CN108088439A - 一种融合电子地图、二维码和色带的agv复合导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统及方法，该系统包括车载设备、电子地图和色带；在色带上布置包括至少两个二维码的二维码站点；每个二维码站点具有唯一编号，且与电子地图对应；车载设备包括相机和控制单元；控制单元包括二维码站点图像解码模块、决策模块、直线路径跟踪控制模块、弧线路径跟踪控制模块和定点旋转运动模块；决策模块根据二维码站点图像解码模块获得的站点编号和AGV方位角选择下一路径，从电子地图得到下一路径的类型，从而切换直线路径跟踪控制模块、弧线路径跟踪控制模块和定点旋转运动模块分别进行直线运动、弧线运动和定点旋转运动，实现AGV小车从车载电子地图任意一个站点到另一个站点的自主运动。

Description

一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统及方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，尤其涉及一种融合电子地图、二维码和色带的AGV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。目前常见的磁导航方式需要在地面铺设磁条，极易被车辆碾压造成损坏，后期维护成本高；激光导航方式在纵深巷道由于形成奇异的空间结构，定位变得不准确，而且成本高；融合二维码和陀螺仪信息的复合导航只能进行网格式的直线运动，不能满足特定场景约束下的弧线运动。因此需要探索相对比较灵活、可靠而又低成本的AGV复合导航方式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有导航技术的不足，提供一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统及方法，该系统采用车载电子地图，地面铺设连续的色带，同时在色带上铺设稀疏的二维码站点，视觉传感器获取色带和二维码站点图像，并对二维码站点图像进行解码，在每经过一个二维码站点参照车载电子地图获取规划路径继续前行的道路信息并采取对应的运动控制策略，从而实现灵活、可靠、低成本的导航方式，导航精度停止精度可达±10mm。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，该系统包括车载设备、与实际场景吻合的车载电子地图和铺设于地面的直线色带、弧线色带；

在直线色带和/或弧线色带上布置包括至少两个二维码的二维码站点；每个二维码站点具有唯一编号，且与电子地图对应；

所述电子地图含有二维码站点的编号信息、连接相邻站点的色带路径曲率信息κ以及连接同一站点的相邻路径的夹角信息；

所述车载设备包括相机和控制单元；

所述控制单元包括二维码站点图像解码模块、决策模块、直线路径跟踪控制模块、弧线路径跟踪控制模块和定点旋转运动模块；

所述二维码站点图像解码模块根据相机经过二维码站点时拍摄的二维码图像获得站点编号，根据二维码站点中不同二维码的相对位置获得AGV与站点中心的距离和AGV方位角；

所述决策模块根据站点编号和AGV方位角信息选择下一路径，从电子地图得到下一路径的类型，从而切换直线路径跟踪控制模块、弧线路径跟踪控制模块和定点旋转运动模块分别进行直线运动、弧线运动和定点旋转运动，实现AGV小车从车载电子地图任意一个站点到另一个站点的自主运动。

进一步地，所述决策模块的决策规则如下：

当AGV方位角与选择的下一路径方向一致时，根据下一路径的类型，直接调用直线路径跟踪控制模块或弧线路径跟踪控制模块；

当AGV方位角与选择的下一路径方向不一致时，首先调用定点旋转运动模块，旋转到与下一路径方向一致，再根据下一路径的类型，直接调用直线路径跟踪控制模块或弧线路径跟踪控制模块。

进一步地，所述AGV为具有差速驱动轮的AGV时，所述相机安装于两个差速驱动轮连线的中点；所述AGV为四轮驱动的AGV时，所述相机安装于四个轮子的几何中心；所述AGV为舵轮驱动的AGV时，所述相机安装于两个定向轮连线的中点。

进一步地，所述二维码站点必须包含两个及以上的二维码，呈规则排列，并保持同一方向的坐标系，每个二维码由32位编码表示，属于同一站点的二维码的高28位编码值必须相同，低4位编码从0编到15，允许一个站点最多包含16个二维码。

