CN107608314A - 用于工作单元和工厂级自动化的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于工作单元和工厂级自动化的方法和设备。工作单元和工厂级自动化要求自动导引车(AGV)相对于工作单元内的支架固定装置或工作台实现苛刻的位置准确性和可重复性。AGV使用激光扫描仪传感器对工作单元内的对象进行距离测量。过滤不是支架固定装置或工作台上的目标特征的对象的距离测量。从已过滤的距离测量中去除激光扫描仪传感器的系统或偏差误差，并且使用激光扫描仪传感器的随机误差将数学滤波器或估计器应用于已过滤的距离测量，以产生估计的距离测量。然后，使用估计的距离测量来构建目标特征的地图，其中，该地图用于相对于工作单元内的支架固定装置或工作台的AGV的路径规划和导航控制。

Description

用于工作单元和工厂级自动化的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及工厂自动化领域，更具体地，涉及用于飞机组装和建造过程的工厂自动化应用。
背景技术
飞机组装和建造过程的工作单元和工厂级自动化通常分别由用于前后机身的特定工作单元组成。典型的工作单元包括用于保持和定位机身组件和工作台的多个支架固定装置。工作单元和工厂级自动化通常需要在机身内部和外部承载机器人的自动导引车(AGV)相对于支架固定装置上的机身组件实现苛刻的位置准确性和可重复性，以便在机身内部的AGV上的机器人与在机身外部的AGV上的机器人协同工作。
在机身外部的AGV的路径规划和导航由安装在AGV的四侧的每一侧的激光扫描仪传感器引导。这些激光扫描仪传感器能够测量与在其视场(FoV)内的对象相距的距离，并且与在其注视场(FoR)内的对象相距的这些测距距离由AGV控制器用于在二维(2-D)平面图中构建轮廓或地图，以用于路径规划和导航。
存在两个要改进的方面：(1)AGV在返回到特定工作单元内的教导节点位置时的准确性和可重复性，以及(2)AGV使用相同的教导节点位置的能力，通过特定的工作单元内的支架固定装置和工作台，在使用其他几组或几份相似的支架固定装置和工作台的其他工作单元上。
关于方面(1)，AGV接近或处于工作单元内的教导节点位置，邻近支架固定装置和/或工作台时，可以使用在AGV的四侧的任一侧的任何或全部激光扫描仪传感器。然而，从操作的角度来看，直接面对和/或邻近支架固定装置和/或工作台的激光扫描仪传感器是要使用的理想传感器。位于AGV的背面和侧面的其他激光扫描仪传感器可能或可能无法有效地观察支架固定装置和/或工作台上的目标特征。由AGV使用的激光扫描仪传感器以离散的步骤跨越190°扫描，由此，使用光学脉冲飞行时间测量原理来测量与其激光束路径内的对象相距的距离。对激光扫描仪传感器光束路径内的对象的距离测量包括系统或偏差和统计随机误差。激光扫描仪传感器的5σ测量误差(系统或偏差和统计随机误差)比返回到工作单元内的教导节点位置的期望的AGV准确性和可重复性大一个数量级，因此，所测距离的简单测量平均值将不足够。
关于方面(2)，AGV使用相同的教导节点位置的能力，通过特定的工作单元内的支架固定装置和工作台，在使用其他几组或几份相似的支架固定装置和工作台的其他工作单元上，是一项挑战，这是因为在特定工作单元内的激光扫描仪传感器的注视场(FoR)和视场(FoV)内的目标特征之外的对象的变化性。假设在工作单元中的支架固定装置或工作台上的目标特征以计量准确性复制在其他工作单元上的其他几组或几份类似支架固定装置和工作台上。考虑到激光扫描仪传感器跨190°扫描，测距距离规格为49米，在操作环境中，很有可能可以拾取在支架固定装置和工作台上的目标特征以外的其他静态和动态对象，从而导致地图模糊度和移动到与支架固定装置和/或工作台相邻的工作单元内的期望的节点位置的AGV的路径规划和导航的问题。
因此，本领域存在改进用于飞机组装和建造过程工厂自动化应用的需要。
发明内容
为了克服上述现有技术的限制，并且为了克服在阅读和理解本说明书时将变得显而易见的其他限制，本发明公开了一种使用具有一个或多个激光扫描传感器的AGV的工作单元和工厂级自动化的方法和设备。
对AGV上的激光扫描仪传感器执行的一个或多个校准，以确定由激光扫描仪传感器进行的距离测量中的系统或偏差误差和随机误差。这些校准是针对目标参考点在AGV上的激光扫描仪传感器的离线校准，以确定由激光扫描仪传感器进行的距离测量中的系统或偏差误差或随机误差的分布和标准偏差。随机误差的分布包括高斯分布，并且当分布不包括高斯分布时，所述分布被存储在表中。
使用在AGV上的激光扫描仪传感器，对在工作单元内的一个或多个对象进行一个或多个距离测量。具体而言，在AGV上的激光扫描仪传感器的FoR上，以每个角度指数步幅，对AGV上的激光扫描仪传感器的FoV中的对象进行距离测量。在一个实施例中，仅仅AGV上的使用直接面向或邻近工作单元内的支架固定装置或工作台的激光扫描仪传感器，进行距离测量。在另一个实施例中，在AGV上的激光扫描仪传感器的FoR上，使用AGV上的多于一个激光扫描仪传感器，进行距离测量。
过滤不是工作单元内的支架固定装置或工作台上的目标特征的对象的距离测量。围绕每个目标特征限定凸形区域，以排除不是目标特征的对象。目标特征的周边与限定的凸形区域的周边之间的距离裕度足够小，使得没有其他静态或动态对象占据在目标特征的周边与限定的凸形区域的周边之间形成的环形空间。过滤位于在每个目标特征周围限定的凸形区域的阈值界限之外的距离测量，为AGV上的激光扫描仪传感器的FoR中的每个对象产生已过滤的距离测量。
从已过滤的距离测量中去除激光扫描仪传感器的系统或偏差误差。
使用激光扫描仪传感器的随机误差将数学滤波器或估计器应用于已过滤的距离测量，以产生估计的距离测量。
