本發(fā)明涉及導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)(Automated Guide Vehicle,AGV)被廣泛地應(yīng)用到了物流、煙草、食品行業(yè)、汽車(chē)制造等各個(gè)行業(yè)中?，F(xiàn)階段AGV的研究熱點(diǎn)集中于改進(jìn)導(dǎo)航方式及控制方法。目前，AGV的導(dǎo)航方式主要有磁帶導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等。隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于視覺(jué)的AGV導(dǎo)航技術(shù)逐漸成為主要的研究方向。

AGV的視覺(jué)導(dǎo)航方式是正在快速發(fā)展和成熟的一種新型導(dǎo)航方式。AGV在行駛過(guò)程中，通過(guò)CCD攝像機(jī)和傳感器動(dòng)態(tài)獲取車(chē)輛的行駛軌跡信息，并與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，從而確定當(dāng)前位置信息并對(duì)下一步行駛做出決策。

模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱(chēng)模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965年，美國(guó)的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國(guó)的E.H.Mamdani首次根據(jù)模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并將它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，獲得了實(shí)驗(yàn)室的成功。這一開(kāi)拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。近20多年來(lái)，模糊控制不論在理論上還是技術(shù)上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域一個(gè)非?；钴S而又碩果累累的分支。

目前，國(guó)內(nèi)AGV行業(yè)主要的導(dǎo)航方式為磁帶導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。磁帶導(dǎo)航優(yōu)點(diǎn)：磁帶導(dǎo)航靈活性比較好，改變或擴(kuò)充路徑較容易，磁帶鋪設(shè)也相對(duì)簡(jiǎn)單，導(dǎo)引原理簡(jiǎn)單而可靠，對(duì)聲光無(wú)干擾，投資成本比激光導(dǎo)引式低很多。激光導(dǎo)航優(yōu)點(diǎn)：地面無(wú)需定位設(shè)施，行駛路徑可靈活改變。但AGV在高速度行駛、高精度定位時(shí)，以上兩種導(dǎo)航方式很難滿(mǎn)足技術(shù)要求，不具備很好的實(shí)時(shí)性、精確性和魯棒性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種可以使AGV自動(dòng)導(dǎo)航行駛的基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制方法及系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制方法，CCD攝像機(jī)測(cè)量AGV行駛軌跡偏離誤差，PLC控制器根據(jù)CCD攝像機(jī)測(cè)量AGV行駛軌跡偏離誤差計(jì)算出AGV行駛軌跡偏離誤差率，將AGV行駛軌跡偏離誤差和AGV行駛軌跡偏離誤差率輸入基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航測(cè)量模型計(jì)算出AGV差速控制偏移量，具體步驟包括：

1)輸入輸出模糊化處理

將AGV行駛軌跡偏離誤差E和AGV行駛軌跡誤差變化率EC作為模糊算法的輸入變量，AGV差速控制偏移量U作為輸出變量，其中，輸入變量AGV行駛軌跡偏離誤差E和AGV行駛軌跡誤差變化率EC的實(shí)際范圍為變量的基本論域，基本論域內(nèi)的量為精確量；

AGV行駛軌跡偏離誤差E所取的模糊子集的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；

輸入量AGV行駛軌跡偏離誤差E的模糊化：

輸入量：e；

基本論域：[-|emax|}，+|emax}]，即:[-30，+30]，單位：mm；

量化論域：[-nl，+nl]，即：[-6，+6]；

模糊詞集：NB，NM，NS，0，PS，PM，PB；

誤差的量化因子公式：Ke＝nl/|emax|；

誤差量化因子：Ke＝6/30＝0.2

所述AGV行駛軌跡誤差變化率EC、AGV差速控制偏移量U和AGV行駛軌跡偏離誤差E的模糊化處理相同；

AGV行駛軌跡偏離誤差E、AGV行駛軌跡誤差變化率EC和AGV差速控制偏移量U的語(yǔ)言值隸屬度函數(shù)均采用對(duì)稱(chēng)三角形隸屬度函數(shù)；

2)建立模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理

建立模糊控制策略表，采用Zadeh推理法則，由模糊控制策略表計(jì)算出控制量，即模糊控制量為模糊集合U；經(jīng)過(guò)模糊推理將模糊控制量轉(zhuǎn)換為精確量，模糊推理所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊值，不能直接用來(lái)作為被控對(duì)象的控制量，需要將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以被執(zhí)行機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的精確量，此過(guò)程一般被稱(chēng)為反模糊化過(guò)程，反模糊化采用最大隸屬度法，將上述結(jié)果離線(xiàn)做成查詢(xún)表，并將查詢(xún)表的內(nèi)容存放在PLC控制器的內(nèi)存中在實(shí)時(shí)控制時(shí)使用。