进一步地，所述二维码站点图像解码模块的解码过程包括以下步骤：

S1：对相机采集的图像中至少一个二维码进行解码获得站点编号；

S2：计算图像中至少两个二维码左上角定标点坐标，并利用其坐标信息计算AGV当前位置偏离该站点中心的距离d和相对于二维码站点坐标系的AGV姿态角α。

进一步地，所述直线路径跟踪控制模块对相机实时拍摄的色带图像进行如下操作：

S1：通过求解旋转角θ和平移坐标[T_x，T_y]^T使得相机获得的实际图像与期望的直线色带路径图像匹配；

S2：根据以下公式计算直线路径下AGV偏转角速度ω：

其中k₁＞0，0＜k₂≤1为常数，k₁用于调整AGV姿态角，k₂用于调整AGV与色带的横向偏差；是T_y的导数。

当AGV为具有差速驱动轮的AGV时，根据以下公式计算AGV左轮转速ω_L和右轮转速ω_R：

其中r为AGV小车的轮子半径，b为AGV驱动轮间距的一半，υ为期望的AGV线速度。

进一步地，所述弧线路径跟踪控制模块对相机实时拍摄的色带图像进行如下操作：

S1：通过求解旋转角θ和平移坐标[T_x，T_y]^T使得相机获得的实际图像与期望的弧线色带路径图像匹配；

S2：根据以下公式计算弧线路径下AGV偏转角速度ω：

其中k₁＞0，0＜k₂≤1为常数，k₁用于调整AGV姿态角，k₂用于调整AGV与色带的横向偏差；是T_y的导数；κ为色带路径曲率；

当AGV为具有差速驱动轮的AGV时，根据以下公式计算AGV左轮转速ω_L和右轮转速ω_R：

其中r为AGV小车的轮子半径，b为AGV驱动轮间距的一半，υ为期望的AGV线速度。

进一步地，所述定点旋转运动模块根据以下公式计算定点旋转时的AGV旋转角速度和线速度：

v＝k₃d

ω＝k₄(α_tar-α)

其中k₃＞0，k₄＞0为常数，α_tar为期望旋转后的姿态角，α为当前根据二维码站点识别出的姿态角；d为AGV当前位置偏离站点中心的距离；

当AGV为具有差速驱动轮的AGV时，根据以下公式计算AGV左轮转速ω_L和右轮转速ω_R：

其中r为AGV小车的轮子半径，b为AGV驱动轮间距的一半。

一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航方法，该方法包括以下步骤：

(1)在AGV工作区域铺设直线色带和弧线色带，在直线色带和/或弧线色带上布置包括至少两个二维码的二维码站点；每个二维码站点具有唯一编号，且与电子地图对应；所述电子地图含有二维码站点的编号信息、连接相邻站点的色带路径曲率信息κ以及连接同一站点的相邻路径的夹角信息；

(2)根据相机经过二维码站点时拍摄的二维码图像获得站点编号，根据二维码站点中不同二维码的相对位置获得AGV与站点中心的距离和AGV方位角；

(3)根据站点编号和AGV方位角信息选择下一路径，从电子地图得到下一路径的类型，根据路径类型进行相应的直线运动、弧线运动或定点旋转运动，实现AGV小车从车载电子地图任意一个站点到另一个站点的自主运动。

本发明的有益效果是:本发明提供了一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统及方法，该系统融合电子地图、二维码站点信和多样化的色带路径，可实现柔性化的AGV自主物流搬运，主要数据检测仅依赖于相机，可替代磁条，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AGV小车示意图；

图2为控制单元结构框图；

图3为环境铺设地图；

图4为图像平面的二维码站点。

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电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，该系统包括车载设备、与实际场景吻合的车载电子地图和铺设于地面的直线色带、弧线色带；所述车载设备包括相机和控制单元，以舵轮驱动的AGV为例，如图1所示，相机必须安装于两个差速驱动轮连线的中点。

如图3所示，在直线色带和/或弧线色带上布置包括至少两个二维码的二维码站点；每个二维码站点具有唯一编号，且与电子地图对应；所述电子地图含有二维码站点的编号信息、连接相邻站点的色带路径曲率信息κ以及连接同一站点的相邻路径的夹角信息二维码站点必须包含两个及以上的二维码，呈规则排列，并保持统一方向的坐标系，每个二维码由32位编码表示，属于同一站点的二维码的高28位编码值必须相同，低4位编码从0编到15，允许一个站点最多包含16个二维码。

