朱士光+張帆+張聰

摘 要：采用慣性導航和視覺導航組成的組合導航模式，慣性導航，應用慣性元件（加速度計）來測量機器人自身的加速度，經(jīng)過積分運算得到速度和位置，從而達到對機器人導航定位的目的。組成慣性導航系統(tǒng)的設備都安裝在機器人體內，工作時不依賴外界信息，抗干擾能力很強，是一種自主式導航系統(tǒng)；視覺導航是在地面上利用顏色反差較大的色帶對 AGV 小車的行駛路徑進行規(guī)劃，AGV 上安裝的攝圖傳感器將不斷拍攝的圖片傳送給中央控制單元，通過與存儲圖片進行對比，輸出偏移量信號給驅動控制系統(tǒng)，從而糾正 AGV 的行駛路徑，實現(xiàn) AGV 的導航。 而慣性導航是利用陀螺儀等傳感器實時獲取車輛的運行狀態(tài)，結合圖像信息，實時做出判別和命令，以達到無人運輸?shù)哪康摹?/p>

關鍵詞：慣性導航；角速度計；加速度傳感器；陀螺儀；視覺導航

中圖分類號：V249 文獻標志碼：A

0 引言

隨著倉儲物流的日益發(fā)展以及勞動力成本的不斷提高，智能化、自動化生產(chǎn)已成為不可阻擋的發(fā)展趨勢。因此，越來越多的企業(yè)開始著手研究和應用AGV。目前，國內外AGV應用的導航系統(tǒng)原理主要有電磁導航、磁帶導航、激光導航和二維碼導航。電磁導航出現(xiàn)時間較長，應用比較廣泛，但是在應用過程中改變或擴充新路徑比較煩瑣。磁帶導航技術工作原理與電磁導航相似，缺點也很明顯，磁帶維護頻率較高，而且損壞嚴重的磁帶要及時更換。激光導航相比其他導航方式則比較先進，AGV小車定位也更加精確，行駛路徑可以隨意改變。但由于其控制比較困難，而且激光技術安裝昂貴致使成本過高。二維碼導航技術出現(xiàn)較晚，視覺機器人就是基于視覺識別二維碼和慣性導航的一種智能倉儲機器人，將其作業(yè)范圍做成一個相當于圍棋棋盤的地圖，機器人就可以到達范圍內的所有點。 本文設計的慣性導航是利用陀螺儀等傳感器實時獲取車輛的姿態(tài)，結合圖像信息，實時做出判別和命令，以達到無人運輸?shù)哪康摹?/p>

1 設計方案

1.1 慣性導航系統(tǒng) INS（ Inertia Navigation System，以下簡稱慣導）

慣導是一種應用慣性傳感器測量載體的比例及角速度信息，并根據(jù)給定的初始條件實時推算速度、位置、姿勢等參數(shù)的自主式導航系統(tǒng)。慣性導航的基本原理是根據(jù)某已知點測得的運載體航向角和速度來推算預測點的位置，從而可以測出物體的運動軌跡和當前位置。利用陀螺儀構建導航坐標系，使慣導中的加速度計測量軸相對穩(wěn)定在該坐標系中，進而測量出物體的姿態(tài)角和航向狀態(tài)；利用加速度計來測量運動體的加速度，經(jīng)過對時間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對時間的一次積分即可得到距離。

1.2 加速度計

加速度傳感器是一種利用重力加速度與傾斜角度的關系，測量運動設備傾斜角度的元件。由于運動加速度的存在，測量的傾角值誤差很大。利用陀螺儀和磁傳感器對誤差進行補償。磁傳感器是一種利用地磁場效應測量物體方位角的元件，系統(tǒng)電流的導磁性以及導磁材料的存在都會對測量結果產(chǎn)生較大影響?？梢杂迷黾蛹铀俣葌鞲衅鳎▋A角傳感器）和陀螺儀的方法進行補償。通過分析重力加速度測量值，可以計算出機器人相對于水平面的傾斜角度。然后根據(jù)動態(tài)模擬即可得到機器人運行的軌跡，從而對其進行智能控制。

