CN108052107A - 一种融合磁条、磁钉和惯导的agv室内外复合导航系统及方法 - Google Patents
一种融合磁条、磁钉和惯导的agv室内外复合导航系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统及方法，该系统包括铺设于地面的磁条、磁钉、RFID信标，电子地图和车载设备；磁条铺设于室内，磁钉稀疏地铺设于室外，RFID信标稀疏地铺设于室内和室外由磁条或磁钉形成的AGV运行轨道上，室内的最后一段磁条为直线段；每个RFID信标具有唯一编号且与电子地图对应；所述车载设备包括磁传感器、陀螺仪、RFID读卡器和控制单元；控制单元根据RFID读卡器数据切换室内导航运动控制和室外导航运动控制，并在AGV离开室内环境前，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据和陀螺仪自身的姿态角数据修正陀螺仪数据，实现AGV小车在室内外场景下的平稳运动。
Description
技术领域
本发明属于自动控制领域，尤其涉及一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统及方法。
背景技术
目前自动导引车辆已经成为企业内部物流、智能工厂、先进物流的重要设备，在提升企业内部物流的自动化、信息化和智能化方面起着非常重要的作用。而所谓自动导引和物料自动搬运，即能够自主地把物料从一个站点搬运至另一站点，包括去指定站点搬运物料、沿着指定轨迹运行、至指定目的站点放置物料。针对室外场景的导航，有很大的强光干扰、复杂的环境因素、极易被破坏的轨线，使得目前常见的磁条、激光等导航方式无法满足应用需求，而实际工厂应用中却往往需要同时进行室内、室外的导航、搬送物料从一个仓库进入室外道路然后再进入一个生产车间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有导航技术的不足，提供一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统及方法，该系统采用室内铺设磁条、室外布置稀疏的磁钉、稀疏的磁钉间采用惯性导航方式运行，磁传感器在室内检测磁条横向偏差，实现仅基于横向偏差检测的路径跟踪控制，同时在出室外前直线路径运行时对陀螺仪清零，有效滤除陀螺仪采集数据的固定漂移，在室外磁传感器检测磁钉获得的离散的横向偏差，融合固定漂移处理后的陀螺仪姿态角数据，实现预测路径跟踪控制，能够有效实现室内外磁条、磁钉、惯性导航的自主平稳切换，导航精度可达±10mm。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，该系统包括铺设于地面的磁条、磁钉、RFID信标，电子地图和车载设备；
所述磁条铺设于室内，磁钉稀疏地铺设于室外，RFID信标稀疏地铺设于室内和室外由磁条或磁钉形成的AGV运行轨道上，室内的最后一段磁条为直线段；每个RFID信标具有唯一编号且与电子地图对应；
所述车载设备包括磁传感器、陀螺仪、RFID读卡器和控制单元；磁传感器、陀螺仪和RFID读卡器分别与控制单元连接；
所述控制单元根据RFID读卡器数据切换室内导航运动控制和室外导航运动控制；
所述室内导航运动控制通过磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据来实现,并在离开室内环境前，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据和陀螺仪自身的姿态角数据修正陀螺仪数据；
所述室外导航运动控制通过修正后的陀螺仪数据和经过磁钉时磁传感器采集的AGV小车相对于磁钉的横向偏差数据来实现。
进一步地，所述陀螺仪可安装在AGV小车的任意位置，所述磁传感器和RFID读卡器固定在一起，可安装在AGV小车的任意部位。
进一步地，所述室内导航运动控制基于磁传感器在AGV小车上的安装位置和尺寸，仅使用磁传感器横向偏差检测数据ype，AGV为舵轮驱动的AGV时，根据以下公式计算室内环境行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
其中,L为舵轮到后轮轴的距离，Lp为舵轮到磁传感器的纵向距离,v为车体前进线速度。
进一步地，所述控制单元当小车运行在最后一段直线段磁条上时，从陀螺仪采集的数据中采样一组数据，获取该组采样数据的均值θave，记录陀螺仪的当前姿态角θp，然后对陀螺仪进行清零操作，将清零后获得的陀螺仪姿态角θ′根据以下公式计算修正后的姿态角θ：
θ＝θ′+θp-θave。
进一步地，所述室外导航运动控制包括：
(1)磁钉间横向偏差数据预测，根据以下公式计算预测的横向偏差数据
其中，k为采样时刻，T为采样周期，v为车体前进线速度，a为AGV运动中心点到磁传感器的纵向距离，b为AGV运动中心点到磁传感器的横向距离，θ为修正后的陀螺仪姿态角；对于差速驱动的AGV，其运动中心指的是两个驱动轮连线的中心点；对于舵轮驱动的AGV，其运动中心指的是两个定向轮连线的中心点；对于四轮驱动的AGV，其运动中心指的是四个轮子的几何中心；
(2)横向偏差数据修正：在经过磁钉时，利用磁传感器检测到的实际横向偏差数据ype修正预测的横向偏差数据，即当在采样时间k1检测到磁钉时，令：
(3)基于预测横向偏差数据实现磁钉间的路径跟踪控制，根据以下公式计算室外环境下的AGV偏转角速度ω：
其中，v为AGV期望的线速度。
进一步地，所述AGV为舵轮驱动的AGV时，根据以下公式计算室外环境行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
