CN109341716A - 基于模拟退火的agv惯性导航修正方法 - Google Patents

基于模拟退火的agv惯性导航修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其通过RFID电子标签和磁钉获取AGV惯性导航误差修正的所需数据，建立定位修正方程组并利用模拟退火算法进行求解，实现了AGV通过车轮上编码器在室内能够高效导航，使惯性导航在成本低廉的情况下也能有较高的定位导航精度。

Description

基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法
技术领域
本发明涉及AGV导航技术领域，主要涉及一种基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法。
背景技术
随着室内移动机器人研究的发展，其应用范围也越来越广泛，无论在人们的日常生活中还是工业生产中都扮演着重要的角色。在自主式移动机器人研究的所有技术中，其中导航技术是实现其自主运行、自主决策和自主规划的前提关键技术，是这一研究领域的核心，是相关科研人员所聚焦的研究热点、重点和难点。
AGV是一种无人驾驶、能够沿着设定好的路径行进并具有运载能力的搬运设备，生产制造环境中在运输、举重、检测等方面提供极大便利，是真正意义上的机器人。AGV作为一类特殊的移动机器人，同时也存在移动机器人目前所面对的一些比较棘手的通用问题，其中最核心的问题就是定位导航问题。
随着导航技术的不断发展，AGV可选择的导引方式也越来越丰富，目前比较成熟的导引方式有惯性导引、电磁轨道导引、磁条导引、光学导引、激光导引和视觉导引等。其中，惯性导引通过陀螺仪或编码器进行导航，路径布局灵活，不需导线，但由于导航信息经过积分而产生，包括传感器的测量误差也在定位误差上有积分效应，使得定位误差随时间的推移而不断增大，导致AGV的定位不精确，影响了AGV的工作效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低廉且实现方式简单高效的基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A.在AGV左前轮和右前轮分别安装编码器用于测量AGV行进过程中对应轮子的转角，并根据轮子半径计算出对应轮子所行驶的距离，在AGV车身上安装RFID阅读器及磁传感器；
步骤B.在AGV的工作区域内，根据具体情况建立直角坐标系，并以该直角坐标系作为AGV导航的全局坐标系；
步骤C.在全局坐标系上，规划AGV行驶路径，并将所规划的AGV行驶路径分割为N段可用解析几何表达的轨迹直线段或轨迹曲线段，并通过二维解析几何方法求解这N段轨迹直线段或轨迹曲线段在全局坐标系上的二维几何解析式；
步骤D.在AGV的工作区域内，在所规划的AGV行驶路径的N段轨迹直线段或轨迹曲线段上，根据具体情况或随机选取K个点作为AGV行驶定位修正点D1，在对应定位修正点附近选取Z个磁钉定位点，其中，Z≥2，测量这Z个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标并安装磁钉，在该修正点上安装RFID电子标签，该RFID电子标签内存储该定位修正点所在的对应所述轨迹直线段或所述轨迹曲线段的所述二维几何解析式及其附近Z个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标，Z个磁钉定位点的坐标按照与该定位修正点的欧氏距离由近到远的顺序进行存储；
步骤E.AGV在工作区域内开启并进行行驶，当AGV行驶前方的RFID电子标签进入到AGV车身上的RFID阅读器的扫描范围内，所述RFID阅读器将读取该RFID电子标签上所存储的轨迹线段二维几何解析式及其附近Z个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标，并传输至控制器进行定位修正计算使用；
步骤F.AGV车身上磁传感器测得AGV与附近Z个磁钉的距离分别为d1、d2……dZ(其中d1<d2<……<dZ)，AGV车身上RFID阅读器测得AGV与RFID电子标签的距离为d0，AGV根据左前轮和右前轮上所安装的编码器进行惯性导航定位估算当前AGV在全局坐标系下的坐标为(x0,y0)，设置当前AGV在全局坐标系下的真实坐标为(x,y)，若d0<d1，则以式(1)作为定位修正方程组，若d0>dZ，则以式(2)作为定位修正方程组；
