朱訓(xùn)棟　張?chǎng)?/p>

摘要：概述了AGV的主要導(dǎo)航方式，分析了目前國(guó)內(nèi)外AGV固定路徑視覺(jué)導(dǎo)航與柔性路徑視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并指出該領(lǐng)域在今后一段時(shí)期內(nèi)的一些重要的研究方向。

關(guān)鍵詞：AGV；視覺(jué)導(dǎo)航；研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：F253.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV）指裝備有導(dǎo)引裝置，能夠按照規(guī)定路徑行駛，并具有編程與停車(chē)選擇、安全保護(hù)及各種移載功能的運(yùn)輸小車(chē)。AGV技術(shù)集機(jī)械、機(jī)電控制、傳感器、無(wú)線通訊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的技術(shù)于一體，目前已廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)前國(guó)際機(jī)器人應(yīng)用研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

導(dǎo)航技術(shù)是AGV技術(shù)的研究核心，其主要解決車(chē)輛位姿獲取、環(huán)境模型構(gòu)建以及行駛路徑規(guī)劃等三方面問(wèn)題，即要告訴小車(chē)“在何處”、“到何處去”，以及“如何走”。目前，國(guó)內(nèi)外主流AGV導(dǎo)航方式可分為固定路徑導(dǎo)航和柔性路徑導(dǎo)航兩類(lèi)。其中，固定路徑導(dǎo)航法需要在運(yùn)行路徑上預(yù)先設(shè)置引導(dǎo)物質(zhì)，如軌道、黑白膠帶、磁帶或電磁導(dǎo)線等，通過(guò)傳感器獲取引導(dǎo)物質(zhì)的位置來(lái)引導(dǎo)AGV，該類(lèi)技術(shù)相對(duì)成熟，是國(guó)內(nèi)AGV采用的主流導(dǎo)航方法，但該類(lèi)技術(shù)無(wú)法滿足運(yùn)行路徑需經(jīng)常調(diào)整的情況。柔性路徑導(dǎo)航法可根據(jù)需要實(shí)時(shí)規(guī)劃導(dǎo)引路徑并引導(dǎo)AGV運(yùn)動(dòng)，是AGV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，目前應(yīng)用較多的有激光引導(dǎo)技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、基于WIFI或ZigBee等無(wú)線信號(hào)定位的導(dǎo)引技術(shù)及視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)等。各種導(dǎo)航方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，一般需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方案。

近些年來(lái)，隨著芯片性能和數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷提升，視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展更為迅速。視覺(jué)導(dǎo)航利用AGV車(chē)載攝像頭動(dòng)態(tài)獲取環(huán)境圖像，經(jīng)過(guò)圖像檢測(cè)獲取導(dǎo)航參數(shù)（小車(chē)位置、速度、姿態(tài)等），并規(guī)劃所需路徑、實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的導(dǎo)航控制。目前，視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)在固定路徑導(dǎo)航和柔性路徑導(dǎo)航方面均有比較廣泛的應(yīng)用。

1 AGV固定路徑視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)研究

AGV固定路徑導(dǎo)航技術(shù)亦稱(chēng)結(jié)構(gòu)化路徑導(dǎo)航技術(shù)，指AGV在行駛過(guò)程中利用車(chē)載視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)獲取鋪設(shè)在路面或工作空間內(nèi)軌跡標(biāo)志的圖像，依據(jù)控制車(chē)體的圖像特征點(diǎn)與導(dǎo)引軌跡輪廓中心線間的偏差，以及車(chē)體前進(jìn)方向與軌跡中心線的角度偏差，引導(dǎo)車(chē)體在允許的誤差范圍內(nèi)沿導(dǎo)引軌跡運(yùn)動(dòng)。該導(dǎo)航方式導(dǎo)引線易于鋪設(shè)、視覺(jué)識(shí)別穩(wěn)定性高，擁有廣泛的應(yīng)用空間。

歐美國(guó)家在該領(lǐng)域起步較早，研究成果較多，處于領(lǐng)先地位。日本在20世紀(jì)80年代研制的“Pochi”機(jī)器人可利用攝像機(jī)采集路面的白色標(biāo)記線，作為路標(biāo)信息進(jìn)行作業(yè)。美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）研制的RALPH，能夠通過(guò)識(shí)別車(chē)道標(biāo)識(shí)線和分析路面信息實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的功能，研制的NAVLAB利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)一步提高了其智能化程度。Saitoh T等研究了一種采用單目攝像頭和筆記本電腦實(shí)現(xiàn)的輪式移動(dòng)機(jī)器人走廊中線跟蹤方法。Horswill I采用單目視覺(jué)提取地面紋理，實(shí)現(xiàn)了車(chē)體在固定環(huán)境下的視覺(jué)導(dǎo)航。D.L.Boley等利用車(chē)載攝像機(jī)和輔助傳感器通過(guò)識(shí)別路標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航，并利用卡爾曼濾波器進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，有效抑制了噪聲并具有較好的實(shí)時(shí)性。

