CN107421518A - 一种无轨导航agv自动进出货车方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无轨导航AGV自动进出货车方法，所述方法包括：AGV根据激光反射板定位行驶进入定位方式转换区域；AGV获取货车车厢的轮廓信息并建立局部离线地图；AGV在所述货车车厢的轮廓信息和局部离线地图的基础上通过激光扫描进入货车并在货车内部进行定位，操作物料托盘；其结合全局激光地图与离线构建局部激光地图的各处优势，解决集装箱中货物装卸自动化的问题；且无需对集装箱进行改造，对国内目前集装箱及货车的使用状态，较为匹配。
Description
技术领域
本发明涉及无轨导航AGV领域，特别涉及一种无轨导航AGV自动进出货车方法。
背景技术
随着工业自动化的发展，企业对工厂自动化提出了更高的要求。目前国内物流搬运环节大部分中，针对大型货物及集装箱中货物的装卸，仍旧采用人力或驾驶员使用叉车进行搬运，其环节耗费的时间及人力成本较大，且效率低下。目前国内的导航算法方面仅适用于使用场景较为固定的场合，约束条件较多，无法进行大范围使用；且随着国内人口红利消失，人力成本大为上升，此环节的问题越来越突出。而国外有直接进行货车改造类的情况，但其成本较高，且仅适用于大集团公司，其普及性较差。
因此，为解决现有技术中对大型货物及集装箱中货物的装卸的不适应问题，便于企业日常物料搬运，提高物流搬运效率，降低人力与引入成本。故本发明将提出一种无轨导航AGV自动进出货车与定位操作物料托盘方法。
自动导航车(Automated Guided Vehicles，AGV)又称为无人搬运车，最早出现于20世纪50年代，是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备，属于移动式机器人系统，能够沿着预先设定的路径行驶，是现代化工业自动化物流系统的重要设备。不仅如此，在军事以及危险场所，以AGV的自动驾驶为基础继承其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷、阵地侦查和危险环境作业。
AGV的导引方式决定了由其组成的物流系统的柔性和系统运行时的可靠性，随着科学技术的发展，AGV的导引方式也多种多样，根据AGV导引线路的形式，可分为固定路径导引方式和自由路径导引方式。固定路径导引方式其成本较低，定位精度较高，也比较稳定可靠，但路径被限制，对现场环境要求较高；自由路径导引方式其路径变换灵活，柔性好，对现场环境的要求较低，但其定位精度受所用设备及导航控制算法的影响，致使在与固定路径导引方式同等的定位精度，其AGV的造价更高。
AGV主要有导向模块，行走模块，导向传感器，微处理器、通讯装置、移载装置和蓄电池组成。其中，导向传感器是AGV中感知路径、控制行走路径的关键模块，它的灵敏度及灵活性很大程度上决定了AGV小车的工作效率。目前，常用的导向传感方式一般为激光导航方式、光学导航方式、磁带导航方式、视觉导航方式和电磁感应导航方式。
电磁感应导航方式在于导引线隐蔽，不易污染和破损，原理简单可靠，成本低；然而其导引路径的复杂度有限，且扩充或更改战线十分麻烦，缺少灵活性。
光学导航方式是通过在行走路径上涂漆或粘贴色带，由光学传感器采入色带图像信号进行简单识别和处理来实现导引；其导航路径设置较为灵活，但对色带污染与损害很敏感，易受现场环境限制。
磁带导航方式在于其磁带铺设相对简单，更改导引路径也比较容易，但易被污染，易受外界环境的限制，适用于环境较好的条件。
激光导航方式其优势在于柔性好，无需对地面进行任何处理，路径变换灵活方便，适用于各种现场环境，能够方便快捷的修改运动参数及行驶路径，但其控制及导航算法最为复杂，定位精度取决于激光头及算法，致使AGV的造价成本较高。
视觉导航方式其典型优势在于AGV造价低，获取的信息量大，可构建全景的三维地图，可实现全自动导航，然而其受现场光线影响较大，信息处理大，当前硬件设备难于满足其实时性要求，且图像处理算法为尚未成熟。
对于需要进行大型货物及集装箱中货物的装卸的工作环节，其需要与货车进行配合；上述中的电磁感应、光学导航及磁带导航方式均不适用；而视觉导航类对于集装箱内的环境有所要求，如灯光条件等，因此，需要对集装箱进行改造，不适用于目前国内对于货车的使用状况，且其算法方面仍较不成熟；因此，目前只有激光导航类适用，但仍未有相关的算法提出。
