专利名称：基于射频识别标签和视觉的自动导引系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及物流装备技术领域，尤其涉及一种基于射频识别标签和视 觉的自动导引系统。
背景技术：
AGV(自动导引车)技术是生产物流自动化先进性的一个重要体现，目前 AGV的引导方式决定了其组成物流系统的柔性，是决定AGV能否进一步应用 到更复杂、恶劣工作环境的关键因素，进而也影响着物流系统运行的可靠性和 运行成本。目前，在己经被研究开发和应用的导引方法中，主要有电磁感应 式、光学导引式、化学导引式、磁感应式、位置推断法、参考标志法、惯性导 航法和图像识别法等。其中，视觉引导技术具有信息容量大、路径设置变更简 单方便、导引柔性好、技术先进、更高性能价格比等优点，具有广阔的应用前 景，是当前AGV引导技术的主流方向和发展的必然趋势。然而，我国市场上， 现有生产基于视觉引导的AGVS的厂家由于应用对象偏重大型仓储，更多考虑 通用性，功能显得过于繁多，加上技术路线等原因，价格依然昂贵，性能价格 比依然缺少市场竞争力。价格并不能为一般的企业所接受，从而限制了AGV在 国内市场的推广，尤其是很难被中小型企业所接受并应用。
开发以经济性AGV为基础的生产物流智能配送系统，满足中小型制造型企 业物流改造的需要，这既符合我国工业企业的现状，也是建设先进制造业基地 过程中迫切需要解决的现实问题。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于射频识别标签和视觉的自动导引系统。 基于射频识别标签和视觉的自动导引系统包括车体，车体底部设有第一转 向轮、第二转向轮、第一驱动轮、第二驱动轮、中轴杆，车体内设有驱动电机， 驱动电机与无极变速箱、驱动电机控制器、第一蓄电池、第二蓄电池相连接， 其特征在于包括地面标识和车载系统两部分，地面标识为在地面设有黑白两
条平行的导引带、导引带两侧设有红色工位字符、导引带下设有RFID(射频识别
标签)，车载系统为在车体后端设有第一避障传感器、第二避障传感器，在车 体前端设有第三避障传感器、第四避障传感器、CCD摄像头、可变光源、光源 亮度调节模块、无线收发模块的天线，在车体内设有步进电机，在步进电机和 中轴杆上设有齿盘付、在中轴杆上车轮转角传感器、车轮转向驱动机构，在车
体内设有工业控制计算机、逆变电源、射频识别标签读写器，工业控制计算机
与CCD摄像头、无线收发模块、射频识别标签读写器、第一变压器、自动导引 车控制器相连接，导引车控制器与步进电机驱动器、启动控制模块、第二变压 器相连接，逆变电源与第一变压器、第二变压器、第三变压器、第一蓄电池、 第二蓄电池相连接，射频识别标签读写器与接收天线相连接，在车体外侧设有 控制器外接手动操作按钮、状态显示模块、在车体后侧设有转向灯、报警灯。
所述的车轮转角传感器包括电位器固定部分、电位器转动部分，电位器转 动部分通过固定U型插槽、锁紧旋钮、固定在中轴杆上端，电位器转动部分上 设有电位器第一引脚、电位器第二引脚、电位器第三引脚，电位器固定部分与 连接杆、支架相连接，支架与车体相连接。
所述的车轮转向驱动机构包括摆臂，摆臂通过销轴与车架相连接，摆臂通 过内六角连接螺栓、固定螺栓与第一转向轮、第二转向轮的传动轴相连接，传 动轴与减震器相连接，减震器与车架相连接。
所述的自动导引车控制器包括PIC 18F452单片机，PIC 18F452单片机与车轮 转角AD转换电路、液晶显示电路模块、API8108A语音报警芯片、按键输入、 避障传感器信号转换模块、可变光源调节模块、步进电机驱动模块、驱动电机 控制模块和MAX232芯片相连接，MAX232芯片与串口相连接，车轮转角AD 转换电路与电位器第一引脚、电位器第二引脚、电位器第三引脚相连接，避 障传感器信号转换模块与避障传感器输入引脚相连接。
