樊 劍，袁月峰，蔡曉雯

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

AGV是Automated Guided Vehicle的英文縮寫，中文解釋為自動(dòng)導(dǎo)引車輛[1]。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和CCD圖像技術(shù)的成熟，加上自動(dòng)化加工生產(chǎn)和柔性制造系統(tǒng)等先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)中逐漸興起，微控制器和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，設(shè)計(jì)穩(wěn)定的AGV自動(dòng)導(dǎo)航車也顯得越來(lái)越重要[2]。AGV自動(dòng)導(dǎo)航車的控制方法要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合而有所變化，本文以制造業(yè)運(yùn)輸裝配線為研究對(duì)象。

主要的研究?jī)?nèi)容是以單片機(jī)為核心控制器采用基于機(jī)器視覺(jué)的AGV自動(dòng)導(dǎo)航車的圖像數(shù)據(jù)采集與處理和步進(jìn)電機(jī)的控制方法等。

1 軌跡規(guī)劃

本系統(tǒng)的自動(dòng)導(dǎo)航車的軌跡規(guī)劃如圖1所示。由圖可知，自動(dòng)導(dǎo)航車的運(yùn)行流程為。

1）導(dǎo)航車在停車工位停止等候送貨指令的發(fā)送，待接收到指令（送貨工位x）后，開(kāi)始沿著黑線循跡，直到找到工位x的進(jìn)工位標(biāo)志，之后直角轉(zhuǎn)彎進(jìn)入工位卸貨，待接收到卸貨完成的指令之后繼續(xù)前進(jìn)，直到出工位標(biāo)志。

2）直角轉(zhuǎn)彎之后循跡回到倉(cāng)庫(kù)停車位置等待下一次運(yùn)輸指令的發(fā)送。

圖1 自動(dòng)導(dǎo)航車軌跡規(guī)劃

2 硬件設(shè)計(jì)

CCD圖像采集和和處理電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。其中，J1為Omnivsion公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器OV7620，系統(tǒng)選用的OV7620是YUV 16/8位可選模式，系統(tǒng)主要研究的是在320×240分辨率下處理8位的Y信號(hào)分量。系統(tǒng)涉及的信號(hào)有場(chǎng)中斷（VSYNC）、行中斷（HREF）和8位的Y數(shù)據(jù)（Y0-Y7）。U1為單片機(jī)控制器，采用的是Microchip公司的16位單片機(jī)PIC33FJ256MC710。U2為MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，P1為電腦的串口。單片機(jī)控制器分別通過(guò)三個(gè)信號(hào)線（EN，Dir，PWM）與Stepper motor_1（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1）和Stepper motor_2（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2）相連。為了能清晰直觀地看出單片機(jī)中采集到的圖像信息，需要將單片機(jī)中采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信與上位機(jī)連接，通過(guò)上位機(jī)上的軟件顯示采集到的數(shù)據(jù)，從而判斷單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性[3]。

3 圖像采集和處理的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字圖像的采集

為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，視頻采集采用的是外部中斷觸發(fā)采樣的方式采集圖像數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)在進(jìn)行中斷函數(shù)初始化時(shí)，需要將場(chǎng)中斷設(shè)置為下降沿捕捉，行中斷設(shè)置為上升沿捕捉，在場(chǎng)中斷中開(kāi)啟行中斷，在行中斷之后連續(xù)讀取8位的Y數(shù)據(jù)[4]。

在8位數(shù)據(jù)的讀取中，要通過(guò)調(diào)整讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔來(lái)保證采樣的準(zhǔn)確性，防止采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)生左右偏移的現(xiàn)象，這個(gè)過(guò)程就需要通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試，系統(tǒng)的圖像采集流程圖如圖3所示。

從整個(gè)自動(dòng)導(dǎo)航車來(lái)看，由于場(chǎng)中斷信號(hào)的頻率是60Hz，所以系統(tǒng)在16.67ms的場(chǎng)中斷時(shí)間間隔中，不但要完成圖像數(shù)據(jù)的采集和處理，還要完成電機(jī)脈沖的控制。

