CN109115204A - 一种用于导航车的精定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于导航车的精定位系统和方法，目的在于解决现有的导航车采用定位磁条进行精定位时，需要预先铺设磁条，且铺设定位磁条的精度往往不高，导致其存在适应性差、定位精度不高的的问题。其包括导航车主体、驱动单元、激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器、控制系统。本发明能够有效解决现有的导航车导航系统所存在的问题，其能够根据需要随意改变定位点，具有使用要求灵活的特点，能够满足更加灵活的布置作业站台的需要。同时，本发明采用更简易方便的识别方法，能将定位精度由现有的±10‑±20mm提升至±5mm，定位精度得到了极大的提高。本发明设计合理，构思巧妙，结构简单，使用方便，具有较高的使用价值和较好的应用前景。

Description

一种用于导航车的精定位系统和方法

技术领域

本发明涉及导航定位领域，尤其是自动导航车导航定位领域，具体为一种用于导航车的精定位系统和方法。本发明具有使用方便，定位精度高的优点（定位精度达±5mm），具有显著的进步意义。

背景技术

目前，导航车的精定位系统及方法主要包括：通过定位磁条进行精定位、通过激光雷达加反光板来实现精定位、通过激光雷达加折弯的钣金件精定位及通过视觉传感器加惯性导航仪来实现精定位。

其中，采用定位磁条对导航车进行精定位时，需要在车体上安装一个定位磁条传感器，并在需要进行定位（工作）的站台地上贴一小块磁条；导航车依靠铺设于路面的导航磁条按固定轨迹行走，并通过RFID标签来告知导航车是否到达指定站点附近，而设置在定位（工作）的站台地上的小块磁条则用于定位导航车位置。此类定位方法，需要预先铺设磁条和RFID标签，磁条铺设位置要求高，操作较为繁琐。另外，由于磁条及磁条传感器的制作工艺及磁性分布的影响导致导航车整体定位精度不高，其定位精度约为±20mm。

其次，采用激光雷达加反光板来实现精定位时，需在导航车激光雷达同水平面（激光雷达普遍高于导航车车身及整个车间设备高度）的建筑物立柱及墙面上贴若干反光板，根据扫到的激光反光板计算出自己的坐标（X，Y，θ），从而实现导航定位功能。采用该方式，反光板的安装位置需进行精确测量，否则影响导航精度，且更换路径后需重新设置反光板及位置测量，操作繁琐，其定位精度约为±10mm。

另外，采用激光雷达加折弯的钣金件进行精定位时，在导航车需要定位的站点预先安装一块折弯的钣金件，在预先建立地图和示教的前提下，通过折弯的钣金件来实现精定位，定位精度约为±10mm。

最后，采用视觉传感器加惯性导航仪进行精定位时，在导航车工作区域地面铺设有二维码标签，铺设数量多，且最好应用在无人车间（避免人为损坏地面二维码），定位精度月为±10mm。

为此，迫切需要一种新的装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有的导航车适应性差、调试繁琐、现场改造麻烦以及定位精度不高的问题，提供一种用于导航车的精定位系统和方法。本发明能够有效解决现有的导航车导航系统所存在的问题，其能够根据需要随意改变定位点，具有使用要求灵活的特点，能够满足更加灵活的布置作业站台的需要。同时，本发明采用更简易方便的识别方法，能将定位精度由现有的±10-20mm提升至±5mm，定位精度得到了极大的提高。本发明设计合理，构思巧妙，结构简单，使用方便，具有较高的使用价值和较好的应用前景，值得大规模推广和应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于导航车的精定位系统，包括：

导航车主体，其用于为其它部件提供支撑；

驱动单元，其设置在导航车主体上，用于驱动导航车主体进行运动；

激光雷达，其设置在导航车主体上，用于对工作环境进行扫描，自动识别障碍物和空地，建立工作环境的地图，并能在行经过程中，自动判别活动的障碍物或与预存地图不符的障碍物且自动避过；