所述的可变光源调节模块包括继电器组控制电路，继电器组与可变光源、 自动导引车控制器相连接，导引车控制器与工控机相连接，工控机与采集卡、 CCD摄像头相连接。
本实用新型与现有技术相比具有的有益效果-
1. 本实用新型采用视觉引导技术具有信息容量大、路径设置变更简单方便、 导引柔性好、技术先进、更高性能价格比等优点；本实用新型的导引带设为两 个颜色，增加梯度信息的稳定性，大大减少光照影响；对HOUGH变换点集自 适应选取，系统实时性、鲁棒性强；并利用导引线斜率信息校正AGV行驶时字 符工位的倾斜，简单方便、易于实施。
2. 本实用新型工控机主要从事实时图像处理、控制算法的计算以及无线通 信等功能；AGV控制器主要实现数据采集、步进电机控制、驱动电机控制、状 态液晶屏显示以及AGV手动操作等；驱动转向装置采用前轮转向、后轮驱动的 四轮式结构。为了增加驱动能力，采用较大驱动转矩的直流电机作为行走驱动 装置，前轮采用双轮转向，由步进电机驱动，有比较高的转向动态响应能力。 而且这种结构性能价格比高，在价格上有市场竞争力，能够被许多中小企业所 接受。
3. 为了准确测量转向轮转角，将电位器改造并与AGV控制器结合实时测量 当前车轮角度。此外，本实用新型的照明灯根据CCD采集图像的亮度信息，经 过工控机计算将信号传给AGV控制器中继电器组，通过继电器组的输出控制通 过照明灯的电流，实现照明灯的闭环控制。
4. 为了实时有效地实现AGVS间的通讯调度，本实用新型采用射频识别标 签实现AGV的定位、无线收发模块实现AGV间及主机的通讯。本实用新型具 有良好的环境适应能力和导航精度，且成本较低
图1是本实用新型自动导引车的俯视示意图2是本实用新型自动导引车的主视示意图3是本实用新型自动导引车的转向驱动机构示意图4是本实用新型自动导引车的转向轮转角测量装置示意图5是自动导引车控制器示意图6是AGV自动照明系统框图7直线提取流程图8是彩色工位符识别图像算法流程图9是用于AGVS通讯定位系统框图中用于无线收发的天线l、第一转向轮2、齿轮付3、工业控制计算机4、 无线收发模块5、第一变压器6、 RFID读写器7、第二变压器8、第一驱动轮9、 无极变速箱10、第一避障传感器11、第一蓄电池12、驱动电机控制器13、第 二蓄电池14、第二避障传感器15、驱动电机16、第二驱动轮17、逆变电源18、 步进电机驱动器19、第三变压器20、自动导引车控制器21、启动控制模块22、 步进电机23、第二转向轮24、 RFID接收天线25、第三避障传感器26、 CCD摄 像头27、照明灯28、第四避障传感器29、车轮转角传感器30、摄像头支架31、 摄像头角度托盘32、摄像头固定螺栓33、控制器外接手动操作按钮34、状态显 示模块35、转向灯36、报警灯37、车体38、固定螺栓39、减震器40、 AGV中 轴杆41、车架42、销轴43、摆臂44、内六角连接螺栓45、电位器固定部分46、 固定U型插槽47、锁紧旋钮48、电位器转动部分49、连接杆50、支架51、电
位器第一引脚52、电位器第二引脚53、电位器第三引脚54。
具体实施方式
