CN107957725A - 一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置及方法，其通过磁钉产生非对称磁场，使磁传感器阵列在不同方向上测得的磁场强度不同，从而使得本发明可以基于单磁钉实现导引车的定位定向处理。而且通过将磁传感器阵列为二维形式排列，可以提高系统的抗干扰能力，同时增加磁钉的定位范围，因此布局磁传感器时，磁传感器的数量少，间隔大。也就是说，本发明在磁传感器数量少、间隔大的情况下，基于单磁钉方式，就可以获得高精度的导引车位置和方向信息，且精度优于传统的磁钉导航方法。
Description
技术领域
本发明属于自动控制领域，具体涉及一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置及方法。
背景技术
目前自动导引小车AGV已经成为智能制造、智能物流以及数字化工厂中的重要设备，在方便工厂货物运输、提高生产效率上具有重要的作用。自动引导，即沿着指定轨迹动行，目前常见的导航方式有：光电导航、磁带导航、磁钉导航、视觉导航以及激光导航等等。
光电导航，配合黑白胶带简单便宜，但胶带易受灰尘垃圾影响，路线固定等不足；视觉二维码导航，路线灵活，但易受光线和二维码清晰度的影响，且需要配套相机、光源及高处理能力的处理器，成本较高；激光导航精度高，但会大大增加AGV的成本；磁带导航运行可靠成本低，是目前国内外市场上最常见的AGV导航方式，但需要铺设磁条，工作量较大且路线固定等不足；磁钉导航，代替磁条路径的铺设，减少工作量，同时可以重复使用，是兼顾成本和灵活性的导航方式之一，具有很好的应用前景。
目前基于磁钉的AGV定位导航装置，主要由磁钉和磁传感器阵列组成。其实现原理是：将磁钉埋于地上，磁传感器阵列固定于AGV上，当AGV行驶过程中靠近磁钉时，距离磁钉最近的磁传感器，测得到的磁场强度值最大，并将该传磁感器的位置作为磁钉的位置，进而得出AGV本身与磁钉的相对位置。导航装置的定位精度跟传感器数量和传感器之间的间距密切相关，为提高导航装置的定位精度，一般采用以下方法：一、增加传感器数量；如图1所示，传统的磁钉导航装置一般采用一排线形的磁传感器阵列，且磁传感器1间隔较小，一般为10mm。为增加数据采集的可靠性，有些采用双排甚至三排的线形传感器阵列，当第一排磁传感器1未检测到磁钉时，采用其它第二排或第三排磁传感器1阵列进行补充采集，因此，需要大量的磁传感器1来提高定位精度和可靠性；二、保证磁传感器1之间不互相干扰的情况下，减小磁传感器1之间的间隔，一般为10mm；三、采用和改进传感器数据处理算法，如利用函数拟合方式对多磁传感器1数据进行拟合分析。此外，传统方法无法分辨磁钉的方向，为获得AGV的方向信息，一般做法是采用平行布设两个磁钉的方法实现。
因此，现有基于磁钉的AGV导航装置存在以下不足：一、需要大量的磁传感器1，且定位精度低，约为±5mm；二、需要利用双磁钉进行定向，定向过程要同时定位出两个磁钉的位置，进而获得AGV的方向信息，精度低且增加了导航装置的复杂度和磁钉的铺设密度。
发明内容
为克服现有基于磁钉的导航装置中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于单磁钉的高精度AGV定位定向装置及方法，实现AGV停车和导航过程中的高精度的定位和定向。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置，其包括磁钉、磁传感器阵列和微处理器，
所述磁钉铺设在地面上，用于产生相对于经过磁钉且垂直于地面的轴为非对称性的磁场；
所述磁传感器阵列设置在导引车上，其为二维形式排列，用于采集磁钉周围的磁场大小并传输至微控制单元；所述微处理器基于磁场模型和非线性最优化算法计算磁钉相对于磁传感器阵列的位置和方向。
所述磁钉为永久磁铁。
所述磁传感器阵列采用三轴磁传感器。
所述磁场模型为磁偶极子模型或四极子扩展模型。
所述非线性最优化算法为LM算法、PSO算法或者由LM算法和PSO算法组成的混合算法。
一种基于单磁钉的高精度自动引导车定位定向方法，其包括以下步骤：
