基于單目視覺的AGV間防撞系統設計

陳俊廷 劉翔 翟岳仙 陸瑋

摘要：為了解決智慧工廠中AGV行進過程中面對其他車輛無法自動躲避的問題，本文設計了一種基于單目視覺測距的AGV防撞系統。該系統在AGV頂部安裝攝像頭，用于采集AGV行駛過程中的前方圖像，車體內安裝微處理器對圖像進行分析，并將分析結果轉換為控制信號控制AGV，從而達到防撞的目的，其中圖像分析首先采用三幀差分法將圖像中的AGV目標檢測出來，然后基于逆投影變換測距原理計算出AGV間的距離。實驗結果表明，該系統在模擬實驗環境下測量精度基本控制在10%以內， 4 m內最大絕對誤差為51 mm，能夠滿足物流工廠AGV的設計要求。

關鍵詞： 單目視覺; AGV; 三幀差分法

【Abstract】 In order to solve the problem that AGV can't avoid other vehicles automatically in the process of moving in intelligent factory， this paper designs an AGV anti-collision system based on monocular vision ranging. The system installs a camera on the top of AGV to collect the front image of AGV during driving. A microprocessor is installed in the car body to analyze the image， and the analysis results are converted into control signals to control the AGV， so as to achieve the purpose of anti-collision. In the image analysis， the AGV target in the image is detected by three frame difference method， and then the distance measurement is calculated based on the principle of back projection transformation distance from AGV. The experimental results show that the measurement accuracy of the system is basically controlled within 10% and the maximum absolute error within 4 m is 51 mm， which can meet the design requirements of AGV in logistics factory.

【Key words】 ?monocular vision; AGV; ?three-frame differencing

0 引 言

自動引導車（AGV）是一種配備有自動導引系統的物料搬運設備[1]，可以保證系統無需人工駕駛即可沿著預定路線自動行駛，實現了物料裝卸的全過程自動化。近年來，AGV由于其靈活性好、自動化程度高和智能水平高的優勢而得到了飛速發展[2]。目前，已廣泛用于存儲、制造、郵局、煙草、港口和碼頭、危險場所和特殊行業。

時下，AGV的最高行進速度一般不超過2 m/s，在生產中，為了保證AGV間不發生碰撞，AGV的安全功能非常重要[3-4]。AGV安全裝置包括障礙物接近檢測裝置和障礙物接觸緩沖裝置。接近檢測裝置的距離測量方法包括紅外距離測量、超聲波距離測量[5-6]和激光距離測量。隨著計算機視覺技術的發展，視覺測距方法由于其低成本和低測量誤差而得到了普及與使用。

本文研究了適用于AGV防碰撞的單目視覺測距系統。該系統采用圖像處理技術[7]，在滿足測程的要求下，取得了較好的測量精度。AGV可根據攝像頭采集到的視頻數據分析AGV本身與其它AGV間的距離，并啟動相關的輸出，如停止機器，或發出警告信號，實現AGV的安全防撞保護。系統處理流程圖如圖1所示。

1 硬件系統設計

單目視覺防撞系統主要由AGV車體、微處理器、驅動器、攝像頭、電源等部分組成。單目測距系統的硬件組成如圖2所示。

整體思路為：AGV車體頂部安裝車載攝像頭作為數據采集器，獲取前方車輛的圖像信息;微處理器在設計上安裝在車體內，用于搭載軟件系統，并對采集到圖像數據進行分析;控制系統主要采用Arduino來對AGV進行控制，電源模塊則為整個系統供能，最終實現車體間的智能化防撞。AGV單目視覺系統主要功能單元設計可做闡釋解析如下。

（1）微處理器。AGV視覺導航平臺中使用的微處理器是技嘉BRIX Gaming微型計算機，主要負責實驗平臺中的圖像處理、路徑規劃和指令發送。 配備了gtx760獨立顯卡，英特爾第四代內核處理器-i5-4200h。[JP2]選用這種高效的處理器，BRIX Gaming可以輕松滿足各種應用程序的高處理程序要求，并具有出色的繪圖處理能力。同時還裝配了變壓器和電源線。應用中，就可以根據自己的需要靈活地匹配內存容量和硬盤或SSD容量，以達到最佳使用效果。

（2）攝像頭。采用海康威視的半球形網絡高清PTZ攝像機，位于車身上方，在實驗平臺中完成圖像采集任務并傳遞給微處理器進行圖像分析，為單目測距提供數據支撐。

（3）控制板。選擇Arduino pro mini開發板控制小車驅動模式，這種開源的電子開發平臺小巧靈活，功能強大。包含Arduino版和Arduino IDE，支持C、Java語言的開發環境。不僅可以利用搭載的傳感器來獲取感知信息，該模塊在實驗平臺中還可通過驅動電機來進行導航。

2 軟件系統設計

2.1 動態目標檢測算法原理

動態目標檢測算法采用三幀差分法[8]。三幀差分法的運算過程如圖3所示。

結果表明，測量精度基本控制在10%以內，4 m內最大絕對誤差為51 mm，基本滿足設計的要求。

4 結束語

本文設計了一種基于單目視覺測距的AGV安全防撞系統，該系統通過采用計算機視覺技術分析AGV車頂安裝的攝像頭采集到的視頻圖像，求得了AGV車間的距離，初步設計出了適用于AGV 的單目視覺防撞系統，實驗室試驗表明該系統在 4 m范圍內，測量精度為51 mm，基本滿足AGV 的防撞要求，為實際工業應用提供了低成本、高可靠性的解決方案。進一步的研究工作包括提高系統的測量精度和可靠性，增加不同環境下的測試實驗等。

參考文獻

[1] 武啟平， 金亞萍， 任平，等. 自動導引車（AGV）關鍵技術現狀及其發展趨勢[J]. 制造業自動化， 2013（10）：106.

[2]羅金玲. 基于計算機視覺的前方車輛檢測與測距系統設計[J]. 電腦編程技巧與維護， 2017（22）：87.

[3]陳慶文， 董莘. 智慧工廠AGV調度與避障的研究[J]. 自動化技術與應用， 2017，36（12）：118.

[4]黃誠杰. 智能AGV系統設計及路徑規劃算法研究[D]. 福州：福建農林大學，2016.

[5]王強， 王高亮. 一種新型超聲波測距儀的設計與研究[J]. 智能計算機與應用， 2017，7（5）：146.

[6]王亞君， 劉赫， 呂實誠. 具有實時語音播報的超聲波測距儀[J]. 電腦學習， 2008（4）：19.

[7]王震，鞏秀鋼，馮韶文，等. 基于圖像識別的立定跳遠自動測距系統設計[J]. 智能計算機與應用， 2018， 8（5）：63.

[8]趙建. 基于三幀差法的運動目標檢測方法研究[D]. 西安：西安電子科技大學， 2013.