CN107515605B - 一种基于超声波测距的agv小车导航方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波测距的AGV小车导航方法及系统，该方法包括步骤：S1.车载超声波模块(1)实时测量其与倾斜设置的导航挡板的垂直距离，并将测量结果发送至CPU模块(2)；S2.所述CPU模块(2)根据所述测量结果计算所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；S3.所述CPU模块(2)根据所述水平偏移距离计算方向校正数据，并将所述方向校正数据发送至驱动模块(3)；S4.驱动模块(3)根据所述方向校正数据调整AGV小车行驶方向。本发明成本低；无需人工维护；对地面、光线、能见度无要求，可无灯工作。

Description

一种基于超声波测距的AGV小车导航方法及系统
技术领域
本发明涉及AGV小车导航技术领域，尤其涉及一种基于超声波测距的AGV小车导航方法及系统。
背景技术
无人搬运车(Automated Guided Vehicle，简称AGV)，指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，工业应用中不需驾驶员的搬运车，以可充电之蓄电池为其动力来源。一般可透过电脑来控制其行进路线以及行为，或利用电磁轨道(electromagnetic path-following system)来设立其行进路线，电磁轨道黏贴于地板上，无人搬运车则依循电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。
常用的AGV导引方式有光学导航、电磁导航、磁带导航、激光导航、视觉导航和惯性导航，可分为车外预设路径法和非预设路径法两种。车外预设路径法指在工作区域铺设电磁导轨、色带等运行路径辅助引导装置的方法，如光学制导、电磁导航、磁带导航；非预设路径法是指不预先设定AGV的运行路径，在运行时通过坐标识别等技术进行路径的确定，如激光制导、惯性导航、视觉制导。
如申请号为CN201410448586.8的专利文献公开的“激光导航叉车型AGV小车”，该发明涉及一种激光导航叉车型AGV小车，包括车体、设置在车体底部且用以驱动车体移动的行走轮、设置在车体上以驱动行走轮运行的控制系统、以及设置在所述车体上的前叉，所述车体包括用以安装行走轮的底板、竖直设置在底板一侧的安装柱，所述激光导航叉车型AGV小车还包括设置在所述安装柱上的导航用激光传感器，所述导航用激光传感器与控制系统连接且所述控制系统根据所述导航用激光传感器控制行走轮运行。然而，激光导航缺点是制造成本高，对光线、地面、能见度等环境的要求相对苛刻。
又如申请号为201510522655.X的专利文献公开的“一种AGV激光磁带混合导航系统”，该发明公开了一种AGV激光磁带混合导航系统，包括AGV上位控制系统和AGV小车，所述AGV上位控制系统采用磁带导航与激光导航相结合的方式实现系统的导航，系统具体结构包括激光导航模块、激光磁带混合精确定位物料模块以及自动充电模块。激光导航缺点是制造成本高，对光线、地面、能见度等环境的要求相对苛刻。磁带导航中，磁带是被铺设在路面上的。因为磁带外露，会阻碍工厂内其他载运设备移动，且易受机械损伤和污染，导航的稳定性受环境影响较大，容易受周围金属物质的干扰。
发明内容
针对上述现有技术的现状，本发明所要解决的技术问题在于提供一种低成本的基于超声波测距的AGV小车导航方法及系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种基于超声波测距的AGV小车导航方法，包括步骤：
S1.车载超声波模块(1)实时测量其与倾斜设置的导航挡板的垂直距离，并将测量结果发送至CPU模块(2)；
S2.所述CPU模块(2)根据所述测量结果计算所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；
S3.所述CPU模块(2)根据所述水平偏移距离计算方向校正数据，并将所述方向校正数据发送至驱动模块(3)；
S4.驱动模块(3)根据所述方向校正数据调整AGV小车行驶方向。
进一步地，AGV小车的全部预定轨迹上方倾斜设置有连续的导航挡板。
进一步地，所述导航挡板水平高度相同，且倾斜角相同。
进一步地，步骤S2中，计算所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离通过以下公式计算：
x＝(y-h)/tanθ；
其中，AGV小车预设轨迹方向顺时针90度方向为正方向；
x为所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；
y为所述车载超声波模块(1)与导航挡板的实时垂直距离；
h为AGV小车沿预定轨迹行驶时车载超声波模块(1)与导航挡板的垂直距离；
θ为所述导航挡板的倾斜角。
进一步地，步骤S3之前，包括：设置预设偏移范围；
当水平偏移距离属于预设偏移范围内时，不需要进行方向校正；
当水平偏移距离超出所述预设偏移范围时，则需要进行方向校正。
进一步地，步骤S3之前，包括：判断所述水平偏移距离x是否超出预设偏移范围；