如图l、 2所示，基于射频识别标签和视觉的自动导引系统包括车体38 ， 车体38底部设有第一转向轮2、第二转向轮24、第一驱动轮9、第二驱动轮17、 中轴杆41，车体38内设有驱动电机16，驱动电机16与无极变速箱10、驱动电 机控制器13、第一蓄电池12、第二蓄电池14相连接，特征在于包括地面标识 和车载系统两部分，地面标识为在地面设有黑白两条平行的导引带、导引带 两侧设有红色工位字符、导引带下设有射频识别标签，车载系统为在车体38 后端设有第一避障传感器11、第二避障传感器15，在车体38前端设有第三避 障传感器26、第四避障传感器29、 CCD摄像头27、可变光源28、光源亮度调 节模块、无线收发模块的天线l,在车体38内设有步进电机23，在步进电机23 和中轴杆41上设有齿盘付3、在中轴杆41上车轮转角传感器30、车轮转向驱 动机构，在车体38内设有工业控制计算机4、逆变电源18、射频识别标签读写 器7，工业控制计算机4与CCD摄像头27、无线收发模块5、射频识别标签读 写器7、第一变压器6、自动导引车控制器21相连接，导引车控制器21与步进 电机驱动器19、启动控制模块22、第二变压器8相连接，逆变电源18与第一 变压器6、第二变压器8、第三变压器20、第一蓄电池12、第二蓄电池14相连 接，射频识别标签读写器7与接收天线25相连接，在车体38外侧设有控制器 外接手动操作按钮34、状态显示模块35、在车体38后侧设有转向灯36、报警 灯37。
安放在车体正前方中轴线上CCD27采集路面信息，通过工控机4中的图像 处理算法得到角度偏差、水平位置偏差和工位信息，与转角传感器30检测的车 轮转角信息、第一避障传感器ll，第二避障传感器15,第三避障传感器21，第 四避障传感器29检测的障碍物位置信息一起输入到工控机中的多偏差智能控制 器中。该智能控制器向AGV控制器21输出第一转向轮2，第二转向轮24的转 动角度以及驱动电机的状态，AGV控制器一方面将输入的转角信息转换成驱动 信号，通过步进电机驱动器19驱动步进电机23转动，来达到控制前轮转向； 另一方面将驱动电机状态信息通过驱动电机控制器13控制电机16的运动，电 机信号经变速箱10内的无极变速装置控制安放在传动轴两侧的两个后轮，达到 控制AGV行进、停止、倒退、加速和减速。
安放在车体正前方中轴线上CCD27，通过支架31和托盘32与垂直方向成 50度角固定。与垂直地面安装相比，扩大了AGV的前瞻距离。为了便于观察
AGV的状态和特殊情况下手动控制AGV，在车体38上有控制器外接手动操作 按钮34和状态显示模块35。当AGV发现异常情况时(如障碍物)，报警灯37会 打开；当AGV在弯道上运行时，转向灯36打开。
如图4所示，车轮转角传感器30包括电位器固定部分46、电位器转动部分 49，电位器转动部分49通过固定U型插槽47、锁紧旋钮48、固定在中轴杆41 上端，电位器转动部分49上设有电位器第一引脚52、电位器第二引脚53、电 位器第三引脚54，电位器固定部分46与连接杆50、支架51相连接，支架51 与车体38相连接
当车轮转动时电位器转动部分随中轴杆转动，固定部分不动，则电位器电 阻值发生变化，当前阻值通过电位器第一引脚52，电位器第二引脚53、电位 器第三引脚54与AGV控制器21中的AD转换电路相连，并将转换结果通过查 表转换成车轮转角。
如图3所示，车轮转向驱动机构包括摆臂44，摆臂44通过销轴43与车架 42相连接，摆臂44通过内六角连接螺栓45、固定螺栓39与第一转向轮2、第 二转向轮24的传动轴相连接，传动轴与减震器40相连接，减震器40与车架42 相连接。
当AGV要转向时，步进电机驱动器19驱动步进电机转动一定角度，步间 电机上的小齿轮43带动与AGV中轴杆41固定在一起的大齿轮3转动，使中轴 杆随之转动。中轴杆带动与其通过销轴43相连的摆臂44以摇杆结构运动，从 而带动第一转向轮2、第二转向轮24运动。为了减轻运动过程中传动齿盘的震 动，在转动轮的车轴与AGV中轴间加有防震装置。