最后，使用估计的距离测量，在2-D平面图中构建目标特征的地图。构建的地图用于相对于工作单元内的支架固定装置或工作台的AGV的路径规划和导航控制。具体地，构建的地图使得AGV能够精确地且反复返回到工作单元内的一个或多个教导的节点位置。另外，当工作单元是参考工作单元时，当在其他工作单元内的支架固定装置或工作台通过与参考工作单元内的支架固定装置或工作台相同的方式定位时，构建的地图使得该AGV或另一AGV能够准确地并反复返回到在一个或多个其他工作单元内的教导的节点位置。
附图说明
现在参考附图，其中，相同的附图标记表示相应的部分：
图1A示出了根据一个实施例的典型工作单元布局；
图1B示出了根据一个实施例的可以在典型工作单元布局中使用的工作台；
图1C、图1D和图1E示出了根据一个实施例的典型工作单元的地图；
图1F是示出根据一个实施例的使用具有激光扫描传感器的自动导引车的示意图；
图2是示出根据一个实施例的用于执行自动导引车的离线校准过程的步骤的流程图；
图3是示出根据一个实施例的使用自动导引车的激光扫描传感器进行扫描处理的步骤的流程图；
图4是根据一个实施例的飞机生产和保养方法的流程图；以及
图5是根据一个实施例的飞机的方框图。
具体实施方式
在优选实施例的以下描述中，参考形成其一部分的附图，其中，通过图示的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并进行结构改变。
概述
图1A示出了典型的工作单元100布局，其包括用于保持和定位机身组件104的一个或多个支架固定装置102。一个或多个AGV 106在机身组件104的内部和外部承载机器人108。典型的工作单元100布局还包括工作台110，如图1B所示，其可以定位在工作单元100内的任何地方。
工作单元和工厂级自动化需要AGV 106相对于支架固定装置102或工作台110实现苛刻的位置准确性和可重复性，使得机身组件104外部的机器人108可以与机身内部的机器人108协调工作。在一个实施例中，AGV 106构建用于路径规划和导航的地图，其中，所述地图包括以2-D平面图表示的工作单元100中的对象的数字表示。
图1C示出了典型工作单元100布局的地图，该布局包括：多个支架固定装置102(也标记为支架固定装置1、2和3)，保持和定位机身组件(未示出)；以及工作台110。
图1D是图1C的支架固定装置102或工作台110的俯视图或平面图，包括也标记为F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7和F8的目标特征112以及也标记为L1、L2、L3和L4的支腿114。目标特征112和支腿114都用虚线示出，表示隐藏在支架特征102或工作台110下方的俯视图或平面图中。在一个实施例中，目标特征112是安装在支架特征102或工作台110上的对准辅助，而支腿114是支架特征102或工作台110的支撑结构。此外，支架特征102或工作台110上的目标特征112的配置唯一地识别支架特征102或工作台110的类型或功能。
图1E是图1C和图1D的支架固定装置102或工作台110的正视图，其包括也标记为F1、F2、F3和F4的目标特征112，以及也标记为L1和L2的支腿114。目标特征112和支腿114都用实线轮廓示出，表示它们未被隐藏在支架特征102或工作台110的正视图中。
图1F是支架固定装置102或工作台110的俯视图或平面图，其包括也标记为F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7和F8的目标特征112以及也标记为L1、L2、L3和L4的支腿114。目标特征112和支腿114都用虚线示出，表示它们隐藏在支架特征102或工作台110下方的俯视图或平面图中。
在图1F，AGV 106在支架固定装置102或工作台110附近操作。AGV 106包括也标记为CTL的至少一个控制器116和在AGV 106的四个侧边的每个上的也标记为LSS 1、LSS 2、LSS 3和LSS 4的激光扫描传感器118。激光扫描传感器118用于使用激光束120扫描目标特征112，以便对目标特征112进行距离测量，以及识别由围绕目标特征112的虚线轮廓的方框表示的凸形区域122，如下面更详细描述的。
控制器116可以包括通用或专用计算机或处理器。尽管仅示出了单个控制器116，但是可以提供多个控制器116，用于分别控制AGV 106和机器人108及其子系统。控制器116包括可以存储各种操作和控制程序的车载内存存储器以及用于路径规划和导航的地图。
在一些实施例中，AGV 106可以是完全自主的，并且控制器116被编程为自动执行所有操作，包括AGV 106的移动和机器人108的控制。然而，在其他实施例中，AGV 106可以仅部分地自动化并且控制器116可以要求另一系统和/或操作者向AGV 106输入指令或命令。
控制器116使用由安装在AGV 106的四侧中的每一侧的激光扫描仪传感器118引导的同时定位和地图(SLAM)原理来执行AGV 106的路径规划和导航。如上所述，激光扫描仪传感器118能够以2-D平面图地图距离工厂车间几英寸的对象，并且已被增强，以在2-D平面图中支持对对象的距离测量。
挑战性问题包括两个主要方面：(1)返回到在工作单元100内的具有支架固定装置102或工作台110的教导节点位置的AGV 106准确性和可重复性，以及(2)使用其他几组或几份相似的支架固定装置102和工作台110与其他工作单元100使用相同教导节点位置的能力。