专利申请(CN 105867389 A)描述的是一种AGV小车混合激光导航方法，其优点在于适应末端定位精度要求高及运行路径灵活，其采用在末端高精度要求区域(可理解为未知地图区域，无法构建地图区域或WIFI未能覆盖区域)采用磁带导航，在运行途中，由于对精度的要求较低，故使用无反射板激光导航；该方法可实现灵活、对环境改造小且精确的物料定位。
专利申请(CN 104729500 A)描述的是一种激光导航AGV的全局定位方法，包括AGV在环境地图中的方向及位置；其中，首先读取安装在AGV本体上的软盘数据来确定方向信息；其次，利用激光雷达探测到的路标信息，采用Markov方法来确定位置信息。
专利申请(CN 103777637 A)描述的是一种无反射激光自主导航AGV小车及其导航方法，无需在运行环境中安装反射板，便可实现激光导航AGV的定位和避障；其组成系统包括激光扫描仪、小车主体、上位机系统、下位机系统、执行机构和输入输出装置，激光扫描仪与上位机系统电连接，上位机系统与下位机系统电连接，输入输出装置与下位机系统连接，执行机构可转动地连接在小车主体的下方，执行机构用于驱动无反射板激光自动导航AGV小车运行。
对于专利申请(CN 105867389 A)描述的一种AGV小车混合激光导航方法，由于其使用激光与磁带混合导航方式，其中磁带导航不适用于集装箱环境，即使修改为光学导航，仍需对集装箱进行改造，故此，考虑到国内目前货车的使用状态，其施工成本高且难度大。
对于专利申请(CN 104729500 A)描述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其主要是用于确定AGV在环境地图中的全局方向及位置，并无局部未知区域AGV离线局部地图的处理方法，不适用于集装箱中货物的装卸环节；或者将集装箱也接入全局环境地图，如此的话，其需要对集装箱进行改装，考虑到国内目前货车的使用状态，其施工成本高且难度大。
对于专利申请(CN 103777637 A)描述的一种无反射激光自主导航AGV小车及其导航方法，采用单激光扫描环境构建地图的方法进行导航，对比于传统基于反射板激光导航方式与多激光导航而言，其对现场环境的要求及算法进一步降低，但其路径规划严重依赖于马达编码器与陀螺仪，其导航及控制算法的复杂度过高，且不适用于含有未知区域或者需要对货车进行改装，使之集成在全局地图中，依旧导致施工成本高及难度大的特点。
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种无轨导航AGV自动进出货车与定位操作物料托盘方法，其结合全局激光地图与离线构建局部激光地图的各处优势，解决集装箱中货物装卸自动化的问题；且无需对集装箱进行改造，对国内目前集装箱及货车的使用状态，较为匹配。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种无轨导航AGV自动进出货车方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种无轨导航AGV自动进出货车方法，所述方法包括：
AGV根据激光反射板定位行驶进入定位方式转换区域；
AGV获取货车车厢的轮廓信息并建立局部离线地图；
AGV在所述货车车厢的轮廓信息和局部离线地图的基础上通过激光扫描进入货车并在货车内部进行定位，操作物料托盘。
进一步地，所述获取货车车厢的轮廓信息包括：
AGV在定位方式转换区域内，记录激光反射板定位方式获取的AGV当前位于世界坐标系的位姿；
AGV对其激光头获取的激光数据点进行直线特征提取，基于货车的矩形外形的约束前提，进行轮廓提取修正，得到货车车厢的轮廓信息。
进一步地，所述激光数据包含了每个激光束相对于AGV激光传感器的距离和偏角，由此可得到每个激光点在AGV本体坐标系中的坐标，进而得到提取的直线特征在本体系中的坐标表示。
进一步地，所述建立局部离线地图包括：
以所述货车车厢轮廓的底部直线为y轴，其中点为原点，货车两边平行线中线为x轴，建立货车车厢坐标系，并基于该货车车厢坐标系建立货车车厢的局部离线地图。
进一步地，所述在货车内部进行定位包括：
