CN107037400A - 一种应用天线阵列的高精度agv定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用天线阵列的高精度AGV定位方法，在路面上沿路线等距离布置若干磁钉，并对磁钉按序编码；在AGV的底盘上首尾安装两组天线阵列，在沿AGV前进方向与垂直于AGV行进方向各一组，形成二维天线阵列；AGV在磁钉上方沿路线行驶，由二维天线阵列同时接收单个磁钉发送的电磁波信号；将二维天线阵列表示为横向和纵向两个方向，再分别求得电磁波信号到达横向和纵向天线阵列的角度，利用这两个角度求得磁钉与AGV的相对位置，实现对AGV的精确定位。本发明提供能够在港口、码头等有较多障碍遮挡的室外环境下，实现AGV的高精度定位；可以忽略障碍物对信号传播的影响，结构简单，成本较低，且定位精度极大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用多天线阵列进行路标磁钉信息的探测，基于到达角(Direction of Arrival，DOA)来确定AGV位置的定位方法，属于港口码头自动导引车(AutoGuided Vehicle，AGV)的精准定位技术领域。
背景技术
AGV是一种在计算机和局域网控制下沿程序预定路线自动运行的运输工具，在导航装置的导引下牵引载货台到指定地点。采用AGV可以实现码头堆场等的自动装卸和无人驾驶搬运。AGV的导引方式对其性能起着关键性的作用，在上世纪80年代初期之前，埋线电磁感应方式始终是AGV的主要引导技术。随着电子技术的发展，新的导引技术也不断的被研究和推广。
目前，AGV的导航方式主要可以分为固定路径法和自由路径法两种，其中固定路径法以磁导航技术为代表，通过预先埋设导线，通电后感应AGV运行方向是否偏离，若发生偏离则对其进行路径纠正。固定路径法的路线固定，路径更改和扩充不方便且维护性很差，因此在现代港口中应用渐少。而自由路径法主要包括激光定位导航法、视觉定位导航法、毫米波雷达法、惯性导航系统以及全球定位系统(Global Position System，GPS)等。
采用上述导航方式的AGV多应用在室内，在港口、码头等室外环境下，并不是特别适用。其中，激光定位导航法(Laser Navigation)基于三角测量原理，将反射路标布置在可能行经的路径周围，AGV上安装激光发生器，激光发生器在无刷直流电机带动下360°旋转，扫描周围的路标，通过计数的方式获得3个及以上路标的角度信息，然后采用匹配算法、定位算法和优化算法得到小车的位姿。该方法精度高，但易受外界天气(光线)影响，需要安装大量的反射路标，因此限制了该方法在港口的应用。
视觉定位导航法(Machine Vision Navigation)通过视觉图像处理的方法提供导引。视觉导航具有柔性极高、适用于各种不同场景、定位精度高等优点，是一种非常有潜力的导航方式。但在目前阶段，该系统成本高，系统复杂，受图像传感器的影响较大，尚未在港口应用。
惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)是一种相对定位法，在车上安装陀螺仪之类的传感器精确获取小车的方向和速度，当起点位置坐标已知时，由传感器数据计算出小车的位置。该系统具有简单灵活、成本低且实时性好等特点，缺点是由于各种原因造成误差累积，长时间运行可导致精度完全丧失。
全球定位系统(Global Position System)是通过导航卫星实现定位的无线导航系统，由空间、地面监控和用户接收机三大部分组成，可实现全能性(海洋、陆地、航空、航天)、全球性、全天候、连续性和实时性导航与定位功能。但是，普通用户只能使用GPS提供的标准定位服务(SPS)，SPS精度在水平面上为±10m (95％的置信度)，离AGV定位的精度要求0.03～0.1m仍相差甚远。毫米波雷达法(Millimeter Wave Radar，MMWR)通过在AGV车上安置毫米波雷达，工作时雷达旋转寻找安装在已知位置的信标，利用信标的相对位置信息确定并不断更新AGV的位姿。该方法导航精度可达±0.1m，缺点是价格较贵，需安装大量信标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何提高导航定位系统的精度，同时简化其结构，降低其成本。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种应用天线阵列的高精度AGV定位方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：在路面上沿路线等距离布置若干磁钉，并对磁钉按序编码；在AGV 的底盘上首尾安装两组天线阵列，在沿AGV前进方向与垂直于AGV行进方向各一组，形成二维天线阵列；
步骤2：AGV在磁钉上方沿路线行驶，由二维天线阵列同时接收单个磁钉发送的电磁波信号；
