CN106569493B - 一种基于脉冲超宽带技术的agv集群定位方法及agv调度方法 - Google Patents

一种基于脉冲超宽带技术的agv集群定位方法及agv调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明一方面提供了一种基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法，包括如下步骤：建立三维坐标系；根据获得的AGV邻近的四个基站的坐标，计算出运动中的AGV的位置；在获得运动中的AGV的位置后，采用最小二乘法取最优解，求得目标函数的最优值获得AGV的坐标P。本发明另一方面提供了一种AGV调度方法，包括对AGV动力的控制、对AGV的定位以及AGV的导航调度，所述对AGV的定位采用上述的集群定位方法实现。本发明与现有技术相比，通过距离AGV最近的四个具有UWB无线传感器的基站，计算出运动中的AGV与每个基站的相对坐标进行四点定位，最终计算出每台AGV当前位置坐标，从而提高AGV的定位精度，并将每台AGV的当前坐标反馈至上位机，实时监控AGV位置、指挥调度，避免发生碰撞。

Description

一种基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法及AGV调度方法
技术领域
本发明涉及一种定位导航领域，特别是一种基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法及AGV调度方法。
背景技术
随着工厂自动化、计算机技术的发展以及立体仓库的广泛应用，AGV(自动导引车)作为联系和调节离散型物流系统以使其作业连续化的自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。但现有的技术多集中于基于机器视觉、激光或者磁钉的导航方式以及路径规划上，工厂车间一般有多个货架或者障碍物，须要多个AGV的集群同时工作使得货物的运送可以并行、减少等待时间。而多个AGV之间在并行中可能会产生碰撞，这就更需要一个精确的室内定位技术对多个AGV的集群同时进行定位，并设计一个调度平台去实时监控、指挥调度，避免发生碰撞，保证系统的可靠性。
现有技术的AGV定位存在以下缺点：
1.采用AGV磁钉导航技术完成AGV的导航方案，如通过三维地图重建实现路径规划，但现有技术未能实现实时定位和在宏观上批量调度；
2.AGV在运动到一个磁钉1上方(如图1所示)，上位机会显示这个磁钉1的颜色变化，但在磁钉1与磁钉1之间的距离段，AGV运动到什么位置，这种细节用户无法了解；
3.工厂车间的AGV往往又不止一个，一般要多个甚至集群作业，现有的技术也无法对多个目标同时定位，难以在远程进行集群调度；
4.现有技术下时钟的同步往往要通过网线和POE保证，这加大了成本和部署难度；
5.WIFI等定位技术虽然也可以实现定位，但是定位精度是米级，对于AGV作业来说，这个精度是难以接受的。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法及AGV调度方法。
本发明一方面提供了一种基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法，包括如下步骤：
步骤一，在AGV的导引磁钉矩阵处分布至少四个基站，基站上设置有UWB无线传感器；在AGV上设置由接收和反馈基站超宽带脉冲波的UWB标签传感器；建立三维坐标系(x,y,z)，将AGV邻近的四个基站的坐标中的其中一个基站的坐标(x1,y1,z1)设为基点，将其他三个基站的坐标(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)设为参照点；
步骤二，根据获得的AGV邻近的四个基站的坐标，计算出运动中的AGV的位置；
步骤三，在获得运动中的AGV的位置后，采用最小二乘法取最优解，求得目标函数的最优值获得AGV的坐标P(xAGV,yAGV,zAGV)。
