《工、｛ 挖制计算机／２０１７年第３０卷第１期 ４９ 二维码技术在ＡＧＶ定位中的应用研究 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ＡＧＶ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ 周传宏 柳新昌 齐 飞 （上海市机器人与智能制造重点实验室，上海大学，上海２０００７１） 摘要：随着移动互联网的发展，二维码技术也得到了广泛的应用，它是在一维条码技术的基础上发展起来的一门集信 息编码、信息传递、图像处理、数据加密等技术于一体的综合性技术。借助二维码具有的以上功能，应用到ＡＧＶ的定位中， 从而达到快速定位，实现低成本的消耗。 关键词：二维码．ＡＧＶ，定位 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｄｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ａｌｓｏ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ Ｉ、●●● ｔ ｉｓ ａ ●●一ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｎｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂａｒ ｃｏｄｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｉｎ— ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｄｉｎｇ．ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｄａｔａ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｐｐｌｉｅｓ ｔｈｅｓｅ ＱＲ ｃｏｄｅ Ｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｔｏ ＡＧＶ ｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｉｔ ｃａｎ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｃｏｓｔ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＱＲ ｃｏｄｅ，ＡＧＶ，ｐｏｓｉｔｉｏｎ 工 中所用的自动导航车（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ， １ 定位设计 ＡＧＶ）是通过计算机控制，达到无人驾驶以及作业的自动化搬运 本论文的设计思路是：通过二维码扫描模块把张贴在地 车辆。 。ｆｊ前人多数的ＡＧＶ采用的定位方式如ＲＦＩＤ、电磁感应 的二维码的坐标信息扫描后进过一定的算法处理把其信息发送 技术、机器视觉技术和激光技术进行定位。虽然这些定位技术已 给ＡＧＶ的控制模块，然后控制模块再进一步控制ＡＧＶ下一步 经成熟，仳 电磁感应技术更改路径困难；机器视觉定位算法复 的运行。