基于模糊算法的视觉导航控制方法及系统与流程

本发明涉及导航技术领域，尤其涉及基于模糊算法的视觉导航控制方法及系统。

背景技术：

近年来，自动导航车(Automated Guide Vehicle,AGV)被广泛地应用到了物流、烟草、食品行业、汽车制造等各个行业中。现阶段AGV的研究热点集中于改进导航方式及控制方法。目前，AGV的导航方式主要有磁带导航、激光导航、惯性导航等。随着机器视觉技术及计算机技术的不断发展，基于视觉的AGV导航技术逐渐成为主要的研究方向。

AGV的视觉导航方式是正在快速发展和成熟的一种新型导航方式。AGV在行驶过程中，通过CCD摄像机和传感器动态获取车辆的行驶轨迹信息，并与数据库进行比较，从而确定当前位置信息并对下一步行驶做出决策。

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。

目前，国内AGV行业主要的导航方式为磁带导航和激光导航。磁带导航优点：磁带导航灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设也相对简单，导引原理简单而可靠，对声光无干扰，投资成本比激光导引式低很多。激光导航优点：地面无需定位设施，行驶路径可灵活改变。但AGV在高速度行驶、高精度定位时，以上两种导航方式很难满足技术要求，不具备很好的实时性、精确性和鲁棒性。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种可以使AGV自动导航行驶的基于模糊算法的视觉导航控制方法及系统。

实现本发明目的的技术方案是：基于模糊算法的视觉导航控制方法，CCD摄像机测量AGV行驶轨迹偏离误差，PLC控制器根据CCD摄像机测量AGV行驶轨迹偏离误差计算出AGV行驶轨迹偏离误差率，将AGV行驶轨迹偏离误差和AGV行驶轨迹偏离误差率输入基于模糊算法的视觉导航测量模型计算出AGV差速控制偏移量，具体步骤包括：

1)输入输出模糊化处理

将AGV行驶轨迹偏离误差E和AGV行驶轨迹误差变化率EC作为模糊算法的输入变量，AGV差速控制偏移量U作为输出变量，其中，输入变量AGV行驶轨迹偏离误差E和AGV行驶轨迹误差变化率EC的实际范围为变量的基本论域，基本论域内的量为精确量；

AGV行驶轨迹偏离误差E所取的模糊子集的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；

输入量AGV行驶轨迹偏离误差E的模糊化：

输入量：e；

基本论域：[-|emax|}，+|emax}]，即:[-30，+30]，单位：mm；

量化论域：[-nl，+nl]，即：[-6，+6]；

模糊词集：NB，NM，NS，0，PS，PM，PB；

误差的量化因子公式：Ke＝nl/|emax|；

误差量化因子：Ke＝6/30＝0.2

所述AGV行驶轨迹误差变化率EC、AGV差速控制偏移量U和AGV行驶轨迹偏离误差E的模糊化处理相同；

AGV行驶轨迹偏离误差E、AGV行驶轨迹误差变化率EC和AGV差速控制偏移量U的语言值隶属度函数均采用对称三角形隶属度函数；

2)建立模糊规则，进行模糊推理

建立模糊控制策略表，采用Zadeh推理法则，由模糊控制策略表计算出控制量，即模糊控制量为模糊集合U；经过模糊推理将模糊控制量转换为精确量，模糊推理所获得的结果仍是一个模糊值，不能直接用来作为被控对象的控制量，需要将其转换成一个可以被执行机构所实现的精确量，此过程一般被称为反模糊化过程，反模糊化采用最大隶属度法，将上述结果离线做成查询表，并将查询表的内容存放在PLC控制器的内存中在实时控制时使用。