若是，则进入步骤S3。
进一步地，在步骤S4中，驱动模块(3)根据所述方向校正数据校正行驶方向，直到所述AGV小车的实时水平偏移距离属于预设偏移范围内。
一种基于超声波测距的AGV小车导航系统，包括AGV小车及多个导航挡板，所述AGV小车包括：车载超声波模块(1)、CPU模块(2)及驱动模块(3)；
所述车载超声波模块(1)用于实时测量其与倾斜设置的导航挡板的垂直距离，并将测量结果发送至CPU模块(2)；
所述CPU模块(2)用于根据所述测量结果计算所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；所述CPU模块(2)还用于根据所述水平偏移距离计算方向校正数据，并将所述方向校正数据发送至驱动模块(3)；
所述驱动模块(3)用于根据所述方向校正数据调整AGV小车行驶方向；
所述多个导航挡板倾斜设置于AGV小车的全部预定轨迹上方。
进一步地，所述CPU模块(2)还用于判断所述计算的水平偏移距离是否超出预设偏移范围；若是，则根据所述水平偏移距离计算方向校正数据。
进一步地，所述多个导航挡板水平高度相同，且倾斜角相同。
与现有技术相比，本发明优点在于：
(1)可广泛适用于普通AGV的导航，通过超声波传感器测距实现导航，相比激光导航成本低；
(2)用于导航的挡板悬挂于天花板上，相比磁带导航和光学导航方式不会出现磨损情况，无需人工维护；
(3)对地面、光线、能见度无要求，可无灯工作。
附图说明
图1为本发明实施例一中一种基于超声波测距的AGV小车导航方法流程图；
图2为本实发明施例二中一种AGV小车行驶以及导航挡板布置示意图；
图3为本发明实施例二中车载超声波模块与导航挡板的水平偏移距离的计算原理示意图；
图4为本发明实施例四中一种基于超声波测距的AGV小车导航系统结构图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明提供了一种基于超声波测距的AGV小车导航方法及系统，AGV小车在行驶时通过安装在车体上的车载超声波模块测出该车载超声波模块和导航挡板的垂直距离，根据测出的垂直距离换算成AGV小车的前进方向，判断AGV小车前进方向与预设轨迹方向的偏移量以实现导航。
AGV小车(Automated Guided Vehicle，简称AGV)指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，工业应用中不需驾驶员的搬运车，以可充电之蓄电池为其动力来源。一般可通过电脑来控制其行进路线以及行为，或利用电磁轨道(electromagnetic path-following system)来设立其行进路线，电磁轨道黏贴於地板上，无人搬运车则依靠电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。
以下为本发明具体实施例。
实施例一
图1为本实施例中一种基于超声波测距的AGV小车导航方法流程图，本实施例中一种基于超声波测距的AGV小车导航方法包括步骤：
S1.车载超声波模块(1)实时测量其与倾斜设置的导航挡板的垂直距离，并将测量结果发送至CPU模块(2)；
本步骤之前还包括：于AGV小车预定轨迹上方设置多个连续的导航挡板。
所述多个连续的导航挡板水平高度相同，并且，所述多个连续的导航挡板与水平方向的夹角相同。
本步骤中，车载超声波模块(1)通过超声波测距实时测量车载超声波模块(1)与导航挡板的距离。由于车载超声波模块(1)是固定安装在AGV小车上的，因此测量车载超声波模块(1)与导航挡板的距离，也就是测量AGV小车与导航挡板的距离。
本步骤中，当AGV小车开始运动时，车载超声波模块(1)实时测量与导航挡板的距离，并实时将测量结果发送至CPU模块(2)。
S2.所述CPU模块(2)根据所述测量结果计算所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；
本步骤中，CPU模块(2)实时接收所述车载超声波模块(1)发送的测量结果，根据车载超声波模块(1)与导航挡板的实时距离，计算出车载超声波模块(1)与预定轨迹的水平偏移距离，也就是计算AGV小车与预定轨迹的水平偏移距离，并根据该水平偏移距离得出AGV小车的当前行驶方向。
S3.所述CPU模块(2)根据所述水平偏移距离计算方向校正数据，并将所述方向校正数据发送至驱动模块(3)；
本步骤中，CPU模块(2)根据所述水平偏移距离得出AGV小车的当前行驶方向后，判断行驶方向是否为沿预定轨迹的行驶方向，若是，则不做方向校正，AGV小车继续沿当前方向行驶；若不是沿预定轨迹的方向，则根据所述水平偏移距离计算方向校正数据，并将所述方向校正数据发送至驱动模块(3)。
S4.驱动模块(3)根据所述方向校正数据调整AGV小车行驶方向。
本步骤中，当AGV小车的行驶方向不是沿预定轨迹的行驶方向时，驱动模块(3)接收CPU模块(2)发送的方向校正数据，根据所述方向校正数据调整AGV小车前进方向，以达到使小车沿预定轨迹行驶的目的。
本实施例提出一种基于超声波测距的AGV小车导航方法，可广泛适用于普通AGV的导航，通过超声波传感器测距实现导航，相比激光导航成本低；本发明用于导航的挡板悬挂于天花板上，相比磁带导航和光学导航方式不会出现磨损情况，无需人工维护；本发明提出的导航方法对地面、光线、能见度无要求，可无灯工作。