IMU，其设置在导航车主体上，用于对导航车行进过程中的辅助定位；

激光测距位移传感器，其设置在导航车主体上，当导航车到达目标位置附近时，其能测定导航车沿前进方向与MARK标记之间的距离；

视觉传感器，其设置在导航车主体上，用于对MARK标记相对导航车的偏差进行测定；

控制系统，其分别与激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器、驱动单元相连。

所述控制系统，能根据激光雷达、IMU测定的信息对导航车的运动路径进行控制，能根据激光测距位移传感器、视觉传感器测定的信息对导航车的位置进行修正并使其到达目标位置，能对驱动单元进行控制并使其带动导航车运动。

还包括与视觉传感器相配合的MARK标记，所述MARK标记用于设置在目标位置上。

所述MARK标记为条形码、二维码、自定义图形中的一种或多种。

所述MARK标记能直接粘贴、卡夹或其他方式附着在目标位置上。

所述激光雷达与导航车主体之间采用固定连接或活动连接。

所述激光测距位移传感器为至少两组。

所述激光测距位移传感器与视觉传感器位于同一平面上。

所述驱动单元包括驱动电机、与驱动电机相配合的麦克纳姆轮，所述驱动电机与控制系统相连。

基于前述精定位系统的定位方法，包括如下步骤：

（1）通过激光雷达建立地图并实现粗定位

控制导航车沿其工作环境行进一圈，期间，激光雷达开启并不断扫描，建立导航车工作环境的二维地图，并自动识别障碍物与空地，将建立的二维地图存于导航车的内存中；

（2）导航车示教

将一MARK标记置于需要定位的目标位置上，并将导航车移动至目标位置，进行示教；其中，导航车主体上的激光测距位移传感器标定导航车主体与MARK标记的距离，视觉传感器用于标定导航车主体与MARK标记的左右位置；示教完成后，将测定的数据存于导航车的内存中，作为导航车正常运行时的比对数据；

（3）导航车定位

导航车接到任务指令后，先判别目标位置在二维地图上的坐标，根据自身存储的二维地图规划路径，行进至目标位置；在行进途中，导航车上的激光雷达不断扫描，判别活动的障碍物或与预存地图不符的障碍物，并自动规避绕过；在行进途中，IMU输出导航车运动的偏转角度和加速度，控制系统计算出导航车的运动轨迹；到达目标位置附近后，导航车将自身前后距离调整至与步骤（2）示教的标定位置相同，并调整导航车主体与MARK标记的左右位置至步骤（2）示教中标定的左右位置，即可完成定位；

所述步骤（1）中，建立的二维地图中包含坐标信息。

所述步骤（1）中，控制导航车沿其工作环境行进一圈，包含所有可能经过的地点。

进一步，所述步骤（2）中，激光测距位移传感器为两个，用于标定导航车主体与MARK标记的前后距离和偏转角度。两个激光测距位移传感器数值不一定相等，比如目标位置本身就存在一定偏斜或导航车对接的目标位置需要导航车偏斜。此时，则需要导航车两个激光测距位移传感器测量数值不等，即需要用两个激光测距位移传感器来标定导航车的偏转角度。

针对前述问题，本发明提供一种用于导航车的精定位系统和方法，其是一种用于导航车的高精度定位系统，能够实现导航车的精确定位，满足工业AVG导航车精确定位的需求，具有较好的应用前景。

为此，本发明提供一种新的设计。该精定位系统包括导航车主体、驱动单元、激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器、控制系统，驱动单元、激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器分别设置在导航车主体上，驱动单元、激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器分别与控制系统相连。其中，导航车主体用于为其它部件提供支撑；驱动单元为导航车提供动力，用于驱动导航车主体进行运动。激光雷达用于对工作环境进行扫描，自动识别障碍物和空地，建立工作环境的地图；同时，其能在行经途中，自动判别活动的障碍物或与预存地图不符的障碍物，实现自动避障，避免与人或其他车辆发生碰撞。IMU输出航车运动的偏转角度和加速度，控制系统计算出导航车的运动轨迹，实现对导航车行进过程中的辅助定位。当导航车到达目标位置附近时，激光测距位移传感器用于测定导航车沿前进方向与MARK标记之间的距离；视觉传感器与MARK标记相配合，视觉传感器用于对MARK标记相对导航车的偏差进行测定。