如图2所示，所述控制单元包括二维码站点图像解码模块、决策模块、直线路径跟踪控制模块、弧线路径跟踪控制模块和定点旋转运动模块；

所述二维码站点图像解码模块根据相机经过二维码站点时拍摄的二维码图像获得站点编号，根据二维码站点中不同二维码的相对位置获得AGV与站点中心的距离和AGV方位角；

所述决策模块根据站点编号和AGV方位角信息选择下一路径，从电子地图得到下一路径的类型，从而切换直线路径跟踪控制模块、弧线路径跟踪控制模块和定点旋转运动模块分别进行直线运动、弧线运动和定点旋转运动，实现AGV小车从车载电子地图任意一个站点到另一个站点的自主运动。

所述二维码站点图像解码模块的解码过程包括以下步骤：

S1：采用标准的解码算法获得该二维码高28位的站点编码值；

S2：如图4所示，计算图像中至少两个二维码左上角定标点坐标，并利用其坐标信息计算AGV当前位置偏离该站点中心的距离d和相对于二维码站点坐标系的AGV姿态角α。

所述直线路径跟踪控制模块对相机实时拍摄的色带图像进行如下操作：

S1：通过求解旋转角θ和平移坐标[T_x，T_y]^T使得相机获得的实际图像与期望的直线色带路径图像匹配；

S2：根据以下公式计算直线路径下AGV偏转角速度ω：

其中k₁＞0，0＜k₂≤1为常数，k₁用于调整AGV姿态角，k₂用于调整AGV与色带的横向偏差；是T_y的导数。

当AGV为具有差速驱动轮的AGV时，根据以下公式计算AGV左轮转速ω_L和右轮转速ω_R：

其中r为AGV小车的轮子半径，b为AGV驱动轮间距的一半，v为期望的AGV线速度。

所述弧线路径跟踪控制模块对相机实时拍摄的色带图像进行如下操作：

S1：通过求解旋转角θ和平移坐标[T_x，T_y]^T使得相机获得的实际图像与期望的弧线色带路径图像匹配；

S2：根据以下公式计算弧线路径下AGV偏转角速度ω：

其中k₁＞0，0＜k₂≤1为常数，k₁用于调整AGV姿态角，k₂用于调整AGV与色带的横向偏差；是T_y的导数；κ为色带路径曲率；

当AGV为具有差速驱动轮的AGV时，根据以下公式计算AGV左轮转速ω_L和右轮转速ω_R：

其中r为AGV小车的轮子半径，b为AGV驱动轮间距的一半，v为期望的AGV线速度。

所述定点旋转运动模块根据以下公式计算定点旋转时的AGV旋转角速度和线速度：

v＝k₃d

w＝k₄(α_tar-α)

其中k₃＞0，k₄＞0为常数，α_tar为期望旋转后的姿态角，α为当前根据二维码站点识别出的姿态角；d为AGV当前位置偏离站点中心的距离；

当AGV为具有差速驱动轮的AGV时，根据以下公式计算AGV左轮转速ω_L和右轮转速ω_R：

其中r为AGV小车的轮子半径，b为AGV驱动轮间距的一半。

本发明系统融合电子地图、二维码和色带检测，使用一个相机即可获得定点旋转运动、直线路径跟踪、任意弧线路径跟踪的数据信息，适用复杂变化的路线，可替代磁条，减少了后期维护成本，并且相对使用二维码和惯性导航的方式，节省了陀螺仪的使用，导航系统导航精度可达±10mm。

Claims (9)

1.一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，其特征在于，该系统包括车载设备、与实际场景吻合的车载电子地图和铺设于地面的直线色带、弧线色带；

在直线色带和/或弧线色带上布置包括至少两个二维码的二维码站点；每个二维码站点具有唯一编号，且与电子地图对应；

所述电子地图含有二维码站点的编号信息、连接相邻站点的色带路径曲率信息κ以及连接同一站点的相邻路径的夹角信息；

所述车载设备包括相机和控制单元；

所述控制单元包括二维码站点图像解码模块、决策模块、直线路径跟踪控制模块、弧线路径跟踪控制模块和定点旋转运动模块；

所述二维码站点图像解码模块根据相机经过二维码站点时拍摄的二维码图像获得站点编号，根据二维码站点中不同二维码的相对位置获得AGV与站点中心的距离和AGV方位角；

所述决策模块根据站点编号和AGV方位角信息选择下一路径，从电子地图得到下一路径的类型，从而切换直线路径跟踪控制模块、弧线路径跟踪控制模块和定点旋转运动模块分别进行直线运动、弧线运动和定点旋转运动，实现AGV小车从车载电子地图任意一个站点到另一个站点的自主运动。

