CN105867389A

CN105867389A - 一种agv小车混合激光导航方法

Info

Publication number: CN105867389A
Application number: CN201610421999.6A
Authority: CN
Inventors: 王斌; 李再金
Original assignee: Shenzhen Lzrobotics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Lzrobotics Co Ltd
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2016-08-17

Abstract

本发明公开了一种AGV小车混合激光导航方法，属于AGV小车导航技术领域。目的是提供一种适应末端定位精度要求高，运行路径无固定线路的工作环境的AGV小车混合激光导航方法，方法包括以下步骤：步骤1构建环境二维地图；步骤2导航路径规划；步骤3利用无反射板激光导航模式，进行AGV小车路径导航，AGV小车按导航路径行走；步骤4AGV小车检测到激光反射板，进入反射板激光精确定位模式，进行AGV小车精确导航，完成AGV小车预定工作。本发明能够可靠、稳定、便携、灵活、精确度可达要求的实现AGV物料拉运，且其对应用场所的环境要求较低，适用性广泛。本发明不仅可以用于工业AGV应用领域，还可以用于对其他应用场合，如服务机器人导航等。

Description

一种AGV小车混合激光导航方法

技术领域

本发明具体涉及一种AGV小车混合激光导航方法，属于AGV小车导航技术领域。

背景技术

自动导航车(Automated Guided Vehicles，AGV)又称为无人搬运车，最早出现于20世纪50年代，是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备，属于移动式机器人系统，能够沿着预先设定的路径行驶，是现代化工业自动化物流系统的重要设备。不仅如此，在军事以及危险场所，以AGV的自动驾驶为基础继承其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷、阵地侦查和危险环境作业。

AGV的导引方式决定了由其组成的物流系统的柔性和系统运行时的可靠性，随着科学技术的发展，AGV的导引方式也多种多样，根据AGV导引线路的形式，可分为固定路径导引方式和自由路径导引方式。固定路径导引方式其成本较低，定位精度较高，也比较稳定可靠，但路径被限制，对现场环境要求较高；自由路径导引方式其路径变换灵活，柔性好，对现场环境的要求较低，但其定位精度受所用设备及导航控制算法的影响，致使在与固定路径导引方式同等的定位精度，其AGV的造价更高。

AGV主要有导向模块，行走模块，导向传感器，微处理器、通讯装置、移载装置和蓄电池组成。其中，导向传感器是AGV中感知路径、控制行走路径的关键模块，它的灵敏度及灵活性很大程度上决定了AGV小车的工作效率。目前，常用的导向传感方式一般为激光导航方式、光学导航方式、磁带导航方式、视觉导航方式和电磁感应导航方式。

电磁感应导航方式在于导引线隐蔽，不易污染和破损，原理简单可靠，成本低；然而其导引路径的复杂度有限，且扩充或更改战线十分麻烦，缺少灵活性。

光学导航方式是通过在行走路径上涂漆或粘贴色带，由光学传感器采入色带图像信号进行简单识别和处理来实现导引；其导航路径设置较为灵活，但对色带污染与损害很敏感，易受现场环境限制。

磁带导航方式在于其磁带铺设相对简单，更改导引路径也比较容易，但易被污染，易受外界环境的限制，适用于环境较好的条件。

激光导航方式其优势在于柔性好，无需对地面进行任何处理，路径变换灵活方便，适用于各种现场环境，能够方便快捷的修改运动参数及行驶路径，但其控制及导航算法最为复杂，定位精度取决于激光头及算法，致使AGV的造价成本较高。

视觉导航方式其典型优势在于AGV造价低，获取的信息量大，可构建全景的三维地图，可实现全自动导航，然而其受现场光线影响较大，信息处理大，当前硬件设备难于满足其实时性要求，且图像处理算法为尚未成熟。

随着工业自动化的发展，企业对工厂自动化提出了更高的要求。目前国内物流搬运环节大部分中AGV的运行仍处于有轨导引，以及少部分的非常昂贵的激光无轨导引与施工复杂的惯性导引；但有轨导引方式无法适用运行路径不固定的要求的问题，而无反射板激光导航无法满足末端定位高精度的要求，反射板激光导航其对环境改造较大，不易变换工作场景。

因此，对于末端定位精度要求高，运行路径无固定线路的工作环境，单纯使用无反射板激光导航叉车无法满足末端定位高精度的要求，单纯使用有反射板激光导航方式叉车，虽能满足其导航路径灵活与末端定位精度高的特点，但造价太贵，使用环境改造量大，且对使用环境要求较高。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种适应末端定位精度要求高，运行路径无固定线路的工作环境，以及便于企业日常物料搬运，提高物流搬运效率，降低人力与引入成本的AGV小车混合激光导航方法，其中AGV上位控制系统采用有反射板与无反射板激光导航相结合的方式实现系统的导航，其系统具体结构包括激光导航模块、反射板激光精确定位模块以及可选的自动充电模块；

