CN106643805A - 激光定位传感器在agv小车中位置标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，包括在平坦地面上，控制AGV小车直行，记录激光雷达定位传感器输出的位置姿态值，用最小二乘法将这些点拟合成直线，计算出激光雷达定位传感器在小车坐标系下的姿态；在平坦的地面，控制AGV小车原地旋转，记录激光雷达定位传感器输出的位置姿态值，用最小二乘法将这些点拟合出圆的方程，计算出传感器在小车坐标系下的位置；根据传感器在小车坐标系下的位置、姿态标定值，将传感器输出的定位数据转换为小车控制点在世界坐标系下的位置和姿态。本发明中的方法简便易行、高效、标定的位置和姿态精确，具有较高的实际应用价值。

Description

激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法

技术领域

本发明涉及激光定位导航技术领域，具体地，涉及激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法。

背景技术

激光导航AGV小车如今被广泛应用于柔性生产系统(Flexible ManufacturingSystem，简称FMS)，可以用于现代化工厂或仓库中的柔性搬运，是现代物流系统和工业生产中的关键设备。用AGV小车代替人实现工装，夹具，装卸等工作的自动周转，是当前很多企业升级换代的趋势，使用AGV小车可以大幅提高企业生产效率和质量，降低劳动成本，尤其是在当前工业4.0潮流的推动下，实现智能制造是每个制造业企业的必然选择。

在AGV小车的工作过程中，系统需要实时获得小车在环境中的位置和姿态信息，以便进行路径规划和路径修正。常用的绝对定位传感器主要有基于视觉的定位传感器、基于超声波定位的传感器、基于激光雷达定位的传感器，这些定位传感器都能实时地得到定位传感器自身在世界坐标系下的绝对位置和姿态。但是为了精确地得到小车在世界坐标系下的位置姿态信息，需要找到定位传感器与车的相对位置关系，即找到小车控制点与定位传感器中心点的位置关系。

经对现有技术文献检索分析，发现惯用的方法是：安装时候默认为将定位传感器安装在小车控制点上方，或者利用设计图纸中标注的装配尺寸计算出定位传感器在车上的位置，或者手动测量定位传感器与小车控制点的位置。但是由于装配过程会存在误差，使用过程中还会产生变形等因素，导致激光导航传感器的实际位置与设计中标注的位置有较大偏差；定位传感器一般安装在AGV小车的顶部，而小车的控制点是一个虚拟的点在车上没有实际的标识，手动测量小车控制点与激光雷达传传感器的位置关系会有较大误差。

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，可有快速、精准地测量出定位传感器在小车中的位置，提高小车位置数据的准确性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法。

根据本发明提供的激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，包括如下步骤：

步骤1：在平坦的地面，控制AGV小车直行，标定激光定位传感器在小车坐标系中的姿态；

步骤2：在平坦的地面，控制AGV小车原地旋转，标定激光定位传感器在小车坐标系中的位置；

步骤3：将激光定位传感器输出的位置、姿态数据，转换为AGV小车控制点在世界坐标系下的绝对位置和姿态。

优选地，所述步骤1中控制AGV小车直行时，激光定位传感器输出的定位数据记为(x,y,β)，其中：x表示激光定位传感器中心点o₂相对世界坐标系X轴的坐标，y表示激光定位传感器中心点o₂相对世界坐标系Y轴的坐标，β表示直行时激光定位传感器的方向矢量Ys与世界坐标系X轴的夹角，且β值保持不变，或者只在某一范围内变化。

优选地，所述步骤1包括：

步骤1.1：AGV小车直行过程中，记录激光定位传感器输出的定位数据(x,y,β)，直行2米后停止记录数据，停止小车移动；

步骤1.2：绘制激光定位传感器记录到的N组定位数据，用最小二乘法拟合这N组数据点为直线，计算出拟合直线的斜率角以及计算出激光定位传感器的方向矢量Ys与世界坐标系X轴的夹角的平均值，记为β_m，其中β_i表示第i组定位数据；

步骤1.3：计算激光定位传感器在AGV小车坐标系中的姿态δ，计算公式如下：

优选地，所述步骤2中控制AGV小车原地旋转时，AGV小车控制点位置不变，车体围绕小车控制点作圆周运动。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1：AGV小车在原地旋转时，记录激光定位传感器输出的定位数据，待小车转动大约1.25圈后停止记录数据，停止小车转动；

步骤2.2：绘制激光定位传感器记录到的M组定位数据，用最小二乘法拟合这M组数据为圆的解析方程(x-A)²+(y-B)²＝R²；其中A表示圆心对应X轴的坐标值，B表示圆心对应Y轴的坐标值，x表示圆上一点对应X轴的坐标值，y表示圆上该点对应Y轴的坐标值，R表示圆的半径；

步骤2.3：找到记录的M组数据中x值最大的那组定位数据记为(x_l,y_l,β_l)，，计算角度θ，其中δ为激光定位传感器在AGV小车坐标系中的姿态，θ表示激光定位传感器在AGV小车坐标系中的方位角；