这其中包含二维码的信息读取，ＡＧＶ到二维码的距离 杂，实时性差；激光技术定位电路复杂，成本较高 。 的测量以及ＡＧＶ的位姿的确定。具体的流程图如图２所示： 针对上述的定位精度与成本的问题．本文引入ＱＲ（Ｑｕｉｃｋ Ｒｅｓｐｏｎｄ Ｃｏｄｅ）技术。，将定位信息存人到二维码标签中，张贴 在地面上，当ＡＧＶ进过张贴■维码的区域时，通过ＡＧＶ自带的 一 相机扫描并解析二维码，从而实现ＡＧＶ的快速定位。ＱＲ二维码 是一种矩阵二维码符号，与其他二维码相比，ＱＲ二维码具有以下 图２ ＡＧＶ定位方案流程图 一些特点：识读速度快、信息容量大、占用空间小、成本低、可靠性 ＡＧＶ控制系统分为上层控制管理调度系统、本地ＡＧＶ控 高等优势 图１是ＱＲ二维码的基本的结构示意图： 制系统和导航系统。它们之间的关系如图３所示： １．ｆ 机 ｎ删 一Ｉ，心ｅ Ａ（ Ｖ ｉ＾ 线Ｊ匝 Ｊｎ』 埘睫 詈 ：二］二二 嘲ｉｌ｛ ■科 幅＾ 图３系统结构图 图１ ＱＲ二维码的基本结构 本文主要研究的是ＱＲ＿＝：维码的在ＡＧＶ定位中的应用，所 图１中每个ＱＲ码符号由名义上的正方形模块构成，组成 以需要在ＡＧＶ上安装相机用于采集二维信息。 一个正方形阵列，它由编码区域和包括寻象图形、分隔符、定位 ＡＧＶ的控制核心模块主要包括：运控控制模块和二维码的 图形和校正图像在内的功能组成。功能图形不能用于数据编码， 算法处理两大部分。主要负责把扫描二维码的结果进行处理后 符号的四周由空白区域包围。 控制ＡＧＶ的运动。 位置探测图案（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｐａｔｆｅｍ）是定位图案， 二维码的读写模块：ＱＲ二维码标签按照行列排布在地表， 用于标记二维码的矩形大小。这三个定位图案有白边叫位置探 标签中存储有位置信息，通过读写模块获取当前信息。ＱＲ＿二维 测图形分隔符（Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｐａ￣ｅｒｎｓ）。 码成本低，读写速度快，可粘贴足够多，能做到信息蹙足，够大且 三个位置探测图案与右下角的非探测图案构成一个正方形从左 有冗余。若ＡＧＶ在运行过程中漏扫二维码，可在附近 刮ｆ［Ｉ关 上角到右上角的顺序依次为：Ｏ，１，２，３。 信息的二维码，达到系统识别速度和精度的要求。 扫描二维码：由于ＱＲ码在我国使用非常广泛，闶此按照 ＼、 ● ●●，二维码技术在ＡＧＶ定位中的应用研究 ＱＲ码标准生成二维码。生成ＱＲ码的方法很多，既可以依据其 同际标准ＩＳＯ／ｌＥＣ１８００４设计实现生成算法，也可以利用各种 工具程序，如快拍二维码、ＱＲ精灵 等，或者采用在线生成的 方式，如利用Ｇｏｏｇｌｅ Ｃｈａｄ ＡＰＩ 或者采用开源的第三方类库 实现。 ２）服务器向客户端响应一个ＳＹＮ Ｋ，并对ＳＹＮ Ｊ进行确 认ＡＣＫ Ｊ＋１； ３）客户端再想服务器发一个确认ＡＣＫ Ｋ＋１。 图７是三次握手的示意图： 算法处理：在二维码的扫描过程中，在读取二维码中所包含 —■■一 的位置信息的同时还要确定ＡＧＶ相对于二维码的位置。 １．