CN108152827B - 一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法 - Google Patents

一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法 Download PDF

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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，包括如下步骤：在AGV上安装传感器，并测量传感器中心至AGV中心的距离；在AGV运行场地内安装激光反射板；设定传感器的初始原点和零度角，利用导航控制器采集传感器的实时位姿信息并进行滤波，获得传感器的当前位姿信息；通过转换公式得出AGV车体中心的当前位姿信息；在AGV巡线运行时，实时解算AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差，根据偏差实时调整AGV的角速度和偏航角，完成导航。本发明通过布设传感器和激光反射板，并实时解算AGV位姿与目标路径的偏差，根据偏差实时调整AGV，实现了灵活设置AGV运行路线并精确导航，弥补了传统的激光导航AGV定位方法路径单一且可靠性较差的缺陷。

Description

一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，尤其适用于AGV运行区域定位与导航，属于AGV导航控制技术领域。
背景技术
现有的AGV生产厂家采用的导航方式包括：视觉导航、激光导航、磁导航、光电导航等。磁导航主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无干扰，制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大。
GPS导航是通过卫星对非固定路面系统中的控制对象进行跟踪和制导，目前此项技术还在发展和完善，通常用于室外远距离的跟踪和制导，其精度取决于卫星在空中的固定精度和数量，以及控制对象周围环境等因素。由此发展出来的是iGPS(室内GPS)和dGPS(用于室外的差分GPS)，其精度要远远高于民用GPS，但制造成本较高。
视觉导航是对AGV行驶区域的环境进行图象处理和智能学习，实现自动导航行驶，视觉导航主要特点是精度较高，但对复杂环境的识别能力和学习能力有待提高，而且路径单一。
激光导航AGV定位较精确；地面无需其它辅助定位设施；行驶路径可灵活多变，能够适合多种现场环境，它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导航方法。
现有技术中，传统的激光导航AGV定位方法存在运行路径单一且可靠性较差的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，通过合理布设传感器和激光反射板，并实时解算AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差，根据偏差实时调整AGV的角速度和偏航角，实现了灵活设置AGV运行路线并精确导航，弥补了传统的激光导航AGV定位方法路径单一且可靠性较差的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，包括如下步骤：
第一步，在AGV顶部安装传感器，并测量传感器中心至AGV车体中心的距离d；
第二步，在AGV运行场地内安装激光反射板，使传感器在任意时刻均能照射到不少于3块激光反射板；
第三步，设定传感器的初始原点和零度角，在所述场地内使用传感器照射激光反射板，利用导航控制器采集传感器的实时位姿信息并进行滤波，获得传感器的当前位姿信息；
第四步，根据传感器的当前位姿信息，通过转换公式得出AGV车体中心的当前位姿信息；
第五步，在AGV巡线运行时，实时解算AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差，根据偏差实时调整AGV的角速度和偏航角，完成导航。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第一步中，传感器采用激光导航传感器，传感器发射光束的照射范围是0～360°。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第一步中，传感器位于AGV车体前后轴线上且与AGV车头方向平行。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第二步中，激光反射板的数量不少于11块，激光反射板与传感器的间距范围设为10～20m，AGV单侧的激光反射板采用非等间距设置，AGV单侧相邻的激光反射板之间的距离范围设为10～15m。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第三步中，根据传感器与激光反射板的距离，得出传感器的实时位姿信息，传感器的当前位姿信息包括传感器的当前坐标(x1,y1)和传感器的当前位姿角θ1。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第三步中，传感器的当前坐标(x1,y1)均在第一象限内。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第三步中，导航控制器通过串口/网口实时采集传感器的实时位姿信息。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第四步中，转换公式为：
Figure BDA0001422967360000031
AGV车体中心的当前位姿信息包括AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)和AGV车体中心的当前位姿角θ′。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第五步中，AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差包括AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)与目标路径的偏移距离Δd，AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)与目标坐标(xs,yf)的偏移距离Δl，AGV车体中心的当前位姿角θ′与目标路径倾斜角θ的偏差角度Δθ。
在上述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法中，所述第五步中，根据偏差实时调整AGV的角速度ω和偏航角
Figure BDA0001422967360000038
还包括以下具体步骤：
步骤5.1，建立目标路径方程y＝k(x′-xs)+ys，其中：k为目标路径倾斜角θ的正切值，当
Figure BDA0001422967360000032
预设AGV车体中心至目标路径的最远距离为dmax，将AGV运行方向和AGV车头方向之间的夹角定义为AGV的偏航角
Figure BDA0001422967360000033
Figure BDA0001422967360000034
的取值范围是[0°，360°)，AGV向前方即AGV车头方向运行时，AGV的偏航角
Figure BDA0001422967360000035
为0°；
步骤5.2，计算AGV的偏航角
Figure BDA0001422967360000036
当0°≤θ′＜90°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000037