如图5所示，自动导引车控制器21包括PIC18F452单片机，PIC18F452单 片机与车轮转角AD转换电路、液晶显示电路模块、API8108A语音报警芯片、 按键输入、避障传感器信号转换模块、可变光源调节模块、步进电机驱动模块、 驱动电机控制模块和MAX232芯片相连接，MAX232芯片与串口相连接，车轮 转角AD转换电路与电位器第一引脚52、电位器第二引脚53、电位器第三引 脚54相连接，避障传感器信号转换模块与避障传感器输入引脚相连接。
其输入信号有角度传感器检测的角度信息、避障传感器检测的障碍物信息、 手动按键的输入、工控机通过串口输入的转角信息以及驱动电机状态信息。AGV 单片机控制器收到输入信息后向步进电机驱动发送驱动信号、向驱动电机发送 驱动信号并驱动继电器组控制照明灯和转向报警灯。
如图6所示，可变光源调节模块包括继电器组控制电路，继电器组与可变光源28、自动导引车控制器21相连接，导引车控制器21与工控机4相连接， 工控机4与采集卡、CCD摄像头27相连接。
CCD采集图像，经过工控机计算该图像灰度均值，以该均值为自变量定义 一与亮度均值成反比的函数，工控机通过计算将控制信号通过串口传给AGV控 制器，AGV控制器中的PIC18F452芯片发出指令驱动相应的继电器动作，相应 阻值回路导通，控制通过照明灯的电流，使CCD采集图像达到合适的亮度，实 现照明灯的闭环控制。
基于射频识别标签和视觉的自动导引方法在地面设有黑白两条平行的连 续导引带、导引带两侧设有红色工位字符、导引带下设有射频识别标签；利用 边缘提取方法识别黑白导引带相交直线边缘首先利用5x5梯度模板与灰度图 像巻积，若巻积后该点像素灰度值大于一定阈值则令其为白点，否则为黑点； 然后对上所算选白点进行筛选，去除连通不超过5个像素的离散噪声点，生成 HOUGH变换待选点集；应用自适应选取Hough变换采样点快速提取直线信息， AGV根据直线的偏差信息跟踪导引带；利用颜色差异提取红色字符有效点集， 并应用该直线的斜率信息校正红色字符区域的倾斜，再进行工位字符识别；射 频识别读写器7将空间坐标信息事先写入到铺设在导引带下的射频识别标签中， 在AGV行驶至该标签区域时，射频识别天线25接收标签信息，并由与工控机 4相连的射频识别读写器7读取标签信息，标签信息与其他状态信息经过工控机 4中的RS232串口发送给车载无线收发模块5，并将该信息通过工控机4的RS232 串口发送给与其相连的车载无线通讯模块，车载无线通讯模块通过无线方式将 信息发送给装有无线收发模块的主机，主机经过计算再将控制指令通过无线收 发模块发送给自动导引车，自动导引车通过无线受模块接收该控制指令，进行 状态调整和行驶速度控制。无线通信子系统由车载无线通信模块和地面调度无 线通信模块共同组成，分布位于AGV和控制室主机中，信息的传递为双向传递:
A) 主机一》AGV:下载启动指令，以及运行命令、控制参数等。
B) AGV—》主机射频识别标签提供的位置信息和AGV的运行状态返回。 所述的自适应选取Hough变换采样点方法根据上一次直线的斜率信息，
限定Hough变换过程中采样点的角度搜索范围；根据上一次直线的位置信息， 划分为若干区域，直线最有可能出现的区域采样密度大，其它区域采样密度小。 根据上一帧识别直线的结果，对HOUGH变换待选点集进行搜索范围的限 定只对上帧次直线倾角左右20度的范围内进行角度空间搜索，此外将图像分 成两类区域， 一类为xe[m—Width/5,4Xm—Width/5]， ye区域
范围内，二类为剩余区域，若上一帧直线斜率的绝对值大于2，且穿过一类区域 的下底边，则对一类区域每行扫描，对二类区域隔行扫描，否则对整个图像区 域每行扫描；最后对自适应变采样选择的点集进行HOUGH变换提取直线与坐 标原点的角度和位置偏差。