步骤1、根据磁场模型对磁钉产生的磁场进行建模，基于该磁场模型获取磁传感器阵列中的第l个磁传感器所在位置的磁场理论值为Bl；
步骤2、磁传感器阵列进行测量时，获取第l个磁传感器所在位置的磁场测量值为Bl'；根据磁传感器阵列中的磁传感器磁场测量值Bl'和磁场理论值Bl获得误差函数
步骤3、建立磁传感器阵列坐标系S和磁钉坐标系D，假设第l个磁传感器位置在磁传感器坐标系S下为在磁钉坐标系D下为二者通过坐标转换矩阵Tsd进行转换，得第l个磁传感器位置在磁钉坐标系D下，表示为：
从而得到磁钉相对于磁传感器阵列的位置(Δx,Δy)和方向θ为：
Δx＝k3
Δy＝k4
步骤4、当磁传感器阵列测量值Bst达到阀值Btr时，采用非线性最优化算法通过多次迭代得到未知参数(k1,k2,k3,k4,k5)，使步骤1中的误差函数E达到最小，其中，
根据获得的参数(k1,k2,k3,k4,k5)即可得到磁钉相对于磁传感器阵列的位置(Δx,Δy)和方向θ。
所述非线性最优化算法为由LM算法和PSO算法组成的混合算法，其具体为：在定位初始阶段，使用PSO算法执行三次，选择适应度值最小的值作为LM算法的初始值；在随后的定位跟踪过程中，LM算法将本次计算获得的值作为下一次计算中LM算法的初始值。
采用上述方案后，本发明通过合理地布置磁钉，从而使磁钉产生非对称磁场，使磁传感器阵列在不同方向上测得的磁场强度值不同；然后对磁钉周围磁场进行建模，基于磁场模型可得到磁传感器阵列中的磁传感器的在某一位置的磁场强度理论值，结合磁传感器阵列中的磁传感器测得相应的磁场强度测量值，得到误差函数；然后通过建立磁传感器阵列坐标系和磁钉坐标系，获取磁钉相对于磁传感器阵列的位置和方向参数；当磁传感器阵列测量值达到阈值时，通过最优化算法迭代求解磁钉的位置和方向参数，使误差函数最小。本发明通过磁钉产生非对称磁场，使磁传感器阵列在不同方向上测得的磁场强度不同，从而使得本发明可以基于单磁钉实现导引车的定位定向处理。而且通过将磁传感器阵列为二维形式排列，可以提高系统的抗干扰能力，同时增加磁钉的定位范围，因此布局磁传感器时，磁传感器的数量少，间隔大。也就是说，本发明在磁传感器数量少、间隔大的情况下，基于单磁钉方式，就可以获得高精度的导引车位置和方向信息，且精度优于传统的磁钉导航方法。
此外，本发明采用由LM算法和PSO算法组成的混合算法对磁钉的位置和方向参数进行迭代求解，在定位初始阶段，使用PSO算法执行三次，选择适应度值最小的值作为LM算法的初始值，在随后的定位跟踪过程中，LM算法将本次计算获得的点作为下一次计算中LM算法的初始值，这样可以减少迭代次数进而提高跟踪速度，有效实时地获取位置和方向信息。
附图说明
图1为一种传统磁钉导航装置中磁传感器分布示意图；
图2为本发明一实施例的二维磁传感器阵列分布示意图；
图3为本发明一实施例的磁偶极子模型示意图；
图4为本发明一实施例的基于单磁钉的AGV定位定向系统的结构示意图；
图5为本发明一实施例的混合最优化算法的流程图；
图6为本发明一实施例的基于本导航装置的AGV运动模型示意图。
具体实施方式
如图2至图6所示，本发明揭示了一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置，其包括磁钉5、磁传感器阵列3和微处理器4，其中，磁钉5铺设在地面上，用于产生相对于经过磁钉5且垂直于地面的轴为非对称性的磁场；该磁钉5可以采用永久磁铁。
磁传感器阵列3设置在导引车上，其为二维形式排列，用于采集磁钉周围的磁场大小并传输至微控制单元；该磁传感器阵列采用三轴磁传感器。
微处理器4基于磁场模型和非线性最优化算法计算磁钉5相对于传感器阵列的位置和方向，并将计算结果通过串行总线与导引车车体主控制器连接，串行总线为CAN总线、UART总线、SPI总线；磁场模型为磁偶极子模型或四极子扩展模型；非线性最优化算法为LM算法、PSO算法或者由LM算法和PSO算法组成的混合算法。
基于上述装置，本发明还揭示了一种基于单磁钉的高精度自动引导车定位定向方法，如图3所示，本实施例中磁钉5采用轴向充磁的圆柱形钕铁硼磁铁，采用磁偶极子模型对磁场进行建模；磁传感器阵列3进行测量时，第l个磁传感器2所在位置的磁场可表示为：