在一个实施例中，数学方法由路径规划和导航控制器116应用，该控制器使得AGV106能够使用激光扫描仪传感器118通过利用支架固定装置102和工作台110上的目标特征112来地图模型而准确地并反复返回到教导的节点位置。该方法使得能够使用对给定目标特征112具有距离测量误差(包括系统或偏差误差和随机误差)的激光扫描仪传感器118，以过滤距离测量误差并去除激光扫描仪传感器118的系统或偏差误差，从而使AGV 106的路径规划和导航控制器116相对于工作单元100内的支架固定装置102或工作台110实现期望的位置准确性和可重复性。
此外，该方法限定了在工作单元100中的支架固定装置102或工作台110上的目标特征112周围的2-D区域界限，即，凸形区域122，以确保由AGV 106的激光扫描仪传感器118识别的地图目标特征112不包括其他对象，从而对于其路径规划和导航控制器116，清楚地为AGV 106提供具有准确和一致的一组目标特征112。与此相关联并且鉴于在参考工作单元100的支架固定装置102或工作台110上的目标特征112在其他工作单元100上以计量准确性被复制在其他几组或几份相似的支架固定装置102和工作台110上，AGV 106可以在其他工作单元100上使用来自参考工作单元100的相同的教导节点位置，从而大大减轻了对给定工作单元和工厂级自动化过程(即，分别是前后机身)的教导节点位置的额外教导和验证的需要。
这将通过将当前的地图技术与改进的地图技术进行对比来更详细地描述。
当前的地图技术
1)AGV返回在工作单元内的教导节点位置的准确性和可重复性。
当前的地图技术使用由激光扫描仪传感器118测量的距离的简单测量平均化。在该设置中，激光扫描仪传感器118被编程为对包括在工作单元100内的激光扫描仪传感器118的FoR和FoV内的目标特征112的对象进行多次(在30到50的范围内)距离测量。然后，去除任何先前观察到或教导的对象的离群距离测量，并且计算简单平均值，以确定特定观察或教导对象的距离测量。然后使用这些平均距离测量来创建由给定工作单元100内的特定激光扫描仪传感器118观察到的2-D平面图的地图。基于具有来自激光扫描仪传感器118的可能的系统或偏差误差的平均距离测量从给定的AGV 106位置为给定工作单元100的观察到的2-D地图的创建，使得总距离测量误差(系统或偏差和随机误差)不能使得AGV 106的路径规划和导航控制器116在返回到工作单元100内的教导的节点位置时实现期望的准确性和可重复性，即，在寻找所需的位置时，路径规划和导航控制器116用作比例积分微分(PID)控制器116，该控制器使用在粗动步骤之后是微动步骤的组合，其中，控制器116预期在输入控制器的距离测量的噪声本底之下操作，即，感测或观测到的输入中的噪声限制了路径规划和导航控制器116的可控性。由于在2-D平面图中距离测量的上述不确定性，不能以高度的置信度实现AGV 106返回到工作单元100内的教导的节点位置的准确性和可重复性，这反过来又不利地影响工作单元和工厂级自动化过程。
2)AGV使用相同的教导节点位置的能力，通过特定的工作单元内的支架固定装置和工作台，在其他工作单元上，使用其他几组或几份相似的支架固定装置和工作台。
当前的地图技术期望在工作单元100内的激光扫描仪传感器118的FoR和FoV内的目标特征112之外的对象，使用其他几组或几份相似的支架固定装置102和工作台110来在所有工作单元100上呈现相同的视图。假设参考工作单元100中的支架固定装置102或工作台110上的目标特征112以计量准确性被复制在其他工作单元100上的其他几组或几份支架固定装置102和工作台110上。在AGV 106的任何给定侧上使用的激光扫描仪传感器118能够扫描大约190°并且测距距离规格为49米。考虑到这些激光扫描仪传感器118的规格，在操作环境中，很有可能可以拾取在支架固定装置102或工作台110上的目标特征112以外的其他静态和动态对象。当将AGV 106移动到与支架固定装置102和/或工作台110相邻的工作单元100内的期望的节点位置时，这可能导致对AGV 106的路径规划和导航控制器116的地图模糊和不确定。此外，该方法分别使用安装在AGV 106的每个侧面上的四个激光扫描仪传感器118。在AGV 106的背面和侧面上的激光扫描仪传感器118可以拾取可以从工作单元100到工作单元100变化的其他静态和动态对象。这可能导致2-D平面中的动态地图变化，导致AGV106不能通过参考工作单元100内的支架固定装置102和工作台110使用其他几组或几份相似的支架固定装置102和工作台110有效地使用其他工作单元100上的相同的教导节点位置。此外，除了直接面向或邻近支架固定装置102和/或工作台110的激光扫描仪传感器118之外，在AGV 106的侧面上的激光扫描仪传感器118的计划使用，可以查看考虑到的超出主要刚体支架固定装置102或工作台110的目标特征112。典型的工作单元100包括保持和定位机身组件和工作台110的多个支架固定装置102。然而，这些多个刚体支架固定装置102和工作台110之间的间隔距离对计量要求不准确，以确保在使用其他几组或几份相似的支架固定装置102和工作台110的其他工作单元100上，在2-D平面内一致并且准确地查看地图。因此，使用超出单个刚体支架固定装置102或工作台110的目标特征112，将导致在2-D平面中的动态地图可变化，导致AGV 106不能通过参考工作单元100内的支架固定装置102和工作台110使用其他几组或几份相似的支架固定装置102和工作台110有效地使用在其他工作单元100上的相同的教导节点位置。
改进的地图技术
1)AGV返回在工作单元内的教导节点位置的准确性和可重复性。
改进的地图技术针对目标参考点对AGV 106的每一侧上的四个激光扫描仪传感器118进行离线校准，以当执行用于到激光扫描仪传感器118FoV内的对象的距离测量的测距功能时，确定四个激光扫描仪传感器118中的系统误差或偏差误差，从而使得计算过程能够从到对象的距离测量和目标特征112中去除系统或偏差误差。