所述的颜色差异提取方法利用RGB颜色空间中三个颜色通道对字符区域 敏感度的不同，通过限定红色通道与蓝色通道灰度差、红色通道与绿色通道灰 度差、蓝色通道与绿色通道灰度差的绝对值三个值来提取有效红色字符区域。
通过颜色差提取字符区域中有效点集,即为满足下式的点集
min(ri(x)，r2(x))〉尺,r3(x) < min(ri(x)， !T2(jc)) / 2
式中= - , T2(;c) = 7 (x) — 5(x), 73(x) = - 5(jc)) 。 C 0:)，5(jc)
分别表示红色、绿色、蓝色通道的像素灰度值,《为阈值。通过有效点集的点数 判断有无字符。字符和导引线采用平行一致的布局方式， 一旦确定了导引线的 斜率，就可以利用斜率对字符加以校正。字符的校正过程其实就是字符的旋转 过程，斜率为正则逆时针旋转，斜率为负则顺时针旋转，旋转角大小等于导引 线倾斜角度的绝对值；计算中旋转中心选在字符的中心坐标。
所述的工位字符识别方法对倾斜校正后的七段码字符有效点集统计投影 直方图，依据垂直投影确定字符左右边界坐标，水平投影确定上下边界坐标， 实现单个字符的提取；对单个字符的识别步骤如下
A) 水平投影直方图计算直方图梯度分布，在直方图的前半图，搜索的是从大 到小突变值，而在直方图的后半图则需要搜索从小到大的突变值，若两个峰值 距离小于1.5倍线宽则为字符1;
B) 扫描字符水平投影直方图，如果某一个峰值区域在设置阈值之上，并且具有
一定宽度，那么就认为是有效峰值，统计峰值个数，记录每一峰值的中间坐标， 合并距离相差很近的峰值区域。如果峰值数为l，计算该峰值中点到字符顶部、
中部、底部的距离，如果离开中间近，那么为4;如果离开顶部最近，则为7，
否则错误。
C) 如果峰值数为2，计算两个峰值的距离，如果大于字符高的2/3，那么就认 为是0，否则认为错误。
D) 如果峰值数为3，那么情况比较复杂，需要对竖线加以判断。对每个竖线小 区域都进行水平投影，若Line—width为线宽，统计投影数大于Line—width/2的 个数，得到WidthLineNum[/]，以及各个区域内的字符像素数TotalNum[z']。
如果区域/对应的WidthLineNum[z']大于3，或者TotalNum[/]> Line_width
XLine_Width/3，那么就认为区域/存在笔划。如果左上角、右下角没有笔划，
右上角、左下角有笔划，则字符2;如果左上角、左下角没有笔划，右上角、右 下角有笔划，则字符3;如果右上角、左下角没有笔划，左上角、右下角有笔划， 则字符5;如果右上角没有笔划，左上角、左下角、右下角有笔划，则字符6; 如果右上角、左上角、左下角、右下角有笔划，则字符8;如果左下角没有笔划， 右上角、左上角、右下角有笔划，则字符9;其他字符分析或者错误。
权利要求1.一种基于射频识别标签和视觉的自动导引系统，包括车体(38)，车体(38)底部设有第一转向轮(2)、第二转向轮(24)、第一驱动轮(9)、第二驱动轮(17)、中轴杆(41)，车体(38)内设有驱动电机(16)，驱动电机(16)与无极变速箱(1O)、驱动电机控制器(13)、第一蓄电池(12)、第二蓄电池(14)相连接，其特征在于包括地面标识和车载系统两部分，地面标识为在地面设有黑白两条平行的导引带、导引带两侧设有红色工位字符、导引带下设有射频识别标签，车载系统为在车体(38)后端设有第一避障传感器(11)、第二避障传感器(15)，在车体(38)前端设有第三避障传感器(26)、第四避障传感器(29)、CCD摄像头(27)、照明灯(28)、光源亮度调节模块、无线收发模块的天线(1)，在车体(38)内设有步进电机(23)，在步进电机(23)和中轴杆(41)上设有齿盘付(3)、在中轴杆(41)上车轮转角传感器(30)、车轮转向驱动机构，在