进一步地，步骤二中运动中的AGV的位置的计算采用毕达哥拉斯定理，得出运动中的AGV的位置：
(x1–xAGV)2+(y1–yAGV)2+(z1–zAGV)2＝dAGV-BS1 2
(x2-xAGV)2+(y2-yAGV)2+(z2–zAGV)2＝dAGV-BS2 2
(x3-xAGV)2+(y3-yAGV)2+(z3–zAGV)2＝dAGV-BS3 2
(x4-xAGV)2+(y4-yAGV)2+(z4–zAGV)2＝dAGV-BS4 2
上述的dAGV-BSN表示AGV通过UWB标签传感器接收各个基站发出的脉冲超宽带信号的飞行时间获得的距离值，其中N取1，2，3，4。
进一步地，所述dAGV-BSN由光速乘以信号的飞行时间得到，信号飞行时间＝((t3-t0)-(t2-t1))/2。
进一步地，步骤三中获得运动中的AGV(2)的位置后，通过下列矩阵表示：AP＝B
式
Figure BDA0001141983270000021
Figure BDA0001141983270000031
用最小二乘法求解上述矩阵得到
Figure BDA0001141983270000032
最终获得运动中的AGV的坐标P。
进一步地，所述基站采用矩形阵列方式分布在AGV导引磁钉矩阵上，每四个基站之间划分一个定位区域。
进一步地，相邻两个基站的列间距为300m，相邻两个基站的行间距为400m。
进一步地，在进行步骤一前，首先采用动态搜索的方式通过每个定位区域中的三个基站对AGV进行定位，根据排列组合形成84个预测点，这84个预测点组成一个点集空间，选取这个点集空间的质心作为该AGV运动到该区域的预测坐标值，从而确定AGV当前所处的定位区域。
本发明另一方面提供了一种AGV调度方法，包括对AGV动力的控制、对AGV的定位以及AGV的导航调度，所述对AGV的定位采用上述的基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法实现。
本发明与现有技术相比，通过距离AGV最近的四个具有UWB无线传感器的基站，计算出运动中的AGV与每个基站的相对坐标进行四点定位，最终计算出每台AGV的当前位置坐标，从而提高AGV的定位精度，并将每台AGV的当前坐标反馈至上位机，实时监控AGV的位置、指挥调度，避免发生碰撞。
附图说明
图1是本发明基站设置的位置关系图。
图2是本发明基站定位AGV搭载的UWB传感器标签的原理图。
图3是本发明定位区域划分图。
图4是本发明定位区域动态搜索图。
图5是本发明AGV调度方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的一种基于脉冲超宽带技术的AGV(自动引导车)集群定位方法包括如下步骤：
步骤一，在工厂车间的位于AGV导引磁钉矩阵处分布至少四个基站4，基站4上设置有UWB(无载波通信)无线传感器；在AGV 2上设置由接收和反馈基站超宽带脉冲波的UWB标签传感器3(图1所示)；建立三维坐标系(x,y,z)，将AGV 2邻近的四个基站的坐标中的其中一个基站(此处定义为基站1)的坐标(x1,y1,z1)设为基点，将其他三个基站(此处定义为基站2、基站3、基站4)的坐标(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)设为参照点(图2所示)；
步骤二，根据获得的AGV 2邻近的四个基站的坐标，计算出运动中的AGV的位置，具体计算方法如下：
根据毕达哥拉斯定理，求解方程组建立坐标系，得出的交点即运动中的AGV的位置：
(x1–xAGV)2+(y1–yAGV)2+(z1–zAGV)2＝dAGV-BS1 2
(x2-xAGV)2+(y2-yAGV)2+(z2–zAGV)2＝dAGV-BS2 2
(x3-xAGV)2+(y3-yAGV)2+(z3–zAGV)2＝dAGV-BS3 2
(x4-xAGV)2+(y4-yAGV)2+(z4–zAGV)2＝dAGV-BS4 2
上述四个方程组显然符合超定方程组，即未知数少于方程个数。
