CN108594800B - 一种融合磁传感器和陀螺仪数据的agv复合导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统及方法，该系统包括铺设于地面的磁条、稀疏布置在磁条上的RFID信标、电子地图和车载设备，磁条具有直线部分，每个RFID信标具有唯一编号并与电子地图对应；电子地图记载经过每个RFID信标时的AGV运动方式；车载设备包括磁传感器、陀螺仪、RFID读卡器和控制单元，陀螺仪、RFID读卡器和磁传感器分别与控制单元连接，陀螺仪和磁传感器可设置在AGV小车的任意安装点；控制单元包括前进运动控制模块、陀螺仪固定漂移处理模块、定点旋转控制模块以及后退运动控制模块；通过控制单元实现AGV小车的精准前进运动、定点转向和后退运动。

Description

一种融合磁传感器和陀螺仪数据的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，尤其涉及一种融合磁传感器和陀螺仪数据的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。目前常见的磁条导航方式对于磁传感器的安装位置有特殊要求，使得AGV托盘车的机械设计有着特殊要求，否则会在运动时极易碾压磁条造成磁条损坏，特别是在后退转向进入目标站点运动时需要复杂交叉的磁条路线，后期维护成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有磁条导航技术的不足，提供一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统及方法，该系统采用磁传感器进行横向偏差检测，采用陀螺仪进行AGV车辆姿态角检测，可实现在AGV车辆任意位置安装磁传感器和陀螺仪，有效减少磁传感器的安装数目和安装要求，无需铺设复杂的转向后退路线，可实现AGV车辆精准的定点旋转和出入站点运动，同时利用直线前进运动时的磁传感器数据清零陀螺仪，能够有效地滤除陀螺仪采集数据的固定漂移和随机误差，获得准确的姿态角信息，在AGV托盘车上加装极为方便，运行时呈现优良的性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统，该系统包括铺设于地面的磁条、稀疏布置在磁条上的RFID信标、电子地图和车载设备，所述磁条具有直线部分；
每个RFID信标具有唯一编号并与电子地图对应；所述电子地图记载经过每个RFID信标时的AGV运动方式；
所述车载设备包括磁传感器、陀螺仪、RFID读卡器和控制单元，陀螺仪、RFID读卡器和磁传感器分别与控制单元连接；
所述控制单元包括前进运动控制模块、陀螺仪固定漂移处理模块、定点旋转控制模块以及后退运动控制模块；
所述前进运动控制模块根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，控制AGV偏角，实现跟踪磁条的前进运动控制；
所述陀螺仪固定漂移处理模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一路径为直线时，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，修正陀螺仪获得的姿态角；
所述定点旋转控制模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一运动方式为定点旋转时，根据修正后的陀螺仪姿态角进行旋转，到达目标姿态；
所述后退运动控制模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一运动方式为后退时，根据修正后的陀螺仪姿态角和磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，控制AGV偏角，实现跟踪磁条的后退运动控制。
进一步地，所述陀螺仪和磁传感器可设置在AGV小车的任意安装点。
进一步地，所述电子地图记载的经过每个RFID信标时的AGV运动方式包括继续前进、定点旋转、后退、岔道选择、停止。
进一步地，所述前进运动控制模块根据磁传感器的安装点，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，根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
Figure BDA0001553715530000021
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，所述陀螺仪固定漂移处理模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一路径为直线时，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，将直线的方向标称值θp和均值θave的差值记为陀螺仪的偏差值；将后续测量获得的陀螺仪姿态角θ加上偏差值，获得修正后的陀螺仪姿态角
Figure BDA0001553715530000031
进一步地，所述后退运动控制模块使用磁传感器横向偏差检测数据ype和修正后的陀螺仪姿态角
Figure BDA0001553715530000035
根据以下公式计算AGV中心点的横向偏差e1和姿态偏差e2：
e1＝ype-asin(e2)+bcos(e2)-b，
Figure BDA0001553715530000032
其中,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，θref为后退路径的方向标称角；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；
并根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的AGV偏转角速度ω：
Figure BDA0001553715530000033
其中，v为车体后退线速度(负值)，k1和k2为正常数,分别为快速修正横向偏差和姿态角偏差的权重系数。
进一步地，所述AGV为舵轮驱动的AGV时，后退运动控制模块根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
