CN106774335B - 基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法，属于自动化控制领域。该导引装置包括车体两侧倾斜向下的摄像机、车体中心垂直向下的摄像机、车体顶部的惯性测量单元、车体前侧的障碍物传感器、车体底部的射频读卡器以及电连接上述部件的导引控制器。在自动导引车（AGV）运行路径两侧布置有色导引标线，在导引标线上布置位置重合的射频标签和有色定位标识。AGV的导引方法包括在两侧导引标线的中间区域所进行的区域通行导航以及跟随一侧导引标线所进行的路径跟踪导引，具有跨区域的远程运动灵活性和区域内的目标定位精确性。
Description
技术领域
本发明属于自动化控制中的移动机器人导航技术领域，具体指代一种基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法。
背景技术
自动导引技术的研究始于20世纪50年代的美国，1954年Barret Electronics公司研制了第一台用于货物输送的自动导引车，随后自动导引车的应用扩展到工业生产领域。1974年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂采用自动导引车作为自动装配线的载运工具。从八十年代开始，美国国防部开始了地面无人作战平台的研究，主要针对适应不同地形的自主导航的智能车辆。
自动导引技术始终是自动导引车和智能车辆领域研究的核心技术，目前比较常用的导引技术有电磁导引、磁带导引、光学导引、激光导引和惯性导引等。每种导引技术都有各自的优势和不足，面向不同的应用领域：
(一)、电磁导引、磁带导引和光学导引：其主要用于固定路径导引方式，需要预先在地面铺设用于指示自动导引车跟踪目标的导引路径，自动导引车通过电磁感应或磁感应或光感应传感器，测量车体相对于导引路径的位置偏差，通过实时消除位置偏差保证车体沿导引路径运行，但在固定路径导引方式下，自动导引车不能显著偏离导引路径，否则会因传感器丢失导引信号而导致路径跟踪失败。
(二)、激光导引：其可用于自由路径导引方式，但需要预先在三维空间(如墙壁)布置用于反射激光信号且位置已知的反射信标。自动导引车的顶部安装有激光导航雷达，该雷达在360°全方向上不断发射激光信号，激光信号遇到反射信标后会被反射回该雷达。如果激光导航雷达在同一位置可扫描到三个以上的反射信标，根据三角定位原理可计算出车体在二维平面内的位置坐标，实现自动导引车的自定位。针对目标点的位置坐标，通过路径规划可生成自动导引车的运行轨迹，通过轨迹跟踪控制车体向目标点运行。在自由路径导引方式下，理论上自动导引车不存在固定的运行路径，只要能同时扫描到三个以上的反射信标，车体可位于二维平面内的任意位置。然而，由于普通轮式移动车辆受到非完整约束，自动导引车的运行轨迹还是受到其机动性的限制，并不能处于二维平面内的任意位置。另外，激光导航雷达的关键技术被少数国外公司所垄断，价格昂贵，且其应用环境要求激光信号扫描空间内不能存在太多阻隔信号反射的障碍物。
(三)、惯性导引：IMU(惯性测量单元)由多组陀螺仪和加速度计组成，可分别测量AGV车体的转动角加速度和平移加速度，从而估算AGV相对于参考点的位置和姿态。由于该方法需对上述加速度进行两次积分，其定位误差随着AGV运行距离的增加而不断增大，因此， 一般利用其他绝对定位方法(如GPS或定位磁钉)，每隔一定预设距离消除一次累计定位误差。然而，采用GPS的绝对定位精度不高，而采用定位磁钉的绝对定位则将AGV限制于事先确定的固定运行路径上，导航灵活性较差。
综合所述，目前广泛应用的自动导引技术难以在定位精度、导引灵活性、运行可靠性和设备成本等多种指标之间取得较好的协调匹配，因此，融合多种导引技术的组合导引方法还需进一步研究。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法，以解决现有技术中各种导引技术均存在不足，出现导航灵活性差、定位精度不高、运行可靠性差等问题。
为达到上述目的，本发明的一种基于多目视觉和惯导的导引装置，包括：倾斜向下安装于车体两侧的侧向摄像机、垂直向下安装于车体中心的中心摄像机、安装于车体底部的射频读卡器、安装于车体顶部的惯性测量单元、安装于车体前侧的障碍物传感器、以及与上述各部件的信号输出端进行电连接的导引控制器；
所述侧向摄像机用于识别并测量车体两侧较远位置处的导引标线和定位标识；
所述中心摄像机用于识别并测量车体正下方位置处的导引标线和定位标识；
所述射频读卡器用于识别导引标线上的射频标签；
所述惯性测量单元用于测量车体运动的角加速度、角速度、线加速度和线速度；
所述障碍物传感器用于测量障碍物的距离点云数据；
所述导引控制器内存储有AGV运行环境的数字地图，通过采集上述各部件的输出信息，计算AGV的位置和姿态、障碍物的轮廓和距离、以及AGV导航的运行路径和定位目标点信息。