本發(fā)明還公開(kāi)了基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，用于使用上述的一種基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制方法，該基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)用于控制AGV的行駛，基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括PLC控制器、CCD攝像機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)航單元、手持式操作單元、操作單元接收器和手持式操作面板，自動(dòng)導(dǎo)航單元包括導(dǎo)航色帶和二維碼帶，AGV通過(guò)導(dǎo)航色帶進(jìn)行導(dǎo)航行駛，二維碼帶設(shè)置在需要AGV改變速度、方向或精確定位的位置，操作單元接收器與PLC控制器相連接，操作單元接收器用于接收手持式操作單元或手持式操作面板發(fā)送的操作AGV的命令，CCD攝像機(jī)安裝在AGV的上方，CCD攝像機(jī)用于識(shí)別導(dǎo)航色帶和二維碼帶鋪設(shè)的路徑，CCD攝像機(jī)將識(shí)別的導(dǎo)航色帶和二維碼帶鋪設(shè)的路徑傳輸給PLC控制器，PLC控制器使得AGV按照導(dǎo)航色帶和二維碼帶鋪設(shè)的路徑行駛。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)還包括安全控制單元，安全控制單元用于使AGV行駛時(shí)繞過(guò)障礙物，安全控制單元為激光掃描儀，激光掃描儀與PLC控制器相連。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，CCD攝像機(jī)集成有LED光源，LED光源用于提供CCD攝像機(jī)工作時(shí)的光源。

本發(fā)明具有積極的效果：1)本發(fā)明利用CCD攝像機(jī)獲取AGV行駛軌跡偏離誤差，然后通過(guò)模糊算法輸出了AGV差速控制偏移量，滿(mǎn)足了AGV高速行駛，高精度定位的需求，實(shí)時(shí)性好，魯棒性好；

2)本發(fā)明可以控制AGV精確定位取貨，并進(jìn)行高速自動(dòng)導(dǎo)航行駛；

3)本發(fā)明配備了激光掃描儀，避免了AGV行駛過(guò)程中可以有效的繞過(guò)障礙物，提高了AGV行駛的安全性。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明：

圖1為AGV行駛軌跡偏離誤差E模糊子集的隸屬度函數(shù)；

圖2是AGV視覺(jué)導(dǎo)航路徑示意圖；

圖3是基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的框圖。

其中：1、CCD攝像機(jī)，2、PLC控制器，3、自動(dòng)導(dǎo)航單元，4、手持式操作單元，5、操作單元接收器，6、手持式操作面板，7、安全控制單元。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開(kāi)了基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制方法，CCD攝像機(jī)1測(cè)量AGV行駛軌跡偏離誤差，PLC控制器2根據(jù)CCD攝像機(jī)1測(cè)量AGV行駛軌跡偏離誤差計(jì)算出AGV行駛軌跡偏離誤差率，將AGV行駛軌跡偏離誤差和AGV行駛軌跡偏離誤差率輸入基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航測(cè)量模型計(jì)算出AGV差速控制偏移量，具體步驟包括：

1)輸入輸出模糊化處理

將AGV行駛軌跡偏離誤差E和AGV行駛軌跡誤差變化率EC作為模糊算法的輸入變量，AGV差速控制偏移量U作為輸出變量，其中，輸入變量AGV行駛軌跡偏離誤差E和AGV行駛軌跡誤差變化率EC的實(shí)際范圍為變量的基本論域，基本論域內(nèi)的量為精確量；

AGV行駛軌跡偏離誤差E所取的模糊子集的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；

輸入量AGV行駛軌跡偏離誤差E的模糊化：

輸入量：e；

基本論域：[-|emax|}，+|emax}]，即:[-30，+30]，單位：mm；

量化論域：[-nl，+nl]，即：[-6，+6]；

模糊詞集：NB，NM，NS，0，PS，PM，PB；

誤差的量化因子公式：Ke＝nl/|emax|；

誤差量化因子：Ke＝6/30＝0.2

AGV行駛軌跡誤差變化率EC、AGV差速控制偏移量U和AGV行駛軌跡偏離誤差E的模糊化處理相同；

AGV行駛軌跡偏離誤差E、AGV行駛軌跡誤差變化率EC和AGV差速控制偏移量U的語(yǔ)言值隸屬度函數(shù)均采用對(duì)稱(chēng)三角形隸屬度函數(shù)，如圖1和表1所示；

