CN108196554A - 一种基于磁感应器与陀螺仪的agv组合导引系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁感应器与陀螺仪的AGV组合导引系统，包括：磁感应模块、惯性模块、避障模块、通讯融合模块和运动控制模块；其中通讯融合模块将磁感应模块测得的AGV的绝对位置信息和航向角信息、惯性模块测得的相对位置信息和运动信息以及避障模块测得的AGV车身周围障碍物位置信息等进行高效融合及传输；运动控制模块通过实时获取通讯融合模块融合处理后的数据对AGV进行精确控制。本发明基于磁感应器与陀螺仪的多传感器组合技术能实时感知AGV的位置信息及运动信息，从而实现对AGV的高精度导引和控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种AGV组合导引系统，尤其是一种基于磁感应器与陀螺仪的AGV组合导引系统。
背景技术
随着科技发展的日新月异，自动控制技术越来越多的应用到实际生产和日常生活中。自动导引运输车(Automated Guided Vehicle，AGV)在目前工业生产中尤其是柔性制造业和自动仓储系统中是不可或缺的一部分，而导航控制则是AGV设计的关键技术之一。国内自动导引运输车较多采用电磁导引和激光导引技术，电磁导引是在AGV行驶路径上埋没导引线进行导引，使得电磁导引方式不适合复杂路径，且路径不可任意规划。激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束来确定其当前的位置与方向，其路径可以任意规划但是其导引方式不适合激光反射板容易被货物遮挡或者不易安装的场合，同时激光导引技术在导引过程中存在盲区多的缺点。
因此，需要设计一种既能任意规划路径，且导引精度更高的AGV组合导引系统。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种基于磁感应器与陀螺仪的AGV组合导引系统，以期能实时感知AGV的位置信息及运动信息，从而实现对AGV的高精度导引和控制。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明一种基于磁感应器与陀螺仪的AGV组合导引系统的特点包括：磁感应模块、惯性模块、避障模块、通讯融合模块和运动控制模块；
所述磁感应模块通过磁感应器实时感知预定轨迹上布置的磁钉的相对位置，从而得到AGV的绝对位置信息与航向角信息；
所述惯性模块通过多个传感器实时感知AGV在平面直角坐标系XOY下的相对位置坐标和运动信息；所述平面直角坐标系XOY是以所述AGV的初始位置为原点O，以正东方向为X轴，以正北方向为Y轴而建立的；
所述避障模块通过超声波传感器与红外传感器分别实时检测AGV和障碍物之间的距离d1和d2，并在测量距离小于阈值ε时，将所述红外传感器检测的距离d2发送给所述通讯融合模块，在测量距离大于等于阈值ε时，将所超声波传感器检测的距离d1发送给所述通讯融合模块；
所述通讯融合模块通过卡尔曼滤波算法将所述AGV的绝对位置信息与航向角信息、相对位置坐标和运动信息以及AGV和障碍物之间的距离进行融合处理，得到导引数据，以修正所述惯性模块产生的累积误差；
所述运动控制模块根据所述导引数据实现对AGV的实时控制。
本发明所述的AGV组合导引系统的特点也在于，所述磁感应模块是按如下过程获得所述AGV的绝对位置信息与航向角信息：
步骤1、在所述平面直角坐标系XOY中，所述AGV从A点行驶到B点时，利用所述磁感应器感知所述A点相对于所述预定轨迹上布置的一个磁钉的位置M(x1,y1)在X轴的相对距离Δx1以及在Y轴的相对距离Δy1，以及B点相对于所述预定轨迹上布置的另一个磁钉的位置N(x2,y2)在X轴的相对距离Δx2和Y轴的相对距离Δy2，从而得到A点的位置坐标A(x1-Δx1,y1-Δy1)和B点的位置坐标B(x2-Δx2,y2-Δy2)以及A点和B点之间的距离ΔS0；以所述A点的位置坐标A(x1-Δx1,y1-Δy1)和B点的位置坐标B(x2-Δx2,y2-Δy2)作为所述AGV的绝对位置信息；
