0 引言

    自動引導(dǎo)車(Automated Guided Vehicle，AGV)是現(xiàn)代物流行業(yè)的高效運(yùn)輸工具^[1-3]。但是，在AGV運(yùn)行過程中，導(dǎo)航定位精度差，一直制約其在許多工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]提出一種最優(yōu)偏差路徑的AGV糾偏方法，可以實(shí)現(xiàn)5 mm范圍內(nèi)糾正，但是系統(tǒng)魯棒性較差。文獻(xiàn)[5]采用了一種基于慣性導(dǎo)航和視覺里程計的定位算法，實(shí)現(xiàn)視覺輔助定位，克服慣性導(dǎo)航的不足，但是仍然無法實(shí)現(xiàn)后期AGV的位置修正；文獻(xiàn)[6]采用自定義定位標(biāo)識符法，在地面鋪設(shè)停車標(biāo)識，系統(tǒng)識別停車標(biāo)志符后，即根據(jù)直線運(yùn)動公式計算AGV停車距離，直至距離為0，但后期缺少視覺信息反饋，不具備停車糾偏能力。

    針對以上情況，本文提出一種基于模糊控制和QR碼的精確定位方法。首先通過模糊控制實(shí)現(xiàn)AGV快速路徑糾偏，然后根據(jù)不同工位定位精度要求利用每幀圖片尺寸不變特性實(shí)現(xiàn)QR碼精確定位，實(shí)現(xiàn)了路徑快速準(zhǔn)確跟蹤和特殊工位點(diǎn)精確定位。

1 AGV運(yùn)動學(xué)模型

    建立AGV四輪差動運(yùn)動學(xué)模型，如圖1所示^[7-8]。坐標(biāo)系XOY為AGV小車運(yùn)行區(qū)域，視為大地坐標(biāo)系，作為AGV運(yùn)動坐標(biāo)參考。X¹O¹Y¹為以AGV小車幾何中心建立的AGV車體坐標(biāo)系，隨AGV移動。AGV小車的位姿由小車幾何中心在大地坐標(biāo)系中的位置(X，Y)和AGV前進(jìn)方向與大地坐標(biāo)系的X軸正方向的夾角θ確定，即P=[X，Y，θ]^T。

    圖1中，o₁、o₂分別為AGV小車前后驅(qū)動單元的中心；L為驅(qū)動單元中心距AGV小車幾何中心的距離；B為各驅(qū)動輪中心到各自驅(qū)動單元中心的距離；α₁、α₂分別為兩個驅(qū)動單元中軸線與AGV小車坐標(biāo)系X1軸正方向的夾角，按照順正逆負(fù)取值；V_o1、V_o2分別為兩個驅(qū)動單元中心點(diǎn)的線速度；A點(diǎn)為AGV小車的瞬時轉(zhuǎn)動中心。

    同時，假設(shè)：

    (1)兩個驅(qū)動單元中心的角速度分別為ω_o1、ω_o2；

    (2)4個輪轂電機(jī)的線速度和角速度分別為v₁、v₂、v₃、v₄、ω₁、ω₂、ω₃、ω₄；

    (3)前后兩個驅(qū)動單元的中點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn)分別設(shè)為(X_o1、Y_o1)、(X_o2、Y_o2)。

    根據(jù)P=[X，Y，θ]^T即AGV幾何中心的位置，可以得到兩個驅(qū)動單元中心點(diǎn)的大地坐標(biāo)為：

    通過以上運(yùn)動模型可知，只要控制前后兩個驅(qū)動單元的運(yùn)動速度和加速度，就可以控制AGV小車的運(yùn)行狀態(tài)。

    AGV小車模型如圖2所示，主要由工控機(jī)+顯示屏模塊、視覺模塊、驅(qū)動模塊構(gòu)成。

2 模糊糾偏設(shè)計

2.1 模糊控制原理

    模糊控制是一種相比于傳統(tǒng)控制更加貼近于人類思維的控制方法。與傳統(tǒng)的控制方式不同之處是，模糊控制技術(shù)在復(fù)雜的多變量系統(tǒng)中可以通過各種變量之間的關(guān)系完成對系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而使得系統(tǒng)的控制在直觀上更加簡便^[9-10]。模糊控制基本原理如圖3所示。