１＝：维码的信息获取０ 为保证ＱＲ码生成模 块与系统的有机整合，同 时满足提高系统开发效率 和批量生成ＱＲ码的目 标，本系统采用开源类库 ＺＸｉｎｇ生产ＱＲ码 ． ＺＸｉｎｇ ８全名“Ｚｅｂｒａ ｌ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ”，是・个啦用非 Ｓｉｍｐｌｅ：Ｘ＝１２９ ７８．Ｙ＝７８ ８９ 常广泛的开源一、二 维码 图４二维码定位原理 图像处理类库。 此时利用ＺＸｉｎｇ在扫描二维码时对二维码的定位原理如图 ４所示。 在扫描二维码的同时，分别取出二维码四个顶点在像素平 面内的坐标值，如图５所示。０一一…——一～．，． 其中为二维码在成像平面内 的像素坐标值。 Ｐ（Ｌｌ，Ｖ） １．２ ＡＧＶ与上位机的通信机制 在ＡＧＶ扫描到二维码的时 候，需要把此时ＡＧＶ扫描二维码．．．， 的信息发送到上位机，然后进过一 图５像平面坐标系 系列的算法把处理后的信息再发 送给ＡＧＶ，这其中需要进行信息的传递，由于ＡＧＶ不断地在运 动，所以只能通过无线信息进行传输。本论文采用的是无线刚通 讯，即在ＡＧＶ与Ｌ位机之间通过无线信号进行传输。本文在采 用的通讯协议足：基于ＴＣＰ 议的Ｓｏｃｋｅｔ通信原理。 服务器端首先声明一个ＳｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔ对象并且指定端口 号，然后调用Ｓｅｒｖｅｒｓｏｃｋｅｔ的ａｃｃｅｐｔ（）方法接收客户端的数据。ａｃｃｅｐｔ（）方法在没有数据进行接收的处于堵寒状态。（Ｓｏｃｋｅｔ－ ｓｏｃｋｅｌ＿ｓｅｒｖｅｒｓｏｃｋｅｔ．ａｃｃｅｐｔ（）），一旦接收到数据，通过ｉｎｐｕｔ・ ｓｔｒｅａｍ读取接收的数据。 客户端创建一个Ｓｏｃｋｅｔ对象，指定服务器端的ＩＰ地址和 端口号（Ｓｏｃｋｅｔｓｏｃｋｅｔ＝ｎｅｗＳｏｃｋｅｔ（”１７２ １６８．１０．１０８”，８０８０）；），通过ｉｎｐｕｔｓｔｒｅａｍ读取数据，获取服务器发出的数据（Ｏｕｔｐｕｔ— Ｓｔｒｅａｍｏｕｔｐｕｔｓｔｒｅａｍ＝ｓｏｃｋｅｔ．ｇｅｔＯｕｔｐｕｔＳｔｒｅａｍ（）），最后将要发 送的数据写入到ｏｕｔｐｕｔｓｔｒｅａｍ即可进行ＴＣＰ协议的Ｓｏｃｋｅｔ数 据传输。Ｖ如图６所示。 ＠ ｏ 自 豳６ Ｓｏｃｋｅｔ基本通信模型 自 在Ｓｏｃｋｅｔ中的ＴＣＰ的三次握手建立连接，ＴＣＰ建立连接 要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下： １）客厂１端向服务器发送一个ＳＹＮ Ｊ： ｎ ｔ ｃ ～ｏ被ｃｋｃｔｔ ｌｉｓｔｅｎ ～ ‘ｔ：￣４ｔＪ 丹ｌ ：娴 ； ＳＹＮ Ｋ，ＡＣＫ～～～～一 Ｊ＋１一 ： ＆ ，ｃ…ｃｏｐ‘…ｔ：菌 ） ……“删’ ：二 Ｒ＋Ｉ ～～～～ 一 ｝ｊ ｝ Ｉ ｆＩ 图７ Ｓｏｃｋｅｔ中发送的ＴＣＰ三次握手 从图７中可以看出，当客户端调用ｃｏｎｎｅｃｔ时，触发了连接 请求，向服务器发送了ＳＹＮ Ｊ包，这时ｃｏｎｎｅｃｔ进入阻塞状态； 服务器监听到连接请求，即收到ＳＹＮ Ｊ包，调用Ａｃｃｅｐｔ函数接 收请求向客户端发送ＳＹＮ Ｋ，ＡＣＫ Ｊ＋１，这时Ａｃｃｅｐｔ进入阻 塞状态；客户端收到服务器的ＳＹＮ Ｋ，ＡＣＫ Ｊ＋１之后，这时 ｃｏｎｎｅｃｔ返回，并对ＳＹＮ Ｋ进行确认；服务器收到ＡＣＫ Ｋ＋Ｉ 时。