本文采取的方法就是利用加速度傳感器檢測AGV機器人體內的交流信號和運行時產(chǎn)生的某種規(guī)律性振動，而加速度傳感器可以測量振動的過零點，從而計算得到機器人所運行的路程。通過檢測機器人設備的振動幅度，就可以控制攝像頭快門的合適時間，從而保證拍攝照片的清晰度，AGV模塊組成如圖1所示。

1.3 角速度傳感器-陀螺儀

將角速度傳感器-陀螺儀安裝在機器人的四軸上，從而可以實時測量機器人不同位置傾斜的角度。陀螺儀輸出的是角速度信號不會受機器人振動的干擾，因此噪聲可以忽略。通過對角速度積分處理，獲取機器人四軸的傾斜角度，從而進一步平滑信號，使得角度信號更加穩(wěn)定。通過分析陀螺儀輸出的信號獲取控制機器人四軸所需的角速度和速度信息。上述獲取角度的方法需要經(jīng)過積分運算，由于角度是對角速度的一次積分，即使角速度信號存在微小的誤差，積分后誤差將被放大，隨著時間累積，電路將到達飽和狀態(tài)，無法獲取精確地角度信息。

1.4 角度積分漂移校正

角度漂移積分校正是一種消除上述誤差的有效方法。加速度計獲取的角度信息不能直接使用，通過與陀螺儀獲取的角度信息進行對比，得到一個兩者的比較誤差。然后將這個誤差按照一定比例放大，使之與陀螺儀輸出的角度信號疊加，然后進行積分計算。由于加速度計獲取的角度信息基本沒有積累誤差，所以最終輸出角度 0 是比較準確的?？梢栽诓杉盘柕倪^程中加以控制：控制電路和程序運行的開始保持機器人四軸在水平狀態(tài)，這樣一開始就使得輸出角度 0 與 0g 相等。此后，加速度計的作用只是消除積分的偏移，從而使輸出角度不會出現(xiàn)較大誤差。

1.5 視覺部分（攝像頭）

本機器人根據(jù)地上的黑線循跡，從而進行位置移動，所以選取攝像頭作為傳感元件，后期會考慮成本問題以及實際需要改變傳感器類型。如今市面上有比較適合本項目的使用 OV7725 芯片制作而成的鷹眼攝像頭，使用鷹眼攝像頭，主要原因在于 OV7725 信噪比更高，速度更快，穩(wěn)定性更好和微光靈敏度更好，鷹眼有兩三個突出優(yōu)點：一是高達 150Hz 的幀頻率，為機器人的高速運行提供支持；二是硬件二值化，減小了 MCU 的運算壓力；三是采用 BGA 封裝，電氣特性好，高速，高頻信號完整性好，適合多層板，焊點機械強度高。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述原理設計的智能AGV倉儲機器人經(jīng)過試驗測試可靠性很高，而且效率與傳統(tǒng)AGV小車類似，但是其成本和后期維護要遠遠低于傳統(tǒng)AGV倉儲機器人。通過實物仿真證明，本文所述的通過新型組合方式的新型AGV導航小車，可以在物流倉儲、工業(yè)制造等領域實現(xiàn)無人化智能自動化操作，從而大大降低企業(yè)用工成本。

結語

隨著倉儲物流系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和工廠自動化等迅速發(fā)展，AGV的應用范圍不斷擴展，對AGV的引導技術、軌跡規(guī)劃算法和跟蹤控制等相關技術也得到廣泛關注。目前大多數(shù)AGV已經(jīng)商業(yè)化，他們大都采用激光導航和磁導航，二維碼掃描方式，雖然這些導航技術已經(jīng)成熟，但其成本高，難以維護和改造，因此新的導航技術越來越受到人們關注。本文所設計成果旨在為市場提供一種通過新型組合導航方式導航的新型 AGV 導航小車，可以應用在物流運輸、工業(yè)制造等領域，推動相關領域生產(chǎn)力的進步。

參考文獻

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