该方法还执行离线校准过程，以确定AGV 106的每一侧的四个激光扫描仪传感器118中的每一个的距离测量的随机误差的分布和标准偏差。通常，距离测量的随机误差的分布遵循高斯分布，但是该过程确认，并且如果传感器118不遵循精确的高斯分布过程，则可以从离线校准过程构建分布查找表，以在计算过程中实现更高的保真度。通常，在激光扫描仪传感器118的制造规格中所述的距离测量的随机误差的标准偏差大于特定传感器118实际实现的，因此可以使用离线校准过程的距离测量的随机误差的标准偏差，以在计算过程中实现更高的保真度。这种方法从通过在激光扫描仪传感器118的FoR上的扫描所得的对与目标特征112相关联的特定对象的距离测量中去除特定的激光扫描仪传感器118的测量的系统或偏差误差。
使用数学滤波器/估计器，例如，最大似然和贝叶斯参数估计统计技术，来提高每个激光扫描仪传感器118对特定对象或目标特征112的距离测量的准确性。使用离线校准过程中特定激光扫描仪传感器118的距离测量的随机误差的分布和标准偏差的诸如递归贝叶斯估计器的技术的应用，已经表明明显滤除距离测量的随机误差，从而使AGV 106能够在返回到工作单元100内的教导的节点位置时实现准确性和可重复性。
2)AGV通过特定的工作单元内的支架固定装置和工作台利用其他几组或几份相似的支架固定装置和工作台使用在其他工作单元上的相同的教导节点位置的能力。
在改进的地图技术中，假设参考工作单元100的支架固定装置102或工作台110上的目标特征112在工作单元100上以计量准确性被复制在其他几组或几份相似的支架固定装置102或工作台110上。
当从工作单元100内的给定节点位置到下一个节点位置执行粗略和细微的AGV106运动时，该方法包括一个或多个以下选项：
■仅使用直接面向或邻近支架固定装置102或工作台110的激光扫描仪传感器118。或者，除了直接面向或邻近支架固定装置102或工作台110的激光扫描仪传感器118，当其他激光扫描仪传感器118可以查看支架固定装置102或工作台110的目标特征112时，还可以使用这些其他激光扫描仪传感器118；
■仅使用与给定支架固定装置102或工作台110相关联的目标特征112，并且不使用工作单元100内的静态或动态对象；
■仅使用与单个支架固定装置102或工作台110相关联的目标特征112，并且还使用最接近AGV 106的至少三个目标特征112，即，由于单个支架固定装置102或工作台110具有多个目标特征112，所以一些目标特征在支架固定装置102或工作台110相对于AGV 106的近侧，另一些目标特征在远侧，其中，建议至少三个目标特征112来自支架固定装置102或工作台110相对于AGV 106的近侧。
这种方法围绕与工作单元100中的支架固定装置102或工作台110相关联的每个目标特征112限定凸形区域122，使得目标特征112完全位于限定的凸形区域122内。目标特征112的周边和限定的凸形区域122的周边之间的距离裕度很小，使得不会预期任何其他外来的静态或动态对象占据在目标特征112的周边和限定的凸形区域122的周边之间形成的环形空间。围绕特定目标特征112的凸形区域122的周边限定对激光扫描仪传感器118的FoR内的对象的距离测量的阈值界限(这些界限需要包括在计算过程中)，而忽略被检测到的在到特定的目标特征112的阈值界限之外的对象。这种方法允许忽略从一个工作单元100到另一个工作单元100变化的静态和动态对象，同时减弱可变性，这是因为与特定的支架固定装置102或工作台110相关联的元件(例如，软管、电缆等)与给定的工作单元100相关联。
下面更详细地描述用于实现工作单元和工厂级自动化过程的改进的地图技术的过程。
离线校准过程
图2是示出用于对AGV 106的激光扫描传感器118执行离线校准过程的步骤的流程图。
方框200表示对AGV 106上的激光扫描仪传感器118(即LSS 1至LSS 4)执行一个或多个校准以确定由激光扫描仪传感器118进行的距离测量中的系统或偏差误差的步骤。
方框202表示对AGV 106上的激光扫描仪传感器118(即LSS 1至LSS 4)执行一个或多个校准以确定由激光扫描仪传感器118进行的距离测量中的随机误差的步骤。
在方框200和202中执行的校准是针对目标参考点执行的AGV 106上的激光扫描仪传感器118的离线校准，以确定由激光扫描仪传感器118进行的距离测量中的系统或偏差误差和/或随机误差的分布和标准偏差。如上所述，随机误差的分布可以包括高斯分布，或者当分布不包括高斯分布时，分布被存储在表中。
扫描过程
图3是示出使用AGV 106的激光扫描传感器118执行扫描处理的步骤的流程图。
方框300表示使用AGV 106的激光扫描仪传感器118启动扫描处理的步骤。
方框302至306表示针对1至N次扫描执行的循环。
在该循环的每次迭代中，方框304表示使用AGV 106上的至少一个激光扫描仪传感器118对工作单元100内的一个或多个对象进行一个或多个距离测量的步骤。具体地，该步骤在AGV 106的激光扫描仪传感器118的FoR上以每个角度指数步幅对在AGV 106的激光扫描仪传感器118的FoV中的对象进行距离测量。在一个实施例中，仅使用直接面向或邻近工作单元100内的支架固定装置102或工作台110的AGV 106上的激光扫描仪传感器118进行距离测量。在另一实施例中，在AGV 106上的激光扫描仪传感器118的FoR上，使用AGV 106上的不止一个激光扫描仪传感器118进行距离测量。
方框306是确定N个扫描是否已经完成的确定框；如果完成，则控制变到方框308；否则，控制变回到方框302，以执行循环的下一次迭代。