步骤2.4：计算激光定位传感器在AGV小车坐标系中的位置，即(x₀,y₀)，其中

式中：x₀表示AGV小车坐标系中的X轴坐标值，y₀表示AGV小车坐标系中的Y轴坐标值，R表示最小二乘法拟合出圆的半径，θ表示激光定位传感器在AGV小车坐标系中的方位角。

优选地，所述步骤3中将AGV小车在世界坐标系下的绝对位置和姿态记为：(x_r,y_r,β_r)，相应的计算公式如下：

式中：x_r表示AGV小车控制点o₁在世界坐标系下关于X轴的坐标值，y_r表示AGV小车控制点o₁在世界坐标系下关于Y轴的坐标值，β_r表示换算后激光定位传感器的方向矢量Ys与世界坐标系X轴的夹角；δ表示激光定位传感器在AGV小车坐标系中的姿态，即激光定位传感器的方向矢量Ys与AGV小车的方向矢量Yr的夹角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过小车直行、原定旋转动作，标定出激光雷达定位传感器在小车坐标系中的位置、姿态，操作简单，不需要繁琐的手动测量；标定得到的位置、姿态比手动测量更为精确，比小车机构设计图纸中标注值更可靠。将小车定位传感器输出数据(x,y,β)精确转换为小车控制点o₁在世界坐标系下位置、姿态，使得AGV小车在轨迹规划时更稳定可靠，在运动控制中偏差计算更准确，从而提高小车的控制精度。本发明方法简便易行，效率高，标定精确，在自主导航AGV小车等领域具有重要的实际应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为AGV小车模型及坐标系定义示意图；

图2为AGV小车直行运动模型示意图；

图3为AGV小车转弯运动模型示意图；

图4为AGV小车原地旋转运动模型示意图；

图中：

1-AGV小车左侧后轮；

2-AGV小车右侧后轮；

3-AGV小车前轮

4-激光雷达定位传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，包括如下步骤：

步骤S1：在平坦的地面，控制AGV小车直行，记录激光雷达定位传感器输出的位置数据，用最小二乘法将这些点拟合成直线，计算出传感器在小车坐标系下的姿态；

步骤S2：在平坦的地面，控制AGV小车原地旋转，记录激光雷达定位传感器输出的位置数据，用最小二乘法将这些点拟合成圆方程，计算出传感器在小车坐标系下的位置；

步骤S3：根据传感器在小车坐标系下的位置、姿态标定值，将传感器输出的定位数据转换为小车控制点在世界坐标系下的位置和姿态。

下面结合具体实施例对本发明中的技术方案做更加详细的说明。

实施例

本发明在激光导航AGV三轮叉车中应用，小车模型如图1所示，前轮驱动和转向，后轮是从动轮。设定AGV小车控制点为小车坐标系原点即图1中o₁，AGV小车方向取两后轮的垂直平分线、指向前轮方向即图1中的Yr方向；传感器坐标系中心点为o₂，传感器方向取传感器y轴即Ys方向，如图1所示。设定AGV小车方向与传感器方向矢量之间的夹角记为δ、AGV坐标中心点o₁与传感器坐标中心点o₂间的距离记为R，两者的夹角记为θ。如图1、图2所示，在世界坐标系中：向量的长度为R，向量的方向为即那么向量可以表示为：其中α表示AGV坐标中心点o₁与AGV小车方向所在单位向量与X轴的夹角。

AGV小车定位传感器输出数据(x,y,β)表示传感器中心点o₂在世界坐标系下的位置和姿态，即(x,y)表示传感器坐标原点o₂在世界坐标系下的位置，β为传感器的方向矢量Ys与世界坐标系x轴的夹角。此时AGV在世界坐标系下的方向为：α＝δ+β，由向量关系：推导得到AGV在世界坐标系下的位置为：坐标表示为：即

激光导航AGV小车的传感器位置标定就是要求解出R,θ,δ，得到激光雷达定位传感器在小车坐标系下的位置和姿态，从而将传感器输出的定位数据(x,y,β)转换到小车在世界坐标系下的绝对位置和姿态(x_r,y_r,β_r)。激光导航AGV小车传感器位置标定步骤如下:

第一步、让小车在平坦位置直行约2米，记录传感器输出的定位数据(x,y,β)。此时传感器与小车的运动轨迹平行，如图2所示，传感器定位数据(x,y)拟合直线的方向与小车运动轨迹的方向相同，计算出拟合直线的角度斜率角计算传感器定位数据β的平均值得到激光雷达定位传感器在小车坐标系中的姿态

第二步、让小车在平坦位置原地旋转大约1.25周，记录传感器输出的定位数据(x,y,β)。此时小车控制点o₁在世界坐标系下坐标值(x_r,y_r)保持不变，传感器跟着小车整体做圆周运动，如图4所示，此时传感器的坐标值为：

根据传感器的坐标值形式，可以推导出此时传感器作圆周运动的半径为R，起始相位角为利用传感器输出的定位数据(x,y)用最小二乘法拟合出圆的解析方程(x-A)²+(y-B)²＝R²，得到的R就是AGV坐标中心点o₁与传感器坐标中心点o₂间的距离。