激光导航模块用以实现构建环境二维地图、导航路径规划以及路径导航；激光导航模块实时加载导航地图，计算AGV叉车当前的实时位姿及导航路径信息，将AGV叉车实时位姿及导航路径信息传递给AGV叉车主控制器的速度控制模块，根据AGV叉车的速度信息进行闭环控制，使AGV叉车按照既定的速度及路径运行；

反射板激光精确定位模块用以实现AGV叉车装载物料，首先由激光导航初步定位至物料车停放工位区域，检测到三块反射板以上，而后切换到有反射板激光导航方式，AGV叉车依据反射板反馈数据，采用新的精确定位算法，运行到物料停放工位，完成物料精确搬运；

自动充电模块在AGV叉车电量不足时，将电量信息及当前任务状态发送给AGV上位控制系统的控制器，控制器做出决策，加载AGV叉车充电导航路径，让AGV叉车运行到充电目标位置进行充电。

具体的方法包括以下步骤：

步骤1构建环境二维地图；

步骤2导航路径规划；

步骤3利用无反射板激光导航模式，进行AGV小车路径导航，AGV小车

按导航路径行走；

步骤4AGV小车检测到激光反射板，进入反射板激光精确定位模式，进行AGV小车精确导航，完成AGV小车预定工作。

进一步的，所述方法中步骤1具体包括：

步骤11

控制AGV小车运动，从出发点运动至目标点；

步骤12

基于激光头扫描数据构建环境二维地图；

步骤13

将环境二维地图导入AGV导航地图数据库。

进一步的，所述方法中步骤2具体包括：

步骤21

导入环境二维地图；

步骤22

在环境二维地图中描绘AGV小车初步导航路径；

步骤23

根据初步导航路径的特征以及AGV小车的基础运动方式，提取初步导航路径上的采集点；

步骤24

通过AGV小车实际运行，观察并记录其在相邻两个采集点之间的运行方式及状况，运行完毕后校正采集点数据；

步骤25

基于修正后的采集点数据，生成最终导航路径。

进一步的，步骤31

AGV小车加载环境二维地图，并获取AGV小车在环境二维地图中的当前位姿；

步骤32

载入最终导航路径；

步骤33

激光头实时扫描数据与地图匹配，实时更新AGV小车位姿；

步骤34

将当前时刻AGV小车位姿传给AGV主控制器中的速度控制模块，速度控制模块的输入为所求当前AGV小车位姿及导航路径信息，输出为AGV小车当前时刻速度信息，主控制器将当前时刻速度信息传给从控制器，控制AGV小车按既定速度及导航路径行走；

步骤35

重复步骤34和步骤35，直至AGV小车完成既定行走路线。

其中，步骤31中利用地图动态匹配技术进行AGV小车位姿更新，位姿更新的具体方法包括：

步骤31A

将粒子随机分布在区域范围，用激光扫描数据在每个粒子位置与地图进行匹配，并设置一个函数进行评估匹配度；

步骤31B

更新粒子携带的概率，将概率最小的粒子舍弃，在概率最大的粒子附近增加一个粒子；

步骤31C

用一定数量带概率表示AGV小车可能位姿的粒子，在AGV小车的区域范围内搜索AGV小车的精确位姿。

其中，步骤31C的具体方法包括：

步骤31CA

步骤31CB

步骤31CC

重复进行31CA和31CB步骤的迭代，直到所有粒子所在区域趋于稳定，即区域中心恒定以及区域半径小于或等于设定误差值阈值，区域中心即为当前时刻AGV小车的精确位姿。

进一步的，所述方法中步骤4具体包括：

步骤41

在物料放置周围，安装有三个以上的激光反射板；

步骤42

AGV小车在激光导航模式下行走至无反射板激光导航模式与反射板激光导航模式对接点，在对接点处AGV小车上的激光传感器可感应到三块以上的激光反射板；

步骤43

AGV小车主控制器发送加载物料任务给AGV从控制器，AGV小车切换到反射板激光导航模式，AGV小车行走控制交给从控制器；AGV小车从控制器根据激光反射板反馈的位置信息，推导AGV小车位姿信息，进而控制AGV小车驱动模块，使AGV小车精确达到指定位置。

进一步的，所述方法步骤3中在AGV小车按导航路径行走过程中还包括自动充电导航控制，所述自动充电导航控制方法包括：

步骤51

AGV小车从控制器检测到电池低电量，并将低电量信息发给AGV小车主控制器，AGV小车主控制器按照设定规则计算出充电任务路线，AGV小车在无反射板激光模式下行走到充电区域指定区域，并切换到反射板激光导航模式；