优选地，所述侧向摄像机安装于车体左右两侧，并与水平地面成一定倾角，其视野下侧边界与车体侧向边界平行，且上述两边界间的距离S通过改变侧向摄像机的安装高度和倾角来调节；当导引标线和定位标识位于上述视野上侧边界和下侧边界之间时，侧向摄像机采集导引标线和定位标识的有效图像，并输出给导引控制器，用于测量车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL。
优选地，所述中心摄像机垂直向下安装于车体中心，所述射频读卡器安装于车体底部、处于车体纵向中心线上、且位于中心摄像机的前方；所述中心摄像机的视野左侧、右侧边界与车体侧向边界平行，所述视野左侧、右侧边界的视野宽度WV通过改变中心摄像机的安装高度来调节；当导引标线和定位标识位于上述视野左侧边界和右侧边界之间时，中心摄像机采集导引标线和定位标识的有效图像，并输出给导引控制器，用于测量车体中心到导引标线的 横向距离偏差ed2、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL；射频读卡器读取导引标线上射频标签内的编码信息，并输出给导引控制器，用于计算AGV位于电子地图上的全局位置
和绝对姿态角
优选地，所述惯性测量单元固定安装于车体顶部，随AGV共同运动时测量车体运动的角加速度α、角速度ω、线加速度a和线速度v，并输出给导引控制器，用于估算车体相对于上一个全局位置的当前全局位置相对于上一个绝对姿态角的当前绝对姿态角
优选地，所述障碍物传感器安装于车体前侧，测量AGV前进方向上障碍物的距离点云数据，并输出给导引控制器，用于计算障碍物轮廓相对于AGV的径向距离和方位角再根据侧向摄像机测量的车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1，计算障碍物轮廓边界与两侧导引标线之间的通行区域宽度BP。
本发明还提供了一种基于多目视觉和惯导的地标布局方法，包括步骤如下：
在AGV运行区域两侧边界布置导引标线，所述导引标线作为限定AGV运行区域的边界线，即AGV只能在两侧导引标线的中间区域进行导航运动；所述导引标线还作为描述AGV跟踪目标路径的指引线，即AGV能够跟踪导引标线所描述的目标路径进行导引运动；两条导引标线及其中间所围区域定义为区域运行道路，根据道路宽度、AGV宽度及安全距离设置若干运行车道，每个区域运行道路至少包含一条运行车道；仅有一条运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为单向运行道路，多台AGV在单向运行道路上串行同向按序行驶；包含两条及以上运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为双向运行道路，多台AGV在双向运行道路上分别占据不同运行车道，既能够并行同向超车行驶，也能够并行反向会车行驶；当两条区域运行道路交叉时，一条区域运行道路一侧的导引标线与另一条区域运行道路相邻侧的导引标线通过圆弧标线过渡连接。
优选地，在AGV运行路径上定义多个离散的路径节点，所述路径节点包括工位节点和里程节点，工位节点表示AGV进行装卸操作的移载位置，里程节点表示运行路径上的参考点在电子地图的绝对位置和方向角，路径节点之间的距离根据地图构建需求灵活设置；路径节点通过在导引标线上布置位置重合的定位标识和射频标签来表示，射频标签位于导引标线上方的中心线上，记录节点类型TP、节点编号NP、全局位置
绝对方向角
绝对方向角
的测量基准线与导引标线的切线平行；定位标识位于射频标签上方且两者的中心位置重合、测量基准线平行，通过摄像机测量AGV相对于定位标识的横向距离偏差ed1或ed2、姿态角偏差eθ和纵向距离偏差eL。
本发明还提供了一种基于多目视觉和惯导的导引方法，包括步骤如下：
在两侧导引标线的中间区域所进行的区域通行导航以及跟随一侧导引标线所进行的路径跟踪导引；所述路径跟踪导引是AGV通过车体中心垂直向下安装的中心摄像机和车体底部 前方的射频读卡器，近距离跟随导引标线、测量定位标识和识别射频标签进行路径跟踪控制、目标定位控制和全局位姿估计；所述路径跟踪控制是在AGV运行过程中，通过不断消除车体中心到导引标线的横向距离偏差ed2和AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ，使AGV车体位于导引标线上且车体朝向沿导引标线的切线方向；所述目标定位控制是在AGV减速停止过程中，通过不断消除车体中心到导引标线的横向距离偏差ed2、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ和AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL，使AGV停止后车体中心位于定位标识上且车体朝向沿导引标线的切线方向；所述全局位姿估计是根据射频标签在电子地图上的全局位置
和绝对方向角
计算AGV的全局位置
和绝对姿态角
当定位标识位于中心摄像机的视野范围内时：
当定位标识移出中心摄像机的视野范围后，AGV以线速度v运行时间t时：