Ａｃｃｅｐｔ返回，至此三次握手完毕，连接建立。 以下分别为上位机与ＡＧＶ客户端的通讯测试代码： 样！ｕｓｒ／ｂｉｎ／ｐｙｔｈｏｎ ＃一 一ｃｏｄｉｎｇ：ｕｔｆ一８一 一 ｉｍｐｏｒｔ ｓｏｃｋｅｔ ＃创建服务器端 ｔｃｐｃｏｎｎ＝ｓｏｃｋｅｔ ｓｏｃｋｅｔ （ｆａｍｉｌｙ＝ｓｏｃｋｅｔ ＡＦ＿ＩＮＥＴ。ｔｙｐｅ＝ｓｏｃｋｅｔ． ＳＯＣＫ—ＳＴＲＥＡＭ） ｔｃｐｃｏｎｎ ｂｉｎｄ（（ １ ２７．０ ０。１ ，９６００）） ｔｃｐｃｏｎｎ．１ｉｓｔｅｎ（２０）抖等待 ｗｈｉｌｅ Ｔｒｕｅ： ｃｉｎｆｏ．ｃａｄｄｒ＝ｆｃｐｃｏｎｎ．ａｃｃｅｐｔ（）＃把ｉｐ分解给ｃｉ，把ｐｏｒｔ分解给 ｃｐ ｐｒｉｎｔ Ｇｅｔａｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｆｒｏｍ％ｓ ％ｃａｄｄｒ［０１ ｄａｔａ＝ｃｉｎｆｏ ｒｅｃｖ（１ ０２４） ｐｒｉｎｔ”Ｒｅｃｅｉｖｅ ｄａｔａ：％ｓ”％ｄａｔａ ｃｉｎｆｏ．ｓｅｎｄ（ ｅｃｈｏ： ＋ｄａｔａ） ｃｉｎｆｏ ｃｌｏｓｅ（） ＡＧＶ客户端代码： ＃￣ｕｓｒ／ｂｉｎ／ｐｙｔｈｏｎ ＃一 一ｃｏｄｉｎｇ：ｕｔｆ一８一 一 群创建客户端程序 ｉｍｐｏｒｔ ｓｏｃｋｅｔ ｗｈｉｌｅ Ｔｒｕｅ： 舟第一步：创建一个ｓｏｃｋｅｔ对象，以连接服务器 ｃｌｉｅｎｔｓｏｃｋｅｔ ＝ｓｏｃｋｅｔ．ｓｏｃｋｅｔ （ｓｏｃｋｅｔ．ＡＦ＿ＩＮＥＴ，ｓｏｃｋｅｔ． ＳＯＣＫ—ＳＴＲＥＡＭ） ＃第二步：连接服务器 ｃｌｉｅｎｔｓｏｃｋｅｔ ｃｏｎｎｅｃｔ（（ １９２ １６８．１．２１５ ，９６００）） 第三步：发送请求 ｃｌｉｅｎｔｓｏｃｋｅｔ．ｓｅｎｄ（ ｈｅｌｌｏ ｓｅｒｖｅｒ ） ｄａｆａ＝ｃＩｌｅｎｔｓ０ｃｋｅｔ ｒｅｃｖ（１ ０２４） ｐｒｉｎｔ Ｒｅｐｌｙ ｆｒ０ｍ ｓｅｒｖｅｒ％ｓ ％ｄａｔａ １．３确定二维码的朝向 确定二维码朝向的流程图如图８所示。 ｉ广＿：■ Ｈ 墼鳖Ｈ鍪■］厂——－＿］ ｒ—至—查—塑＿ Ｈ Ｈ ｊ］厂二—一］厂——］ 图８确定二维码位姿流程图 《工业控制计算机１２０１７年第３０卷第１期 ５１ ＝ｈＵＵＵ ｉ（（舱 ．Ｏ Ｏ Ｏ ０ 图９二维码位置１ 算法的实现代码：绘制 二维码的位置，左．Ｉ二为位置０，左下 角为位置１，右 角为位置２，右Ｉ：角为佗置３。 ｙｍｂ Ｐｏｓ ＯＣ 图１１ 上位机端从ＡＧＶ获取的测试数据 １Ｏ ｇ－ （）． ｍｇ－ （）．ｍｇ． 丌Ｉｇ． ｐＯ ＰＯ Ｐ０ ｐＯ （）． （）． ０】 ０】 ２】 ２】 ｙｍｂｏｌｐｏｓ［１】．（０，０，２５５），２） ｙｍｂｏｌｐｏｓ【３】，（０．０，２５５），２） ｙｍｂｏｌＰｏｓ【１】．（０．０．２５５】．２） ｙｍｂｏｌＰｏｓ【３】．（０，０，２５５），２） 把对应的四个 标的横纵坐标进行相加代码在ｐｙｔｈｏｎ中 把求和的结果放人一个列表中，取出其中的最小值。 ２实验结果 图１２ ＡＧＶ客户端回应上位机端的数据 参考文献 ［１】１ 荣本，储汀伟， 炎．一利一视觉导航的实川删ＡＧＶ没汁［Ｊ］．