实施例二
图2为本实施例中一种AGV小车行驶以及导航挡板布置示意图，为使计算过程最简，本实施例做如下设定：
1)设定AGV小车沿预定轨迹行驶路线为直线行驶，行驶路线垂直于屏幕；
2)设定AGV小车沿预定轨迹行驶方向为垂直屏幕向内方向行驶；
3)根据设定1)，设定导航挡板为垂直于屏幕方向，向内延伸布置；所述多个连续的导航挡板水平高度相同，并且，所述多个连续的导航挡板与水平方向的夹角相同；
4)设定车载超声波模块(1)设置于AGV小车中心，且正对导航挡板中心。
图3为本实施例中车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离的计算原理示意图，如图3所示，本实施例中，计算所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离时，设定AGV小车预设轨迹顺时针90度方向为正方向，即图3中的X轴正方向；
所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离计算公式为：
X＝(y-h)/tanθ；
其中，X为所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；
y为所述车载超声波模块(1)与导航挡板的实时垂直距离；
h为AGV小车沿预定轨迹行驶时车载超声波模块(1)与导航挡板的预设距离；
θ为所述多个连续的导航挡板与水平方向的夹角。
本实施例中，设定允许水平偏移值为X0。
当所述水平偏移距离小于预设允许水平偏移值时，所述AGV小车当前行驶方向为预设轨迹方向，无需进行方向校正。
当所述水平偏移距离大于预设允许水平偏移值，且所述水平偏移距离数值为正数时，说明AGV小车当前行驶方向右偏，需向左校正行驶方向。
当所述水平偏移距离大于预设允许水平偏移值，且所述水平偏移距离数值为负数时，说明AGV小车当前行驶方向左偏，需向右校正行驶方向。
参考图3，MN为当AGV小车沿预定轨迹行驶时，车载超声波模块(1)与导航挡板的垂直距离，该高度值为一固定值h。
当小车行驶位置偏移到图中A位置时，车载超声波模块(1)与导航挡板的实时垂直距离变为Aa，该距离值为y1，由上述计算公式，可以得出A位置偏离预定轨迹N的水平偏移距离X1＝(y1-h)/tanθ；
由图可知，|X1|>X0，且由于y1<h，X1<0，为负数，因此说明AGV小车当前行驶方向左偏，需向右校正行驶方向。
当小车行驶位置偏移到图中B位置时，车载超声波模块(1)与导航挡板的实时垂直距离变为Bb，该距离值为y2，由上述计算公式，可以得出B位置偏离预定轨迹N的水平偏移距离X2＝(y2-h)/tanθ；
由图可知，|X2|>X0，且由于y2>h，X2>0，为正数，因此说说明AGV小车当前行驶方向右偏，需向左校正行驶方向。
CPU模块(2)计算出水平偏移距离后，根据对比该距离值与允许水平偏移值，及该偏移距离的正负判断，得出AGV小车当前行驶方向偏左还是偏右，判断需向左还是向右校正行驶方向，并将方向校正数据发送至驱动模块(3)。
步骤S4中，驱动模块(3)接收CPU模块(2)发送的方向校正数据，并根据所述方向校正数据向左校正行驶方向或者向右校正行驶方向，直到所述AGV小车的实时水平偏移距离小于预设允许水平偏移值。
需要说明的是，在实际应用中，AGV小车的行驶方向及行驶路线，导航挡板的布置方向包括但不局限于本实施例中的设定，本实施例中的车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离计算方法也适用于其他设定不同、但原理相同的场景。
实施例三
本实施例中车载超声波模块(1)采用波束角非常小的超声波发射器。以传感器中轴线的延长线为轴线，由此向外，至能量强度减少一半(-3dB)处，这个角度被称为波束角，超声波传感器在发射超声波时沿传感器中轴线的延长线(垂直于传感器表面)方向上的超声射线能量最大，由此向外其他方向上的声波能量逐渐减弱。
本实施例通过超声波测距实时测量AGV小车与导航挡板的距离，具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远的特点。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s＝vt/2。这就是所谓的时间差测距法。
本实施例中，车载超声波模块(1)通过向导航挡板发射超声波，并计算发射到接收的时间t，即可实时获取车载超声波模块(1)与导航挡板的距离y，即y＝vt/2。
根据超声波测距公式y＝vt/2，可知测距的误差是主要是由距离传播的时间误差引起的。
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度v＝344m/s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μs。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此车载超声波模块(1)采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