步骤52

AGV小车在反射板激光导航模式下向充电平台指定目标点行走，直到AGV小车运动至目标充电点；

步骤53

检测自动充电模块上的两电极电压，在检测到符合要求的电压时，自动充电模块打开充电闸，AGV小车进行充电；

步骤54

AGV小车从控制器检测到电池电压达到设定电压值或者超过设定充电时间时，充电完成，AGV小车从控制器控制AGV小车运行至激光导航交接区域，并切换到无反射板激光导航模式。

本发明的有益效果在于：本发明中提供一种AGV无反射板与反射板激光混合导航方法，采用全局的无反射板激光导航与局部精确定位的有反射板激光导航相结合的概念；含有独创的反射板激光定位算法；末端定位采用反射板进行精确定位，中间路径采用无反射板激光导航，本发明的导航方法可用于工厂内的中小固体性物料或有固体外壳的流体性物料的运输，同时具备无反射板激光导航路径更改及使用环境广泛的优点，及反射板激光导航定位精确的优点，本方法还提供了可选的自动充电模式，方便AGV小车自动充电。

本发明的导航方法经过试验、模拟及使用，结果证明此发明能够可靠、稳定、便携、灵活、精确度可达要求的实现AGV物料拉运，且其对应用场所的环境要求较低，适用性广泛。本发明不仅可以用于工业AGV应用领域，还可以用于对其他应用场合，如服务机器人导航等。

附图说明

图1为本发明AGV混合激光导航方法的整体流程示意图；

图2为本发明AGV混合激光导航方法的激光导航部分的流程示意图；

图3为本发明AGV混合激光导航方法的反射板激光精确导航部分的流程示意图；

图4为本发明AGV混合激光导航方法的自动充电导航的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

在本具体实施方式中，本发明设计的一种无反射板与反射板混合激光导航系统，实现AGV小车的混合导航，通过结合无反射板激光导航路径灵活、造价低以及无环境改动的特点，和局部反射板激光导航定位精确的特点，提供了一种同时具有导航时路径灵活以及定位时精度较高的混合导航方法，且整体造价相对较低。其中混合导航系统仅在装载区及卸料区还有自动充电区安装有激光反射板，而其它使用区域则采用无反射板激光导航。

混合导航系统主要分为三大模块：激光导航模块、反射板激光精确定位模块以及可选的自动充电模块，整个系统的导航方式是由无反射板激光导航方式与反射板激光导航方式构成的，混合导航方法整体流程如图1所示。

激光导航模块参与AGV小车搬运物料的全过程，实时的加载导航地图，计算AGV小车的当前位姿及导航路径信息；将AGV小车实时位姿及导航路径信息传递给AGV小车主控制器的速度控制模块，获取AGV小车速度方面的信息，进行闭环控制，使AGV小车按照给定的速度及路径运行。

反射板激光精确定位模块用于AGV小车去装载物料，首先由激光导航初步定位到物料车停放工位反射板安装区域，而后切换到反射板激光导航方式，在反射板精确反馈数据中，AGV小车能够精确的运动到物料停放处。

自动充电模块用于当AGV小车电量不足时，将电量信息及当前任务状态发送给控制器，控制器做出决策，而后自行加载AGV小车充电导航路径，从休息区或完成任务位置运行到充电目标位置，检测供电电极，自行对接充电；充电完毕后，沿原路线返回，到休息区等待任务或直接继续下一个任务。

无反射板激光导航模块用于AGV小车运行的全过程，属于初步定位，精度大约为6cm左右；而反射板激光混合精确定位物料车其定位精度可达1.5cm左右，属于工位的精确定位；自动充电模块用于当AGV小车电量不足时，驱使AGV小车去自行充电。

激光导航模块用以实现构建环境二维地图、导航路径规划以及路径导航，其实现流程如附图2所示：

构建环境二维地图按如下步骤进行：

1)PC客户端登录AGV：PC登录，启动AGV，可进行AGV初步设置；

2)进入建图模式：在PC端中进入建图菜单；

3)手动控制AGV小车运动：在“建图界面”上手动控制AGV小车从出发点运动至目标点；

4)基于激光头扫描数据构建环境二维地图：由步骤3)激光头扫描得到的数据构建环境二维地图；

5)将所建地图导入AGV小车导航地图数据库；

6)备份环境二维地图到PC客户端，并退出PC登录，停止AGV小车运行。导航路径规划按如下步骤进行：

1)打开AGV客户端路径规划软件；

2)导入环境二维地图：从“构建环境二维地图”中向AGV小车导入导航地图；

3)在地图中描绘AGV小车行走路径：确定出发点与目标点在环境二维地图中的位置，根据地图，初步用手动方式确定一条初步导航路径；

4)在路径上采取主要点：根据所确定的初步导航路径的特征，还有AGV小车的基础运动方式，提取初步导航路径上的主要关键点，用于后续路径控制；

5)通过AGV小车实际运行，校正采集点数据：运行AGV小车，使其沿着初步导航路径进行运动，观察并记录其在相邻两个关键点之间的运行方式及状况，运行完毕后，根据其运行状况修正采集点的数据；