优选地，所述区域通行导航是AGV通过车体两侧倾斜向下安装的侧向摄像机和车体顶部的惯性测量单元，在两侧导引标线的中间区域远距离测量导引标线和定位标识，根据数字地图中多个定位标识之间的已知位置关系，间接推算当前进入视野范围内的定位标识所对应的射频标签的全局位置和绝对方向角并根据车体运动的角速度ω和线速度v进行AGV的全局位姿估计，当导引标线和定位标识位于侧向摄像机的视野范围内时采用式(1)进行估计；当导引标线位于侧向摄像机的视野范围内而定位标识移出后，AGV以线速度v运行时间t时采用式(2)进行估计；当导引标线和定位标识都移出侧向摄像机的视野范围后，AGV以角速度ω和线速度v运行时间t时采用式(3)进行估计；
通过车体前侧的障碍物传感器测量计算障碍物轮廓相对于AGV的径向距离和方位角 
并根据车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1，计算障碍物轮廓边界与两 侧导引标线之间的通行区域宽度BP，其中WA为AGV车体的宽度；当通行区域宽度BP大于预设值BPmin，导引控制器根据当前全局位姿进行轨迹规划，计算AGV绕开障碍物的目标运行轨迹，并控制AGV跟踪该目标轨迹行驶，从而使AGV由无障碍区域通行而避开障碍物；
当多台AGV在单向运行道路上串行同向按序行驶时，根据估计的AGV全局位姿，保持AGV的行驶轨迹始终位于当前运行车道；根据障碍物传感器测量的相对于前一台AGV的径向距离和方位角，控制当前AGV的行驶速度，保持与前一台AGV具有足够的安全距离；
当多台AGV在双向运行道路上并行同向超车行驶时，对于参与超车的两台AGV，根据估计的AGV全局位姿，优先级低的AGV占据右侧运行车道，以低速行驶，优先级高的AGV更换到左侧运行车道，以高速超车；在超车过程中，根据障碍物传感器测量的后一台AGV相对于前一台AGV的径向距离和方位角，控制两台AGV具有足够的安全距离和角度；
当多台AGV在双向运行道路上并行反向会车行驶时，对于参与会车的两台AGV，根据估计的AGV全局位姿，每台AGV占据各自前进方向的右侧运行车道，以中速行驶进行会车；在会车过程中，根据障碍物传感器测量的两台反向行驶的AGV的径向距离和方位角，控制两台AGV具有足够的安全距离和角度。
优选地，AGV的初始导航模式为路径跟踪导引，采用中心摄像机近距离跟随导引标线并通过射频读卡器读取射频标签的全局位置
和绝对方向角
利用式(1)或式(2)完成初始全局定位；在AGV运行过程中路径跟踪导引与区域通行导航两种模式相互切换，当AGV需要在空间较大、距离较长的区域运行路径中灵活、快速地行驶时，AGV偏离当前的导引标线并向其内侧的中间区域运动，在导引标线移出中心摄像机的视野范围但还未进入侧向摄像机的视野范围这段过渡过程，采用式(3)估计AGV的全局位置
和绝对姿态角
继续偏离当前的导引标线直至导引标线进入侧向摄像机的视野范围，此时路径跟踪导引切换为区域通行导航；在区域通行导航过程中，AGV根据数字地图中多个定位标识之间的已知位置关系，间接推算当前进入视野范围内的定位标识所对应的射频标签的节点类型TP和节点编号NP，及时发现将要停车进行装卸作业的工位节点或圆弧导引标线前方的里程节点，AGV不断减小车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1以趋近导引标线，在导引标线移出侧向摄像机的视野范围但还未进入中心摄像机的视野范围这段过渡过程，采用式(3)估计AGV的全局位置
和绝对姿态角继续趋近当前的导引标线直至导引标线进入中心摄像机的视野范围，此时区域通行导航切换为路径跟踪导引，通过路径跟踪完成AGV从一条导引标线向相邻侧的另一条导引标线的圆弧转弯运动，并通过目标定位完成AGV减速停止于需要进行装卸操作的工位节点。
本发明的有益效果：
(一)、将AGV导引方法分为区域通行导航和路径跟踪导引，有利于兼有跨区域的远程运动灵活性和区域内的目标定位精确性。在远离目标工位点的运行道路上无需对导引标线进行精确跟踪，而是保持运动方向的正确性和运动轨迹的灵活性。在靠近目标工位点的运行路径上对导引标线和定位标识进行精确的路径跟踪和目标定位控制。
(二)、分别采用两组摄像机进行视觉导引，有利于兼有侧向摄像机的大视野范围和中心摄像机的高测量精度，以同时满足区域通行导航对AGV远离导引标线的运动灵活性要求和路径跟踪导引对AGV精确沿路径行驶的运动精确性要求。
(三)、采用视觉测量和射频识别相结合的导航方法，通过在导引标线上布置位置重合的定位标识和射频标签来表示路径节点，在获得射频标签的绝对位姿信息的基础上，融合视觉测量的AGV相对于定位标识的相对位姿偏差，可精确估计当定位标识位于摄像机视野范围时AGV的全局位姿。
(四)、采用视觉测量和惯性测量相结合的导航方法，当导引标线和定位标识位于摄像机视野范围时，采用视觉测量直接确定AGV的全局位姿；当导引标线或定位标识不在摄像机视野范围时，采用惯性测量对AGV的运动轨迹进行推算从而估计AGV的全局位姿，有利于兼有视觉测量全局位姿的精确性和惯性测量全局位姿的灵活性。
附图说明
图1为本发明中基于多目视觉和惯导的导引装置的安装主视图；