Figure BDA0001553715530000034
其中，L为AGV舵轮到其运动中心的距离。
一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航方法，该方法包括以下步骤：
(1)在AGV工作区域铺设磁条，磁条具有直线部分，在磁条上稀疏布置RFID信标，每个RFID信标具有唯一编号并与电子地图对应；电子地图记载经过每个RFID信标时的AGV运动方式；
(2)根据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，控制AGV偏角，实现跟踪磁条的前进运动控制；
(3)在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一路径为直线时，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，修正陀螺仪获得的姿态角；
(4)在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一运动方式为定点旋转时，根据修正后的陀螺仪姿态角进行旋转，到达目标姿态；
(5)在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一运动方式为后退时，根据修正后的陀螺仪姿态角和磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，控制AGV偏角，实现跟踪磁条的后退运动控制。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统及方法，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，使得磁条铺设路线变得简单，有效节约成本，并增加了AGV托盘车自动化改造的适用性，定点旋转控制模块和后退运动控制模块能够简单有效地实现AGV托盘车精准叉取和放置垛盘，陀螺仪固定漂移处理模块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和随机误差，姿态角精度为±0.05度，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托盘车示意图；
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传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统，该系统包括铺设于地面的磁条、稀疏布置在磁条上的RFID信标、与实际场景吻合的电子地图和车载设备，所述磁条具有直线部分；每个RFID信标具有唯一编号并与电子地图对应；所述电子地图记载经过每个RFID信标时的AGV运动方式；
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，陀螺仪、RFID读卡器和磁传感器分别与控制单元连接；陀螺仪和磁传感器可设置在AGV小车(如图2所示，图2以舵轮驱动的AGV为例)的任意安装点，磁条和RFID布置在地面AGV航道上，控制单元设置在AGV小车上的控制盒内。如图3所示，所述控制单元根据磁传感器数据、RFID读卡器数据、陀螺仪数据决策调用前进运动控制模块、定点旋转控制模块、后退运动控制模块以及陀螺仪固定漂移处理模块，并产生驱动信号给AGV小车的运动单元，实现AGV小车的精准前进运动、定点转向和后退运动。
所述前进运动控制模块根据磁传感器的安装点，仅使用磁传感器横向偏差检测数据ype，以舵轮驱动的AGV为例，根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
Figure BDA0001553715530000051
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，参数参考图2所示。
所述陀螺仪固定漂移处理模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一路径为直线时，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，将直线的方向标称值θp和均值θave的差值记为陀螺仪的偏差值；将后续测量获得的陀螺仪姿态角θ加上偏差值，获得修正后的陀螺仪姿态角
Figure BDA0001553715530000053
所述后退运动控制模块使用磁传感器横向偏差检测数据ype和修正后的陀螺仪姿态角
Figure BDA0001553715530000054
根据以下公式计算AGV中心点的横向偏差e1和姿态偏差e2：
e1＝ype-asin(e2)+bcos(e2)-b，
Figure BDA0001553715530000052
其中,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，θref为后退路径的方向标称角；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；
并根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的AGV偏转角速度w：
Figure BDA0001553715530000061
其中，v为车体后退线速度(负值)，k1和k2为正常数，例如可取：k1∈[1，8]，k2∈[1，6]。
以舵轮驱动的AGV为例，后退运动控制模块根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
Figure BDA0001553715530000062
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，使得磁条铺设路线变得简单，有效节约成本，并增加了AGV托盘车自动化改造的适用性，定点旋转控制模块和后退运动控制模块能够简单有效地实现AGV托盘车精准叉取和放置垛盘，陀螺仪固定漂移处理模块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和随机误差，姿态角精度为±0.05度，导航系统导航精度可达±10mm。