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000041
当90°≤θ′＜180°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000042
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000043
当180°≤θ′＜270°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000044
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000045
当270°≤θ′＜360°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000046
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000047
步骤5.3，计算AGV的角速度ω以及旋转方向；
ω的取值范围是[-45°，45°]；
当
Figure BDA0001422967360000048
当
Figure BDA0001422967360000049
若Δθ′＞0，则AGV应顺时针旋转；
若Δθ′＜0，则AGV应逆时针旋转；
若Δθ′＝0，则AGV无需旋转；
步骤5.4，调节AGV的角速度ω、偏航角
Figure BDA00014229673600000410
和旋转方向共同形成的复合运动，直至AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)与目标坐标(xs,yf)差距l在5mm之内
Figure BDA00014229673600000411
完成导航。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明采用激光导航传感器，并使激光导航传感器中心坐标与AGV车体中心坐标一一对应，有效确保AGV当前位姿信息测量的精确性和连续性，而且可以根据实际需要，在AGV运行场地内灵活设置激光反射板的位置和数量，实现了全范围任意点的准确定位，增强了AGV运行路线的多样性。
【2】本发明将麦克纳姆轮AGV的全向运行和激光导航传感器连续定位相结合，达到了AGV定位精度优于±5mm的效果；相较于普通视觉或磁导AGV，运行路径更加多变，通用性能获得了显著的提升。
【3】本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理，易于工程实现；导航过程安全稳定，既减轻了工作人员的操作负担，又大幅降低了操作成本，市场应用前景非常广阔。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的流程图
图2为传感器布设示意图
图3为传感器中心坐标和AGV车体中心坐标的关系示意图
图4为AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差关系示意图
具体实施方式
为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，包括如下步骤：
第一步，在AGV顶部安装传感器，并测量传感器中心至AGV车体中心的距离d；
第二步，在AGV运行场地内安装激光反射板，使传感器在任意时刻均能照射到不少于3块激光反射板；
第三步，设定传感器的初始原点和零度角，在所述场地内使用传感器照射激光反射板，利用导航控制器采集传感器的实时位姿信息并进行滤波，获得传感器的当前位姿信息；
第四步，根据传感器的当前位姿信息，通过转换公式得出AGV车体中心的当前位姿信息；
第五步，在AGV巡线运行时，实时解算AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差，根据偏差实时调整AGV的角速度和偏航角，完成导航。
优选的，第一步中，传感器采用激光导航传感器，传感器发射光束的照射范围是0～360°。
优选的，第一步中，传感器位于AGV车体前后轴线上且与AGV车头方向平行。
如图2所示，优选的，第二步中，激光反射板的数量不少于11块，激光反射板与传感器的间距范围设为10～20m，AGV单侧的激光反射板采用非等间距设置，AGV单侧相邻的激光反射板之间的距离范围设为10～15m。
优选的，第三步中，根据传感器与激光反射板的距离，得出传感器的实时位姿信息，传感器的当前位姿信息包括传感器的当前坐标(x1,y1)和传感器的当前位姿角θ1。
优选的，第三步中，传感器的当前坐标(x1,y1)均在第一象限内。
优选的，第三步中，导航控制器通过串口/网口实时采集传感器的实时位姿信息。
如图3所示，优选的，第四步中，转换公式为：
Figure BDA0001422967360000061
AGV车体中心的当前位姿信息包括AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)和AGV车体中心的当前位姿角θ′。
如图4所示，优选的，第五步中，AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差包括AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)与目标路径的偏移距离Δd，AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)与目标坐标(xs,yf)的偏移距离Δl，AGV车体中心的当前位姿角θ′与目标路径倾斜角θ的偏差角度Δθ；
已知目标路径的起始坐标(xs,ys)和终点坐标(xs,yf)，假设目标路径的直线式方程为y＝k(x-xs)+ys，其中
Figure BDA0001422967360000071
将直线式方程转换为Ax+By+C＝0，导出A＝yf-ys，B＝xs-xf，C＝xfys-xsyf；
当xs＝xf，Δd＝|x′-xs|；
当xs≠xf且ys≠yf，
Figure BDA0001422967360000072
当ys＝yf，Δd＝|y′-ys|；
优选的，第五步中，根据偏差实时调整AGV的角速度ω和偏航角
Figure BDA00014229673600000713
还包括以下具体步骤：
步骤5.1，建立目标路径方程y＝k(x′-xs)+ys，其中：k为目标路径倾斜角θ的正切值，
Figure BDA0001422967360000073
根据AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)与目标路径的偏移距离Δd，得出AGV的偏航纠错角α，
Figure BDA0001422967360000074
将AGV车体中心的当前坐标x′代入目标路径方程y＝k(x′-xs)+ys中，得出的y与y′进行比较，当
Figure BDA0001422967360000075
预设AGV车体中心至目标路径的最远距离为dmax，将AGV运行方向和AGV车头方向之间的夹角定义为AGV的偏航角
Figure BDA0001422967360000076
Figure BDA0001422967360000077
的取值范围是[0°，360°)，AGV向前方即AGV车头方向运行时，AGV的偏航角
Figure BDA0001422967360000078
为0°；
步骤5.2，计算AGV的偏航角
Figure BDA0001422967360000079
当0°≤θ′＜90°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA00014229673600000710
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA00014229673600000711