步骤2、利用式(1)得到A点到B点之间的距离ΔS0相对于两个磁钉的位置M(x1,y1)和N(x2,y2)之间距离的偏差角α：
步骤3、记于两个磁钉位置M(x1,y1)和N(x2,y2)之间的距离相对于X轴之间的夹角为β，则所述AGV的航向角信息θ＝|α-β|。
所述惯性模块由三轴MEMS陀螺仪、加速度计、里程计以及角度编码器组成，且按如下过程获得所述AGV的相对位置信息与运动信息：
步骤1、在所述平面直角坐标系XOY中，所述AGV从初始位置O点行驶到P点，再从P点行驶到Q点时，利用所述角度编码器测得AGV在OP段相对于X轴的第1次偏转角度α1以及PQ段相对于X轴的第2次偏转角度α2，利用所述里程计测得AGV从O点行驶到P点的第1段距离L1，从P点行驶到Q点的第2段距离L2，从而得到P点的相对位置坐标为P(L1·cosα1,L1·sinα1)，Q点的相对位置坐标为Q(L1·cosα1+L2·cosα2,L1sinα1+L2·sinα2)，进而得到AGV在终止位置R点的相对位置坐标R(L1·cosα1+L2·cosα2+…+Ln·cosαn,L1sinα1+L2·sinα2+…+Ln·sinαn)；Ln表示第n段距离，αn表示第n次偏转角度；
步骤2、利用所述三轴MEMS陀螺仪和加速度计分别实时获得所述AGV从初始位置O点到终止位置R点的角速率集合ω和加速度集合α作为AGV的运动信息。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明能够实现更高精度的导引，通过采用磁感应模块获取AGV的绝对位置信息和航向角信息，采用惯性模块获取AGV的相对位置信息和运动信息，采用避障模块实时获取AGV车身周围障碍物的位置信息，再通过信息融合模块将磁感应模块、惯性模块以及避障模块获取的信息进行融合处理得到AGV的准确位置信息及运动信息，最后通过运动控制模块将融合处理后的信息转化为运动控制指令得以实现精确导引。与传统导引方法相比，克服了测量参数的单一化，将多个传感器实时获取的信息进行融合处理后得到的信息更贴合实际情况，因此能够实现更高精度的导引。
2、本发明能够实现任意路径的规划，惯性模块通过采用里程计测量AGV行驶的距离，采用角度编码器测量AGV偏转的角度，建立以AGV的初始位置为原点O，以正东方向为X轴，以正北方向为Y轴的平面直角坐标系XOY，即可实时计算出AGV的相对位置；而磁感应模块中磁钉的铺设可以按照点阵的方式来进行使得AGV能任意规划路径而不受磁钉位置的限制，因此任意轨迹都能实现准确定位，与传统有轨导引技术相比，所述惯性模块技术更先进，灵活性强，便于组合和兼容其他定位方法，适用领域广，能够实现AGV任意路径的规划。
附图说明
图1是本发明AGV组合导引系统的框图；
图2是本发明磁感应模块的工作原理图；
图3是本发明惯性模块的工作原理图；
图4是本发明多传感器信息融合系统示意图。
具体实施方式
本发明是一种基于磁感应器与陀螺仪的AGV组合导引系统，通过综合感知技术能够同时提供环境感知、坐标定位、运动信息的参数，克服了有轨导引技术只能提供单一参数的缺点，有利于AGV组合导引系统掌握更全面的信息，进一步提升实用性；并且在多传感器组合应用的前提下，应用卡尔曼滤波算法在线估计传感器方差，动态调整滤波增益，有效地降低了错误信息对AGV组合导引系统的影响。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本实施例中，一种基于磁感应器与陀螺仪的AGV组合导引系统，如图1所示，为本发明AGV组合导引系统的框图，包括：磁感应模块、惯性模块、避障模块、通讯融合模块和运动控制模块；
