CN106197397B - 一种基于导轨定位导引系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于导轨定位导引系统及方法，包括上位机、导轨带、信标和发射接收器；上位机给出规划路径、方向和停止位置；导轨带中间和两边反射率不同，发射到导轨带上的光学信号反射回来形成导轨带中间部分在发射接收器上的投影；沿导轨带每隔一定距离安装有信标；发射接收器比较投影与自身定位中心线获得以导轨带中间部分为参照的相对位置偏差，接收信标发送信息获得上位机移动要求，比较信标实际经过次序与设定经过次序获得移动方向偏差；发射接收器将相对位置偏差，移动方向偏差，停止位置，转弯角度，最高限速，自身方位、速度、倾角信息输入被定位导引目标的驱动控制系统，实现被定位导引目标按上位机要求移动或停止目的。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种基于导轨定位导引系统及方法，尤其适合于移动路径相对固定的自主导航设备。
背景技术
现有基于导轨定位导引方式包括电磁轨道方式、金属轨道方式和视觉导引方式。电磁轨道方式利用铺设在地上的电磁轨道来设置行驶路线，被定位导引目标根据其上安置的传感器检测电磁轨道的信息进行导引，电磁导引的优点是导引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单可靠，便于通讯和控制，对声光无干扰，制造成本低，缺点是路径难以更改扩充，对复杂路径难以适应，传感器长时间使用后会出现温漂、磁饱和问题，而且有些应用场合对光洁度要求很高，铺设磁条影响美观、不便管理。
金属轨道导引方式是利用铺设于地上或空中的金属轨道来设置行驶路线，被定位导引完全按金属轨道的约束行驶。轨道导引方式的优点是作业站定位简单、准确；缺点是搬运路径变化时需要重新铺设轨道，费事费时，路径修改灵活性差，适合路径固定的生产方式，对轨道在作业站点相对作业装备的位置及方向要求高。
视觉导引以光信号为基础，利用铺设于地面的色带或者导引带，通过对摄像机或视觉传感器才入的色带信号就行处理后后实现被定位导引目标的定位导引，其优点是反应速度快，不易受电磁干扰和环境影响，适应能力强；缺陷是外界复杂环境对色带导轨或导引轨道的污染磨损和意外破坏会导致导引的可靠性降低，甚至导致定位导引无法正常工作。
发明内容
为了解决现有基于导轨定位导引方式扩展性差问题，本发明提出一种基于导轨定位导引系统，包括上位机、定位带、信标、发射接收器。
上位机通过比较发射接收阵列当前所收到的信标识别号和目的地信标识别号，给出停止状态下的发射接收器的初始方向、初始速度、规划路径上的信标识别号列表；通过信标向移动中的发射接收器发送移动要求，包括路径、方向和停止位置，并接收发射接收器上传的发射接收器状态信息及途经路况信息。
导轨带由对发射的光学信号反射率有明显差别的高反射率部分和低反射率部分组成，一种方式是高反射率部分在中间，低反射率部分在两边或者没有低反射率部分；另一种方式是低反射率部分在中间，高反射率部分在两边或者没有高反射率部分。
导轨带每隔一定距离安装有信标，被定位导引目标沿导轨带双向移动时，信标向外发送信息包括：信标唯一识别号，前一信标唯一识别号、距离、停止许可，下一信标唯一识别号、距离、停止许可，上行转弯角度，下行转弯角度，上行最大允许速度，下行最大允许速度；沿导轨带单向移动时，信标向外发送信息包括：信标识别号，下一信标识别号、距离、停止许可、转弯角度，最大允许速度；所谓上行是指被定位导引目标实际经过的信标号次序与设定经过的信标的次序相同，次序相反为下行；信标周期性上传信息给上位机，上传信息包含自身状态信息、发射接收器状态信息及其途经路面状态信息；两个相邻信标之间路径只有一个被定位导引目标。
发射接收器位于被定位导引目标上，其定位中心线和被定位导引目标定位中心有确切的几何关系；发射接收器发射光学信号到导轨带；由于导轨带各部分反射率不同，发射接收器不同位置的接收器接收到的光学信号强度有差别，从而形成导轨带中间部分在发射接收器上的投影；比较投影与发射接收器定位中心线，可获得发射接收器相对位置偏差；发射接收器接收信标发送信息，获得停止位置、转弯角度、最大允许速度，比较信标实际经过次序与设定经过次序，获得移动方向偏差。
