電動(dòng)平車（搬運(yùn)車）一般體積較大，載重可達(dá)幾十噸，采用遙控操作或者專人駕駛，故存在體積大、超重量、駕駛困難以及安全防護(hù)的問(wèn)題。

為了解決搬運(yùn)平車的問(wèn)題，本研究提出一種基于紅外技術(shù)與視頻技術(shù)相結(jié)合的電動(dòng)平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)搬運(yùn)平車在廠區(qū)的自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)工位設(shè)定，自動(dòng)尋軌，運(yùn)行于設(shè)定好的工位，實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制，并且具有防撞等功能，大大減少駕駛平車時(shí)存在的安全隱患，為電動(dòng)平車的駕駛提供了很大的便利。

1 新型電動(dòng)平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)特點(diǎn)

電動(dòng)平車主要用于廠房?jī)?nèi)的物品搬運(yùn)，具有體積大、噸位高、安全系數(shù)要求高等特點(diǎn)。當(dāng)前應(yīng)用的導(dǎo)航方案主要有磁導(dǎo)航、紅外導(dǎo)航、激光導(dǎo)航等方案。磁導(dǎo)航在電動(dòng)平車應(yīng)用中需要鋪設(shè)專用的磁體軌道，在一些廠區(qū)里存在消磁的風(fēng)險(xiǎn)，并且軌道鋪設(shè)成本較高。

紅外導(dǎo)航軌道鋪設(shè)方便，但電動(dòng)平車工作場(chǎng)所分為室內(nèi)和室外，光照變化較大，平車的體積也較大，紅外導(dǎo)航干擾源很多，穩(wěn)定性不夠，一般作為輔助導(dǎo)航；當(dāng)前應(yīng)用較多的是激光導(dǎo)航，但激光傳感器價(jià)格高昂，對(duì)安裝位置也有很多要求。

基于紅外與視頻結(jié)合的電動(dòng)平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)，只需要鋪設(shè)黑白相間的軌道，對(duì)光照和環(huán)境的抗擾度很好，成本較低；在標(biāo)識(shí)軌道的協(xié)助下，計(jì)算機(jī)算法也較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)低檔的工控機(jī)實(shí)現(xiàn)；通過(guò)優(yōu)化算法可以提高系統(tǒng)的抗擾度，并且可以輔助做各種位置控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高和成本較低的特點(diǎn)，非常適合電動(dòng)平車的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 紅外和視頻導(dǎo)航控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究提出的基于紅外與視頻結(jié)合的電動(dòng)平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)搬運(yùn)平車在廠區(qū)的自動(dòng)運(yùn)行，可以根據(jù)工位設(shè)定，自動(dòng)尋軌，運(yùn)行于設(shè)定好的工位，實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制，并且具有防撞等功能。主要架構(gòu)如圖1所示，包括攝像頭、紅外傳感器、控制板、驅(qū)動(dòng)板、雷達(dá)防撞檢測(cè)、地面路線和工位標(biāo)識(shí)等設(shè)備。

圖1 導(dǎo)航控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

攝像頭主要拍攝地面路線和工位標(biāo)識(shí)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給控制板進(jìn)行處理。由于電動(dòng)平車的體積特別大，并且要滿足前進(jìn)和后退兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，所以采用前后雙攝像頭的方案，可以保障車輛穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

廠房具有環(huán)境復(fù)雜多變的特點(diǎn)，一般廠家要求具備兩種導(dǎo)航手段，以提高電動(dòng)平車運(yùn)行可靠性。本研究主導(dǎo)航采用視頻信號(hào)處理，配備紅外傳感器導(dǎo)航作為補(bǔ)充，增加防撞信號(hào)處理、路線和工位設(shè)定等功能，通過(guò)控制器域網(wǎng)（controller area network, CAN）總線連接車輛控制器實(shí)現(xiàn)平車的運(yùn)行控制。

車體四周配備雷達(dá)系統(tǒng)，主要用于防撞信號(hào)采集，通過(guò)CAN總線連接控制板。控制系統(tǒng)通過(guò)CAN通信，將各個(gè)功能部分進(jìn)行連接。

電動(dòng)平車工作時(shí)，控制器通過(guò)輸入設(shè)備設(shè)定行進(jìn)路線和工位停留時(shí)間等信息，通過(guò)攝像頭獲取地面路線和工位標(biāo)識(shí)，紅外傳感器主要是跟蹤地面軌道的作用，起輔助導(dǎo)航的功能；系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行自動(dòng)軌道辨識(shí)，把電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)板發(fā)送給傳動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)平車的自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)行；平車通過(guò)雷達(dá)進(jìn)行周邊物體檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)防撞功能。

3 視頻處理程序設(shè)計(jì)

視頻導(dǎo)航為系統(tǒng)的主導(dǎo)航，為主要設(shè)計(jì)對(duì)象，控制系統(tǒng)采用一體機(jī)式的計(jì)算機(jī)，可以安裝操作系統(tǒng)，便于視頻的軟件處理、軌道辨識(shí)；系統(tǒng)采用100M像素的攝像頭，進(jìn)行軌道判斷和工位圖標(biāo)的識(shí)別，控制系統(tǒng)根據(jù)視頻處理的結(jié)果進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)平車的自動(dòng)尋軌運(yùn)行。

3.1 視頻處理程序架構(gòu)