步骤3：将二维天线阵列表示为横向和纵向两个方向，再分别求得电磁波信号到达横向和纵向天线阵列的角度，利用这两个角度求得磁钉与AGV的相对位置，实现对AGV的精确定位。
优选地，在三维空间中，AGV的定位包括三个参数(x,y,z)，即横向x、纵向y以及高度z，其中，高度z是指AGV天线阵列所在平面的高度与磁钉的垂直距离h，在确定的AGV系统中，h是一个固定值，因此，只需估计并确定AGV 与磁钉间横向x及纵向y的相对位置即可，从而将原始的三维定位问题转换为二维定位问题。
优选地，所述步骤3的具体方法为：
步骤3.1：以磁钉作为坐标原点，建立三维直角坐标系，假设AGV高度与天线阵列相同；设纵向天线阵列的长度为D，对于确知的天线阵列D为一常数；
步骤3.2：采用DOA估计算法计算得到天线阵列首尾接收信号的到达角；
步骤3.3：利用天线阵列得到的到达角，得到半径为r、高为D的圆柱体，该圆柱体圆柱面上平行于y轴的直线都满足与磁钉的夹角关系，该圆柱体与天线阵列所在的水平面存在两条交线段，其中一条即为所要确定的天线阵列；
步骤3.4：对于两条相交线段的选取，根据陀螺仪进行天线阵列绝对位置的确定，从而判断出真实的天线坐标，实现对AGV的精确定位。
优选地，所述两组天线阵列根据各自与磁钉的相对位置进行对比，采用与磁钉夹角较大的一组天线阵列作为工作天线，在AGV行进过程中，两组天线交替工作，互为补充，保证高定位精度的实现。
本发明利用天线阵列获取磁钉信号到达各个天线的到达角信息，从而获得磁钉的位置信息，并利用磁钉与AGV的相对位置，进行AGV定位。通过本发明提供的方法，能够在在港口、码头等有较多障碍遮挡的室外环境下，实现AGV 的高精度定位。该定位方法相比激光定位方式，可以忽略障碍物对信号传播的影响；与GPS定位相比，可以减少基站数量，简化系统结构，降低成本；同时，本方法的定位精度相比以往定位方法均得到极大提高。
附图说明
图1为阵列天线与磁钉位置示意图；
图2为角度定位三维示意图；
图3为24根天线阵列到达角估计分组示意图；
图4为小组内天线阵列接收信号到达角；
图5为角度估计结果；
图6为24根天线阵列三维坐标示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一、定位原理概述
AGV车辆在磁钉(Transponder)上方沿路线行驶，由24+40交叉的天线阵列同时接收单个磁钉发送的信号，实现对磁钉编码信号的读取、AGV与行驶路径线性偏差值的计算以及发出“正在通过磁钉”的提示信息。
由于AGV车速较慢(6m/s)，因此无需考虑多普勒频移的影响，直接利用二维天线阵列估计得到电磁波的到达角(Direction of Arrive,DOA)，实现磁钉与 AGV的相对位置计算。
首先，将天线阵列表示为横向和纵向两个方向，再分别求得电磁波信号到达横向和纵向天线阵列的角度，利用这两个角度以及相应的几何运算，便可以求得 AGV与磁钉的相对位置，实现对AGV的精确定位。
二、AGV定位数学模型
在三维空间中，AGV的定位包括三个参数(x,y,z)，即横向(x)、纵向(y) 以及高度(z)，其中，高度(z)是指AGV天线阵列所在平面的高度与磁钉的垂直距离h，在确定的AGV系统中h是一个固定值，因此，只需估计并确定AGV 与磁钉间横向(x)及纵向(y)的相对位置即可，从而将原始的三维定位问题转换为二维定位问题。
在二维定位过程中，需要已知两个参数(x，y)，由于AGV与磁钉距离很近 (30cm左右)，若利用距离和角度在极坐标中进行坐标定位，定位精度不够高。因此，AGV利用多天线阵列接收信号的到达角进行精确定位。图1给出了该定位方法的三维示意图，其中横向为40根天线阵列，纵向为24根天线阵列，假设横向天线阵列的首尾到达角分别为α1、α2，则α1和α2可以在天线阵列所在平面上确定唯一的一条线段，并且根据已有参数计算出首尾天线的具体坐标，从而实现AGV的定位。纵向天线阵列的作用与横向天线阵列相同，在AGV行进过程中，根据磁钉T与AGV相对位置的变化，两组天线阵列互为补充，保证定位精度。
三、电磁波到达角估计方法—DOA(信号到达方向)估计算法
1、数学模型
本小节将给出如何获得角度信息的具体方法。这里只给出了24根天线阵列的角度信息获取过程，40根天线阵列的到达角可以用相同的方法获得。将24根天线每4根分成一组，一共分6组，如图2所示，其中P表示偏差。由于天线间距较小，因此可以假设在每组天线阵列中电磁波的到达角相同，并将其分别表示为θi(i＝0,1,…,5)，为了简化描述，只给出一个到达角的计算过程，其他到达角可以用相同方法计算得到，这里将该到达角表示为θ，天线间距为d，如图3所示。
将磁钉发送信号表示为向量s，天线阵列接收信号表示为Y＝[y0,y1,y2, y3]T，小组内天线阵列的导向矢量为
其中，c表示电磁波的传播速度，fc表示频率。则，接收信号可以表示为
Y＝ψ(θ)sT+N (2)
其中，N为零均值加性高斯白噪声，并且有为噪声协方差矩阵，其中为高斯白噪声的方差，I为单位矩阵。
