基于颜色识别技术的AGV固定路径导航改进方案

倪海鹏 顾新艳 赵伟军 陈立成 李昕鸣

（南京工程学院 汽车与轨道交通学院，南京 211167）

自动导航车（Automated Guided Vehicles，AGV）是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备，属于移动式机器人系统，能够沿预先设定的路径行驶，是现代工业自动化物流系统的关键设备之一。导航技术是AGV技术的研究核心，目前国内外主流AGV导航方式可分为固定路径导航和柔性路径导航两类，其中，固定路径导航法需要在运行路径上预先设置引导物质，如轨道、黑白胶带、磁带或电磁导线等，通过传感器获取引导物质的位置来引导AGV，该类技术相对成熟，是国内AGV采用的主流导航方法。但在实际应用中，当AGV的运行路径需要调整时，固定路径导航法的弊端则凸显出来，轨道、磁带等引导线路由于其本身的特性，无法快速、方便地调整。基于此，提出一种基于图像处理技术的导航方案，在原来的AGV小车上加装视觉处理模块，并在既有道路的路口放置指示灯，小车到达路口时，根据指示灯颜色所代表的含义，完成左转弯、右转弯或直行的动作，当运行路径需要调整时，仅需更改路口指示灯的颜色，便可以完成新的路径规划。

1 系统方案设计

1.1 运行方式设计

在设定的环境中，AGV直线行驶时，运行避障、测距、驱动等常规程序，并将AGV运行状态等数据通过WiFi通信上传至系统上位机进行状态显示，以便相关人员对运行状态进行监测；AGV行驶至路口时，视觉处理模块捕捉到指示灯，视觉处理模块将每帧图像中指示灯的颜色、位置、指示灯像素点数量（距离）等数据通过串口发送到主控板。主控板根据指示灯颜色判断路径规划，即此路口左转、右转或直行（颜色和方向的对应关系见表1），根据指示灯像素点数量即镜头和指示灯间距来判断是否到达预设转弯距离，根据其车身偏移量调整车身姿态；当距离到达设定阈值，AGV完成原地转弯动作，而后继续运行。

表1 颜色和方向的对应关系表

1.2 系统控制方案设计

视觉导航AGV小车的整体控制方案如图1所示。视觉处理使用搭载OV7725摄像头的OPENMV模块，不断地抓取并处理车辆前方图像信息，将指示灯的颜色、距离、方位等信息通过串口传递给主控板；与此同时，避障模块的毫米波雷达将障碍物信息通过串口传递给主控板；主控板整合路标相关数据及车周障碍物情况，分析小车在下一路口运动方向，及时按照相关通信协议通过232串行通信给驱动模块发送相关驱动指令，并将小车运行状态、车周障碍物信息通过无线WiFi模块上传至Windows端进行状态显示，以便监测人员对小车运行状态进行实时监测；同样，监测人员可以通过上位机对小车发送紧急停止的指令。

2 控制系统设计

2.1 硬件系统设计

2.1.1 整机设计

主控板CPU采用i.MX RT1052芯片，此款芯片无需片内闪存，能够降低成本，而且集高性能、低延迟、高能效和安全性于一体。主控板与各模块电气连接、供电系统如图2所示。

图1 控制方案示意图

图2 各模块电气连接及供电示意图

2.1.2 视觉处理模块

视觉处理采用OPENMV模块，此模块搭载STM32H743II ARM Cortex M7处理器，主频能达到480MHz，拥有1MB RAM、2MB Flash，外 部 搭 配32MB的32-bit SDRAM、100MHz的时钟，拥有400MB/s的带宽，能够满足高效率的图像处理任务。摄像头采用OV7725 COMS传感器，能够输出640×480分辨率的图像并保持60帧的输出速率。此外，OPENMV模块外部留有UART接口，将之与主控板UART相连接，以完成视觉处理模块将路标数据传递给主控板。

2.1.3 避障模块

避障采用毫米波定高雷达模块，该模块波束宽度40°×40°，数据率达到50Hz，能够同时检测前方多个障碍物的距离，测距范围0.15～30m，测距精度±0.02m。

2.2 软件系统设计

主控板软件系统流程图如图3所示。

视觉模块OPEN MV在处理完一帧数据后，将指示灯相关数据通过串口发送到主控板，此过程中，两设备间通信协议拟定规则如图4所示。

（1）起始：表示一帧数据的开始，这是一个恒定值0X01，其数据长度为一个字节。

（2）数据长度：表示数据段的长度，其数据长度为一个字节。

（3）数据段：表示摄像头模块处理的具体信息，第一个字节为指示灯的颜色；第二个字节为AGV搬运车与信号灯的距离；第三个字节为信号灯相对于AGV搬运车的偏移量；其数据长度为3个字节。

（4）结束：表示一帧数据的结束，恒定值为0X02；其数据长度为1个字节。

3 功能测试

3.1 测试环境及任务

在设定的运行环境中，小车相继经过两个路口，在第一个路口处小车左拐，在第二个路口处小车右拐。在整个运行过程中，主控板持续将运行状态发送至Windows端。此外，为了测试整机系统运行状态，将视觉模块通过串口传给主控板的数据也一并发送至Windows端，作为测试数据。

3.2 测试记录

路口环境如图5所示。

图3 软件流程图

小车运行过程中，Windows端状态显示数据如图6所示。

图4 通信协议字段组成

图5 路口环境

图6 状态显示

3.3 测试结果分析

通过对串口回传的数据分析，视觉模块能够正常识别到指示灯各项信息，主控板能够给底层驱动发送正确的驱动信号，小车运行正常。

4 结语

基于颜色的视觉导航AGV小车能够在较为简单的硬件基础上，跟随指示灯的指引方向运行，并且通过WiFi与上位机实时通信。相较于传统的AGV固定路径导航技术，本方案通过改变指示灯颜色，便可轻松更改AGV的固定运行轨迹。对于已经建成的运用传统AGV固定路径导航技术的厂房，仅需要加装一套简单的可变指示灯系统，便可完成对AGV的改造升级。