图2为本发明中基于多目视觉和惯导的导引装置的安装俯视图；
图3为本发明中基于多目视觉和惯导的导引装置的安装侧视图；
图4为本发明中区域通行导航的路径偏差测量示意图；
图5为本发明中路径跟踪导引的路径偏差测量示意图；
图6a为本发明中路径节点的主视图；
图6b为本发明中路径节点的左视图；
图7为本发明中全局定位原理的示意图；
图8为本发明中可通行区域宽度的示意图；
图9为本发明中地标布局的示意图；
图10为本发明中多AGV串行同向按序行驶的示意图；
图11a为本发明中多AGV并行同向超车前的状态示意图；
图11b为本发明中多AGV并行同向超车时的状态示意图；
图11c为本发明中多AGV并行同向超车结束状态的示意图；
图12a为本发明中多AGV并行反向会车前的状态示意图；
图12b为本发明中多AGV并行反向会车时的状态示意图；
图12c为本发明中多AGV并行反向会车结束状态的示意图；
图13为本发明中导引方式的工作原理图；
图中：1-侧向摄像机，2-中心摄像机，3-射频读卡器，4-惯性测量单元，5-障碍物传感器，6-导引控制器，7-导引标线，8-定位标识，9-射频标签。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图3所示，本发明的基于多目视觉和惯导的导引装置，包括：侧向摄像机1、中心摄像机2、射频读卡器3、惯性测量单元4、障碍物传感器5、导引控制器6；其中，侧向摄像机1倾斜向下安装于车体(即自动导引车的车体)左右两侧；中心摄像机2垂直向下安装于车体中心轴线，其视野左侧、右侧边界与车体侧向边界平行，且视野左侧、右侧边界的视野宽度WV可通过改变中心摄像机2的安装高度来调节；射频读卡器3安装于车体底部、处于车体纵向中心线上、且位于中心摄像机2的前方；惯性测量单元4安装于车体顶部；障碍物传感器5安装于车体前侧；导引控制器6设置在车箱体内部，并与上述各部件的信号输出端进行电连接。
如图4所示，侧向摄像机1安装于车体左右两侧，并与水平地面成一定倾角，其视野下侧边界与车体侧向边界平行，且上述两边界间的距离S可通过改变侧向摄像机1的安装高度和倾角来调节；当导引标线7和定位标识8位于上述视野上侧边界和下侧边界之间时，侧向摄像机1可采集导引标线7和定位标识8的有效图像，并输出给导引控制器6，通过导引控制器6对有效图像进行图像处理，测量车体侧向边界到导引标线7的横向距离偏差ed1、AGV(自动导引车)车体与导引标线7的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识8的纵向距离偏差eL。
如图5所示，中心摄像机2采集车体下方的导引标线7和定为标识8的有效图像，并输出给导引控制器6，通过导引控制器6对有效图像进行图像处理，测量车体中心到导引标线7的距离ed2、AGV车体与导引标线7的姿态角eθ、AGV中心相对于定位标识8的纵向距离偏差eL。
如图6a、图6b所示，路径节点通过在有色的导引标线7上布置位置重合的有色的定位标识8和射频标签9来表示，为了方便识别，导引标线7和定位标识8可采用不同的颜色。所述射频标签9位于导引标线7上方的中心线上，记录节点类型TP、节点编号NP、全局位置
绝对方向角
所述绝对方向角
的测量基准线与导引标线7的切线平行；所述定位标识8位于射频标签9上方且两者的中心位置重合、测量基准线平行，通过侧向摄像 机1、中心摄像机2可测量AGV相对于定位标识8的横向距离偏差ed1或ed2、姿态角偏差eθ和纵向距离偏差eL。
射频读卡器3读取车身下方导引标线7上射频标签9内的编码信息，并输出给导引控制器6，根据路径节点在电子地图上的全局位置
和绝对方向角
计算AGV位于电子地图上的全局位置和绝对姿态角这一过程称为AGV全局位姿估计。
AGV全局位姿估计分为三种情况：第一种情况是导引标线7位于中心摄像机2的视野范围内，如图5所示。当导引标线7和定位标识8都位于中心摄像机2的视野范围内时，AGV的全局位姿可由式(1)计算，如下：
当导引标线7位于中心摄像机2的视野范围内而定位标识8移出后，AGV以线速度v运行时间t时，AGV的全局位姿可由式(2)计算，如下：
第二种情况是导引标线7位于侧向摄像机1的视野范围内，如图4和7所示。当导引标线7和定位标识8位于侧向摄像机1的视野范围内时采用式(1)进行估计；当导引标线7位于侧向摄像机1的视野范围内而定位标识8移出后，AGV以线速度v运行时间t时采用式(2)进行估计。
第三种情况是导引标线7位于侧向摄像机1和中心摄像机2的视野范围外，如图7所示。当导引标线7和定位标识8都移出侧向摄像机1的视野范围后，AGV以角速度ω和线速度v运行时间t时采用式(3)进行估计，如下：
如图8所示，通过车体前侧的障碍物传感器5测量计算障碍物轮廓相对于AGV的径向距离和方位角
并根据车体侧向边界到导引标线7的横向距离偏差ed1，计算障碍物轮廓边界与两侧导引标线7之间的通行区域宽度BP，其中WA为AGV车体的宽度；当通行区域宽度BP大于预设值BPmin，AGV即可从无障碍区域通行而避开障碍物；