6)基于修正后的采集点数据，重生成导航路径，而后导出导航路径，退出AGV客户端路径规划软件。

AGV小车路径导航按如下步骤进行：

1)AGV小车加载环境二维地图(来源于“构建环境二维地图”)，并获取AGV在环境二维地图中的当前位姿；

2)载入导航路径：从“导航路径规划”中载入AGV小车导航路径；

3)激光头实时扫描数据与地图匹配，实时更新AGV小车位姿：激光头实时扫描数据与环境二维地图匹配获取AGV小车大概位姿，然后以AGV小车当前位姿为圆心，某一半径做圆，确定AGV小车在环境二维地图中所在区域范围；用一定数量带概率表示AGV可能位姿的粒子在求得的AGV小车区域搜索AGV的精确位姿，具体是先把粒子随机分布在区域范围，将激光扫描数据在每个粒子位置与地图进行匹配，并用一个函数进行评估匹配度，更新粒子携带的概率，将概率最小的粒子舍弃，在概率最大的粒子附近增加一个粒子，如此迭代，直到所有粒子所在区域趋于稳定，即区域中心恒定且区域半径小于或等于设定误差值，区域中心即为当前时刻AGV小车的位姿。

4)将求得的当前时刻AGV小车位姿传给AGV小车主控制器中的速度控制模块，速度控制模块的输入为所求当前AGV小车位姿及导航路径信息，输出为AGV小车当前时刻速度信息，速度信息包含AGV坐标系下X轴方向、Y轴方向速度及绕Z轴旋转角速度。主控制器将所求速度信息传给从控制器，让AGV小车按给定速度及导航路径行走。

5)重复步骤3)和4)，直至AGV小车完成给定行走路线。

反射板激光精确导航方法的实现流程如附图3所示：

1)在物料停放周围环境设置一定数量的激光反射板，其数量与物料类型及停放特征相关，用于计算在反射板激光导航区域下AGV小车的精确位置；

2)AGV小车在无反射板激光模式下行走至无反射板激光导航模式与反射板激光导航模式对接点，对接点特征在于AG小车V在该区域可感受到3块以上的激光反射板；

3)AGV主控制器发送加载物料车任务给AGV小车从控制器，AGV小车切换到反射板激光导航模式，AGV小车行走控制交给从控制器。AGV小车从控制器根据激光反射板反馈的位置信息，根据反射板激光定位算法得出AGV小车当前位置；

4)AGV小车根据当前位置与指定位置的距离关系，确定下一步的控制指令，控制AGV小车往指定位置行进，当其距离小于1.5cm，即AGV小车已达到指定位置，而后AGV小车卸下物料；

自动充电控制的实现流程如附图4所示：

1)AGV小车从控制器检测到电池低电量，并将低电量信息发给主控制器，主控制器按照设定规则计算出充电任务路线，AGV小车在激光模式下行走到充电区域上，并切换到反射板激光导航模式；

2)AGV小车在反射板激光导航模式下，根据反射板激光定位算法得出的当前位置与充电装置在充电区域的位置距离关系，发出控制指令，将AGV小车运动至充电位置；

3)AGV小车自动充电装置控制器检测自动充电装置上两电极电压，若检测到符合要求电压，自动充电控制器打开充电闸，AGV小车进行充电；

4)AGV小车从控制器检测到电池电压达到设定电压值或者超过设定充电时间时，充电完成，AGV小车在从控制器控制下运行至导航切换指定点，并切换到无反射板激光导航模式；

AGV小车在无反射板激光导航模式下继续完成充电任务剩余路线。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种AGV小车混合激光导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1 构建环境二维地图；

步骤2 导航路径规划；

步骤3 利用无反射板激光导航模式，进行AGV小车路径导航，AGV小车按导航路径行走；

步骤4 AGV小车检测到激光反射板，进入反射板激光精确定位模式，进行AGV小车精确导航，完成AGV小车预定工作。

2.一种如权利要求1所述的AGV小车混合激光导航方法，其特征在于，所述方法中步骤1具体包括：