以当前记录的AGV在车厢坐标系中的位姿作为起始点，在下一个周期计算AGV位姿时，首先通过AGV里程计计算得到初估计位姿，然后基于初估位姿利用激光扫描数据与所述车厢轮廓的局部离线地图进行扫描匹配，获得精确估计的车厢坐标系下AGV的位姿。
进一步地，所述方法还包括：
当所述AGV完成操作返回定位方式转换区域后，改为由激光反射板定位方式进行定位。
本发明实施例提供一种无轨导航AGV自动进出货车方法，所述方法包括：AGV根据激光反射板定位行驶进入定位方式转换区域；AGV获取货车车厢的轮廓信息并建立局部离线地图；AGV在所述货车车厢的轮廓信息和局部离线地图的基础上通过激光扫描进入货车并在货车内部进行定位，操作物料托盘；其结合全局激光地图与离线构建局部激光地图的各处优势，解决集装箱中货物装卸自动化的问题；且无需对集装箱进行改造，对国内目前集装箱及货车的使用状态，较为匹配。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种无轨导航AGV自动进出货车方法流程图；
图2是本发明实施例提供的叉车与货车相对定位示意图；
图3是本发明实施例提供的激光扫描匹配精确定位叉车位姿示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种无轨导航AGV自动进出货车方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101，AGV根据激光反射板定位行驶进入定位方式转换区域；
步骤102，AGV获取货车车厢的轮廓信息并建立局部离线地图；
步骤103，AGV在所述货车车厢的轮廓信息和局部离线地图的基础上通过激光扫描进入货车并在货车内部进行定位，操作物料托盘。
进一步地，所述获取货车车厢的轮廓信息包括：
AGV在定位方式转换区域内，记录激光反射板定位方式获取的AGV当前位于世界坐标系的位姿；
AGV对其激光头获取的激光数据点进行直线特征提取，基于货车的矩形外形的约束前提，进行轮廓提取修正，得到货车车厢的轮廓信息。
进一步地，所述激光数据包含了每个激光束相对于AGV激光传感器的距离和偏角，由此可得到每个激光点在AGV本体坐标系中的坐标，进而得到提取的直线特征在本体系中的坐标表示。
进一步地，所述建立局部离线地图包括：
以所述货车车厢轮廓的底部直线为y轴，其中点为原点，货车两边平行线中线为x轴，建立货车车厢坐标系，并基于该货车车厢坐标系建立货车车厢的局部离线地图。
进一步地，所述在货车内部进行定位包括：
以当前记录的AGV在车厢坐标系中的位姿作为起始点，在下一个周期计算AGV位姿时，首先通过AGV里程计计算得到初估计位姿，然后基于初估位姿利用激光扫描数据与所述车厢轮廓的局部离线地图进行扫描匹配，获得精确估计的车厢坐标系下AGV的位姿。
进一步地，所述方法还包括：
当所述AGV完成操作返回定位方式转换区域后，改为由激光反射板定位方式进行定位。
本发明实施例提供一种无轨导航AGV自动进出货车方法，所述方法包括：AGV根据激光反射板定位行驶进入定位方式转换区域；AGV获取货车车厢的轮廓信息并建立局部离线地图；AGV在所述货车车厢的轮廓信息和局部离线地图的基础上通过激光扫描进入货车并在货车内部进行定位，操作物料托盘；其结合全局激光地图与离线构建局部激光地图的各处优势，解决集装箱中货物装卸自动化的问题；且无需对集装箱进行改造，对国内目前集装箱及货车的使用状态，较为匹配。
实施例二
本发明实施例提供了一种无轨导航AGV自动进出货车方法，如图2至图3所示，以激光叉车式AGV为例进行详细阐述：
为了使叉车能够准确的进入货车车厢并装卸货物，需确定叉车与货车车厢的位置相对关系，整个叉车与货车相对位置检测方案流程如附图1所示。在解决方案中，为了使得方案可靠稳定，我们需对相关场景条件进行约束如下：
1)货车车厢为矩形，且车厢内货物高度合理，使得叉车顶部激光设备能够稳定获取车厢的顶部内轮廓；
2)货车每次停靠在接驳平台前方的固定位置，叉车所安装的激光传感器能够获取扫描点的距离和反射能量强度信息。
叉车依据激光反射板定位行驶进入定位方式转换区域(附图2中虚线圆圈所划定范围)，记录激光反射板定位方式获取的叉车当前位于世界坐标系的位姿与此同时，对叉车激光头获取的激光数据点进行直线特征提取，基于货车的矩形外形的约束前提，进行轮廓提取修正，得到货车车厢的轮廓线。