磁感应模块通过磁感应器实时感知预定轨迹上布置的两个磁钉的相对位置，从而得到AGV的绝对位置信息与航向角信息；
惯性模块通过多个传感器实时感知AGV在平面直角坐标系XOY下的相对位置坐标和运动信息；所述平面直角坐标系XOY是以所述AGV的初始位置为原点O，以正东方向为X轴，以正北方向为Y轴而建立的；
避障模块通过超声波传感器与红外传感器分别实时检测AGV和障碍物之间的距离d1和d2，并在测量距离小于阈值ε时，将所述红外传感器检测的距离d2发送给所述通讯融合模块，在测量距离大于等于阈值ε时，将所超声波传感器检测的距离d1发送给所述通讯融合模块；
通讯融合模块通过卡尔曼滤波算法将所述AGV的绝对位置信息与航向角信息、相对位置坐标和运动信息以及AGV和障碍物之间的距离进行融合处理，得到导引数据，以修正所述惯性模块产生的累积误差；
运动控制模块根据所述导引数据实现对AGV的实时控制。
具体实施中，磁感应模块是按如下过程获得所述AGV的绝对位置信息与航向角信息，如图2所示，为本发明磁感应模块的工作原理图：
步骤1、在所述平面直角坐标系XOY中，所述AGV从A点行驶到B点时，利用所述磁感应器感知所述A点相对于所述预定轨迹上布置的一个磁钉的位置M(x1,y1)在X轴的相对距离Δx1以及在Y轴的相对距离Δy1，以及B点相对于所述预定轨迹上布置的另一个磁钉的位置N(x2,y2)在X轴的相对距离Δx2和Y轴的相对距离Δy2，从而得到A点的位置坐标A(x1-Δx1,y1-Δy1)和B点的位置坐标B(x2-Δx2,y2-Δy2)以及A点和B点之间的距离ΔS0；以所述A点的位置坐标A(x1-Δx1,y1-Δy1)和B点的位置坐标B(x2-Δx2,y2-Δy2)作为所述AGV的绝对位置信息；
步骤2、利用式(1)得到A点到B点之间的距离ΔS0相对于两个磁钉的位置M(x1,y1)和N(x2,y2)之间距离的偏差角α：
步骤3、记于两个磁钉位置M(x1,y1)和N(x2,y2)之间的距离相对于X轴之间的夹角为β，则所述AGV的航向角信息为：θ＝|α-β|；
磁感应模块预铺设的磁钉是按照点阵方式进行的，这样做的目的是使得AGV能任意规划路径而不受磁钉位置的限制，由于磁钉的位置是已知固定的，因此AGV通过磁感应器实时感知车身周围磁钉的位置从而得到AGV的绝对位置信息，并依此来校正实际行驶路径与规划路径之间的偏差。
本实施例中，惯性模块由三轴MEMS陀螺仪、加速度计、里程计以及角度编码器组成，如图3所示，为本发明惯性模块的工作原理图，且按如下过程获得所述AGV的相对位置信息与运动信息：
步骤1、在所述平面直角坐标系XOY中，所述AGV从初始位置O点行驶到P点，再从P点行驶到Q点时，利用所述角度编码器测得AGV在OP段相对于X轴的第1次偏转角度α1以及PQ段相对于X轴的第2次偏转角度α2，利用所述里程计测得AGV从O点行驶到P点的第1段距离L1，从P点行驶到Q点的第2段距离L2，从而得到P点的相对位置坐标为P(L1·cosα1,L1·sinα1)，Q点的相对位置坐标为Q(L1·cosα1+L2·cosα2,L1sinα1+L2·sinα2)，进而得到AGV在终止位置R点的相对位置坐标R(L1·cosα1+L2·cosα2+…+Ln·cosαn,L1sinα1+L2·sinα2+…+Ln·sinαn)；Ln表示第n段距离，αn表示第n次偏转角度；
步骤2、利用所述三轴MEMS陀螺仪和加速度计分别实时获得所述AGV从初始位置O点到终止位置R点的角速率集合ω和加速度集合α作为AGV的运动信息。
一般情况下AGV工作场地是水平路面，且多为平整光滑的地面，并且由于AGV的运动速度较低，在创建运动模型时，可以认为运动过程中车轮与地面间的侧滑是可以忽略不计的。
上述采用的三轴MEMS陀螺仪测得的AGV偏转的角速率，通过积分处理得到车身偏转的角度，且可以将这个角度与角度编码器测得的角度进行对比避免出现较大的偏转误差；