2.根据权利要求1所述的一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，其特征在于：所述决策模块的决策规则如下：

当AGV方位角与选择的下一路径方向一致时，根据下一路径的类型，直接调用直线路径跟踪控制模块或弧线路径跟踪控制模块；

当AGV方位角与选择的下一路径方向不一致时，首先调用定点旋转运动模块，旋转到与下一路径方向一致，再根据下一路径的类型，直接调用直线路径跟踪控制模块或弧线路径跟踪控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，其特征在于：所述AGV为具有差速驱动轮的AGV时，所述相机安装于两个差速驱动轮连线的中点；所述AGV为四轮驱动的AGV时，所述相机安装于四个轮子的几何中心；所述AGV为舵轮驱动的AGV时，所述相机安装于两个定向轮连线的中点。

4.根据权利要求1所述的一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，其特征在于：所述二维码站点必须包含两个及以上的二维码，呈规则排列，并保持同一方向的坐标系，每个二维码由32位编码表示，属于同一站点的二维码的高28位编码值必须相同，低4位编码从0编到15，允许一个站点最多包含16个二维码。

5.根据权利要求1所述的一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，其特征在于：所述二维码站点图像解码模块的解码过程包括以下步骤：

S1：对相机采集的图像中至少一个二维码进行解码获得站点编号；

S2：计算图像中至少两个二维码左上角定标点坐标，并利用其坐标信息计算AGV当前位置偏离该站点中心的距离d和相对于二维码站点坐标系的AGV姿态角α。

6.根据权利要求1所述的一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，其特征在于：所述直线路径跟踪控制模块对相机实时拍摄的色带图像进行如下操作：

S1：通过求解旋转角θ和平移坐标[T_x，T_y]^T使得相机获得的实际图像与期望的直线色带路径图像匹配；

S2：根据以下公式计算直线路径下AGV偏转角速度ω：

<mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>y</mi> </msub> </mrow> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mover> <mi>T</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>y</mi> </msub> </mrow>

其中k₁＞0，0＜k₂≤1为常数，k₁用于调整AGV姿态角，k₂用于调整AGV与色带的横向偏差；是T_y的导数。

7.根据权利要求1所述的一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，其特征在于：所述弧线路径跟踪控制模块对相机实时拍摄的色带图像进行如下操作：

S1：通过求解旋转角θ和平移坐标[T_x，T_y]^T使得相机获得的实际图像与期望的弧线色带路径图像匹配；

S2：根据以下公式计算弧线路径下AGV偏转角速度ω：

<mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>y</mi> </msub> </mrow> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mover> <mi>T</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>y</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>&amp;kappa;</mi> </mrow>

其中k₁＞0，0＜k₂≤1为常数，k₁用于调整AGV姿态角，k₂用于调整AGV与色带的横向偏差；是T_y的导数；κ为色带路径曲率。

8.根据权利要求1所述的一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航系统，其特征在于：所述定点旋转运动模块根据以下公式计算定点旋转时的AGV旋转角速度和线速度：

υ＝k₃d

ω＝k₄(α_tar-α)

其中k₃＞0，k₄＞0为常数，α_tar为期望旋转后的姿态角，α为当前根据二维码站点识别出的姿态角；d为AGV当前位置偏离站点中心的距离。

9.一种融合电子地图、二维码和色带的AGV复合导航方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)在AGV工作区域铺设直线色带和弧线色带，在直线色带和/或弧线色带上布置包括至少两个二维码的二维码站点；每个二维码站点具有唯一编号，且与电子地图对应；所述电子地图含有二维码站点的编号信息、连接相邻站点的色带路径曲率信息κ以及连接同一站点的相邻路径的夹角信息；

(2)根据相机经过二维码站点时拍摄的二维码图像获得站点编号，根据二维码站点中不同二维码的相对位置获得AGV与站点中心的距离和AGV方位角；

(3)根据站点编号和AGV方位角信息选择下一路径，从电子地图得到下一路径的类型，根据路径类型进行相应的直线运动、弧线运动或定点旋转运动，实现AGV小车从车载电子地图任意一个站点到另一个站点的自主运动。