如图9所示，本发明的一种基于多目视觉和惯导的地标布局方法，具体实施为：在AGV运行区域两侧边界布置导引标线，所述导引标线作为限定AGV运行区域的边界线，即AGV只能在两侧导引标线的中间区域进行导航运动；所述导引标线还作为描述AGV跟踪目标路径的指引线，即AGV能够跟踪导引标线所描述的目标路径进行导引运动；两条导引标线及其中间所围区域定义为区域运行道路，根据道路宽度、AGV宽度及安全距离设置若干运行车道，每个区域运行道路至少包含一条运行车道；当两条区域运行道路交叉时，一条区域运行道路一侧的导引标线与另一条区域运行道路相邻侧的导引标线通过圆弧标线过渡连接。
在AGV运行路径上定义多个离散的路径节点，所述路径节点包括工位节点和里程节点，工位节点表示AGV进行装卸操作的移载位置，里程节点表示运行路径上的参考点在电子地图的绝对位置和方向角，节点之间的距离根据地图构建需求灵活设置。
仅有一条运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为单向运行道路，多台AGV在单向运行道路上串行同向按序行驶。如图10所示，两台AGV沿同一条区域运行道路同向行驶，1号AGV的行驶速度v1与2号AGV的行驶速度v2方向相同。由于该区域运行道路只有一条运行车道，1号AGV必须跟随在2号AGV之后，无法超越2号AGV。1号AGV通过障碍物传感器5测量相对于2号AGV的径向距离和方位角，控制1号AGV的行驶速度v1，与2号AGV保持足够的安全距离。
包含两条及以上运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为双向运行道路，多台AGV在双向运行道路上分别占据不同运行车道。如图11a所示，两台AGV沿同一条区域运行道路同向行驶，1号AGV的行驶速度v1与2号AGV的行驶速度v2方向相同，1号AGV的优先级高于2号AGV，但2号AGV位于1号AGV的前方；如图11b所示，由于该区域运行道路包含两条运行车道，2号AGV向右行驶并占据右侧运行车道，1号AGV向左行驶并占据左侧车道，两台AGV分别占据两条运行车道并行同向行驶，1号AGV的行驶速度v1大于2号AGV的行驶速度v2，从左侧车道超越占据右侧车道的2号AGV；1号AGV通过障碍物传感器5测量相对于2号AGV的径向距离和方位角，与2号AGV保持足够的安全距离和角度；如图11c所示，当1号AGV超越2号AGV并保持足够的安全距离后，2号AGV向左行驶并回到区域运行道路的中间位置，1号AGV向右行驶也回到区域运行道路的中间位置，并行同向超车过程结束。
如图12a所示，两台AGV沿同一条区域运行道路反向行驶，1号AGV的行驶速度v1与2号AGV的行驶速度v2方向相反；如图12b所示，由于该区域运行道路包含两条运行车道，1号AGV向右行驶并占据其前进方向的右侧运行车道，2号AGV也向右行驶并占据前进方向的右侧车道，两台AGV分别占据两条运行车道并行反向行驶，相互接近后进行两车交会； 在会车过程中，两台AGV分别通过障碍物传感器5测量两者的径向距离和方位角，控制两台AGV的全局位姿以保持两者具有足够的安全距离和角度；如图12c所示，当1号AGV和2号AGV离开会车位置并保持足够的安全距离后，2号AGV向左行驶并回到区域运行道路的中间位置，1号AGV向左行驶也回到区域运行道路的中间位置，并行反向会车过程结束。
如图13所示，本发明的一种基于多目视觉和惯导的导引方法，包括如下：在两侧导引标线的中间区域所进行的区域通行导航以及跟随一侧导引标线所进行的路径跟踪导引；路径跟踪导引是AGV通过车体中心垂直向下安装的中心摄像机2和车体底部前方的射频读卡器3，近距离跟随导引标线7、测量定位标识8和识别射频标签9进行路径跟踪控制、目标定位控制和全局位姿估计。
如图5所示，路径跟踪控制是在AGV运行过程中，通过不断消除车体中心到导引标线7的横向距离偏差ed2和AGV车体与导引标线7的姿态角偏差eθ，使AGV车体位于导引标线7上且车体朝向沿导引标线7的切线方向。所述目标定位控制是在AGV减速停止过程中，通过不断消除车体中心到导引标线7的横向距离偏差ed2、AGV车体与导引标线7的姿态角偏差eθ和AGV中心相对于定位标识8的纵向距离偏差eL，使AGV停止后车体中心位于定位标识8上且车体朝向沿导引标线7的切线方向。
区域通行导航是AGV通过车体两侧倾斜向下安装的侧向摄像机1和车体顶部的惯性测量单元4，在两侧导引标线7的中间区域远距离测量导引标线7和定位标识8，根据数字地图中多个定位标识8之间的已知位置关系，间接推算当前进入视野范围内的定位标识8所对应的射频标签9的全局位置
和绝对方向角
并根据车体运动的角速度ω和线速度v进行AGV的全局位姿估计。
通过车体前侧的障碍物传感器5计算障碍物轮廓边界与两侧导引标线7之间的通行区域宽度BP，导引控制器6根据当前全局位姿进行轨迹规划，计算AGV绕开障碍物的目标运行轨迹，并控制AGV跟踪该目标运行轨迹行驶，从而使AGV由无障碍区域通行而避开障碍物。