找到记录的M组数据点中x值最大的那一组，这组数据中对应的β值记为β_l。此时有所以有

推导出激光雷达定位传感器在小车坐标系中的位置(x₀,y₀)，

第三步、标定完激光雷达定位传感器在小车坐标系中的姿态δ值、激光雷达定位传感器在小车坐标系中的位置(x₀,y₀)值后，将小车上定位传感器输出数据(x,y,β)转化为小车控制点o₁在世界坐标系下位置、姿态值(x_r,y_r,β_r)：

本发明通过小车直行、原定旋转动作，标定出激光雷达定位传感器在小车坐标系中的位置、姿态，操作简单，不需要繁琐的手动测量；标定得到的位置、姿态比手动测量更为精确，比小车机构设计图纸中标注值更可靠。将小车定位传感器输出数据(x,y,β)精确转换为小车控制点o₁在世界坐标系下位置、姿态，使得AGV小车在轨迹规划时更稳定可靠，在运动控制中偏差计算更准确，从而提高小车的控制精度。本发明方法简便易行，效率高，标定精确，在自主导航AGV小车等领域具有重要的实际应用价值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在平坦的地面，控制AGV小车直行，标定激光定位传感器在小车坐标系中的姿态；

步骤2：在平坦的地面，控制AGV小车原地旋转，标定激光定位传感器在小车坐标系中的位置；

步骤3：将激光定位传感器输出的位置、姿态数据，转换为AGV小车控制点在世界坐标系下的绝对位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，其特征在于，所述步骤1中控制AGV小车直行时，激光定位传感器输出的定位数据记为(x,y,β)，其中：x表示激光定位传感器中心点o₂相对世界坐标系X轴的坐标，y表示激光定位传感器中心点o₂相对世界坐标系Y轴的坐标，β表示直行时激光定位传感器的方向矢量Ys与世界坐标系X轴的夹角，且β值保持不变，或者只在某一范围内变化。

3.根据权利要求1所述的激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1.1：AGV小车直行过程中，记录激光定位传感器输出的定位数据(x,y,β)，直行2米后停止记录数据，停止小车移动；

步骤1.2：绘制激光定位传感器记录到的N组定位数据，用最小二乘法拟合这N组数据点为直线，计算出拟合直线的斜率角以及计算出激光定位传感器的方向矢量Ys与世界坐标系X轴的夹角的平均值，记为其中β_i表示第i组定位数据；

步骤1.3：计算激光定位传感器在AGV小车坐标系中的姿态δ，计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，其特征在于，所述步骤2中控制AGV小车原地旋转时，AGV小车控制点位置不变，车体围绕小车控制点作圆周运动。

5.根据权利要求1述的激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：AGV小车在原地旋转时，记录激光定位传感器输出的定位数据，待小车转动大约1.25圈后停止记录数据，停止小车转动；

步骤2.2：绘制激光定位传感器记录到的M组定位数据，用最小二乘法拟合这M组数据为圆的解析方程(x-A)²+(y-B)²＝R²；其中A表示圆心对应X轴的坐标值，B表示圆心对应Y轴的坐标值，x表示圆上一点对应X轴的坐标值，y表示圆上该点对应Y轴的坐标值，R表示圆的半径；

步骤2.3：找到记录的M组数据中x值最大的那组定位数据记为(x_l,y_l,β_l)，，计算角度其中δ为激光定位传感器在AGV小车坐标系中的姿态，θ表示激光定位传感器在AGV小车坐标系中的方位角；

步骤2.4：计算激光定位传感器在AGV小车坐标系中的位置，即(x₀,y₀)，其中

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=R\·cos\mathrm{\θ}\\ y_0=R\·sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.;$

式中：x₀表示AGV小车坐标系中的X轴坐标值，y₀表示AGV小车坐标系中的Y轴坐标值，R表示最小二乘法拟合出圆的半径，θ表示激光定位传感器在AGV小车坐标系中的方位角。

6.根据权利要求1所述的激光定位传感器在AGV小车中位置标定方法，其特征在于，所述步骤3中将AGV小车在世界坐标系下的绝对位置和姿态记为：(x_r,y_r,β_r)，相应的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_r=x-Rcos(\mathrm{\β}+(\mathrm{\θ}+\mathrm{\δ}-\frac{\mathrm{\π}}{2}\left)\right)\\ y_r=y-Rsin(\mathrm{\β}+(\mathrm{\θ}+\mathrm{\δ}-\frac{\mathrm{\π}}{2}\left)\right)\\ {\mathrm{\β}}_r=\mathrm{\β}+\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

式中：x_r表示AGV小车控制点o₁在世界坐标系下关于X轴的坐标值，y_r表示AGV小车控制点o₁在世界坐标系下关于Y轴的坐标值，β_r表示换算后激光定位传感器的方向矢量Ys与世界坐标系X轴的夹角；δ表示激光定位传感器在AGV小车坐标系中的姿态，即激光定位传感器的方向矢量Ys与AGV小车的方向矢量Yr的夹角。