方框308表示过滤不是工作单元100内的支架固定装置102或工作台110上的目标特征112的对象的距离测量的步骤。具体地，该步骤从超出为与正在扫描的单个支架固定装置102或工作台110相关联的每个目标特征112限定的凸形区域122的阈值界限的N次扫描中过滤所有距离测量，对与目标特征112相关联的FoR中的K个对象中的每一个产生N个距离测量。凸形区域122围绕每个目标特征112限定，以排除不是目标特征112的对象。目标特征112的周边与限定的凸形区域122的周边之间的距离裕度足够小，使得没有其他静态或动态对象占据在目标特征112的周边与限定的凸形区域122的周边之间形成的环形空间。过滤在每个目标特征112周围限定的凸形区域122的阈值界限之外的距离测量，对AGV 106上的激光扫描仪传感器118的FoR中的每个对象产生已过滤的距离测量。
方框310至316表示对FoR中的1个到K个对象执行的循环。
在该循环的每次迭代中，方框312表示从过滤的距离测量(即，与FoR中的所选对象相关联的N个距离测量中的每一个)中去除激光扫描仪传感器118的系统偏差或偏移误差的步骤，并且方框314表示使用激光扫描仪传感器118的随机误差的分布和标准偏差将诸如递归贝叶斯估计器的数学滤波器或估计器应用于过滤的距离测量的步骤，以在FoR中产生对所选对象的估计距离测量。
方框316是确定FoR中的K个对象是否已经完成的确定框；如果完成，则控制变到方框318；否则，控制变回到方框310，以执行循环的下一次迭代。
方框318表示使用在激光扫描仪传感器118的FoR中在AGV 106和目标特征112之间的2-D平面图中的估计的距离测量来构建工作单元100内的支架固定装置102或工作台110上的目标特征112的地图的步骤。
方框320表示在AGV 106的路径规划和导航控制器116中存储在2-D平面图中的目标特征112的构建的地图并且相对于工作单元100内的支架固定装置102或工作台110将构建的地图用于AGV 106的路径规划和导航控制的步骤。具体地，构建的地图使得AGV 106能够准确地并反复返回到工作单元100内的一个或多个教导的节点位置。
AGV 106在可接受的位置精度内返回到所教导的节点位置，即，不需要是精确位置，而是在高度置信度的指定容限内。因此，存在两个方面：(1)AGV 106被教导以在可接受的位置精度内到达节点位置的能力，以及(2)随后当AGV被命令返回到在可接受的位置精度内的教导节点位置时，从而实现位置可重复性。
此外，当工作单元100是参考工作单元100时，在其他工作单元100内的支架固定装置102或工作台以与在参考工作单元100内的支架固定装置102或工作台110相同的方式定位时，构建的地图使得AGV 106或另一个AGV 106能够准确地并反复地返回到一个或多个其他工作单元100内的教导的节点位置110。
飞机组装
可以在如图4中所示的飞机制造和保养方法400以及如图5中所示的飞机500的上下文中描述本公开的实施例。
如图4中所示，在预生产期间，示例性方法400可以包括飞机500的规格和设计402以及材料采购404。在生产期间，进行飞机500的部件和子组件制造406和系统集成408，包括使用本文所述的AGV 106、控制器116和激光扫描仪传感器118的工作单元和工厂级自动化。此后，飞机500可以通过认证和交付410，以便投入使用412。在由客户进行保养的情况下，飞机500被安排用于日常维护和保养414(其包括修改、重新配置、翻新等)，还包括使用本文所述的AGV 106、控制器116和激光扫描仪传感器118的工作单元和工厂级自动化。
方法400的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)进行或执行。为了该描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞机制造商和主要系统的分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的卖主、分包商和供应商；运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。
如图5所示，通过示例性方法400生产的飞机500可以包括具有多个系统504和内部506的机身502。高级系统504的示例包括推进系统508、电气系统510、液压系统512和环境系统514中的一个或多个。可以包括任何数量的其他系统。虽然示出了航空航天的示例，但是本发明的原理可以应用于诸如汽车行业等其他行业。
可以在生产和保养方法400的任何一个或多个阶段期间使用本文中体现的设备和方法。例如，对应于生产过程406的部件或子组件可以以与飞机500保养时所生产的部件或子组件相似的方式制作或制造。而且，在生产阶段406和408期间，可以利用一个或多个设备实施例、方法实施例或其组合，例如，通过基本上加速组装飞机500或降低飞机500的成本。同样，一个或多个设备实施例、方法实施例或其组合可以在飞机500保养时使用，例如但不限于维护和保养414。
优点
本文描述的实施例提供了很多优点，例如，通过使得工厂自动化能够应用于飞机组装以及能够在降低成本的同时直接明显提高制造速率、质量和安全性的建造过程，具有重要价值的潜力。
本文描述的实施例同样适用于并且用于除航空航天应用之外的其他制造领域中。例如，其他行业的其他公司有可能在由离散事件动态系统组成的分层监控系统内实现全工作单元和工厂级自动化。这可能包括飞机制造商、电气和电子设备制造商、汽车制造商以及工厂自动化供应商。
因此，总之，根据本发明的第一方面，提供了：
A1.一种用于工作单元和工厂级自动化的方法，包括：