当AGV需要从某一运行车道变换到其他运行车道时，导引控制器6根据侧向摄像机1对导引标线7和定位标识8的视觉测量结果、惯性测量单元4对车体角速度ω和线速度v的运动测量结果，在线计算AGV的实时全局位姿，并在数字地图上计算变换车道的目标运行轨迹，再控制AGV跟踪该目标运行轨迹行驶，完成从当前运行车道向其他运行车道的变换。
如图13所示，实施例中具体表现为：
1)AGV的初始导航模式为路径跟踪导引，采用中心摄像机2近距离跟随导引标线7并通过射频读卡器3读取射频标签9的全局位置
和绝对方向角
利用式(1)或式(2)计算出全局位置和绝对姿态角
完成初始全局定位。在AGV运行过程中路径跟踪导引与区域通行导航两种模式可相互切换；
式(1)如下：
式(2)如下：
2)AGV离开起始点后，结合车载电子地图中的既定路径规划，当AGV需要在空间较大、距离较长的区域运行路径中灵活、快速地行驶时，通过改变绝对姿态角
使AGV偏离当前的导引标线7并向其内侧的中间区域运动。
3)在导引标线7移出中心摄像机2的视野范围但还未进入侧向摄像机1的视野范围这段过渡过程，惯性测量单元4实时测量车体运动的角加速度α、角速度ω、线加速度a和线速度v，并输出给导引控制器6，利用式(3)估计AGV的全局位置
和绝对姿态角
继续偏离当前的导引标线7直至导引标线7进入侧向摄像机1的视野范围，此时路径跟踪导引切换为区域通行导航；
式(3)如下：
4)在区域通行导航阶段，AGV以角速度ω和线速度v运行时间t时，在定位标识8未进入侧向摄像机1时，侧向摄像机1实时采集车体两侧较远距离的导引标线7的有效图像，并输出给导引控制器6，通过导引控制器6对有效图像进行图像处理，测量车体侧向边界到导引标线7的横向距离偏差ed1、AGV车体与导引标线7的姿态角偏差eθ，并根据车体运动的角速度ω和线速度v，采用上述式(2)进行AGV的全局位姿估计。
5)在区域通行导航过程中，通过车体前侧的障碍物传感器5测量计算障碍物轮廓相对于AGV的径向距离和方位角并根据车体侧向边界到导引标线7的横向距离偏差ed1，采用式(4)计算障碍物轮廓边界与两侧导引标线7之间的可通行区域宽度BP，其中WA为AGV车体的宽度；当通行区域宽度BP大于预设值BPmin，AGV即可从无障碍区域通行而避开障碍物；
式(4)如下：
6)在区域通行导航过程中，当多台AGV在单向运行道路上串行同向按序行驶时，根据估计的AGV全局位姿，保持AGV的行驶轨迹始终位于当前运行车道；当多台AGV在双向运行道路上并行同向超车行驶时，优先级低的AGV占据右侧运行车道，以低速行驶，优先级高的AGV更换到左侧运行车道，以高速超车；当多台AGV在双向运行道路上并行反向会车行驶时，每台AGV占据各自前进方向的右侧运行车道，以中速行驶进行会车。
7)在区域通行导航过程中，若侧向摄像机1视野内检测到定位标识8，并输出到导引控制器6，通过图像处理，测量AGV中心相对于定位标识8的纵向距离偏差eL，并根据车载电子地图中多个定位标识8之间的已知位置关系，间接推算当前进入视野范围内的定位标识8所对应的射频标签9的节点类型TP、节点编号NP、全局位置
和绝对方向角采用上述式(1)估计AGV的全局位置
和绝对姿态角
并及时发现将要停车进行装卸作业的工位节点或圆弧导引标线前方的里程节点，AGV不断减小车体侧向边界到导引标线7的横向距离偏差ed1以趋近导引标线7，从区域通行导航模式向路径跟踪导引切换。
8)在导引标线7移出侧向摄像机1的视野范围但还未进入中心摄像机2的视野范围这段过渡过程，与步骤3)同理，当导引标线7进入中心摄像机2的视野范围，此时区域通行导航切换为路径跟踪导引。
9)在路径跟踪导引过程中，通过导引控制器6对连续的导引标线7进行图像处理，不间断测量车体中心到导引标线7的距离ed2、AGV车体与导引标线7的姿态角eθ；通过导引控制器6对离散的定位标识8进行图像处理，间隔测量AGV中心相对于定位标识8的局部位置YL；通过射频读卡器3读取离散的射频标签9内的编码信息，间隔获取工位节点和里程节点的全局位置和绝对方向角
根据以上导引信息，AGV的路径跟踪导引可完成以下任务：(a)跟踪圆弧路径进行转弯：通过路径跟踪完成AGV从一条导引标线向相邻侧的另一条导引标线的圆弧转弯运动；(b)工位节点停车：通过目标定位完成AGV减速停止于需要进行装卸操作的工位节点。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，包括：倾斜向下安装于车体两侧的侧向摄像机、垂直向下安装于车体中心的中心摄像机、安装于车体底部的射频读卡器、安装于车体顶部的惯性测量单元、安装于车体前侧的障碍物传感器、以及与上述各部件的信号输出端进行电连接的导引控制器；
所述侧向摄像机用于识别并测量车体两侧较远位置处的导引标线和定位标识；
所述中心摄像机用于识别并测量车体正下方位置处的导引标线和定位标识；
所述射频读卡器用于识别导引标线上的射频标签；
所述惯性测量单元用于测量车体运动的角加速度、角速度、线加速度和线速度；
所述障碍物传感器用于测量障碍物的距离点云数据；
所述导引控制器内存储有AGV运行环境的数字地图，通过采集上述各部件的输出信息，计算AGV的位置和姿态、障碍物的轮廓和距离、以及AGV导航的运行路径和定位目标点信息；