其中，N表示磁传感器2个数，BT是与磁钉大小和磁性相关的常量，H0表示磁钉方向的单位向量(m,n,p)T，Fl表示磁钉5位置(a,b,c)到磁传感器位置(xl,yl,zl)的位置向量，Rl表示Fl的大小，即
假设(B'lx,B'ly,B'lz)T为磁传感器阵列3的第l个磁传感器2测量值，(Blx,Bly,Blz)T为基于磁偶极子模型计算得到的理论值，由式(1)展开可行：
误差函数可定义为：
通过非线性最优化算法使得误差函数E达到最小，求解待求参数。
如图4所示，一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向方法，其通过磁传感器阵列3采集磁钉5周围的磁场大小，并将采集数据传输至微处理器4，微处理器4基于磁场模型和非线性最优化算法计算磁钉相对于磁传感器阵列的位置(Δx,Δy)和方向θ。
首先，建立磁传感器阵列3坐标系S和磁钉5坐标系D，假设第l个磁传感器2位置在磁传感器坐标系S下为在磁钉5坐标系D下为二者通过坐标转换矩阵Tsd进行转换：
其中，表示磁传感器阵列3中心在磁钉5坐标系D下的值。假设使用k1,k2,k3,k4和k5分别表示cosθ,sinθ,和坐标转换矩阵Tsd可以表示如下：
所以，第l个磁传感器2位置在磁钉5坐标系D下，可表示为：
磁钉5相对于磁传感器阵列3的位置(Δx,Δy)和方向θ为：
Δx＝k3 (11)
Δy＝k4 (12)
由式(8)-(9)可知，若求出未知数k1,k2,k3,k4即可获得AGV定位导航过程中所需的位置和方向信息。
在本实施例中，磁钉5的方向(m,n,p)T＝(1,0,0),磁钉5的位置(a,b,c)T＝(0,0,0)，第l个磁传感器2位置如(8)-(10)所示，因此(2)-(4)可简化为：
当磁传感器阵列3测量值Bst达到阀值Btr时，采用非线性最优化算法通过多次迭代改变未知参数(k1,k2,k3,k4,k5)，使式(5)的误差函数E达到最小。其中，
最优化算法为Levenburg-Marquardt(LM)算法和粒子群优化(PSO)组成的混合算法。LM算法是一种局部最优化算法，具有计算速度快、精度高以及鲁棒性强等优点，但在每次定位开始时都需要提供一个初始值，如果该初始值与真实值差距比较大时，该算法很可能收敛至局部最优解，而非全局最优解，导致定位结果的不准确。PSO是一种全局最优化算法，该算法不需要初始值，只要设定解的取值范围，但计算速度慢以及精度较低，无法应用于实时性较高的场合。为了有效实时地获取位置和方向信息，采用LM和PSO算法的混合策略。
如图5所示，本发明一实施例的混合最优化算法的流程图，在定位初始阶段，使用PSO算法执行三次，选择适应度值最小的值作为LM算法的初始值。在随后的定位跟踪过程中，LM算法将本次计算获得的点作为下一次计算中LM算法的初始值，这样可以减少迭代次数进而提高跟踪速度。PSO算法中的适应度值由误差函数式(5)决定。
如图6所示，将本发明的基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置应用于AGV中，本定位导航装置获取的是磁传感器阵列相对于磁钉的位置和方向，因此AGV的运动模型需要做一定的变换。假设AGV是一种两轮差速驱动平台，AGV中心的位置与全局坐标系Xg的夹角从t-1时刻至t时刻，可表示如下：
假设小车坐标系V和磁传感器坐标系S相互平行，且磁传感器阵列安装在AGV小车的正前方，该磁导航装置定位的结果可通过式(21)转换至AGV小车的中心。
本发明的关键在于，本发明通过合理地布置磁钉，从而使磁钉产生非对称磁场，使磁传感器阵列在不同方向上测得的磁场强度值不同；然后对磁钉周围磁场进行建模，基于磁场模型可得到磁传感器阵列中的磁传感器的在某一位置的磁场强度理论值，结合磁传感器阵列中的磁传感器测得相应的磁场强度测量值，得到误差函数；然后通过建立磁传感器阵列坐标系和磁钉坐标系，获取磁钉相对于磁传感器阵列的位置和方向参数；当磁传感器阵列测量值达到阈值时，通过最优化算法迭代求解磁钉的位置和方向参数，使误差函数最小。本发明通过磁钉产生非对称磁场，使磁传感器阵列在不同方向上测得的磁场强度不同，从而使得本发明可以基于单磁钉实现导引车的定位定向处理。而且通过将磁传感器阵列为二维形式排列，可以提高系统的抗干扰能力，同时增加磁钉的定位范围，因此布局磁传感器时，磁传感器的数量少，间隔大。也就是说，本发明在磁传感器数量少、间隔大的情况下，基于单磁钉方式，就可以获得高精度的导引车位置和方向信息，且精度优于传统的磁钉导航方法。