變壓器攝像頭采集圖像信息，傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)需要對(duì)圖形進(jìn)行處理，處理過(guò)程主要為圖形的灰度色處理、軌道形成（二值化處理）、切線軌跡判斷、運(yùn)行方向辨識(shí)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成等幾個(gè)步驟，其中二值化處理、切線軌跡判斷為關(guān)鍵步驟。程序的處理流程如圖2所示。

圖2 視頻處理程序流程

軌跡處理是程序的關(guān)鍵技術(shù)，本研究采用OTSU算法的二值化處理技術(shù)；切線判斷主要采用處理好的軌跡進(jìn)行切線的求值，切線算法為固定長(zhǎng)度的橫向偏差，如圖3所示，計(jì)算出偏差值ef，根據(jù)偏差的大小和正負(fù)，判斷車輛需要行進(jìn)的方向，作為車輛的預(yù)設(shè)方向值；車輛方向控制以預(yù)設(shè)方向值作為參考，采集車輛輪架電機(jī)偏轉(zhuǎn)的方向值進(jìn)行閉環(huán)的控制，預(yù)設(shè)方向值為Dr，采樣的方向值為Ds，方向偏差為Ed，相互關(guān)系為

公式（1）

根據(jù)偏差進(jìn)行比例積分微分控制，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速的方向控制。

圖3 軌跡切線判斷

3.2 二值化處理

二值化處理是對(duì)獲得的灰度色圖形進(jìn)行處理，以獲得真實(shí)的軌跡圖形，采用二值化算法，獲得邊界曲線，也是采集的運(yùn)行曲線；實(shí)際工廠環(huán)境具有軌跡存在污點(diǎn)、顏色偏差、圖形干擾、光線偏差等多種情況，本研究采用OTSU算法進(jìn)行處理。

OTSU算法是由日本學(xué)者OTSU于1979年提出的一種對(duì)圖像進(jìn)行二值化的高效算法，是一種自適應(yīng)的閾值確定的方法，又稱大津閾值分割法，是最小二乘法意義下的最優(yōu)分割。

本研究中算法的重點(diǎn)是選擇合適閥值，進(jìn)行邊界辨識(shí)，而OTSU算法能夠較好地解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)地面的軌道圖形，可以有效分析污點(diǎn)、陽(yáng)光對(duì)軌道的影響，本研究的軌道橫坐標(biāo)分為300個(gè)采樣點(diǎn)，灰度值取值范圍為0～200；根據(jù)OTSU算法計(jì)算出最優(yōu)的閥值，判斷軌道的邊界，灰度值一半的分布如圖4所示。

圖4 圖形一半的灰度值分布

在算法設(shè)計(jì)中，Matlab中自帶OTSU算法，調(diào)用即可

公式（2）

代碼如下：

1 close;clear;clc;

2 I=im2double(imread('coins.png'));

3 k=graythresh(I); %得到最優(yōu)閾值

4 J=im2bw(I,k); %轉(zhuǎn)換成二值圖，k為分割閾值

5 subplot(121);imshow(I);

6 subplot(122);imshow(J);

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上文分析過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)，軌道鋪設(shè)黑白相間的油漆，方便攝像頭的拍攝，也可以連接紅外傳感器，攝像頭采用常用的720P或1080P高清接口，攝像頭拍攝軌道發(fā)送給小型工控機(jī)，目前使用10寸工控觸摸一體機(jī)，配置N2853賽揚(yáng)雙核，2G內(nèi)存，32G硬盤；工控機(jī)通過(guò)算法計(jì)算出工作要求，發(fā)送給比例閥（PRM2-06，通徑06，壓力至32MPa，流量至40L/min）。

控制系統(tǒng)包含普通攝像頭、紅外傳感器、工控機(jī)、驅(qū)動(dòng)板卡等設(shè)備，總成本不超過(guò)2000元人民幣，量產(chǎn)后成本會(huì)進(jìn)一步下降，具有低成本的優(yōu)勢(shì)。

視頻處理采用二值化處理，獲得的軌跡圖形如圖5所示，可以對(duì)陽(yáng)光干擾、圖形偏差等情況進(jìn)行處理。

圖5 二值化處理結(jié)果圖

采用視頻處理的技術(shù)，搭建10t的電動(dòng)平車實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)10km／h的運(yùn)行效果，具體車輛和軌跡如圖6所示。

圖6 電動(dòng)平車軌道運(yùn)行

5 結(jié)論

本文提出的基于紅外與視頻結(jié)合的電動(dòng)平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)，只需要鋪設(shè)黑白相間的軌道，對(duì)光照和環(huán)境的抗擾度很好，成本較低；在標(biāo)識(shí)軌道的協(xié)助下，計(jì)算機(jī)算法也較簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)平車上通過(guò)低檔的工控機(jī)實(shí)現(xiàn)；通過(guò)優(yōu)化算法可以提高系統(tǒng)的抗擾度，并且可以輔助進(jìn)行各種位置控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高和成本較低的特點(diǎn)，非常適合電動(dòng)平車的應(yīng)用場(chǎng)合。

通過(guò)研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)平車體積大、噸位重，轉(zhuǎn)向和速度控制需要精確的控制模型，本課題組將繼續(xù)深入研究電動(dòng)平車自動(dòng)導(dǎo)航的建模方法以及控制算法。