使用自动导引车(AGV)(106)上的至少一个激光扫描仪传感器(118)对工作单元(100)内的一个或多个对象进行一个或多个距离测量(304)；
过滤不是工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)上的目标特征(112)的对象的距离测量(308)；
从已过滤的距离测量中去除所述激光扫描仪传感器(118)的系统或偏差误差(312)；
使用激光扫描仪传感器(118)的随机误差，将数学滤波器或估计器应用于已过滤的距离测量，以生成估计的距离测量(314)；
使用估计的距离测量来构建工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)上的目标特征(112)的地图(318)；并且
使用构建的地图，用于AGV(106)的相对于工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)的路径规划和导航控制(320)。
A2.根据段落A1所述的方法，还提供了，其中，构建的地图使得AGV(106)能够准确地并反复地返回到工作单元(100)内的一个或多个教导的节点位置。
A3.根据段落A2所述的方法，还提供了，其中，所述工作单元(100)是参考工作单元(100)，并且当其他的工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)被定位成与参考工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)相同时，所构建的地图使得AGV(106)或另一个AGV(106)能够精确地并反复地返回到一个或多个其他工作单元(100)内的教导的节点位置。
A4.根据段落A1所述的方法，还提供了，进一步包括对AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)执行一个或多个校准，以确定由激光扫描仪传感器(118)进行的距离测量中的系统或偏差误差和随机误差(200、202)。
A5.根据段落A4所述的方法，还提供了，其中，执行步骤包括针对目标参考点对所述AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)执行离线校准，以确定由激光扫描仪传感器(118)进行的距离测量中的系统或偏差误差(200)。
A6.根据段落A4所述的方法，还提供了，其中，执行步骤包括针对目标参考点对AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)执行离线校准，以确定由AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)进行的距离测量中的随机误差的分布和标准偏差(202)。
A7.根据段落A6所述的方法，还提供了，其中，分布包括高斯分布。
A8.根据段落A6所述的方法，还提供了，其中，当分布不包括高斯分布时，所述分布被存储在表中。
A9.根据段落A1所述的方法，还提供了，其中，进行测量步骤包括使用直接面向或邻近工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)的AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)(304)。
A10.根据段落A1所述的方法，还提供了，其中，至少一个激光扫描仪传感器(118)包括多个激光扫描仪传感器(118)，并且进行测量步骤包括在AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)上，使用AGV(106)上的多于一个激光扫描仪传感器(118)(304)。
A11.根据段落A1所述的方法，还提供了，其中，进行测量步骤包括在AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)上，以一角度指数步幅，对AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)的视场(FoV)中的对象进行距离测量(304)。
A12.根据段落A1所述的方法，还提供了，其中，过滤的步骤包括围绕至少一个目标特征(112)限定(308)凸形区域(122)，以排除不是目标特征(112)的对象。
A13.根据段落A12所述的方法，还提供了，其中，目标特征(112)的周边与限定的凸形区域(122)的周边之间的距离裕度足够小，使得没有其他静态或动态对象占据在目标特征(112)的周边与限定的凸形区域(122)的周边之间形成的环形空间。
A14.根据段落A12所述的方法，还提供了，其中，过滤的步骤包括过滤位于在目标特征(112)周围限定的凸形区域(122)的阈值界限之外的距离测量，为在AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)中的每个对象产生已过滤的距离测量(308)。
A15.根据段落A1所述的方法，还提供了，其中，构建步骤包括使用估计的距离测量，在二维(2-D)平面图中构建(318)目标特征(112)的地图。
根据本发明的另一方面，提供了：
B1.一种用于工作单元和工厂级自动化的设备，包括：
自动导引车(AGV)(106)，包括至少一个激光扫描仪传感器(118)和控制器(116)，其中，所述控制器(116)可操作用于：
使用AGV(106)上的至少一个激光扫描仪传感器(118)对工作单元(100)内的一个或多个对象进行一个或多个距离测量(304)；
过滤不是工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)上的目标特征(112)的对象的距离测量(308)；