实施例四
图4为本实施例中一种基于超声波测距的AGV小车导航系统结构图，如图4所示，本实施例中一种基于超声波测距的AGV小车导航系统包括AGV小车100及多个导航挡板200，所述AGV小车100包括：车载超声波模块110、CPU模块120及驱动模块130；
所述车载超声波模块110用于实时测量与导航挡板的垂直距离，并将测量结果发送至CPU模块120；
所述CPU模块120用于接收所述车载超声波模块110发送的测量结果，并计算所述车载超声波模块110与导航挡板的水平偏移距离，根据所述水平偏移距离获取AGV小车当前行驶方向；
所述CPU模块120还用于判断所述计算的水平偏移距离是否超出预设偏移范围；若是，则根据所述AGV小车当前行驶方向计算方向校正数据，并将所述方向校正数据发送至驱动模块130；
所述驱动模块130用于接收CPU模块120发送的方向校正数据，并根据所述方向校正数据调整AGV小车前进方向。
所述多个导航挡板200连续设置于AGV小车预定轨迹上方，所述多个连续的导航挡板水平高度相同，并且，所述多个连续的导航挡板与水平方向的夹角相同；
所述车载超声波模块110垂直于水平方向向上发射超声波，以测量与所述导航挡板200的距离。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于超声波测距的AGV小车导航方法，其特征在于，包括步骤：
S1.车载超声波模块(1)实时测量其与倾斜设置的导航挡板的垂直距离，并将测量结果发送至CPU模块(2)；
S2.所述CPU模块(2)根据所述测量结果计算所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；
S3.所述CPU模块(2)根据所述水平偏移距离计算方向校正数据，并将所述方向校正数据发送至驱动模块(3)；
S4.驱动模块(3)根据所述方向校正数据调整AGV小车行驶方向；
步骤S2中，车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离计算公式为：
X＝(y-h)/tanθ；
其中，AGV小车预设轨迹方向顺时针90度方向为正方向；
X为车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；
y为车载超声波模块(1)与导航挡板的实时垂直距离；
h为AGV小车沿预定轨迹行驶时车载超声波模块(1)与导航挡板的垂直距离；
θ为多个连续的导航挡板与水平方向的夹角；
AGV小车的全部预定轨迹上方倾斜设置有连续的导航挡板。
2.如权利要求1所述的一种基于超声波测距的AGV小车导航方法，其特征在于，所述导航挡板水平高度相同，且倾斜角相同。
3.如权利要求2所述的一种基于超声波测距的AGV小车导航方法，其特征在于，步骤S3之前，包括：设置预设偏移范围；
当水平偏移距离属于预设偏移范围内时，不需要进行方向校正；
当水平偏移距离超出所述预设偏移范围时，则需要进行方向校正。
4.如权利要求3所述的一种基于超声波测距的AGV小车导航方法，其特征在于，步骤S3之前，包括：判断所述水平偏移距离x是否超出预设偏移范围；
若是，则进入步骤S3。
5.如权利要求4所述的一种基于超声波测距的AGV小车导航方法，其特征在于，在步骤S4中，驱动模块(3)根据所述方向校正数据校正行驶方向，直到所述AGV小车的实时水平偏移距离属于预设偏移范围内。
6.一种基于超声波测距的AGV小车导航系统，包括AGV小车及多个导航挡板，其特征在于，所述AGV小车包括：车载超声波模块(1)、CPU模块(2)及驱动模块(3)；
所述车载超声波模块(1)用于实时测量其与倾斜设置的导航挡板的垂直距离，并将测量结果发送至CPU模块(2)；
所述CPU模块(2)用于根据所述测量结果计算所述车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；所述CPU模块(2)还用于根据所述水平偏移距离计算方向校正数据，并将所述方向校正数据发送至驱动模块(3)；
所述驱动模块(3)用于根据所述方向校正数据调整AGV小车行驶方向；
所述多个导航挡板倾斜设置于AGV小车的全部预定轨迹上方；
车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离计算公式为：
X＝(y-h)/tanθ；
其中，AGV小车预设轨迹方向顺时针90度方向为正方向；
X为车载超声波模块(1)与导航挡板的水平偏移距离；
y为车载超声波模块(1)与导航挡板的实时垂直距离；
h为AGV小车沿预定轨迹行驶时车载超声波模块(1)与导航挡板的垂直距离；
θ为多个连续的导航挡板与水平方向的夹角。
7.如权利要求6所述的一种基于超声波测距的AGV小车导航系统，其特征在于，所述CPU模块(2)还用于判断所述计算的水平偏移距离是否超出预设偏移范围；若是，则根据所述水平偏移距离计算方向校正数据。
8.如权利要求6所述的一种基于超声波测距的AGV小车导航系统，其特征在于，所述多个导航挡板水平高度相同，且倾斜角相同。
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