发射接收器光学信号发射方式有两种：分时扫描方式，发射器按设定顺序一次发射信号，所有发射器发射的光学信号相同；同时扫描方式，所有发射器同时发射光学信号，每个发射器发射的信号不同；发射的光学信号是调制后信号。
发射接收器带方位传感器、速度传感器、倾角传感器。
发射接收器通过信标将自身识别号，经过的前一信标识别号，被定位导引目标状态信息，经过路况信息发送到上位机。
本发明基于导轨定位导引系统的有益之处为：与电磁导轨和金属导轨方式相比，本发明的导轨带可以铺设于被定位导引目标上方，导轨路径更改扩充容易，环境适应性强；与视觉导航方式相比，本发明的定位导引由导轨带和信标双重保证，上位机可实时更改被定位导引目标路径，即使部分导轨带或者信标损毁定位导引也能工作。
本发明的另外一个目的是提供一种基于导轨的定位导引方法，实现移动路径相对固定的设备的定位导引，包括以下步骤：
A：上位机通过信标给发射接收器发送规划路径、方向和停止位置；
B：发射接收器发射到导轨带上的光学信号，反射后由接收器接收；导轨带中间部分和两边部分反射率不同，发射接收器不同位置的接收器接收到的光学信号强度有差别，形成导轨带中间部分在发射接收器上的投影；比较投影与发射接收器定位中心线，获得发射接收器以导轨带中间部分为参照的相对位置偏差；发射接收器接收信标发送信息，比较信标实际经过次序与设定经过次序，获得移动方向偏差；通过接收信标发送信息获得上位机给出的停止位置、转弯角度、最大允许速度；
C：发射接收器将相对位置偏差信息，移动方向偏差信息，停止位置信息，转弯角度信息，最大允许速度信息，自身方位、速度、倾角信息输入被定位导引目标的驱动控制系统，实现发射接收器定位中心线与导轨带中间部分投影重合，移动方向、转弯角度、最大速度、停止位置符合上位机要求，实现被定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在设定位置停止的目的；
D：发射接收器通过信标向上位机上传自身识别号，经过的前一信标识别号，被定位导引目标状态信息，途经路况信息，上位机获得被定位导引目标当前位置、状态与途经路况信息。
本发明基于导轨定位导引系统及方法，利用光学信号具有一定的方向性及光强度的特性，通过导轨带对光学信号反射后投影和信标通讯实现定位导引，发射接收装置简单，对复杂环境适应性强。本发明的有益效果是构造简单，避免导轨和信标复杂硬件设备、复杂算法、导轨部署难度、发射接收装置复杂硬件设备，发明继承了现有导轨式定位导引系统和方法的优点，避免了其缺点，实用性好，系统成本低，适用于各种室内室外场景，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是基于导轨定位导引系统框图
图2是基于导轨定位导引方法流程图
图中，100，上位机；101，导轨带；102，信标；1011，导轨带中间部分；103，发射接收器；1031，发射器；1032，接收器；1033，发射接收器定位中心线；1034，导轨带中间部分在发射接收器上的投影；104，发射接收器发射的光学信号；105，导轨带反射的光学信号；106，发射接收器与信标之间通讯，107，上位机与信标之间通讯。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明就行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，上位机100通过比较发射接收器103当前收到信息的信标102识别号和目的地信标识别号，给出停止状态下的发射接收器的初始方向、初始速度、规划路径上的信标识别号列表；在发射接收器移动过程中通过与信标通讯107和发射接收器与信标间通讯106实时更新发射接收器移动要求，包括路径、方向和停止位置，同时通过发射接收器与信标间通讯实时获得发射接收器状态及途经路况信息。