从已过滤的距离测量中去除激光扫描仪传感器(118)的系统或偏差误差(312)；
使用激光扫描仪传感器(118)的随机误差，将数学滤波器或估计器应用(314)于已过滤的距离测量，以生成估计的距离测量；
使用估计的距离测量来构建工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)上的目标特征(112)的地图(318)；并且
使用构建的地图，用于AGV(106)的相对于工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)的路径规划和导航控制(320)。
根据本发明的另一方面，提供了：
C1.一种工作单元和工厂级自动化的方法，包括：
使用自动导引车(AGV)(106)上的至少一个激光扫描仪传感器(118)对工作单元(100)内的一个或多个对象进行一个或多个距离测量(304)；
过滤不是工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)上的目标特征(112)的对象的距离测量(308)；
从已过滤的距离测量中去除激光扫描仪传感器(118)的系统或偏差误差(312)；
使用激光扫描仪传感器(118)的随机误差，将数学滤波器或估计器应用于已过滤的距离测量，以生成估计的距离测量(314)；
使用估计的距离测量来构建工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)上的目标特征(112)的地图(318)；并且
使用构建的地图，使得AGV(106)能够精确地和反复地返回到工作单元(100)内的一个或多个教导的节点位置(320)。
C2.根据段落C1所述的方法，还提供了，其中，构建的地图使得AGV(106)能够准确地并反复地返回到一个或多个其他工作单元(100)内的一个或多个教导的节点位置。
C3.根据段落C1所述的方法，还提供了，进一步包括对AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)执行一个或多个校准，以确定由激光扫描仪传感器(118)进行的距离测量中的系统、偏差或随机误差(200、202)。
C4.根据段落C1所述的方法，还提供了，其中，进行测量的步骤包括在AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)上，使用AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)(304)。
C5.根据段落C1所述的方法，还提供了，其中，进行测量的步骤包括在AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)上，以一角度指数步幅，对AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)的视场(FoV)中的对象进行距离测量(304)。
C6.根据段落C1所述的方法，还提供了，其中，过滤的步骤包括围绕至少一个目标特征(112)限定凸形区域(122)，以排除不是目标特征(112)的对象(308)。
C7.根据段落C6所述的方法，还提供了，其中，目标特征(112)的周边与限定的凸形区域(122)的周边之间的距离裕度足够小，使得没有其他静态或动态对象占据在目标特征(112)的周边与限定的凸形区域(122)的周边之间形成的环形空间。
C8.根据段落C6所述的方法，还提供了，其中，过滤的步骤包括过滤位于在目标特征(112)周围限定的凸形区域(122)的阈值界限之外的距离测量，为AGV(106)上的激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)中的每个对象产生已过滤的距离测量(308)。
C9.根据段落C1所述的方法，还提供了，其中，构建步骤包括使用估计的距离测量，在二维(2-D)平面图中构建目标特征(112)的地图(318)。
可替换的方案
为了说明和描述的目的，已经提出了上述不同实施例的描述，并不旨在穷举或限于所公开形式的实施例。对于本领域普通技术人员来说，很多修改和变化将是显而易见的。
具体地，可以使用除AGV和激光扫描仪源之外的装置。此外，可以执行不同的方法和步骤。最后，工作单元、支架固定装置、工作台、目标特征等的使用和设置可与本文公开的不同。
其目的在于，本发明的范围不由该详细描述限制，而是由所附权利要求限制。

Claims (15)

1.一种用于工作单元和工厂级自动化的方法，包括：
使用自动导引车(106)上的至少一个激光扫描仪传感器(118)对工作单元(100)内的一个或多个对象进行一个或多个距离测量(304)；
过滤不是所述工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)上的目标特征(112)的对象的距离测量(308)；
从已过滤的距离测量中去除所述激光扫描仪传感器(118)的系统误差或偏差误差(312)；
使用所述激光扫描仪传感器(118)的随机误差，将数学滤波器或估计器应用于已过滤的距离测量，以生成估计的距离测量(314)；
使用估计的距离测量来构建所述工作单元(100)内的所述支架固定装置(102)或工作台(110)上的所述目标特征(112)的地图(318)；并且