在AGV运行区域两侧边界布置导引标线，所述导引标线作为限定AGV运行区域的边界线，即AGV只能在两侧导引标线的中间区域进行导航运动；所述导引标线还作为描述AGV跟踪目标路径的指引线，即AGV能够跟踪导引标线所描述的目标路径进行导引运动。
2.根据权利要求1所述的基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，所述侧向摄像机安装于车体左右两侧，并与水平地面成一定倾角，其视野下侧边界与车体侧向边界平行，且上述两边界间的距离S通过改变侧向摄像机的安装高度和倾角来调节；当导引标线和定位标识位于上述视野上侧边界和下侧边界之间时，侧向摄像机采集导引标线和定位标识的有效图像，并输出给导引控制器，用于测量车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL。
3.根据权利要求1所述的基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，所述中心摄像机垂直向下安装于车体中心，所述射频读卡器安装于车体底部、处于车体纵向中心线上、且位于中心摄像机的前方；所述中心摄像机的视野左侧、右侧边界与车体侧向边界平行，所述视野左侧、右侧边界的视野宽度WV通过改变中心摄像机的安装高度来调节；当导引标线和定位标识位于上述视野左侧边界和右侧边界之间时，中心摄像机采集导引标线和定位标识的有效图像，并输出给导引控制器，用于测量车体中心到导引标线的横向距离偏差ed2、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL；射频读卡器读取导引标线上射频标签内的编码信息，并输出给导引控制器，用于计算AGV位于电子地图上的全局位置和绝对姿态角
4.根据权利要求1所述的基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，所述惯性测量单元固定安装于车体顶部，随AGV共同运动时测量车体运动的角加速度α、角速度ω、线加速度a和线速度v，并输出给导引控制器，用于估算车体相对于上一个全局位置的当前全局位置相对于上一个绝对姿态角的当前绝对姿态角
5.根据权利要求1所述的基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，所述障碍物传感器安装于车体前侧，测量AGV前进方向上障碍物的距离点云数据，并输出给导引控制器，用于计算障碍物轮廓相对于AGV的径向距离和方位角
再根据侧向摄像机测量的车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1，计算障碍物轮廓边界与两侧导引标线之间的通行区域宽度BP。
6.一种基于多目视觉和惯导的地标布局方法，其特征在于，包括步骤如下：
在AGV运行区域两侧边界布置导引标线，所述导引标线作为限定AGV运行区域的边界线，即AGV只能在两侧导引标线的中间区域进行导航运动；所述导引标线还作为描述AGV跟踪目标路径的指引线，即AGV能够跟踪导引标线所描述的目标路径进行导引运动；两条导引标线及其中间所围区域定义为区域运行道路，根据道路宽度、AGV宽度及安全距离设置若干运行车道，每个区域运行道路至少包含一条运行车道；仅有一条运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为单向运行道路，多台AGV在单向运行道路上串行同向按序行驶；包含两条及以上运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为双向运行道路，多台AGV在双向运行道路上分别占据不同运行车道，既能够并行同向超车行驶，也能够并行反向会车行驶；当两条区域运行道路交叉时，一条区域运行道路一侧的导引标线与另一条区域运行道路相邻侧的导引标线通过圆弧标线过渡连接。
7.根据权利要求6所述的基于多目视觉和惯导的地标布局方法，其特征在于，在AGV运行路径上定义多个离散的路径节点，所述路径节点包括工位节点和里程节点，工位节点表示AGV进行装卸操作的移载位置，里程节点表示运行路径上的参考点在电子地图的绝对位置和方向角，路径节点之间的距离根据地图构建需求灵活设置；路径节点通过在导引标线上布置位置重合的定位标识和射频标签来表示，射频标签位于导引标线上方的中心线上，记录节点类型TP、节点编号NP、全局位置
绝对方向角
绝对方向角
的测量基准线与导引标线的切线平行；定位标识位于射频标签上方且两者的中心位置重合、测量基准线平行，通过摄像机测量AGV相对于定位标识的横向距离偏差ed1或ed2、姿态角偏差eθ和纵向距离偏差eL。
8.一种基于多目视觉和惯导的导引方法，其特征在于，包括步骤如下：