表1行駛軌跡偏離誤差E模糊子集的賦值表

2)建立模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理

模糊規(guī)則的建立，是把操作者的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，并將在控制過(guò)程中由經(jīng)驗(yàn)得來(lái)的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則，由它們構(gòu)成一個(gè)“模糊控制器”，從而達(dá)到用機(jī)器代替人對(duì)復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制。根據(jù)人員對(duì)AGV實(shí)際軌跡糾偏能力的操作經(jīng)驗(yàn)，將行駛過(guò)程中要遇到的各種可能出現(xiàn)的軌跡偏移情況和相應(yīng)的控制策略匯總成表，具體的語(yǔ)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推理法則，由模糊控制策略表計(jì)算出控制量，即模糊控制量為模糊集合U；經(jīng)過(guò)模糊推理將模糊控制量轉(zhuǎn)換為精確量，模糊推理所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊值，不能直接用來(lái)作為被控對(duì)象的控制量，需要將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以被執(zhí)行機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的精確量，此過(guò)程一般被稱(chēng)為反模糊化過(guò)程，反模糊化采用最大隸屬度法，將上述結(jié)果離線(xiàn)做成查詢(xún)表，并將查詢(xún)表的內(nèi)容存放在PLC控制器2的內(nèi)存中在實(shí)時(shí)控制時(shí)使用。

由If E＝PB and EC＝PB or EC＝PS or EC＝ZO Then U＝PB語(yǔ)句所確定的關(guān)系可用下列式子表達(dá)：

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

則

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

把E和EC的隸屬度函數(shù)值對(duì)應(yīng)于所量化的等級(jí)上取1，其余均取零值，這樣上式可簡(jiǎn)化為：

$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個(gè)元素的隸屬度，而μ_PBec(j)、μ_PSec(j)、μ_ZOec(j)

是模糊集合PBEC、PSEC和ZOEC第j個(gè)元素的隸屬度；

則AGV差速控制偏移量U為：

U＝u₁+u₂+......+u₁₄

采用隸屬度最大原則將模糊控制量轉(zhuǎn)換為精確量即可。

本發(fā)明還公開(kāi)了基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，用于使用上述的一種基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制方法，該基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)用于控制AGV的行駛，基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括PLC控制器2、CCD攝像機(jī)1、自動(dòng)導(dǎo)航單元3、手持式操作單元4、操作單元接收器5和手持式操作面板6，自動(dòng)導(dǎo)航單元3包括導(dǎo)航色帶和二維碼帶，AGV通過(guò)導(dǎo)航色帶進(jìn)行導(dǎo)航行駛，二維碼帶設(shè)置在需要AGV改變速度、方向或精確定位的位置，操作單元接收器5與PLC控制器2相連接，操作單元接收器5用于接收手持式操作單元4或手持式操作面板6發(fā)送的操作AGV的命令，CCD攝像機(jī)1安裝在AGV的上方，CCD攝像機(jī)1用于識(shí)別導(dǎo)航色帶和二維碼帶鋪設(shè)的路徑，CCD攝像機(jī)1將識(shí)別的導(dǎo)航色帶和二維碼帶鋪設(shè)的路徑傳輸給PLC控制器2，PLC控制器2使得AGV按照導(dǎo)航色帶和二維碼帶鋪設(shè)的路徑行駛。其中，AGV行駛時(shí)，導(dǎo)航主要是采用導(dǎo)航色帶，導(dǎo)航色帶的顏色要與地面的顏色有強(qiáng)烈的反差。手持式操作單元4可以是帶手柄的遙控器，手持式操作面板6可以是平板手機(jī)等移動(dòng)終端，CCD攝像機(jī)1用于識(shí)別導(dǎo)航色帶和二維碼帶鋪設(shè)的路徑，CCD攝像機(jī)1將識(shí)別的路徑傳輸給PLC控制器2，PLC控制器2使得AGV按照CCD攝像機(jī)1識(shí)別的路徑行駛。

基于模糊算法的視覺(jué)導(dǎo)航控制系統(tǒng)還包括安全控制單元7，安全控制單元7用于使AGV行駛時(shí)繞過(guò)障礙物，安全控制單元7為激光掃描儀，激光掃描儀與PLC控制器2相連。其中，激光掃描儀發(fā)出激光脈沖，當(dāng)激光碰到物體后，部分激光反射回激光掃描儀。激光掃描儀通過(guò)計(jì)算發(fā)射和接收時(shí)間的脈沖時(shí)間差，可計(jì)算出物體距離值。激光掃描儀連續(xù)不斷的發(fā)射激光脈沖，由旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)將激光脈沖按照一定間隔角度(角度分辨率)發(fā)射至掃描角度內(nèi)的各個(gè)方向進(jìn)而形成一個(gè)二維掃描平面。

CCD攝像機(jī)1集成有LED光源，LED光源用于提供CCD攝像機(jī)1工作時(shí)的光源。保證外界光線(xiàn)昏暗時(shí)，CCD攝像機(jī)1可以正常根據(jù)導(dǎo)航色帶行駛。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。