与现有导航车进行精定位的方法相比，本发明无需铺设繁琐且精度要求高的辅助定位器件，操作更加简单。现有导航车的定位精度为±10mm-±20mm，而本发明的定位精度为±5mm，具有显著的进步。

另外，本发明采用了与现有方法完全不同的定位方式。本发明中，采用激光雷达构建地图和坐标，并实现避障（建立障碍物的坐标）、导航（路径规划）等工作；同时，IMU配合激光雷达一起工作，得到导航车的轨迹，满足工厂化应用的需求；另外，本发明将激光雷达、IMU（中文名：惯性导航仪）、激光测距位移传感器、视觉传感器相互配合，实现了导航车的快速、精确定位，具有较高的应用价值和较好的使用效果。

进一步，本发明提供基于前述精定位系统的定位方法。其包括如下步骤：通过激光雷达建立地图并实现粗定位、导航车示教、导航车定位（即导航车工作）。下述举例中，以MARK标记为二维码为例，但不限于此。

首先，激光雷达建立地图并实现粗定位，即人为通过手柄（或自动）控制导航车在其工作环境行进一圈（包含所有可能经过的地点）；期间，导航车激光雷达开启，并不断扫描，以此来建立导航车工作环境的二维地图，并自动识别障碍物与空地，存于导航车自身内存中。

其次，将一MARK标记（本实施例为二维码，但不限于此）贴于需要定位的站台或工作业点。然后，人为移动导航车去往此站点进行示教（此时，MARK标记点应处于视觉可看到的范围内）。其中，位于车体前方的两个激光测距传感器标定导航车离站台的前后距离（也可以在一定程度上，标定导航车与站台的角度）。视觉传感器与MARK标记点标定车体相对于站台的左右位置。标定完成后，记录相关数据至导航车内存中，作为导航车正常运行时的比对数据。

最后，导航车进行正常运行工作。导航车接到任务指令后，首先判别任务站点处于地图哪个位置（坐标）。然后，根据自身存储地图规划最佳路径，并开始行进至指定任务站点。行进途中，处于导航车上的激光雷达也会不断扫描，依次来判别活动的障碍物或与预存地图不符的障碍物，并自动规避绕过；同时，IMU输出导航车运动的偏转角度和加速度，控制系统计算出导航车的运动轨迹。达到站点坐标值后，控制系统可先将导航车自身前后距离调整至与标定位置相同，再调整车体与站台MARK标记点的左右位置来达到该站点预先标定的左右位置。本实例中，驱动单元包括驱动电机及与驱动电机相配合的麦克纳姆轮，麦克纳姆轮具有全向移动功能。导航车自动定位车体与站台的前后距离后，在不改变自身姿态前提下，通过麦克纳姆轮使得车身左右横移来实现车体的左右定位。

综上所述，本发明的精定位系统采用激光雷达、激光测距位移传感器、视觉传感器、MARK标记等组成，其能根据使用要求，灵活更改定位点，从而灵活的布置导航车作业站台。同时，本发明将定位精度由现有的导航车±10~±20mm，提升至±5mm，定位精度得到极大提高。本发明具有较好的自适应性，能够灵活避障，灵活的布置导航车作业站台，且定位准确、精度高，具有极好的应用前景和较高的应用价值。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为实施例1中导航车整体外部结构示意图。

图2为实施例1中导航车示教过程流程图。

图3为实施例1中导航车定位过程流程图。

图4为图1的侧视图。

图中标记：1、导航车主体，2、麦克纳姆轮，3、激光雷达，4、激光测距位移传感器，5、视觉传感器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例的精定位系统包括导航车主体、驱动单元、激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器、控制系统，驱动单元、激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器分别设置在导航车主体上，控制系统分别与激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器、驱动单元相连。