导引方式之所以选择惯性导引不仅是因为其不需要导线也不需要反光板，而且还具有路径灵活、布局方便、定位准确性高以及便于组合和兼容等优点，能真正实现AGV的完全自主。
避障模块是由超声波传感器和红外传感器组成，具体是按如下过程实现所述AGV的避障功能：
步骤1、AGV开始行驶的时候，超声波传感器和红外传感器开始工作，所述超声波传感器触发开始信号后发射超声波经过物体反射回来后产生一个响应信号，以触发信号和响应信号之间的时间差t，可计算得到AGV和障碍物间的距离d1；
步骤2、红外传感器利用红外信号发射器发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理技术得到发射与接收间的时间差数据，从而计算出AGV和障碍物之间的距离d2；
步骤3、由步骤1和步骤2中超声波传感器与红外传感器可以探测到AGV左方、前方和右方三个方向的障碍物距离信息，且超声波传感器和红外传感器构成一个测量小组，当探测距离大于50cm时，采用所述超声波传感器测量的障碍物距离信息，当距离小于50cm时，采用所述红外传感器测量的障碍物距离信息，再将选择后的障碍物距离信息传输到通讯融合模块处理后经运动控制模块发出控制指令以实现避障功能。
如图4所示，为本发明多传感器信息融合系统示意图，且通讯融合模块通过如下过程实现信息的融合处理：
步骤1、首先对多个传感器观测数据提取代表观测数据的特征矢量X1，然后对所述特征矢量X1进行模式识别处理，完成各传感器关于目标的说明；
步骤2、再将各传感器关于目标的说明数据按照同一目标进行分组即完成数据间的关联；
步骤3、最后利用卡尔曼滤波算法将关联后的各传感器测量数据进行融合，所融合的数据信息包括AGV的绝对位置信息、航向角信息、相对位置信息、运动信息以及障碍物的位置信息，以得到更加精确的融合值。
通讯融合模块采用的卡尔曼滤波算法是一种线性最小方差估计，是一种离散线性滤波的递推算法，状态方程采用动力学方程描述被估计量的动态变化规律，该算法既适用平稳过程，也适用非平稳过程。只需给定初值就可以通过递推计算得到某时刻的状态估计。
多传感器信息融合部分通过协调多个传感器，把分布在不同位置的多个同质或者异质传感器所提供的局部不完整测量信息或者相关联信息加以综合，消除多传感器之间可能存在的冗余和矛盾并且加以互补，降低数据信息的不确定性。在多传感器融合系统中，既要重视融合中心对融合规则的优化设计，也要对所有传感器资源进行优化调度，使得每个传感器都能得到充分合理的利用，实现整个传感器系统的最优总体性能。
在“基于多传感器信息融合的惯性导引AGV设计”中介绍的方法可知，传感器数据处理还可以采用并行系统结构的分布式Bayes量化检测系统，融合系统的检测性能由融合规则及各个传感器的量化规则共同决定，为了使系统性能达到最优，需要联合设计最优融合规则及各个传感器的最优量化规则。
在最优融合规则中，传感器K向融合中心传送mk位二进制量化信息，使得系统Bayes风险达到最小的各传感器最优量化规则公式为：
式(2)中，Mk＝2mk。
融合系统的Bayes风险是由融合规则及各传感器的量化规则共同决定的，其性能优化问题是寻求一个最优的系统判决规则，使Bayes风险取最小值，以达到最好的信息融合状态，在消除各传感器之间的相互干扰和冗余信息之后，AGV运行将更加流畅。
多传感器信息融合过程中，惯性导引以陀螺仪和编码器为主，里程计为辅，检测数据在中央处理单元融合，按照Bayes风险最小的最优量化规则进行数据匹配。对于安全避障功能的实现，以超声波传感器为主，负责远距离测量，红外传感器为辅，用于短距离报警，两种传感器均能测量到的范围则相互配合使用，将数据融合处理以提高AGV的行驶安全系数。