使用构建的地图，用于所述自动导引车(106)相对于所述工作单元(100)内的所述支架固定装置(102)或工作台(110)的路径规划和导航控制(320)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述构建的地图使得所述自动导引车(106)能够准确地并反复地返回到所述工作单元(100)内的一个或多个教导的节点位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述工作单元(100)是参考工作单元(100)，并且当其他的工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)被定位成与所述参考工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)相同时，所述构建的地图使得所述自动导引车(106)或另一个自动导引车(106)能够精确地并反复地返回到一个或多个其他工作单元(100)内的教导的节点位置。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括对所述自动导引车(106)上的所述激光扫描仪传感器(118)执行一个或多个校准以确定由所述激光扫描仪传感器(118)进行的距离测量中的系统误差或偏差误差和随机误差(200、202)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，执行步骤包括针对目标参考点对所述自动导引车(106)上的激光扫描仪传感器(118)执行离线校准以确定由所述激光扫描仪传感器(118)进行的距离测量中的系统偏差或偏差误差(200)。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，执行步骤包括针对目标参考点对所述自动导引车(106)上的激光扫描仪传感器(118)执行离线校准，以确定由所述自动导引车(106)上的激光扫描仪传感器(118)进行的所述距离测量中的所述随机误差的分布和标准偏差(202)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述分布包括高斯分布。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述分布不包括高斯分布时，所述分布被存储在表中。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，进行一个或多个距离测量的步骤包括使用所述自动导引车(106)上的直接面向或邻近所述工作单元(100)内的所述支架固定装置(102)或工作台(110)的激光扫描仪传感器(118)(304)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个激光扫描仪传感器(118)包括多个激光扫描仪传感器(118)，并且进行一个或多个距离测量的步骤包括在所述自动导引车(106)上的所述激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)上，使用所述自动导引车(106)上的多于一个的激光扫描仪传感器(118)(304)。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，进行一个或多个距离测量的步骤包括在所述自动导引车(106)上的所述激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)上，以一角度指数步幅，对所述自动导引车(106)上的所述激光扫描仪传感器(118)的视场(FoV)中的对象进行距离测量(304)。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，过滤的步骤包括围绕所述目标特征(112)中的至少一个来限定凸形区域(122)，以排除不是目标特征(112)的对象(308)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述目标特征(112)的周边与所限定的凸形区域(122)的周边之间的距离裕度足够小，使得没有其他静态或动态对象占据在所述目标特征(112)的周边与所述限定的凸形区域(122)的周边之间形成的环形空间。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，过滤的步骤包括过滤位于在所述目标特征(112)周围限定的所述凸形区域(122)的阈值界限之外的所述距离测量，为在所述自动导引车(106)上的所述激光扫描仪传感器(118)的注视场(FoR)中的每个对象产生已过滤的距离测量(308)。
15.一种用于工作单元和工厂级自动化的设备，包括：
自动导引车(106)，包括至少一个激光扫描仪传感器(118)和控制器(116)，其中，所述控制器(116)可操作用于：
使用所述自动导引车(106)上的所述至少一个激光扫描仪传感器(118)对工作单元(100)内的一个或多个对象进行一个或多个距离测量(304)；
过滤不是所述工作单元(100)内的支架固定装置(102)或工作台(110)上的目标特征(112)的对象的距离测量(308)；
从已过滤的距离测量中去除所述激光扫描仪传感器(118)的系统偏差或偏差误差(312)；
使用所述激光扫描仪传感器(118)的随机误差，将数学滤波器或估计器应用于已过滤的距离测量，以生成估计的距离测量(314)；
使用估计的距离测量来构建所述工作单元(100)内的所述支架固定装置(102)或工作台(110)上的所述目标特征(112)的地图(318)；并且
使用构建的地图，用于所述自动导引车(106)相对于所述工作单元(100)内的所述支架固定装置(102)或工作台(110)的路径规划和导航控制(320)。
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