因此，系統(tǒng)采用隔行采樣的方式，但又要保證足夠的采樣數(shù)據(jù)，所以必須選擇合適的采樣間隔。系統(tǒng)采用從第17行開(kāi)始采樣，每隔7行采樣一次的方式，這樣的話需要采樣的行為17，24，31……共采集40行50列，即采樣數(shù)組CCD_DATA為40行50列的數(shù)組，數(shù)據(jù)采樣到第290個(gè)行中斷之后停止采樣。

圖2 圖像采集與處理電路

3.2 數(shù)字圖像的處理

圖像信息經(jīng)過(guò)CCD采集之后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接收到的是灰色圖的數(shù)據(jù)，要想更近一步地處理圖像數(shù)據(jù)，需要將灰色圖像的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)閾值分割（二值化）之后轉(zhuǎn)換成黑白兩色的二值化圖，這項(xiàng)技術(shù)也叫圖像閾值分割[5]。閾值分割之后的二值化圖只有0（0x00）和255（0xff）兩個(gè)值，如圖4所示。其中，0x00表示的是黑色的像素點(diǎn)，0xff表示的是白色的像素點(diǎn)。由此可見(jiàn)，最優(yōu)的二值化分割閾值（T1）就是擁有良好二值化效果的一個(gè)關(guān)鍵和決定性因素。

圖3 圖像數(shù)據(jù)采集流程圖

圖4 二值化灰度變換函數(shù)

閾值確定的一般方法有：峰谷法、迭代法、大律法和分水嶺法等[6]。為了能使單片機(jī)控制器更加快速簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)該算法，本系統(tǒng)采用了大律法進(jìn)行閾值分割。大律法又稱最大方差法，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1）首先記T為分割閾值，利用T把數(shù)組CCD_DATA分成兩組R1和R2，用公式（1）和公式（2）確定R1和R2的平均灰度。

其中N1和N2分別是R1和R2中的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2）從最小灰度值到最大灰度值遍歷T，當(dāng)T使得公式（3）達(dá)到最大時(shí)，T即為分割的最佳閾值。其中 0w和 1w分別表示R1和R2的中像素點(diǎn)數(shù)所占總像素點(diǎn)數(shù)的比例。

在實(shí)際控制器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了減少控制器的運(yùn)算，可以對(duì)該方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)?？梢栽O(shè)定一個(gè)T值的合理變化區(qū)間，在驗(yàn)證公式（3）時(shí)，在這個(gè)區(qū)間之中從小到大遍歷T，這樣就可以減少運(yùn)算次數(shù)，提高控制器的工作效率。

在閾值的確定中，環(huán)境明亮程度的變化會(huì)使最佳閾值發(fā)生變化，固定的閾值就無(wú)法適應(yīng)明亮程度變化的環(huán)境，所以需要采用動(dòng)態(tài)調(diào)整的閾值。本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整法的實(shí)現(xiàn)方法是每隔時(shí)間Δt，根據(jù)采集到的圖像數(shù)據(jù)，重新確定圖像的閾值，使圖像的閾值能根據(jù)環(huán)境的不同做相應(yīng)的調(diào)整，從而消除了固定閾值不能適應(yīng)環(huán)境變化的弊端。

圖5 單片機(jī)二值化路徑與實(shí)際路徑對(duì)比圖

本系統(tǒng)的圖像采集與處理的試驗(yàn)是在鋪有接近白色的地面上進(jìn)行的，在該地面上鋪設(shè)黑色的引導(dǎo)線?；趩纹瑱C(jī)控制器的視覺(jué)導(dǎo)航AGV能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)提取標(biāo)識(shí)線的導(dǎo)航參數(shù)AGV實(shí)時(shí)跟蹤路面標(biāo)識(shí)線，如圖5所示。

圖的上半部分是攝像頭采集到的實(shí)際路徑圖，圖的下半部分是上位機(jī)顯示，即單片機(jī)采集到經(jīng)過(guò)二值化處理的的路徑圖像。由圖5可知，當(dāng)識(shí)別不同的路徑時(shí)，該導(dǎo)航車系統(tǒng)能表現(xiàn)出較好的路徑識(shí)別效果。