其中，L为AGV舵轮到其运动中心的距离。
进一步地，直线路径上的磁钉间隔不超过3m,弯道上的磁钉间隔不超过1m。
一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航方法，该方法包括以下步骤：
(1)在室内AGV工作区域铺设磁条，室内的最后一段磁条为直线段，在室外AGV工作区域稀疏地铺设磁钉，在室内和室外的AGV运行轨道上稀疏地铺设RFID信标；每个RFID信标具有唯一编号且与电子地图对应；
(2)根据AGV小车上的RFID读卡器数据切换室内导航运动控制和室外导航运动控制；
(3)通过AGV小车上的磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据实现室内导航运动控制，并在AGV离开室内环境前，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据和陀螺仪自身的姿态角数据修正陀螺仪数据；
(4)通过修正后的陀螺仪数据和经过磁钉时磁传感器采集的AGV小车相对于磁钉的横向偏差数据实现室外导航运动控制。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统及方法，该系统融合磁条检测信息、磁钉检测信息和陀螺仪数据，有效地实现陀螺仪固定漂移的清除以及能够同时实现室内、室外的混合导航和平稳切换，该系统使得室外环境完全可以用磁钉替代磁条，避免磁条的损坏，减少了后期维护成本，导航系统导航精度可达±10mm。
附图说明
图1为导航系统结构框图；
图2为AGV小车示意图；
图3为控制单元结构框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明提供的一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，该系统包括铺设于地面的磁条、磁钉、RFID信标，与实际场景吻合的电子地图和车载设备；所述磁条铺设于室内，磁钉稀疏地铺设于室外，RFID信标稀疏地铺设于室内和室外由磁条或磁钉形成的AGV运行轨道上，室内的最后一段磁条为直线段；每个RFID信标具有唯一编号且与电子地图对应；
如图1所示，所述车载设备包括磁传感器、陀螺仪、RFID读卡器和控制单元；磁传感器、陀螺仪和RFID读卡器分别与控制单元连接；所述陀螺仪可安装在AGV小车的任意位置，所述磁传感器和RFID读卡器固定在一起，可安装在AGV车体上离地面高度40厘米的任意部位，AGV车体结构可采用如图2所示的舵轮驱动的AGV；
如图3所示，所述控制单元根据RFID读卡器数据切换室内导航运动控制和室外导航运动控制；所述室内导航运动控制通过磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据来实现,并在离开室内环境前，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据和陀螺仪自身的姿态角数据修正陀螺仪数据；所述室外导航运动控制通过修正后的陀螺仪数据和经过磁钉时磁传感器采集的AGV小车相对于磁钉的横向偏差数据来实现。
所述室内导航运动控制基于磁传感器的安装位置和尺寸(参考图2，以舵轮驱动的AGV为例)，仅使用磁传感器横向偏差检测数据ype，根据以下公式计算室内环境环境行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
其中,L为舵轮到后轮轴的距离，Lp为舵轮到磁传感器的纵向距离,v为车体前进线速度。
所述控制单元当小车运行在最后一段直线段磁条上时，从陀螺仪采集的数据中采样一组数据，获取该组采样数据的均值θave，记录陀螺仪的当前姿态角θp，然后对陀螺仪进行清零操作，将清零后获得的陀螺仪姿态角θ＇根据以下公式计算修正后的姿态角θ：
θ＝θ′+θp-θave。
所述室外导航运动控制包括：
(1)磁钉间横向偏差数据预测，根据以下公式计算预测的横向偏差数据
其中，k为采样时刻，T为采样周期，v为车体前进线速度，a为AGV运动中心点到磁传感器的纵向距离，b为AGV运动中心点到磁传感器的横向距离，θ为修正后的陀螺仪姿态角；对于差速驱动的AGV，其运动中心指的是两个驱动轮连线的中心点；对于舵轮驱动的AGV，其运动中心指的是两个定向轮连线的中心点；对于四轮驱动的AGV，其运动中心指的是四个轮子的几何中心；
(2)横向偏差数据修正：在经过磁钉时，利用磁传感器检测到的实际横向偏差数据ype修正预测的横向偏差数据，即当在采样时间k1检测到磁钉时，令：
(3)基于预测横向偏差数据实现磁钉间的路径跟踪控制，根据以下公式计算室外环境下的AGV偏转角速度ω：
其中，v为AGV期望的线速度。
以舵轮驱动的AGV为例，根据以下公式计算室外环境行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
其中，L为AGV舵轮到其运动中心的距离,详见图2所示。
该系统融合磁传感器和陀螺仪数据，可任意安装磁传感器和陀螺仪，使得室外可以用稀疏磁钉代替磁条，避免磁条的损坏，减少了后期维护成本，同时，利用能够融合直线前进运动时的磁传感器数据有效滤除陀螺仪采集数据的固定漂移，实现了磁条、磁钉、惯性导航融为一体的室内外复合导航，导航系统导航精度可达±10mm。
Claims (8)
1.一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，其特征在于：该系统包括铺设于地面的磁条、磁钉、RFID信标，电子地图和车载设备；