运动控制部分由PID控制器，电源管理电路、高性能嵌入式处理器组成，其中PID控制器根据多传感器信息融合系统传输过来的融合数据对AGV进行控制；电源管理电路采用的线性稳压器和DC开关电源结合的方式设计，拟采用德州仪器公司的TPS54360，该稳压器采用电流环控制，进一步降低了输出电压中的噪音，并且负载能力完全满足DSP的要求；高性能嵌入式处理器拟采用德州仪器公司的高性能浮点型微控制器，不仅满足目前的需求也为下一步扩展预留了空间。
Claims (3)
1.一种基于磁感应器与陀螺仪的AGV组合导引系统，其特征包括：磁感应模块、惯性模块、避障模块、通讯融合模块和运动控制模块；
所述磁感应模块通过磁感应器实时感知预定轨迹上布置的磁钉的相对位置，从而得到AGV的绝对位置信息与航向角信息；
所述惯性模块通过多个传感器实时感知AGV在平面直角坐标系XOY下的相对位置坐标和运动信息；所述平面直角坐标系XOY是以所述AGV的初始位置为原点O，以正东方向为X轴，以正北方向为Y轴而建立的；
所述避障模块通过超声波传感器与红外传感器分别实时检测AGV和障碍物之间的距离d1和d2，并在测量距离小于阈值ε时，将所述红外传感器检测的距离d2发送给所述通讯融合模块，在测量距离大于等于阈值ε时，将所超声波传感器检测的距离d1发送给所述通讯融合模块；
所述通讯融合模块通过卡尔曼滤波算法将所述AGV的绝对位置信息与航向角信息、相对位置坐标和运动信息以及AGV和障碍物之间的距离进行融合处理，得到导引数据，以修正所述惯性模块产生的累积误差；
所述运动控制模块根据所述导引数据实现对AGV的实时控制。
2.如权利要求1所述的AGV组合导引系统，其特征在于，所述磁感应模块是按如下过程获得所述AGV的绝对位置信息与航向角信息：
步骤1、在所述平面直角坐标系XOY中，所述AGV从A点行驶到B点时，利用所述磁感应器感知所述A点相对于所述预定轨迹上布置的一个磁钉的位置M(x1,y1)在X轴的相对距离Δx1以及在Y轴的相对距离Δy1，以及B点相对于所述预定轨迹上布置的另一个磁钉的位置N(x2,y2)在X轴的相对距离Δx2和Y轴的相对距离Δy2，从而得到A点的位置坐标A(x1-Δx1,y1-Δy1)和B点的位置坐标B(x2-Δx2,y2-Δy2)以及A点和B点之间的距离ΔS0；以所述A点的位置坐标A(x1-Δx1,y1-Δy1)和B点的位置坐标B(x2-Δx2,y2-Δy2)作为所述AGV的绝对位置信息；
步骤2、利用式(1)得到A点到B点之间的距离ΔS0相对于两个磁钉的位置M(x1,y1)和N(x2,y2)之间距离的偏差角α：
步骤3、记于两个磁钉位置M(x1,y1)和N(x2,y2)之间的距离相对于X轴之间的夹角为β，则所述AGV的航向角信息θ＝|α-β|。
3.如权利要求1所述的AGV组合导引系统，其特征在于，所述惯性模块由三轴MEMS陀螺仪、加速度计、里程计以及角度编码器组成，且按如下过程获得所述AGV的相对位置信息与运动信息：
步骤1、在所述平面直角坐标系XOY中，所述AGV从初始位置O点行驶到P点，再从P点行驶到Q点时，利用所述角度编码器测得AGV在OP段相对于X轴的第1次偏转角度α1以及PQ段相对于X轴的第2次偏转角度α2，利用所述里程计测得AGV从O点行驶到P点的第1段距离L1，从P点行驶到Q点的第2段距离L2，从而得到P点的相对位置坐标为P(L1·cosα1,L1·sinα1)，Q点的相对位置坐标为Q(L1·cosα1+L2·cosα2,L1sinα1+L2·sinα2)，进而得到AGV在终止位置R点的相对位置坐标R(L1·cosα1+L2·cosα2+…+Ln·cosαn,L1sinα1+L2·sinα2+…+Ln·sinαn)；Ln表示第n段距离，αn表示第n次偏转角度；
步骤2、利用所述三轴MEMS陀螺仪和加速度计分别实时获得所述AGV从初始位置O点到终止位置R点的角速率集合ω和加速度集合α作为AGV的运动信息。
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