本发明还公开了基于模糊算法的视觉导航控制系统，用于使用上述的一种基于模糊算法的视觉导航控制方法，该基于模糊算法的视觉导航控制系统用于控制AGV的行驶，基于模糊算法的视觉导航控制系统包括PLC控制器、CCD摄像机、自动导航单元、手持式操作单元、操作单元接收器和手持式操作面板，自动导航单元包括导航色带和二维码带，AGV通过导航色带进行导航行驶，二维码带设置在需要AGV改变速度、方向或精确定位的位置，操作单元接收器与PLC控制器相连接，操作单元接收器用于接收手持式操作单元或手持式操作面板发送的操作AGV的命令，CCD摄像机安装在AGV的上方，CCD摄像机用于识别导航色带和二维码带铺设的路径，CCD摄像机将识别的导航色带和二维码带铺设的路径传输给PLC控制器，PLC控制器使得AGV按照导航色带和二维码带铺设的路径行驶。

作为本发明的优化方案，基于模糊算法的视觉导航控制系统还包括安全控制单元，安全控制单元用于使AGV行驶时绕过障碍物，安全控制单元为激光扫描仪，激光扫描仪与PLC控制器相连。

作为本发明的优化方案，CCD摄像机集成有LED光源，LED光源用于提供CCD摄像机工作时的光源。

本发明具有积极的效果：1)本发明利用CCD摄像机获取AGV行驶轨迹偏离误差，然后通过模糊算法输出了AGV差速控制偏移量，满足了AGV高速行驶，高精度定位的需求，实时性好，鲁棒性好；

2)本发明可以控制AGV精确定位取货，并进行高速自动导航行驶；

3)本发明配备了激光扫描仪，避免了AGV行驶过程中可以有效的绕过障碍物，提高了AGV行驶的安全性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明：

图1为AGV行驶轨迹偏离误差E模糊子集的隶属度函数；

图2是AGV视觉导航路径示意图；

图3是基于模糊算法的视觉导航控制系统的框图。

其中：1、CCD摄像机，2、PLC控制器，3、自动导航单元，4、手持式操作单元，5、操作单元接收器，6、手持式操作面板，7、安全控制单元。

具体实施方式

本发明公开了基于模糊算法的视觉导航控制方法，CCD摄像机1测量AGV行驶轨迹偏离误差，PLC控制器2根据CCD摄像机1测量AGV行驶轨迹偏离误差计算出AGV行驶轨迹偏离误差率，将AGV行驶轨迹偏离误差和AGV行驶轨迹偏离误差率输入基于模糊算法的视觉导航测量模型计算出AGV差速控制偏移量，具体步骤包括：

1)输入输出模糊化处理

将AGV行驶轨迹偏离误差E和AGV行驶轨迹误差变化率EC作为模糊算法的输入变量，AGV差速控制偏移量U作为输出变量，其中，输入变量AGV行驶轨迹偏离误差E和AGV行驶轨迹误差变化率EC的实际范围为变量的基本论域，基本论域内的量为精确量；

AGV行驶轨迹偏离误差E所取的模糊子集的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；

输入量AGV行驶轨迹偏离误差E的模糊化：

输入量：e；

基本论域：[-|emax|}，+|emax}]，即:[-30，+30]，单位：mm；

量化论域：[-nl，+nl]，即：[-6，+6]；

模糊词集：NB，NM，NS，0，PS，PM，PB；

误差的量化因子公式：Ke＝nl/|emax|；

误差量化因子：Ke＝6/30＝0.2

AGV行驶轨迹误差变化率EC、AGV差速控制偏移量U和AGV行驶轨迹偏离误差E的模糊化处理相同；

AGV行驶轨迹偏离误差E、AGV行驶轨迹误差变化率EC和AGV差速控制偏移量U的语言值隶属度函数均采用对称三角形隶属度函数，如图1和表1所示；

表1行驶轨迹偏离误差E模糊子集的赋值表

2)建立模糊规则，进行模糊推理

模糊规则的建立，是把操作者的经验加以总结，并将在控制过程中由经验得来的相应措施总结成一条条控制规则，由它们构成一个“模糊控制器”，从而达到用机器代替人对复杂的工业过程进行控制。根据人员对AGV实际轨迹纠偏能力的操作经验，将行驶过程中要遇到的各种可能出现的轨迹偏移情况和相应的控制策略汇总成表，具体的语句例如：