机械工 稚学报，２００２，３８（１ １）：１３５—１３８ ［２］Ｒｏｔｈｗｅｌｌ Ｃ Ａ，Ｚｉｓｓｅｒｍａｎ Ａ，Ｆｏｒｓｙｔｈ Ｄ Ａ，ｅｔ ａｌ Ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｉｖｅ ｉｎｖａｒｉａｎｔｓ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｉｍｅ ｌｉｂｒａｒｙ ｉｎｄｅｘｉｎｇ ｉｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｖｉｓｉｏｎ［Ｊ］ＢＭＶＣ＿＿９９１：６２—７０ 图１０对应程序读取结果 ｆ３］Ｓ ＪＷｉｌｌｉｓ．Ｓ Ｈｅｌａｌ，Ａ Ｐａｓｓｉｖｅ ＲＦＩＤ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｇｒｉｄ ｆｏｒ Ｌｏｃａ— 图１１、图１２是采用笔记本作为上位机， 示ＡＧＶ与上位 机之间的通讯的示例。 ｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｌｉｎｄ Ｕｓｅｒ［Ｄ Ｊ．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｌｏｒｉｄａ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，Ｏｃｔ．２００４ 上述儿幅图是住实验过程【｛｜采集到的图像，扫描二维码时 解析出＿一维码的信息和此时ＡＧＶ卡｝１对二维码的位姿信息，同 时，我们在程序的输出结果中包含该：二维码的四个顶点的坐标 置传递给上位机，上位机通过ＡＧＶ的控制模块把信息反馈给 ＡＧＶ从而控制ＡＧＶ的自主导航。 ３结束语 信息。当ＡＧＶ在行驶的过程中，把扣描到的二维码信息实时位 一 【４］杨 ，刘艳，杜彦越父于二维们的研究和腑用Ｉ ｌＪ］成川科技，２００２， ２９（１１）：１１—１３ ［５］北京 动快于ｆｉ信息技术彳ｒ限公・ｄ快卡ｎ二维 ［ＥＢ／ＯＬ］［２０１３—０４ —１２】 ［６］ＱＲ梢 ＱＲＣｏｄｅ转化【 儿ｌＥＢ／ＯＬ］．［２０１３－０４—１２］ ［７］Ｇｏｏｇｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒｓ Ｇｏｏｇｌｅ Ｃｈａｒｔ Ｔｏｏｌｓ： Ｉｎｆｏｇｒａｐｈｉｃｓ［ＥＢ／ ０Ｌ¨２０１３－０４－１２］ ［８］ＺＸｉｎｇ—Ｍｕｌｔ—ｆｏｒｍａｔ １Ｄ／２Ｄ Ｂａｒｃｏｄｅ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｌｉｂｒａｒｙ 由于本系统采用的机器视觉识别二维码的方式，所以外界 的光线对扫描二维码的速度有一定的影响，可能是一些二维码 ｗｉｔｈ Ｃｌｉｅｎｔｓ ｆｏｒ Ａｎｄ ｒｏｉｄ．Ｊａｖａ—Ｇｏｏｇｌｅ ｐｒｏｊｅｃｔ Ｈｏｓｔｉｎｇ［ＥＢ／ ０Ｌ］．［２０１３—０４－１２］ 出现漏扫的情况，从而产生定位信息的不准确的现象。 『收稿日期：２０１６．１１．１６】 （上接第４８页） ［５］夏 ，杜涵，刘议灭火ｒ大相度范【｝；Ｉ内 数。 姨托角转换的思 参考文献 ［１］斯蒂芬森．ＳＱＬ入门经典［Ｍ］．５版一Ｅ京：人民邮电“｛版社，２０１１ 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