导轨带101由对光学信号反射率有明显差别的高反射率部分和低反射率部分组成，一种方式是高反射率部分在中间1011，低反射率部分在两边或者没有低反射率部分；另一种方式是低反射率部分在中间，高反射率部分在两边或者没有高反射率部分；采用哪种方式取决于应用场景：在没有导轨带情况下，发射的光学信号，接收器接收到光学信号强度高于设定值的场景为高反射率场景，导轨带中间是低反射率部分；在没有导轨带情况下，发射的光学信号，接收器接收到光学信号强度低于设定值的场景为低反射率场景，导轨带中间是高反射率部分。
导轨带每隔一定距离安装有信标，被定位导引目标沿导轨带双向移动时，信标向外发送信息包括：信标唯一识别号，前一信标唯一识别号、距离、停止许可，下一信标唯一识别号、距离、停止许可，上行转弯角度，下行转弯角度，上行最大允许速度，下行最大允许速度；沿导轨带单向移动时，信标向外发送信息包括：信标识别号，下一信标识别号、距离、停止许可、转弯角度，最大允许速度；所述上行是指信标实际经过次序与设定经过次序相同，次序相反为下行；信标周期性上传信息给上位机；两个相邻信标之间路径只有一个被定位导引目标。
发射接收器位于被定位导引目标上，其定位中心线1033和被定位导引目标定位中心有确切的几何关系；发射接收器发射光学信号104到导轨带；由于导轨带各部分反射率不同，发射接收器不同位置的接收器接收到的光学信号105强度有差别，从而形成导轨带中间部分在发射接收器上的投影1034；比较投影与发射接收器定位中心线，可获得发射接收器相对位置偏差；发射接收器接收信标发送信息，获得停止位置、转弯角度、最大允许速度，比较信标实际经过次序与设定经过次序，获得移动方向偏差。
发射接收器光学信号发射方式有两种：分时扫描方式，发射器按设定顺序依次发射光学信号，所有发射器发射的光学信号相同；同时扫描方式，所有发射器同时发射光学信号，每个发射器发射的信号不同；发射的光学信号是调制后信号。
发射接收器带方位传感器、速度传感器、倾角传感器；发射接收器通过信标将自身识别号，经过的前一信标识别号，被定位导引目标状态信息，经过路况信息发送到上位机。
发射接收器将相对位置偏差信息，移动方向偏差信息，停止位置信息，转弯角度信息，最大允许速度信息，自身方位、速度、倾角信息输入被定位导引目标的驱动控制系统，实现发射接收器定位中心线与导轨带中间部分投影重合，移动方向、转弯角度、最大速度、停止位置符合上位机要求，实现被定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在设定位置停止的目的。
如图2所示，本发明基于导轨定位导引方法包含以下步骤：
S100：上位机通过信标给发射接收器发送规划路径、方向、停止位置和最大允许速度；
S101：发射接收器发射到导轨带上的光学信号，反射后由接收器接收；导轨带中间部分和两边部分反射率不同，发射接收器不同位置的接收器接收到的光学信号强度有差别，形成导轨带中间部分在发射接收器上的投影；比较投影与发射接收器定位中心线，获得发射接收器以导轨带中间部分为参照的相对位置偏差；发射接收器接收信标发送信息，比较信标实际经过次序与设定经过次序，获得移动方向偏差；通过接收信标发送信息获得上位机给出的停止位置、转弯角度、最大允许速度；
S102：发射接收器将相对位置偏差信息，移动方向偏差信息，停止位置信息，转弯角度信息，最大允许速度信息，自身方位、速度、倾角信息输入被定位导引目标的驱动控制系统，实现发射接收器定位中心线与导轨带中间部分投影重合，移动方向、转弯角度、最大速度、停止位置符合上位机要求，实现被定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在设定位置停止的目的；
S103：发射接收器通过信标向上位机上传自身识别号，经过的前一信标识别号，被定位导引目标状态信息，途经路况信息，上位机获得被定位导引目标当前位置、状态与途经路况信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种基于导轨定位导引系统，其特征在于，包括上位机、导轨带、信标、发射接收器；所述上位机通过所述信标为所述发射接收器发送规划路径、方向和停止位置；所述导轨带由对发射的光学信号的反射率有明显差别的低反射率部分和高反射率部分组成，组成方式是低反射率部分在中间，高反射率部分在两边，或者反之；导轨带每隔一定距离安装有信标；发射接收器发射到导轨带上的光学信号反射回来由接收器接收，形成导轨带中间部分在发射接收器上的投影；比较投影与发射接收器定位中心线，获得发射接收器以导轨带中间部分为参照的相对位置偏差；发射接收器接收信标发送信息，获得上位机规划的停止位置、转弯角度、最大允许速度；比较信标实际经过次序与设定经过次序，获得移动方向偏差。