其中，导航车主体用于为其它部件提供支撑；驱动单元设置在导航车主体下方，其用于驱动导航车主体进行运动。本实施例中，激光雷达设置在导航车主体前端，其用于对工作环境进行扫描，自动识别障碍物和空地，建立工作环境的地图，并能在行经过程中，自动判别活动的障碍物或与预存地图不符的障碍物且自动避过。同时，IMU用于对导航车行进过程中的辅助定位。

本实施例中，激光测距位移传感器为两侧且对称设置在导航车主体上。当导航车到达目标位置附近时，激光测距位移传感器用于测定导航车沿前进方向与MARK标记之间的距离。视觉传感器位于导航车主体前端，其用于对MARK标记在沿垂直于导航车前进方向上的偏差进行测定。

同时，控制系统根据激光雷达、IMU测定的信息对导航车的运动路径进行控制，通过驱动单元带动导航车运动；进一步，控制系统还能根据激光测距位移传感器、视觉传感器测定的信息对导航车的位置进行修正，并使其到达目标位置。

进一步，还包括与视觉传感器相配合的MARK标记，MARK标记用于设置在目标位置上。本实施例中，MARK标记可采用条形码、二维码、自定义图形中的一种或多种，其能直接粘贴、卡夹或其他方式附着在目标位置上。

进一步，本实施例中，驱动单元包括驱动电机、与驱动电机相配合的麦克纳姆轮，驱动电机与控制系统相连。

同时，本实施例提供基于前述精定位系统的定位方法，该定位详细过程如下。

首先，激光雷达建立地图并实现粗定位，即人为通过手柄（或自动）控制导航车在其工作环境行进一圈（包含所有可能经过的地点）；期间，导航车激光雷达开启，并不断扫描，以此来建立导航车工作环境的二维地图，并自动识别障碍物与空地，存于导航车自身内存中。

其次，将一MARK标记（本实施例为二维码，但不限于此）贴于需要定位的站台或工作业点。然后，人为移动导航车去往此站点进行示教（此时，MARK标记点应处于视觉可看到的范围内）。其中，位于车体前方的两个激光测距传感器标定导航车离站台的前后距离（也可以在一定程度上，标定导航车与站台的角度）。视觉传感器与MARK标记点标定车体相对于站台的左右位置。标定完成后，记录相关数据至导航车内存中，作为导航车正常运行时的比对数据。

最后，导航车进行正常运行工作。导航车接到任务指令后，首先判别任务站点处于地图哪个位置（坐标），然后根据自身存储地图规划最佳路径，并开始行进至指定任务站点。行进途中，处于导航车上的激光雷达也会不断扫描，依次来判别活动的障碍物或与预存地图不符的障碍物，并自动规避绕过。达到站点坐标值后，首先将自身前后距离调整至与标定位置相同。再调整车体与站台MARK标记点的左右位置来达到该站点预先标定的左右位置（由于车体驱动采用麦克纳姆轮，具有全向移动功能。导航车自动定位车体与站台的前后距离后，在不改变自身姿态前提下，通过麦克纳姆轮使得车身左右横移来实现车体的左右定位）。

本实施例中，精定位系统主要采用激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器、MARK标记等组成，其通过激光雷达先实现粗定位，IMU输出导航车的偏转角度和加速度，控制系统计算出导航车主体相应的轨迹。同时，通过激光测距位移传感器定位车体前后方向，视觉传感器与MARK标记定位车体左右方向，从而实现整个车体的精定位。基于结构的改进，本实施例的定位系统能根据使用要求灵活更改定位点，从而灵活的布置导航车作业站台，且不需要其他安装其他过于复杂的辅助原件来实现定位，定位精度较高（±5mm）。