其中激光数据包含了每个激光束相对于叉车激光传感器的距离和偏角，由此可得到每个激光点在叉车本体坐标系xcOcyc中的坐标，进而得到提取的直线特征在本体系中的坐标表示。以货车车厢轮廓的底部直线为y轴，其中点为原点，货车两边平行线中线为x轴，建立货车车厢坐标系xhOhyh(如图2所示)，并基于车厢坐标系建立车厢轮廓的局部地图。
由叉车当前位姿可以求得世界坐标系xwOwyw到叉车当前时刻本体系xcOcyc的变换Twc为
假定由激光数据求取的货车车厢坐标系原点在当前时刻叉车本体系的坐标为可得当前叉车本体系到车厢坐标系的变换Tch为
可以求得当前叉车在货车车厢坐标系中的位姿其中：
同时也可以得到世界坐标系到货车车厢坐标系的变换Twh为
Twh＝Rwc*Tch
此时，得到了世界坐标系、当前叉车本体系以及货车车厢坐标系三者之间的坐标变换关系，叉车AGV位置均可在三者中表示及相互变换。
将叉车的定位参考系由世界坐标系变换为货车车厢坐标系，确定叉车与货车车厢的相对位置，方便进行取货移动操作。以当前记录的叉车在车厢坐标系中的位姿作为起始点，在下一个周期计算叉车位姿时，首先通过叉车里程计计算得到初估计位姿然后基于初估位姿利用激光扫描数据与之前建立的车厢轮廓局部地图进行扫描匹配(如附图3所示)，获得精确估计的车厢坐标系下叉车位姿同时可以根据世界坐标系到货车车厢坐标系的变换矩阵Twh，得到对应的世界坐标系下的叉车位姿
如此，在位姿计算周期频率内即可不断地得到叉车相对货车车厢的位置姿态以及在整个世界坐标系中的位姿。当叉车完成取货，离开货车车厢返回接驳平台，当进入定位方式转换区域后，改为由激光反射板定位方式进行定位，完成一次取货任务。
本发明实施例提供一种无轨导航AGV自动进出货车方法，所述方法包括：AGV根据激光反射板定位行驶进入定位方式转换区域；AGV获取货车车厢的轮廓信息并建立局部离线地图；AGV在所述货车车厢的轮廓信息和局部离线地图的基础上通过激光扫描进入货车并在货车内部进行定位，操作物料托盘；其结合全局激光地图与离线构建局部激光地图的各处优势，解决集装箱中货物装卸自动化的问题；且无需对集装箱进行改造，对国内目前集装箱及货车的使用状态，较为匹配。
Claims (6)
1.一种无轨导航AGV自动进出货车方法，其特征在于，所述方法包括：
AGV根据激光反射板定位行驶进入定位方式转换区域；
AGV获取货车车厢的轮廓信息并建立局部离线地图；
AGV在所述货车车厢的轮廓信息和局部离线地图的基础上通过激光扫描进入货车并在货车内部进行定位，操作物料托盘。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取货车车厢的轮廓信息包括：
AGV在定位方式转换区域内，记录激光反射板定位方式获取的AGV当前位于世界坐标系的位姿；
AGV对其激光头获取的激光数据点进行直线特征提取，基于货车的矩形外形的约束前提，进行轮廓提取修正，得到货车车厢的轮廓信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光数据包含了每个激光束相对于AGV激光传感器的距离和偏角，由此可得到每个激光点在AGV本体坐标系中的坐标，进而得到提取的直线特征在本体系中的坐标表示。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立局部离线地图包括：
以所述货车车厢轮廓的底部直线为y轴，其中点为原点，货车两边平行线中线为x轴，建立货车车厢坐标系，并基于该货车车厢坐标系建立货车车厢的局部离线地图。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在货车内部进行定位包括：
以当前记录的AGV在车厢坐标系中的位姿作为起始点，在下一个周期计算AGV位姿时，首先通过AGV里程计计算得到初估计位姿，然后基于初估位姿利用激光扫描数据与所述车厢轮廓的局部离线地图进行扫描匹配，获得精确估计的车厢坐标系下AGV的位姿。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述AGV完成操作返回定位方式转换区域后，改为由激光反射板定位方式进行定位。
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