2.如权利要求1所述的基于导轨定位导引系统，其特征在于，发射接收器沿导轨带单向移动时，信标向外发送信息包括：信标识别号，下一信标识别号、距离、停止许可、转弯角度，移动许可，最大允许速度；发射接收器沿导轨带双向移动时，信标向外发送信息包括：信标识别号，前一信标识别号、距离、停止许可，下一信标识别号、距离、停止许可，上行转弯角度，下行转弯角度，上行最大允许速度、下行最大允许速度；所述上行是指信标实际经过次序与设定经过次序相同，次序相反为下行。
3.如权利要求1所述的基于导轨定位导引系统，其特征在于，两个相邻信标之间路径只有一个被定位导引目标。
4.如权利要求1所述的基于导轨定位导引系统，其特征在于，发射器按设定次序发射同样的光学信号。
5.如权利要求1所述的基于导轨定位导引系统，其特征在于，所有发射器同时发射光学信号，每个发射器发射的信号不同。
6.如权利要求1所述的基于导轨定位导引系统，其特征在于，发射接收器通过信标发送到上位机的信息包括：自身识别号，经过的前一信标识别号，被定位导引目标状态和经过路况信息。
7.如权利要求1所述的基于导轨定位导引系统，其特征在于，上位机实时获取被定位导引目标状态信息、途经路况状态信息和信标状态信息。
8.如权利要求1所述的基于导轨定位导引系统，其特征在于，上位机给发射接收器的移动要求是实时更新的。
9.一种基于导轨定位导引方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：上位机通过信标给发射接收器发送规划路径、方向、停止位置；
B：发射接收器发射到导轨带上的光学信号，反射后由接收器接收；导轨带中间和两边反射率不同，发射接收器不同位置的接收器接收到的光学信号强度有差别，形成导轨带中间部分在发射接收器上的投影；比较投影与发射接收器定位中心线，获得发射接收器以导轨带中间部分为参照的相对位置偏差；发射接收器接收信标发送信息，获得上位机给出的停止位置、转弯角度、最大允许速度，比较信标实际经过次序与设定经过次序，获得移动方向偏差；
C：发射接收器将相对位置偏差信息，移动方向偏差信息，停止位置信息，转弯角度信息，最大允许速度信息，自身方位、速度、倾角信息输入被定位导引目标的驱动控制系统，实现发射接收器定位中心线与导轨带中间部分投影重合，移动方向、转弯角度、最大速度、停止位置符合上位机要求，实现被定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在设定位置停止的目的；
D：发射接收器通过信标向上位机上传自身识别号，经过的前一信标识别号，被定位导引目标状态信息，途经路况信息，上位机获得被定位导引目标当前位置、状态与途经路况信息。
10.如权利要求9所述的基于导轨定位导引方法，其特征在于，发射接收器沿导轨带单向移动时，信标向外发送信息包括：信标识别号，下一信标识别号、距离、停止许可、转弯角度，移动许可，最大允许速度；发射接收器沿导轨带双向移动时，信标向外发送信息包括：信标识别号，前一信标识别号、距离、停止许可，下一信标识别号、距离、停止许可，上行转弯角度，下行转弯角度，上行最大允许速度、下行最大允许速度；所述上行是指信标实际经过次序与设定经过次序相同，次序相反为下行。
11.如权利要求9所述的基于导轨定位导引方法，其特征在于，两个相邻信标之间路径只有一个被定位导引目标。
12.如权利要求9所述的基于导轨定位导引方法，其特征在于，发射器按设定次序发射同样的光学信号。
13.如权利要求9所述的基于导轨定位导引方法，其特征在于，所有发射器同时发射光学信号，每个发射器发射的信号不同。
14.如权利要求9所述的基于导轨定位导引方法，其特征在于，上位机给发射接收器的移动要求是实时更新的。
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