此外，本发明采用由LM算法和PSO算法组成的混合算法对磁钉的位置和方向参数进行迭代求解，在定位初始阶段，使用PSO算法执行三次，选择适应度值最小的值作为LM算法的初始值，在随后的定位跟踪过程中，LM算法将本次计算获得的点作为下一次计算中LM算法的初始值，这样可以减少迭代次数进而提高跟踪速度，有效实时地获取位置和方向信息。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置，其特征在于：包括磁钉、磁传感器阵列和微处理器，
所述磁钉铺设在地面上，用于产生相对于经过磁钉且垂直于地面的轴为非对称性的磁场；
所述磁传感器阵列设置在导引车上，其为二维形式排列，用于采集磁钉周围的磁场大小并传输至微控制单元；
所述微处理器基于磁场模型和非线性最优化算法计算磁钉相对于磁传感器阵列的位置和方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置，其特征在于：所述磁钉为永久磁铁。
3.根据权利要求1所述的一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置，其特征在于：所述磁传感器阵列采用三轴磁传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置，其特征在于：所述磁场模型为磁偶极子模型或四极子扩展模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于单磁钉的高精度自动导引车定位定向装置，其特征在于：所述非线性最优化算法为LM算法、PSO算法或者由LM算法和PSO算法组成的混合算法。
6.一种基于单磁钉的高精度自动引导车定位定向方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、根据磁场模型对磁钉产生的磁场进行建模，基于该磁场模型获取磁传感器阵列中的第l个磁传感器所在位置的磁场理论值为Bl；
步骤2、磁传感器阵列进行测量时，获取第l个磁传感器所在位置的磁场测量值为Bl'；根据磁传感器阵列中的磁传感器磁场测量值Bl'和磁场理论值Bl获得误差函数
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步骤3、建立磁传感器阵列坐标系S和磁钉坐标系D，假设第l个磁传感器位置在磁传感器坐标系S下为在磁钉坐标系D下为二者通过坐标转换矩阵Tsd进行转换，得第l个磁传感器位置在磁钉坐标系D下，表示为：
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步骤4、当磁传感器阵列测量值Bst达到阀值Btr时，采用非线性最优化算法通过多次迭代得到未知参数(k1,k2,k3,k4,k5)，使步骤1中的误差函数E达到最小，其中，
<mrow>
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</mrow>
根据获得的参数(k1,k2,k3,k4,k5)即可得到磁钉相对于磁传感器阵列的位置(Δx,Δy)和方向θ。
7.根据权利要求6所述的一种基于单磁钉的高精度自动引导车定位定向方法，其特征在于：所述非线性最优化算法为由LM算法和PSO算法组成的混合算法，其具体为：在定位初始阶段，使用PSO算法执行三次，选择适应度值最小的值作为LM算法的初始值；在随后的定位跟踪过程中，LM算法将本次计算获得的值作为下一次计算中LM算法的初始值。
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