīng)模糊控制是:首先通過對(duì)圖像進(jìn)行色調(diào)-飽和度-亮度色彩模型與紅-綠-藍(lán)色彩模型分割，加權(quán)疊加成新的灰度圖；然后提取邊緣點(diǎn)，并通過鄰域?qū)Ρ榷扰袛?、梯度判斷、?biāo)準(zhǔn)差判斷，過濾邊緣點(diǎn)；再根據(jù)導(dǎo)航車前方距離，從上而下分割圖像成N個(gè)圖像片段，并使用霍夫變換探測(cè)各個(gè)圖像片段中道路信息邊緣點(diǎn)的直線，以形成道路信息；得出道路信息后，由于事先對(duì)攝像頭進(jìn)行了標(biāo)定，求出了投影變換矩陣，因此通過投影變換矩陣求出圖像上的道路信息點(diǎn)的實(shí)際三維位置；然后，以圖像道路信息點(diǎn)集的擬合曲線與圖像頂端的交點(diǎn)T以及Λ T聯(lián)合決定PID的控制參數(shù)，以T與下方中點(diǎn)的連線與導(dǎo)航車朝向的夾角a作為輸出反饋，組成自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)。
5.一種基于視覺導(dǎo)航和超聲傳感的自動(dòng)導(dǎo)航車，其特征在于:包括導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、SOC控制端、PC控制端、攝像頭和九個(gè)以上的超聲傳感器；所述PC控制端負(fù)責(zé)圖像處理和軌道跟蹤的計(jì)算，從攝像頭中獲取導(dǎo)航車前方的導(dǎo)軌圖像，通過圖像處理，分析計(jì)算，坐標(biāo)換算，得出導(dǎo)航車前方的路徑信息，建立行駛的數(shù)學(xué)模型，通過自適應(yīng)模糊PID算法，控制導(dǎo)航車對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行跟蹤；所述SOC控制端負(fù)責(zé)超聲避障動(dòng)作，控制多個(gè)超聲傳感器對(duì)前方的障礙物位置進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)障礙物時(shí)，可以檢測(cè)到障礙物位置，并在導(dǎo)航車側(cè)后方超聲傳感器的配合下，完成繞過障礙物的動(dòng)作；所述導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)的梯形拉桿轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，使用U型桿帶動(dòng)梯形拉桿左右運(yùn)動(dòng)，從而改變車的轉(zhuǎn)向圓心和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用差速器使兩邊車后輪以純滾動(dòng)的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦，使轉(zhuǎn)向過程轉(zhuǎn)彎更加平穩(wěn)順暢；所述超聲傳感器，其中五個(gè)或以上的超聲傳感器安裝在導(dǎo)航車的前方，以弧形放射式探測(cè)導(dǎo)航車前方，另外有四個(gè)或以上的超聲傳感器安裝在導(dǎo)航車的側(cè)后方。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自動(dòng)導(dǎo)航車，其特征在于:所述SOC控制端，用于控制所有的超聲傳感器；并且SOC控制端內(nèi)嵌有模糊推斷算法，在檢測(cè)到障礙物位置后能規(guī)劃導(dǎo)航車的避障軌跡，控制導(dǎo)航車?yán)@過障礙物；沒有障礙物情況下，SOC端能接收PC控制端發(fā)來的轉(zhuǎn)向信息，轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，控制導(dǎo)航車的轉(zhuǎn)向。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自動(dòng)導(dǎo)航車，其特征在于:所述PC控制端，是裝有AGV導(dǎo)航信息軟件，是人與導(dǎo)航車人機(jī)交互的通道，集成圖像處理與道路識(shí)別算法、轉(zhuǎn)向計(jì)算算法、導(dǎo)航車參數(shù)設(shè)置、通訊模塊及其設(shè)置、實(shí)時(shí)信息反饋顯示這幾個(gè)模塊；其中，圖像處理與道路識(shí)別算法，是分別使用HSV&RGB雙顏色空間分割，對(duì)比度、鄰域梯度、標(biāo)準(zhǔn)差過濾邊沿點(diǎn)，區(qū)域分割和霍夫變換求出道路信息；轉(zhuǎn)向計(jì)算算法，是根據(jù)導(dǎo)航車的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，和自適應(yīng)模糊PID控制器，計(jì)算轉(zhuǎn)向的幅度；通訊模塊會(huì)把轉(zhuǎn)向計(jì)算的數(shù)據(jù)發(fā)送至SOC控制端，同時(shí)也會(huì)接收SOC控制端的避障模式下的數(shù)據(jù)；導(dǎo)航車的參數(shù)設(shè)置包括圖像處理算法閾值的設(shè)置、PID調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)向計(jì)算閾值設(shè)置，AGV速度設(shè)置，可根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)算法的參數(shù)以適應(yīng)各種環(huán)境；實(shí)時(shí)信息反饋模塊，能顯示和記錄AGV行走時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括圖像處理數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)、移動(dòng)速度數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自動(dòng)導(dǎo)航車，其特征在于:所述超聲傳感器的數(shù)量為9個(gè)，其中5個(gè)以放射式探測(cè)方式并排放置于導(dǎo)航車的車身正前方，2個(gè)安裝在車身兩側(cè)的后方，探測(cè)方向分別垂直于車身兩側(cè)部，2個(gè)分別安裝在車身左右兩側(cè)的后方，探測(cè)方向?yàn)榕c車身兩側(cè)成45度向后。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自動(dòng)導(dǎo)航車，其特征在于:所述U型桿是采用數(shù)字舵機(jī)或帶編碼器的直流減速電機(jī)帶動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK104503451SQ201410709815
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】鄒湘軍, 莫宇達(dá), 林桂潮, 侯家奇, 劉念, 李博, 蔣志林, 龍?jiān)］x 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)