可以得到接收信号Y的协方差矩阵RY＝ε{YYH}，并可以求得RY的特征值 (λ0≥λ1≥λ2≥λ3)以及相应的特征向量(v0,v1,v2,v3)。于是有如下等式成立
其中，所以Rs的非零特征值只有一个，将其定义为ζ，那么，RY的特征值可以求得为
进而有下式成立
RYvi＝λivi (6)
当i≥1时，上式左边为右边为所以有Rsvi＝0。
式(6)表明信号空间与噪声空间相互正交，因此可以用各噪声空间构成噪声矩阵D:
定义空间谱为
其中，表示小组内天线阵列对信号源的响应函数。分母为信号向量和噪声矩阵的内积，当a(θ)和D的各列正交时，该分母为0，但由于噪声的存在，它实际为一极小值，因此P(θ)有一尖峰。因此通过式(8)，当θ变化时，通过寻找空间谱的波峰便可以实现到达角θ的估计。 2、仿真结果
图4给出了上述过程得到的角度估计结果，仿真参数如下：信噪比(Signal toNoise Ratio,SNR)＝10dB，组内天线数为4，fc＝120kHz，接收信号长度为20。可以看出估计的角度值和真实的角度间误差较小，可以进行有效的到达角估计。图5为估计角度误差的绝对值与信噪比关系曲线图，可以看出当SNR>10dB时，角度估计偏差在0.1°以内。
同理，采用上述算法可获得所有分组天线阵列到达角θi(i＝0,1,…,5)的估计结果。
四、基于DOA的AGV定位算法
以磁钉作为坐标原点，建立三维直角坐标系，假设AGV高度与天线阵列相同，记为h。24根天线阵列与y轴平行，阵列长度记为D，对于确知的天线阵列来说D为一常数，则采用上文提出的DOA估计算法可以计算得到天线阵列首尾接收信号的到达角，分别记为α1和α2。仅由α1和α2的值，可以得到一个半径为r、高为D的圆柱体，其圆柱面上平行于y轴的直线都满足与磁钉的夹角关系，如图6所示，该圆柱体与天线阵列所在的水平面存在两条交线段，其中一条即为所要确定的天线阵列。对于两条线段的选取，需要根据陀螺仪进行天线阵列绝对位置的确定，从而判断出真实的天线(左侧)坐标。
根据图6可以得到以下关系：
则，圆柱体与z＝h平面联立可得：
将式(9)、式(10)代入式(11)，整理得到：
式(13)、式(14)即为天线阵列首尾坐标值，其中x坐标值关于原点对称，此时需要根据陀螺仪的指向将镜像天线阵列排除。
同理，可以采用相同的方法得到40根天线阵列的首尾坐标值，实现AGV 的定位。在具体的实现过程中，两组天线阵列根据各自与磁钉的相对位置进行对比，一般优先采用与磁钉夹角较大的一组天线阵列作为工作天线，在AGV行进过程中，两组天线交替工作，保证高定位精度的实现。
Claims (4)
1.一种应用天线阵列的高精度AGV定位方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：在路面上沿路线等距离布置若干磁钉，并对磁钉按序编码；在AGV的底盘上首尾安装两组天线阵列，在沿AGV前进方向与垂直于AGV行进方向各一组，形成二维天线阵列；
步骤2：AGV在磁钉上方沿路线行驶，由二维天线阵列同时接收单个磁钉发送的电磁波信号；
步骤3：将二维天线阵列表示为横向和纵向两个方向，再分别求得电磁波信号到达横向和纵向天线阵列的角度，利用这两个角度求得磁钉与AGV的相对位置，实现对AGV的精确定位。
2.如权利要求1所述的一种应用天线阵列的高精度AGV定位方法，其特征在于：在三维空间中，AGV的定位包括三个参数(x，y，z)，即横向x、纵向y以及高度z，其中，高度z是指AGV天线阵列所在平面的高度与磁钉的垂直距离h，在确定的AGV系统中，h是一个固定值，因此，只需估计并确定AGV与磁钉间横向x及纵向y的相对位置即可，从而将原始的三维定位问题转换为二维定位问题。
3.如权利要求1所述的一种应用天线阵列的高精度AGV定位方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
步骤3.1：以磁钉作为坐标原点，建立三维直角坐标系，假设AGV高度与天线阵列相同；设纵向天线阵列的长度为D，对于确知的天线阵列D为一常数；
步骤3.2：采用DOA估计算法计算得到天线阵列首尾接收信号的到达角；
步骤3.3：利用天线阵列得到的到达角，得到半径为r、高为D的圆柱体，该圆柱体圆柱面上平行于y轴的直线都满足与磁钉的夹角关系，该圆柱体与天线阵列所在的水平面存在两条交线段，其中一条即为所要确定的天线阵列；
步骤3.4：对于两条相交线段的选取，根据陀螺仪进行天线阵列绝对位置的确定，从而判断出真实的天线坐标，实现对AGV的精确定位。
4.如权利要求1～3任一项所述的一种应用天线阵列的高精度AGV定位方法，其特征在于：所述两组天线阵列根据各自与磁钉的相对位置进行对比，采用与磁钉夹角较大的一组天线阵列作为工作天线，在AGV行进过程中，两组天线交替工作，互为补充，保证高定位精度的实现。
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