上述的dAGV-BSN表示通过UWB标签传感器接收各个基站发出的脉冲超宽带信号的飞行时间获得的距离值，其中N取1，2，3，4，表示邻近AVG的四个基站，dAGV-BSN的计算可以由光速乘以信号的飞行时间获得。飞行时间的获得则涉及基站的UWB传感器与AGV搭载的UWB标签传感器的时钟误差的解决，也即时钟同步的问题，这里不用网线和POE去做时钟同步，而是采用“自减法”。
假设每个基站在t0时刻发起一个脉冲信号，当t1时刻，AGV搭载的UWB标签传感器接收到基站发起的脉冲信号，紧接着，在t2时刻，AGV在接收倒基站发起的脉冲信号后UWB标签传感器会反馈一个信号，并在t3时刻，基站接收到AGV的反馈信号。
通过下式得到信号的飞行时间；
信号飞行时间＝((t3-t0)-(t2-t1))/2
其中，t0为基站发起脉冲信号的时间，t1为AGV接收到脉冲信号的时间，t2为AGV在接收到脉冲信号发出反馈信号的时间，t3为基站接收到AGV发出的反馈信号的时间。
由于(t3-t0)，(t2-t1)各自都减去了各自的时钟，固而可以认为基站和定位标签的时钟是同步的。
步骤三，在获得运动中的AGV的位置后，采用最小二乘法取最优解，求得目标函数的最优值获得AGV的坐标P(xAGV,yAGV,zAGV)。具体做法是将上述方程组展开后并线性化可用下列矩阵表示：AP＝B
式
Figure BDA0001141983270000051
Figure BDA0001141983270000052
利用最小二乘法求解上述矩阵得
Figure BDA0001141983270000053
由此可得运动中的AGV的坐标P。
如图3所示，当基站4采用四个以上的基站，采用矩形阵列方式分布在工厂车间的AGV导引磁钉矩阵上时，在进行步骤一前，首先将每四个基站划分成一个定位区域，采用动态搜索的方式，AGV搭载的UWB传感器不断搜索所有可以收到信号的基站，最终确定AGV所处的定位区域，假设UWB传感器有效传输距离为500m，则规划相邻两个基站的列间距为300m，相邻两个行间距为400m。
假设AGV运行在定位区域0区(包括边界)，受限于500m的传输距离，定位区域0区可能获得信号的基站的最多有9个基站点，即如图4左上第一个圈范围内的基站点。同理，运行在定位区域1区的AGV，可能获得信号的基站最多也是9个，即第一行中间的圆所包括的基站点，其他类同。
通过每个定位区域中的其中三个点即可定位AGV，根据排列组合
Figure BDA0001141983270000061
种，形成84个预测点，这84个可能的预测点组成一个点集空间，选取这个点集空间的质心作为该AGV运动到该区域的预测坐标值，从而确定AGV当前所处的定位区域，这样再通过四点定位法对其坐标。
在110kbps的传输速率下，一个四基站小区可以容纳8个基站，那么划分小区后，可以容纳的定位标签数量为8倍的区域数，极大增加了可以定位标签的容量。
如图5所示，本发明的AGV调度方法包括上位机通过远程桌面与AGV连接实现对AGV动力的控制、对AGV的定位以及AGV的导航调度，其中，上位机对AGV的定位采用上述基于脉冲超宽带技术的AGV(自动引导车)集群定位方法获得运动中的AGV的坐标后并将坐标显示在上位机上，从而进行导航调度，本发明中对AGV动力的控制以及导航调度可采用现有技术中AGV的调度方法实现。
如图5所示，所述AGV动力的控制能够实现AGV包括左右轮的方向，转速，加速度，减速度，左右轮实际速度，左右轮行驶距离，左右轮速度和距离曲线，使能，前进，释放，左转，停止，右转，左微调，后退，右微调等；
AGV的定位以及导航调度可以实现在上位机上显示模拟磁钉阵列及颜色翻转，基站的通电显示，串口的连接端口，基站1的坐标输入，基站2的坐标输入，基站3的坐标输入，基站4的坐标输入，接入AGV1的坐标显示，AGV1到各个基站的距离显示，同理，接入AGV2的坐标显示，AGV2到各个基站的距离显示等，AGV接入的实时打点显示，AGV轨迹延迟显示。
