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  • 頭條新型電動平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究與實踐
    2021-09-07 作者:張濤 池學(xué)智 楊鳴亮  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院的研究人員張濤、池學(xué)智、楊鳴亮,在2020年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出,新型電動平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)是采用基于紅外與視頻結(jié)合的導(dǎo)航系統(tǒng),不需要專用軌道和磁條等導(dǎo)軌設(shè)施,在地面用油漆噴涂路線和工位符號,簡化施工要求和降低維護成本。其攝像頭的安裝不需要特殊設(shè)計,檢測地面標識,對像素的要求不高,數(shù)據(jù)處理簡單有效,結(jié)合紅外傳感,不需要額外的軌道設(shè)備就可以輔助判斷軌道跟蹤,基于控制器域網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,進一步提高了系統(tǒng)的可靠性,配件選擇方便,可適用于電動平車的廠內(nèi)、大噸位、慢速度的搬運工作。

    電動平車(搬運車)一般體積較大,載重可達幾十噸,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的問題。

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

    1 新型電動平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)特點

    電動平車主要用于廠房內(nèi)的物品搬運,具有體積大、噸位高、安全系數(shù)要求高等特點。當前應(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)里存在消磁的風險,并且軌道鋪設(shè)成本較高。

    紅外導(dǎo)航軌道鋪設(shè)方便,但電動平車工作場所分為室內(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;當前應(yīng)用較多的是激光導(dǎo)航,但激光傳感器價格高昂,對安裝位置也有很多要求。

    基于紅外與視頻結(jié)合的電動平車導(dǎo)航控制系統(tǒng),只需要鋪設(shè)黑白相間的軌道,對光照和環(huán)境的抗擾度很好,成本較低;在標識軌道的協(xié)助下,計算機算法也較簡單,可以通過低檔的工控機實現(xiàn);通過優(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)簡單、安全性高和成本較低的特點,非常適合電動平車的應(yīng)用場合。

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

    本研究提出的基于紅外與視頻結(jié)合的電動平車導(dǎo)航控制系統(tǒng),可以實現(xiàn)電動搬運平車在廠區(qū)的自動運行,可以根據(jù)工位設(shè)定,自動尋軌,運行于設(shè)定好的工位,實現(xiàn)無人控制,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)動板、雷達防撞檢測、地面路線和工位標識等設(shè)備。

    新型電動平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究與實踐

    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識,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給控制板進行處理。由于電動平車的體積特別大,并且要滿足前進和后退兩個方向運動,所以采用前后雙攝像頭的方案,可以保障車輛穩(wěn)定可靠地運行。

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

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

    電動平車工作時,控制器通過輸入設(shè)備設(shè)定行進路線和工位停留時間等信息,通過攝像頭獲取地面路線和工位標識,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)過數(shù)據(jù)處理,進行自動軌道辨識,把電機驅(qū)動信號通過驅(qū)動板發(fā)送給傳動電機,實現(xiàn)電動平車的自動導(dǎo)航運行;平車通過雷達進行周邊物體檢測,實現(xiàn)防撞功能。

    3 視頻處理程序設(shè)計

    視頻導(dǎo)航為系統(tǒng)的主導(dǎo)航,為主要設(shè)計對象,控制系統(tǒng)采用一體機式的計算機,可以安裝操作系統(tǒng),便于視頻的軟件處理、軌道辨識;系統(tǒng)采用100M像素的攝像頭,進行軌道判斷和工位圖標的識別,控制系統(tǒng)根據(jù)視頻處理的結(jié)果進行電機驅(qū)動配置,以實現(xiàn)電動平車的自動尋軌運行。

    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)需要對圖形進行處理,處理過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、運行方向辨識、電機驅(qū)動信號生成等幾個步驟,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。

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    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行切線的求值,切線算法為固定長度的橫向偏差,如圖3所示,計算出偏差值ef,根據(jù)偏差的大小和正負,判斷車輛需要行進的方向,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,采集車輛輪架電機偏轉(zhuǎn)的方向值進行閉環(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

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    公式(1)

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

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    圖3 軌跡切線判斷

    3.2 二值化處理

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

    OTSU算法是由日本學(xué)者OTSU于1979年提出的一種對圖像進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是選擇合適閥值,進行邊界辨識,而OTSU算法能夠較好地解決這個問題,根據(jù)地面的軌道圖形,可以有效分析污點、陽光對軌道的影響,本研究的軌道橫坐標分為300個采樣點,灰度值取值范圍為0~200;根據(jù)OTSU算法計算出最優(yōu)的閥值,判斷軌道的邊界,灰度值一半的分布如圖4所示。

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    圖4 圖形一半的灰度值分布

    在算法設(shè)計中,Matlab中自帶OTSU算法,調(diào)用即可

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    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 實驗結(jié)果

    根據(jù)上文分析過程進行了實驗樣機的設(shè)計,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,目前使用10寸工控觸摸一體機,配置N2853賽揚雙核,2G內(nèi)存,32G硬盤;工控機通過算法計算出工作要求,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、驅(qū)動板卡等設(shè)備,總成本不超過2000元人民幣,量產(chǎn)后成本會進一步下降,具有低成本的優(yōu)勢。

    視頻處理采用二值化處理,獲得的軌跡圖形如圖5所示,可以對陽光干擾、圖形偏差等情況進行處理。

    新型電動平車導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究與實踐

    圖5 二值化處理結(jié)果圖

    采用視頻處理的技術(shù),搭建10t的電動平車實驗條件,實現(xiàn)10km/h的運行效果,具體車輛和軌跡如圖6所示。

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    圖6 電動平車軌道運行

    5 結(jié)論

    本文提出的基于紅外與視頻結(jié)合的電動平車導(dǎo)航控制系統(tǒng),只需要鋪設(shè)黑白相間的軌道,對光照和環(huán)境的抗擾度很好,成本較低;在標識軌道的協(xié)助下,計算機算法也較簡單,可以實現(xiàn)電動平車上通過低檔的工控機實現(xiàn);通過優(yōu)化算法可以提高系統(tǒng)的抗擾度,并且可以輔助進行各種位置控制,具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性高和成本較低的特點,非常適合電動平車的應(yīng)用場合。

    通過研究及實驗驗證,發(fā)現(xiàn)電動平車體積大、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)深入研究電動平車自動導(dǎo)航的建模方法以及控制算法。

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