2.2 模糊控制器設(shè)計

    模糊控制規(guī)則輸出曲面如圖4所示，可以看出模糊控制規(guī)則曲面在E或EC在零值附近時波動比較大，利于精確控制；在E或EC絕對值較大時曲面波動小，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

    模糊量清晰化處理即為把模糊推理得出的結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以識別的確定值。通過重心法計算橫坐標(biāo)軸和隸屬度函數(shù)曲線圍成的區(qū)域重心，如式(7)所示。

3 QR碼關(guān)鍵點(diǎn)精確定位

3.1 二維碼3點(diǎn)定位

    根據(jù)二維碼的3個位置探測圖形形狀相同位置對稱，所以采用3點(diǎn)定位法確定二維碼位置。首先確定3個位置探測圖形中點(diǎn)坐標(biāo)，然后通過直線擬合法獲取關(guān)鍵4點(diǎn)坐標(biāo)，最終確定整個二維碼區(qū)域。定位結(jié)果如圖5所示。

3.2 QR碼精定位原理

    視覺定位相機(jī)安裝在AGV底板中心下面，距離地面高度為25 cm。          

    AGV的位移糾偏移動方向如圖7所示，根據(jù)S1、S2值的正負(fù)可以實(shí)現(xiàn)AGV的4個方向自由糾偏運(yùn)動，從而避免對另外兩個邊距的冗余計算。

    最后通過反余弦變換求得偏轉(zhuǎn)角α，旋轉(zhuǎn)糾偏方向如圖9所示。取水平方向為0°方向，當(dāng)偏差角度為正則順時針旋轉(zhuǎn)AGV糾偏，反之逆時針旋轉(zhuǎn)AGV。

4 實(shí)驗驗證

    實(shí)驗采用自主研發(fā)的基于激光雷達(dá)+視覺引導(dǎo)的AGV實(shí)驗平臺，如圖10所示。實(shí)驗環(huán)境為工廠的地坪漆地面，采用黑白二維碼作為標(biāo)識符，單目相機(jī)采樣分辨率為1 280×720。

    首先通過MATLAB中的Simulink組件對模糊控制建立仿真模型，如圖11所示。設(shè)初始偏差輸入為[0.6，5]，輸入模型后仿真結(jié)果如圖12所示，圖13為最優(yōu)控制器結(jié)果。可以看出AGV小車較大偏差狀態(tài)下可以快速調(diào)整到平衡狀態(tài)。在初始距離偏差0.5 m、角度偏差0.6 rad的情況下，只需3.5 s就可以消除偏差，明顯優(yōu)于最優(yōu)控制器，所以本文采用模糊控制器可以顯著提高小車糾偏能力與反應(yīng)速度。

    其次，為了驗證該方法的有效性，驗證AGV視覺引導(dǎo)AGV的定位精度，連續(xù)在同一定位點(diǎn)停靠200次，AGV的定位誤差如圖14所示，圖14(a)為X方向偏差，圖14(b)為Y方向上偏差，圖14(c)為角度偏差。可以看出X和Y方向偏差在±1 mm以內(nèi)，角度偏差在±1°以內(nèi)。

5 結(jié)論

    首先建立四輪差速模型，通過設(shè)置前后兩個驅(qū)動中心簡化模型間的耦合度。根據(jù)運(yùn)動學(xué)模型確定位置偏差和角度偏差兩個變量作為二維模糊控制器的輸入，進(jìn)而獲得糾偏控制量。在初始誤差較大的情況下可以快速調(diào)整小車到平行狀態(tài)，具有較高的魯棒性和快速性。

    其次，針對高精度的應(yīng)用場合，對一些工位有較高的定位精度要求，提出一種基于單QR碼視覺精定位法。通過3點(diǎn)定位法提取QR碼輪廓，利用幀圖片尺寸不變特性，計算出位移偏差和角度偏差，定位精度穩(wěn)定在±1 mm以內(nèi)，AGV視覺定位精度顯著提高，滿足高精度場合定位需要。

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作者信息：

李  照，舒志兵，嚴(yán)  亮

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816)