本发明具有以下优点，创新性地采用四点定位法，并利用最小二乘法等算法去优化，比通用的三角定位法更加精确；采用自减法消除时钟同步的问题，比普遍采用的网线同步节约材料，方便部署；本发明可以同时处理多个目标，创新性地提出了新的扩容方法，市场上现有方案一般只可以处理一个目标；本发明设计了具有创新实用功能的调度方法，不仅可以控制AGV的运行，还可以监控到AGV集群的位置动态显示，方便管理；定位精度高，在室内存在多径效应，非视距误差等情况下，本发明定位精度仍然可以达到10cm-15cm，而市场上采用的WIFI等方案一般只可以达到1m-2m。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (5)

1.一种基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，在AGV的导引磁钉矩阵处分布至少四个基站(4)，基站(4)上设置有UWB无线传感器；在AGV(2)上设置由接收和反馈基站超宽带脉冲波的UWB标签传感器(3)；建立三维坐标系(x,y,z)，将AGV(2)邻近的四个基站的坐标中的其中一个基站的坐标(x1,y1,z1)设为基点，将其他三个基站的坐标(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)设为参照点；
步骤二，根据获得的AGV(2)邻近的四个基站(4)的坐标，计算出运动中的AGV(2)的位置；
步骤三，在获得运动中的AGV(2)的位置后，采用最小二乘法取最优解，求得目标函数的最优值获得AGV(2)的坐标P(xAGV,yAGV,zAGV)，
所述基站(4)采用矩形阵列方式分布在AGV导引磁钉矩阵上，每四个基站(4)之间划分一个定位区域，
相邻两个基站(4)的列间距为300m，相邻两个基站(4)的行间距为400m，
每个定位区域中能获得信号的基站(4)最多有9个基站点，
在进行步骤一前，首先采用动态搜索的方式通过每个定位区域中的三个基站对AGV进行定位，根据排列组合形成84个预测点，这84个预测点组成一个点集空间，选取这个点集空间的质心作为该AGV运动到该区域的预测坐标值，从而确定AGV当前所处的定位区域。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法，其特征在于：步骤二中运动中的AGV(2)的位置的计算采用毕达哥拉斯定理，得出运动中的AGV的位置：
(x1–xAGV)2+(y1–yAGV)2+(z1–zAGV)2＝dAGV-BS1 2
(x2-xAGV)2+(y2-yAGV)2+(z2–zAGV)2＝dAGV-BS2 2
(x3-xAGV)2+(y3-yAGV)2+(z3–zAGV)2＝dAGV-BS3 2
(x4-xAGV)2+(y4-yAGV)2+(z4–zAGV)2＝dAGV-BS4 2
上述的dAGV-BSN表示AGV通过UWB标签传感器(3)接收各个基站(4)发出的脉冲超宽带信号的飞行时间获得的距离值，其中N取1，2，3，4。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法，其特征在于：所述dAGV-BSN由光速乘以信号的飞行时间得到，信号飞行时间＝((t3-t0)-(t2-t1))/2，
其中，t0为基站发起脉冲信号的时间，t1为AGV接收到脉冲信号的时间，t2为AGV在接收到脉冲信号发出反馈信号的时间，t3为基站接收到AGV发出的反馈信号的时间。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法，其特征在于：步骤三中获得运动中的AGV(2)的位置后，通过下列矩阵表示：AP＝B
式
Figure FDA0002152661800000021
用最小二乘法求解上述矩阵得到
Figure FDA0002152661800000023
最终获得运动中的AGV的坐标P。
5.一种AGV调度方法，包括对AGV动力的控制、对AGV的定位以及AGV的导航调度，其特征在于：所述对AGV的定位采用如权利要求1-4所述的基于脉冲超宽带技术的AGV集群定位方法实现。
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