本实施例中，基于激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器之间的相互配合，能够实现MARK标记（例如二维码、一维码、或其他东西，或者其他能识别的东西）的准确识别和高精度定位。IMU输出导航车的偏转角度和加速度，控制系统计算出导航车主体相应的轨迹。基于结构的改进，本发明的定位系统具有很好的自适应性和灵活避障的特点，从而能灵活的布置导航车作业站台；并且，整个导航车的定位精度提高至±5mm，且不需要其他安装其他过于复杂的辅助原件来实现定位，具有较高的应用价值和极好的应用前景。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种用于导航车的精定位系统，其特征在于，包括：

导航车主体，其用于为其它部件提供支撑；

驱动单元，其设置在导航车主体上，用于驱动导航车主体进行运动；

激光雷达，其设置在导航车主体上，用于对工作环境进行扫描，自动识别障碍物和空地，建立工作环境的地图，并能在行经过程中，自动判别活动的障碍物或与预存地图不符的障碍物且自动避过；

IMU，其设置在导航车主体上，用于对导航车行进过程中的辅助定位；

激光测距位移传感器，其设置在导航车主体上，当导航车到达目标位置附近时，其能测定导航车沿前进方向与MARK标记之间的距离；

视觉传感器，其设置在导航车主体上，用于对MARK标记相对导航车的偏差进行测定；

控制系统，其分别与激光雷达、IMU、激光测距位移传感器、视觉传感器、驱动单元相连。

2.根据权利要求1所述用于导航车的精定位系统，其特征在于，所述控制系统，能根据激光雷达、IMU测定的信息对导航车的运动路径进行控制，能根据激光测距位移传感器、视觉传感器测定的信息对导航车的位置进行修正并使其到达目标位置，能对驱动单元进行控制并使其带动导航车运动。

3.根据权利要求1或2所述用于导航车的精定位系统，其特征在于，还包括与视觉传感器相配合的MARK标记，所述MARK标记用于设置在目标位置上。

4.根据权利要求3所述用于导航车的精定位系统，其特征在于，所述MARK标记为条形码、二维码、自定义图形中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述用于导航车的精定位系统，其特征在于，所述MARK标记能直接粘贴、卡夹或其他方式附着在目标位置上。

6.根据权利要求1所述用于导航车的精定位系统，其特征在于，所述激光雷达与导航车主体之间采用固定连接或活动连接。

7.根据权利要求1所述用于导航车的精定位系统，其特征在于，所述激光测距位移传感器为至少两组。

8.根据权利要求7所述用于导航车的精定位系统，其特征在于，所述激光测距位移传感器与视觉传感器位于同一平面上。

9.根据权利要求1~8任一项所述用于导航车的精定位系统，其特征在于，所述驱动单元包括驱动电机、与驱动电机相配合的麦克纳姆轮，所述驱动电机与控制系统相连。

10.根据权利要求1~9任一项所述精定位系统的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）通过激光雷达建立地图并实现粗定位

控制导航车沿其工作环境行进一圈，期间，激光雷达开启并不断扫描，建立导航车工作环境的二维地图，并自动识别障碍物与空地，将建立的二维地图存于导航车的内存中；

（2）导航车示教

将一MARK标记置于需要定位的目标位置上，并将导航车移动至目标位置，进行示教；其中，导航车主体上的激光测距位移传感器标定导航车主体与MARK标记的距离，视觉传感器用于标定导航车主体与MARK标记的左右位置；示教完成后，将测定的数据存于导航车的内存中，作为导航车正常运行时的比对数据；

（3）导航车定位

导航车接到任务指令后，先判别目标位置在二维地图上的坐标，根据自身存储的二维地图规划路径，行进至目标位置；在行进途中，导航车上的激光雷达不断扫描，判别活动的障碍物或与预存地图不符的障碍物，并自动规避绕过；在行进途中，IMU输出导航车运动的偏转角度和加速度，控制系统计算出导航车的运动轨迹；到达目标位置附近后，导航车将自身前后距离调整至与步骤（2）示教的标定位置相同，并调整导航车主体与MARK标记的左右位置至步骤（2）示教中标定的左右位置，即可完成定位；

所述步骤（1）中，建立的二维地图中包含坐标信息。