当90°≤θ′＜180°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA00014229673600000712
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000081
当180°≤θ′＜270°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000082
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000083
当270°≤θ′＜360°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000084
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure BDA0001422967360000085
步骤5.3，计算AGV的角速度ω以及旋转方向；
ω的取值范围是[-45°，45°]；
当
Figure BDA0001422967360000089
当
Figure BDA0001422967360000086
若Δθ′＞0，则AGV应顺时针旋转；
若Δθ′＜0，则AGV应逆时针旋转；
若Δθ′＝0，则AGV无需旋转；
步骤5.4，调节AGV的角速度ω、偏航角
Figure BDA0001422967360000087
和旋转方向共同形成的复合运动，直至AGV车体中心的当前坐标(x′,y′)与目标坐标(xs,yf)差距l在5mm之内
Figure BDA0001422967360000088
完成导航。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，在AGV顶部安装传感器，并测量传感器中心至AGV车体中心的距离d；
第二步，在AGV运行场地内安装激光反射板，使传感器在任意时刻均能照射到不少于3块激光反射板；
第三步，设定传感器的初始原点和零度角，在所述场地内使用传感器照射激光反射板，利用导航控制器采集传感器的实时位姿信息并进行滤波，获得传感器的当前位姿信息；
第四步，根据传感器的当前位姿信息，通过转换公式得出AGV车体中心的当前位姿信息；
第五步，在AGV巡线运行时，实时解算AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差，根据偏差实时调整AGV的角速度和偏航角，完成导航；
所述第五步中，AGV车体中心的当前位姿信息与目标路径的偏差包括AGV车体中心的当前坐标(x′，y′)与目标路径的偏移距离Δd，AGV车体中心的当前坐标(x′，y′)与目标坐标(xs，ys)的偏移距离Δl，AGV车体中心的当前位姿角θ′与目标路径倾斜角θ的偏差角度Δθ；
所述第五步中，根据偏差实时调整AGV的角速度ω和偏航角
Figure FDA0002537242390000015
还包括以下具体步骤：
步骤5.1，建立目标路径方程y＝k(x′-xs)+ys，其中：k为目标路径倾斜角θ的正切值，当
Figure FDA0002537242390000011
预设AGV车体中心至目标路径的最远距离为dmax，将AGV运行方向和AGV车头方向之间的夹角定义为AGV的偏航角
Figure FDA0002537242390000012
Figure FDA0002537242390000013
的取值范围是[0°，360°)，AGV向前方即AGV车头方向运行时，AGV的偏航角
Figure FDA0002537242390000014
为0°；
步骤5.2，计算AGV的偏航角
Figure FDA0002537242390000021
当0°≤θ′＜90°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure FDA0002537242390000022
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure FDA0002537242390000023
当90°≤θ′＜180°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure FDA0002537242390000024
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure FDA0002537242390000025
当180°≤θ′＜270°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure FDA0002537242390000026
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure FDA0002537242390000027
当270°≤θ′＜360°；
若y≥y′，则AGV的偏航角度为
Figure FDA0002537242390000028
若y＜y′，则AGV的偏航角度为
Figure FDA0002537242390000029
步骤5.3，计算AGV的角速度ω以及旋转方向；
ω的取值范围是[-45°，45°]；
当
Figure FDA00025372423900000210
当
Figure FDA00025372423900000211
若Δθ＞0，则AGV应顺时针旋转；
若Δθ＜0，则AGV应逆时针旋转；
若Δθ＝0，则AGV无需旋转；
步骤5.4，调节AGV的角速度ω、偏航角
Figure FDA00025372423900000212
和旋转方向共同形成的复合运动，直至AGV车体中心的当前坐标(x′，y′)与目标坐标(xs，ys)差距Δl在5mm之内
Figure FDA0002537242390000031
完成导航。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，其特征在于：所述第一步中，传感器采用激光导航传感器，传感器发射光束的照射范围是0～360°。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，其特征在于：所述第一步中，传感器位于AGV车体前后轴线上且与AGV车头方向平行。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，其特征在于：所述第二步中，激光反射板的数量不少于11块，激光反射板与传感器的间距范围设为10～20m，AGV单侧的激光反射板采用非等间距设置，AGV单侧相邻的激光反射板之间的距离范围设为10～15m。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，其特征在于：所述第三步中，根据传感器与激光反射板的距离，得出传感器的实时位姿信息，传感器的当前位姿信息包括传感器的当前坐标(x1，y1)和传感器的当前位姿角θ1。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，其特征在于：所述第三步中，传感器的当前坐标(x1，y1)均在第一象限内。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，其特征在于：所述第三步中，导航控制器通过串口/网口实时采集传感器的实时位姿信息。
8.根据权利要求5所述的一种基于激光测距的全向智能移动装备定位与导航方法，其特征在于：所述第四步中，转换公式为：
Figure FDA0002537242390000032
AGV车体中心的当前位姿信息包括AGV车体中心的当前坐标(x′，y′)和AGV车体中心的当前位姿角θ′。
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