If E＝NB and EC＝NB then U＝NB，如表2所示。

表2控制策略表

建立模糊控制策略表，采用Zadeh推理法则，由模糊控制策略表计算出控制量，即模糊控制量为模糊集合U；经过模糊推理将模糊控制量转换为精确量，模糊推理所获得的结果仍是一个模糊值，不能直接用来作为被控对象的控制量，需要将其转换成一个可以被执行机构所实现的精确量，此过程一般被称为反模糊化过程，反模糊化采用最大隶属度法，将上述结果离线做成查询表，并将查询表的内容存放在PLC控制器2的内存中在实时控制时使用。

由If E＝PB and EC＝PB or EC＝PS or EC＝ZO Then U＝PB语句所确定的关系可用下列式子表达：

R＝[PB_e×PB_u]·[(PB_ec+PS_ec+ZO_ec)×PB_u]

则

U₁＝e·[PB_e×PB_u]·ec·[(PB_ec+PS_ec+ZO_ec)×PB_u]

把E和EC的隶属度函数值对应于所量化的等级上取1，其余均取零值，这样上式可简化为：

$U_1=\underset{x}{min}\{{\mathrm{\μ}}_{PBe}\left(i\right);max\[\left({\mathrm{\μ}}_{PBec}\right(j)+{\mathrm{\μ}}_{PSec}(j)+{\mathrm{\μ}}_{ZOec}(j\left)\right)\×{\mathrm{\μ}}_{PBu}(x)\]\}$

式中：μ_PBe(i)是模糊集合PBE第i个元素的隶属度，而μ_PBec(j)、μ_PSec(j)、μ_ZOec(j)

是模糊集合PBEC、PSEC和ZOEC第j个元素的隶属度；

则AGV差速控制偏移量U为：

U＝u₁+u₂+......+u₁₄

采用隶属度最大原则将模糊控制量转换为精确量即可。

本发明还公开了基于模糊算法的视觉导航控制系统，用于使用上述的一种基于模糊算法的视觉导航控制方法，该基于模糊算法的视觉导航控制系统用于控制AGV的行驶，基于模糊算法的视觉导航控制系统包括PLC控制器2、CCD摄像机1、自动导航单元3、手持式操作单元4、操作单元接收器5和手持式操作面板6，自动导航单元3包括导航色带和二维码带，AGV通过导航色带进行导航行驶，二维码带设置在需要AGV改变速度、方向或精确定位的位置，操作单元接收器5与PLC控制器2相连接，操作单元接收器5用于接收手持式操作单元4或手持式操作面板6发送的操作AGV的命令，CCD摄像机1安装在AGV的上方，CCD摄像机1用于识别导航色带和二维码带铺设的路径，CCD摄像机1将识别的导航色带和二维码带铺设的路径传输给PLC控制器2，PLC控制器2使得AGV按照导航色带和二维码带铺设的路径行驶。其中，AGV行驶时，导航主要是采用导航色带，导航色带的颜色要与地面的颜色有强烈的反差。手持式操作单元4可以是带手柄的遥控器，手持式操作面板6可以是平板手机等移动终端，CCD摄像机1用于识别导航色带和二维码带铺设的路径，CCD摄像机1将识别的路径传输给PLC控制器2，PLC控制器2使得AGV按照CCD摄像机1识别的路径行驶。

基于模糊算法的视觉导航控制系统还包括安全控制单元7，安全控制单元7用于使AGV行驶时绕过障碍物，安全控制单元7为激光扫描仪，激光扫描仪与PLC控制器2相连。其中，激光扫描仪发出激光脉冲，当激光碰到物体后，部分激光反射回激光扫描仪。激光扫描仪通过计算发射和接收时间的脉冲时间差，可计算出物体距离值。激光扫描仪连续不断的发射激光脉冲，由旋转的机构将激光脉冲按照一定间隔角度(角度分辨率)发射至扫描角度内的各个方向进而形成一个二维扫描平面。

CCD摄像机1集成有LED光源，LED光源用于提供CCD摄像机1工作时的光源。保证外界光线昏暗时，CCD摄像机1可以正常根据导航色带行驶。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。