我國(guó)在該領(lǐng)域起步較晚，但發(fā)展較快，近些年相繼涌現(xiàn)出一大批相關(guān)研究成果。吉林大學(xué)研制的JUTIV-3型視覺(jué)導(dǎo)引AGV，可通過(guò)車(chē)載攝像頭采集地面鋪設(shè)的色線和標(biāo)識(shí)符圖像，經(jīng)處理后獲取導(dǎo)航參數(shù)，并通過(guò)模糊控制器使車(chē)體實(shí)時(shí)跟蹤色線運(yùn)行，同時(shí)具有識(shí)別工位標(biāo)識(shí)符與分叉路等功能。南京航空航天大學(xué)研制的NHV-Ⅱ型視覺(jué)導(dǎo)航AGV，通過(guò)構(gòu)建直線路徑模型、圓弧拐彎路徑模型和非圓弧拐彎路徑模型等三種路徑模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)AGV的精確控制。劉晶等設(shè)計(jì)的基于FPGA+ARM的輪式機(jī)器人，可通過(guò)識(shí)別道路中設(shè)置10cm寬的導(dǎo)航線以及轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航行走。朱翔等設(shè)計(jì)的基于FPGA+FIFO的移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)，可根據(jù)行走趨勢(shì)的變化改變車(chē)體行進(jìn)速度，提升了導(dǎo)航精度。

2 AGV柔性路徑視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)研究

AGV柔性路徑導(dǎo)航技術(shù)基于對(duì)場(chǎng)景中景物的理解獲取導(dǎo)航參數(shù)，可稱(chēng)為非結(jié)構(gòu)化路徑導(dǎo)航技術(shù)。其需要預(yù)先構(gòu)建路徑周嗣環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，在車(chē)體運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地通過(guò)車(chē)載攝像頭捕捉周同環(huán)境信息，并與前述圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，得出車(chē)體當(dāng)前的位姿信息，進(jìn)而進(jìn)行路徑規(guī)劃并控制車(chē)體運(yùn)行。該類(lèi)視覺(jué)導(dǎo)航方式無(wú)需預(yù)先鋪設(shè)路徑、適用范圍更廣，但同時(shí)存在路徑形狀復(fù)雜、邊界模糊、易受光照變化和路面陰影干擾等諸多問(wèn)題，因而對(duì)硬件性能、圖像處理算法和導(dǎo)航控制算法等提出了更高的要求。

美國(guó)Kiva公司的Kiva系統(tǒng)，可控制AGV通過(guò)視覺(jué)識(shí)別地面上的二維碼貼片信息，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃與導(dǎo)航。Wooden D研制的LAGR機(jī)器人中采用了一種基于立體視覺(jué)的占柵格地圖構(gòu)建方法進(jìn)行室外導(dǎo)航，系統(tǒng)中還集成了慣性導(dǎo)航單元、GPS接收器和前端防碰撞單元來(lái)進(jìn)行外界感知。Ohta Y I等利用車(chē)載攝像機(jī)采集圖像信息，并借助超聲波傳感器感知復(fù)雜路況信息，對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行了合理的濾波處理，解決了基于視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)中的避障問(wèn)題。Hashima M等提出了一種自然地標(biāo)導(dǎo)航算法，該算法使用相關(guān)性跟蹤選定的地標(biāo)，通過(guò)立體視覺(jué)信息計(jì)算車(chē)體位置，并在車(chē)體移動(dòng)過(guò)程中逐步更新地標(biāo)。Royer等提出了一種基于單目視覺(jué)訓(xùn)練導(dǎo)航方法，該方法在導(dǎo)航前先進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練過(guò)程中系統(tǒng)記錄行進(jìn)中圖像信息并生成環(huán)境三維地圖、標(biāo)記有價(jià)值的地標(biāo)用于導(dǎo)航階段的定位；自主導(dǎo)航過(guò)程中，通過(guò)匹配當(dāng)前圖像與預(yù)先存儲(chǔ)的關(guān)鍵幀圖像進(jìn)行定位、導(dǎo)航；該系統(tǒng)較適合用于有較多明顯地標(biāo)的環(huán)境。

國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域起步較晚，但隨著研究學(xué)者和商業(yè)公司的研究投入，該領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展。付夢(mèng)印等提出了一種以踢腳線為參考目標(biāo)的移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)單目視覺(jué)導(dǎo)航方法，該方法采用閾值分割和以Hough變換為基礎(chǔ)的直線提取方法，提高了視覺(jué)導(dǎo)航的實(shí)時(shí)性。周俊等針對(duì)非結(jié)構(gòu)化的農(nóng)田自然環(huán)境，提出了一種農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航多分辨率路徑識(shí)別算法。閔華松等提出了一種將IMU和體感攝像機(jī)相結(jié)合的地圖構(gòu)建算法，提高了地圖的精度。龍超等利用增量平滑和優(yōu)化建圖的方法估算相機(jī)位姿，并獲取最終的點(diǎn)云地圖和運(yùn)動(dòng)軌跡。白明等利用立體視覺(jué)傳感器構(gòu)建了環(huán)境地圖以用于機(jī)器人導(dǎo)航。李華等研制的THMR-V型AGV，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)算法檢測(cè)車(chē)體與行車(chē)道的相對(duì)位置與方向信息，并結(jié)合多種傳感器融合檢測(cè)實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境中自主行駛。2015年12月首次進(jìn)行公路測(cè)試的百度無(wú)人車(chē)采用激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器相結(jié)合的方法，通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的地圖構(gòu)建和導(dǎo)航。