车体(38)内设有工业控制计算机(4)、逆变电源(18)、射频识别标签读写器(7)，工业控制计算机(4)与CCD摄像头(27)、无线收发模块(5)、射频识别标签读写器(7)、第一变压器(6)、自动导引车控制器(21)相连接，自动导引车控制器(21)与步进电机驱动器(19)、启动控制模块(22)、第二变压器(8)相连接，逆变电源(18)与第一变压器(6)、第二变压器(8)、第三变压器(20)、第一蓄电池(12)、第二蓄电池(14)相连接，射频识别标签读写器(7)与接收天线(25)相连接，在车体(38)外侧设有控制器外接手动操作按钮(34)、状态显示模块(35)、在车体(38)后侧设有转向灯(36)、报警灯(37)。
2. 根据权利要求1所述的一种基于射频识别标签和视觉的自动导引系统，其 特征在于所述的车轮转角传感器(30)包括电位器固定部分(46)、电位器转动部分 (49)，电位器转动部分(49)通过固定U型插槽(47)、锁紧旋钮(48)、固定在中轴杆(41) 上端，电位器转动部分(49)上设有电位器第一引脚(52)、电位器第二引脚(53)、 电位器第三引脚(54)，电位器固定部分(46)与连接杆(50)、支架(51)相连接，支架 (51)与车体(38)相连接。
3. 根据权利要求1所述的一种基于射频识别标签和视觉的自动导引系统，其 特征在于所述的车轮转向驱动机构包括摆臂(44),摆臂(44)通过销轴(43)与车架(42) 相连接，摆臂(44)通过内六角连接螺栓(45)、固定螺栓(39)与第一转向轮(2)、 第二转向轮(24)的传动轴相连接，传动轴与减震器(40)相连接，减震器(40)与车 架(42)相连接。
4. 根据权利要求1所述的一种基于射频识别标签和视觉的自动导引系统， 其特征在于所述的自动导引车控制器(21)包括PIC18F452单片机，PIC18F452单 片机与车轮转角AD转换电路、液晶显示电路模块、API8108A语音报警芯片、 按键输入、避障传感器信号转换模块、可变光源调节模块、步进电机驱动模块、 驱动电机控制模块和MAX232芯片相连接，MAX232芯片与串口相连接，车轮 转角AD转换电路与电位器第一引脚(52)、电位器第二引脚(53)、电位器第三引 脚(54)相连接，避障传感器信号转换模块与避障传感器输入引脚相连接。
5. 根据权利要求1所述的一种基于射频识别标签和视觉的自动导引系统， 其特征在于所述的可变光源调节模块包括继电器组控制电路，继电器组与照明 灯(28)、自动导引车控制器(21)相连接，自动导引车控制器(21)与工业控制计算 机(4)相连接，工业控制计算机(4)与采集卡、CCD摄像头(27滩连接。
专利摘要本实用新型公开了一种基于射频识别标签和视觉的自动导引系统。采用两个前轮转向、两个后轮驱动的四轮式结构。直流电机作为行走驱动装置，由步进电机驱动转向，并设有车轮转角定位装置，有较高的动态响应能力。采用黑白两色平行导引带作为导引路径，其下间断铺设射频识别标签标签，两侧设有红色工位字符，CCD采集路面信息，且光源亮度根据图像灰度信息自适应调节，利用颜色差提取字符，快速HOUGH变换识别直线，经过工控机处理将控制信号发送到AGV控制器，控制直流电机和步进电机。为了实时有效地实现AGVS间的通讯调度，采用射频识别标签实现定位、无线收发模块实现AGV间及主机的通讯。本实用新型具有良好的环境适应能力和导航精度，且成本较低。
文档编号G06K17/00GK201194114SQ200720191218
公开日2009年2月11日 申请日期2007年11月15日 优先权日2007年11月15日
发明者洋 于, 侯迪波, 周泽魁, 张光新, 辉 才, 蔡晋辉, 郦光府, 黄平捷 申请人:浙江大学