所述磁条铺设于室内，磁钉稀疏地铺设于室外，RFID信标稀疏地铺设于室内和室外由磁条或磁钉形成的AGV运行轨道上，室内的最后一段磁条为直线段；每个RFID信标具有唯一编号且与电子地图对应；
所述车载设备包括磁传感器、陀螺仪、RFID读卡器和控制单元；磁传感器、陀螺仪和RFID读卡器分别与控制单元连接；
所述控制单元根据RFID读卡器数据切换室内导航运动控制和室外导航运动控制；
所述室内导航运动控制通过磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据来实现,并在离开室内环境前，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据和陀螺仪自身的姿态角数据修正陀螺仪数据；
所述室外导航运动控制通过修正后的陀螺仪数据和经过磁钉时磁传感器采集的AGV小车相对于磁钉的横向偏差数据来实现。
2.根据权利要求1所述的一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，其特征在于：所述陀螺仪可安装在AGV小车的任意位置，所述磁传感器和RFID读卡器固定在一起，可安装在AGV小车的任意部位。
3.根据权利要求1所述的一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，其特征在于：所述室内导航运动控制基于磁传感器在AGV小车上的安装位置和尺寸，仅使用磁传感器横向偏差检测数据ype，AGV为舵轮驱动的AGV时，根据以下公式计算室内环境行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
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其中,L为舵轮到后轮轴的距离，Lp为舵轮到磁传感器的纵向距离,v为车体前进线速度。
4.根据权利要求1所述的一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，其特征在于：所述控制单元当小车运行在最后一段直线段磁条上时，从陀螺仪采集的数据中采样一组数据，获取该组采样数据的均值θave，记录陀螺仪的当前姿态角θp，然后对陀螺仪进行清零操作，将清零后获得的陀螺仪姿态角θ′根据以下公式计算修正后的姿态角θ：
θ＝θ′+θp-θave。
5.根据权利要求1所述的一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，其特征在于：所述室外导航运动控制包括：
(1)磁钉间横向偏差数据预测，根据以下公式计算预测的横向偏差数据
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其中，k为采样时刻，T为采样周期，v为车体前进线速度，a为AGV运动中心点到磁传感器的纵向距离，b为AGV运动中心点到磁传感器的横向距离，θ为修正后的陀螺仪姿态角；对于差速驱动的AGV，其运动中心指的是两个驱动轮连线的中心点；对于舵轮驱动的AGV，其运动中心指的是两个定向轮连线的中心点；对于四轮驱动的AGV，其运动中心指的是四个轮子的几何中心；
(2)横向偏差数据修正：在经过磁钉时，利用磁传感器检测到的实际横向偏差数据ype修正预测的横向偏差数据，即当在采样时间k1检测到磁钉时，令：
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(3)基于预测横向偏差数据实现磁钉间的路径跟踪控制，根据以下公式计算室外环境下的AGV偏转角速度ω：
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其中，υ为AGV期望的线速度。
6.根据权利要求5所述的一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，其特征在于：所述AGV为舵轮驱动的AGV时，根据以下公式计算室外环境行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
<mrow>
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其中，L为AGV舵轮到其运动中心的距离。
7.根据权利要求1所述的一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航系统，其特征在于：直线路径上的磁钉间隔不超过3m,弯道上的磁钉间隔不超过1m。
8.一种融合磁条、磁钉和惯导的AGV室内外复合导航方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)在室内AGV工作区域铺设磁条，室内的最后一段磁条为直线段，在室外AGV工作区域稀疏地铺设磁钉，在室内和室外的AGV运行轨道上稀疏地铺设RFID信标；每个RFID信标具有唯一编号且与电子地图对应；
(2)根据AGV小车上的RFID读卡器数据切换室内导航运动控制和室外导航运动控制；
(3)通过AGV小车上的磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据实现室内导航运动控制，并在AGV离开室内环境前，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据和陀螺仪自身的姿态角数据修正陀螺仪数据；
(4)通过修正后的陀螺仪数据和经过磁钉时磁传感器采集的AGV小车相对于磁钉的横向偏差数据实现室外导航运动控制。
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