Claims (5)

1.一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统，其特征在于：该系统包括铺设于地面的磁条、稀疏布置在磁条上的RFID信标、电子地图和车载设备，所述磁条具有直线部分；
每个RFID信标具有唯一编号并与电子地图对应；所述电子地图记载经过每个RFID信标时的AGV运动方式；
所述车载设备包括磁传感器、陀螺仪、RFID读卡器和控制单元，陀螺仪、RFID读卡器和磁传感器分别与控制单元连接；
所述控制单元包括前进运动控制模块、陀螺仪固定漂移处理模块、定点旋转控制模块以及后退运动控制模块；
所述前进运动控制模块根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，控制AGV偏角，实现跟踪磁条的前进运动控制；前进运动控制模块根据磁传感器的安装点，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，根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
Figure FDA0003055692380000011
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；
所述陀螺仪固定漂移处理模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一路径为直线时，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，修正陀螺仪获得的姿态角；
所述定点旋转控制模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一运动方式为定点旋转时，根据修正后的陀螺仪姿态角进行旋转，到达目标姿态；
所述后退运动控制模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一运动方式为后退时，根据修正后的陀螺仪姿态角和磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，控制AGV偏角，实现跟踪磁条的后退运动控制；后退运动控制模块使用磁传感器横向偏差检测数据ype和修正后的陀螺仪姿态角
Figure FDA0003055692380000021
根据以下公式计算AGV中心点的横向偏差e1和姿态偏差e2：
e1＝ype-asin(e2)+bcos(e2)-b，
Figure FDA0003055692380000022
其中,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，θref为后退路径的方向标称角；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；
并根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的AGV偏转角速度ω：
Figure FDA0003055692380000023
其中，v为车体后退线速度，v为负值，k1和k2为正常数,分别为快速修正横向偏差和姿态角偏差的权重系数；
所述AGV为舵轮驱动的AGV时，后退运动控制模块根据以下公式计算行驶过程中实际需要输出的舵轮角度δ：
Figure FDA0003055692380000024
其中，L为AGV舵轮到其运动中心的距离。
2.根据权利要求1所述的一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统，其特征在于：所述陀螺仪和磁传感器可设置在AGV小车的任意安装点。
3.根据权利要求1所述的一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统，其特征在于：所述电子地图记载的经过每个RFID信标时的AGV运动方式包括继续前进、定点旋转、后退、岔道选择、停止。
4.根据权利要求1所述的一种融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统，其特征在于：所述陀螺仪固定漂移处理模块在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一路径为直线时，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，将直线的方向标称值θp和均值θave的差值记为陀螺仪的偏差值；将后续测量获得的陀螺仪姿态角θ加上偏差值，获得修正后的陀螺仪姿态角
Figure FDA0003055692380000031
5.一种基于权利要求1所述的融合磁传感器和陀螺仪数据的AGV复合导航系统的AGV复合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在AGV工作区域铺设磁条，磁条具有直线部分，在磁条上稀疏布置RFID信标，每个RFID信标具有唯一编号并与电子地图对应；电子地图记载经过每个RFID信标时的AGV运动方式；
(2)根据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，控制AGV偏角，实现跟踪磁条的前进运动控制；
(3)在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一路径为直线时，根据磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，修正陀螺仪获得的姿态角；
(4)在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一运动方式为定点旋转时，根据修正后的陀螺仪姿态角进行旋转，到达目标姿态；
(5)在AGV经过RFID信标，并通过电子地图确认下一运动方式为后退时，根据修正后的陀螺仪姿态角和磁传感器采集的AGV小车相对于磁条的横向偏差数据，控制AGV偏角，实现跟踪磁条的后退运动控制。
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