檢測(cè)路徑的中心位置是用來(lái)定位路徑的，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的二值化處理之后，要想確定中心線，必須將二值化圖中的路徑用邊沿檢測(cè)的方法檢測(cè)出來(lái)，邊沿檢測(cè)后，確定一行數(shù)據(jù)的左右邊沿的位置，之后求左右邊沿的均值就可以確定中點(diǎn)的位置，并由中點(diǎn)確定圖像的中心線。

4 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

4.1 步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)方法

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率（fy）低于它本身的啟動(dòng)頻率（fq）時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可以用運(yùn)行頻率（fy）直接啟動(dòng)，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)需要停止時(shí)可以從運(yùn)行頻率（fy）直接降到零速；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率（fy）高于啟動(dòng)頻率（fq）時(shí)，由于頻率太高會(huì)產(chǎn)生丟步，甚至堵轉(zhuǎn)的情況，所以步進(jìn)電機(jī)必須采用升降速控制，也就是脈沖頻率的升降頻控制[7]。

升降頻采用的是直線升降頻法，這種方法以恒定的加速度進(jìn)行升降頻，這種方法平穩(wěn)性好，加速時(shí)間較長(zhǎng)，適用于速度變化不是特別劇烈的情況，加減速過(guò)程較簡(jiǎn)單，控制器容易實(shí)現(xiàn)[8]。

4.2 升降頻的離散化

由于步進(jìn)電機(jī)真實(shí)速度不僅難以測(cè)量，而且用解析式也很難表示，所以在升降速控制時(shí)以控制脈沖的實(shí)時(shí)頻率為基準(zhǔn)。

由于系統(tǒng)采用的是直線升降頻法，所以可以隨機(jī)截取一段升頻過(guò)程。假設(shè)當(dāng)前脈沖頻率為fc，想要設(shè)置的脈沖頻率為ft（ft>fc），則升頻的算法如公式（4）所示，其中t為升降頻所用的時(shí)間，k為單位時(shí)間內(nèi)所上升的頻率點(diǎn)數(shù)。

則程序運(yùn)行時(shí)，可以由公式（5）計(jì)算出升頻所用的時(shí)間為：

由于系統(tǒng)采用的脈沖產(chǎn)生模式是定時(shí)器中斷模式，為了在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)升頻，必須將升頻段均勻地離散為n段。取n=6為例，如圖6所示。

將升速過(guò)程均勻地分成了6檔。由公式（5）可知，總的升頻時(shí)間為t，則相鄰兩次的頻率變化時(shí)間間隔為：

公式（6）中的n階梯升頻的分檔數(shù)，則每一檔的頻率為：

以上就是對(duì)升頻所做的處理，降頻過(guò)程的處理方法與升頻過(guò)程類似。

圖6 升降頻實(shí)現(xiàn)過(guò)程圖

4.3 直角轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)

由系統(tǒng)的運(yùn)行線路可知，系統(tǒng)的所有轉(zhuǎn)彎都是采用直角轉(zhuǎn)彎，所以準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)過(guò)每一個(gè)直角轉(zhuǎn)彎是系統(tǒng)安全有效運(yùn)行的關(guān)鍵。步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制可以使直角轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以通過(guò)計(jì)數(shù)發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)決定[9,10]。

如圖7所示，車輪間距為R，車輪半徑為r，車子繞一個(gè)車輪的中心轉(zhuǎn)過(guò)90°角，則轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪走過(guò)的路程為：

由公式（8）可得電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為：

從而根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角a，控制器要想實(shí)現(xiàn)直角轉(zhuǎn)彎需要發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)為：

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于PIC33FJ256MC710單片機(jī)控制器的機(jī)器視覺(jué)小車的控制方法，通過(guò)上位機(jī)測(cè)試圖像采集與處理的準(zhǔn)確性。以單片機(jī)為控制核心，從理論分析和實(shí)時(shí)測(cè)試CCD圖像數(shù)據(jù)的采集與處理過(guò)程和步進(jìn)電機(jī)的控制方法，在對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制上建立了開(kāi)環(huán)的控制方法。本文的硬件設(shè)計(jì)和控制方法是基于特定的運(yùn)行場(chǎng)景和配送系統(tǒng)，本文提出的理論在普適性上還有待提高。

圖7 直角轉(zhuǎn)彎示意圖

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