在两侧导引标线的中间区域所进行的区域通行导航以及跟随一侧导引标线所进行的路径跟踪导引；所述路径跟踪导引是AGV通过车体中心垂直向下安装的中心摄像机和车体底部前方的射频读卡器，近距离跟随导引标线、测量定位标识和识别射频标签进行路径跟踪控制、目标定位控制和全局位姿估计；所述路径跟踪控制是在AGV运行过程中，通过不断消除车体中心到导引标线的横向距离偏差ed2和AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ，使AGV车体位于导引标线上且车体朝向沿导引标线的切线方向；所述目标定位控制是在AGV减速停止过程中，通过不断消除车体中心到导引标线的横向距离偏差ed2、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ和AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL，使AGV停止后车体中心位于定位标识上且车体朝向沿导引标线的切线方向；所述全局位姿估计是根据射频标签在电子地图上的全局位置
和绝对方向角
计算AGV的全局位置
和绝对姿态角
当定位标识位于中心摄像机的视野范围内时：
当定位标识移出中心摄像机的视野范围后，AGV以线速度v运行时间t时：
9.根据权利要求8所述的基于多目视觉和惯导的导引方法，其特征在于，所述区域通行导航是AGV通过车体两侧倾斜向下安装的侧向摄像机和车体顶部的惯性测量单元，在两侧导引标线的中间区域远距离测量导引标线和定位标识，根据数字地图中多个定位标识之间的已知位置关系，间接推算当前进入视野范围内的定位标识所对应的射频标签的全局位置和绝对方向角
并根据车体运动的角速度ω和线速度v进行AGV的全局位姿估计，当导引标线和定位标识位于侧向摄像机的视野范围内时采用式(1)进行估计；当导引标线位于侧向摄像机的视野范围内而定位标识移出后，AGV以线速度v运行时间t时采用式(2)进行估计；当导引标线和定位标识都移出侧向摄像机的视野范围后，AGV以角速度ω和线速度v运行时间t时采用式(3)进行估计；
通过车体前侧的障碍物传感器测量计算障碍物轮廓相对于AGV的径向距离和方位角
并根据车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1，计算障碍物轮廓边界与两侧导引标线之间的通行区域宽度BP，其中WA为AGV车体的宽度；当通行区域宽度BP大于预设值BPmin，导引控制器根据当前全局位姿进行轨迹规划，计算AGV绕开障碍物的目标运行轨迹，并控制AGV跟踪该目标轨迹行驶，从而使AGV由无障碍区域通行而避开障碍物；
当多台AGV在单向运行道路上串行同向按序行驶时，根据估计的AGV全局位姿，保持AGV的行驶轨迹始终位于当前运行车道；根据障碍物传感器测量的相对于前一台AGV的径向距离和方位角，控制当前AGV的行驶速度，保持与前一台AGV具有足够的安全距离；
当多台AGV在双向运行道路上并行同向超车行驶时，对于参与超车的两台AGV，根据估计的AGV全局位姿，优先级低的AGV占据右侧运行车道，以低速行驶，优先级高的AGV更换到左侧运行车道，以高速超车；在超车过程中，根据障碍物传感器测量的后一台AGV相对于前一台AGV的径向距离和方位角，控制两台AGV具有足够的安全距离和角度；
当多台AGV在双向运行道路上并行反向会车行驶时，对于参与会车的两台AGV，根据估计的AGV全局位姿，每台AGV占据各自前进方向的右侧运行车道，以中速行驶进行会车；在会车过程中，根据障碍物传感器测量的两台反向行驶的AGV的径向距离和方位角，控制两台AGV具有足够的安全距离和角度。
10.根据权利要求9所述的基于多目视觉和惯导的导引方法，其特征在于，AGV的初始导航模式为路径跟踪导引，采用中心摄像机近距离跟随导引标线并通过射频读卡器读取射频标签的全局位置和绝对方向角利用式(1)或式(2)完成初始全局定位；在AGV运行过程中路径跟踪导引与区域通行导航两种模式相互切换，当AGV需要在空间较大、距离较长的区域运行路径中灵活、快速地行驶时，AGV偏离当前的导引标线并向其内侧的中间区域运动，在导引标线移出中心摄像机的视野范围但还未进入侧向摄像机的视野范围这段过渡过程，采用式(3)估计AGV的全局位置
和绝对姿态角
继续偏离当前的导引标线直至导引标线进入侧向摄像机的视野范围，此时路径跟踪导引切换为区域通行导航；在区域通行导航过程中，AGV根据数字地图中多个定位标识之间的已知位置关系，间接推算当前进入视野范围内的定位标识所对应的射频标签的节点类型TP和节点编号NP，及时发现将要停车进行装卸作业的工位节点或圆弧导引标线前方的里程节点，AGV不断减小车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1以趋近导引标线，在导引标线移出侧向摄像机的视野范围但还未进入中心摄像机的视野范围这段过渡过程，采用式(3)估计AGV的全局位置
和绝对姿态角
继续趋近当前的导引标线直至导引标线进入中心摄像机的视野范围，此时区域通行导航切换为路径跟踪导引，通过路径跟踪完成AGV从一条导引标线向相邻侧的另一条导引标线的圆弧转弯运动，并通过目标定位完成AGV减速停止于需要进行装卸操作的工位节点。
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