步骤G.根据所述定位修正方程组构造定位修正目标函数，对于式(1)定位修正目标函数构造为：
F(x,y)＝|(x1-x)2+(y1-y)2-(d1)2|+|(x2-x)2+(y2-y)2-(d2)2|+...+|(xz-x)2+(yz-y)2-(dz)2|对于式(2)定位修正目标函数构造为：
F(x,y)＝|(x1-x)2+(y1-y)2-(dz)2|+|(x2-x)2+(y2-y)2-(d2)2|+...+|(xz-x)2+(yz-y)2-(d1)2|步骤H.以F(x,y)为模拟退火算法的优化目标函数，以惯性导航定位下估算的当前AGV在全局坐标系下的坐标(x0,y0)为模拟退火算法初始解，初始温度设置为T0，终止温度设置为Tt，退火策略选择指数降温，即Tk＝αTk-1，系数α设置为接近1的小数，设置优化目标函数F(x,y)的优化目标阈值f，在模拟退火算法迭代的过程中，当目标函数F(x,y)的具体值小于阈值f，则终止算法，输出此时的解(x',y')作为所述定位修正方程组的解,则x＝x'，y＝y'；
步骤I.将(x',y')设置为AGV当前在全局坐标系下的坐标，并以该坐标位置对AGV仅利用轮子上编码器的惯性导航进行初始化；
步骤K.AGV控制器结合当前精确的定位坐标及从RFID电子标签上所读取的轨迹线段二维几何解析式，通过电机速度控制算法对AGV的行驶进行控制，以实现AGV的修正。
与现有技术相比，本发明提供的基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其通过RFID电子标签和磁钉获取AGV惯性导航误差修正的所需数据，建立定位修正方程组并利用模拟退火算法进行求解，实现了AGV通过车轮上编码器在室内能够高效导航，使惯性导航在成本低廉的情况下也能有较高的定位导航精度。
优选的，所述定位修正点的位置选择在所述轨迹直线段或者轨迹曲线段的两个端点之间，保证定位修正点只对应唯一的轨迹直线段或者轨迹曲线段。
优选的，所述Z的值≥3，在全局坐标系上定义逆时针方向为正方向，正方向左侧偏差为正，右侧偏差为负，确定所述定位修正点D1前三个磁钉定位点的方式为：以所述定位修正点D1为圆心，以d为半径作圆a1，以所述定位修正点为端点，以其在轨迹线段上切线的正方向为方向，作射线b1，射线b1与圆a1相交于点c1，在圆a1上点c1附近随机或根据具体情况选取一点A1，经人工测量得在全局坐标系上坐标A1(x1,y1)；以点A1为圆心，以1.5×d为半径作圆a2，圆a2与所述定位修正点所在轨迹线段相交于点c2，在圆a2上点c2附近随机或根据具体情况选取一点A2，经人工测量得在全局坐标系上坐标A2(x2,y2)；以点A2为圆心，以2×d为半径作圆a3，圆a3与所述定位修正点所在轨迹线段相交于点c3，在圆a3上点c3附近随机或根据具体情况选取一点A3，经人工测量得在全局坐标系上坐标A3(x3,y3)；其中A1、A2及A3即为所选取的三个所述磁钉定位点；设置三个或以上的磁钉定位点既能保证定位的精确性。
优选的，所述圆a1的半径d、系数aa和系数bb满足：d＜aa＜bb。
优选的，所述RFID阅读器扫描半径设置为3×aa×d。
优选的，所述RFID阅读器每隔一个扫描周期T′进行一次扫描，确保AGV在设定好的路径上行驶。
附图说明
图1是本发明磁钉定位点设置结果示意图；
图2是本发明的RFID电子标签内储存信息表。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的一种优选的具体实施方式。
参见图1和图2，基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A.在AGV左前轮和右前轮分别安装编码器用于测量AGV行进过程中对应轮子的转角，并根据轮子半径计算出对应轮子所行驶的距离，在AGV车身上安装RFID阅读器及磁传感器；
步骤B.在AGV的工作区域内，根据具体情况建立直角坐标系，并以该直角坐标系作为AGV导航的全局坐标系；
步骤C.在全局坐标系上，规划AGV行驶路径，并将所规划的AGV行驶路径分割为N段可用解析几何表达的轨迹直线段或轨迹曲线段，并通过二维解析几何方法求解这N段轨迹直线段或轨迹曲线段在全局坐标系上的二维几何解析式；
步骤D.在AGV的工作区域内，在所规划的AGV行驶路径的N端轨迹直线段或者轨迹曲线段上，根据具体情况或随机选取K个点作为AGV行驶定位修正点D1，其中，K个定位修正点D1分布在行驶路径的各处，所述定位修正点的位置选择在行驶路径的轨迹直线段或者轨迹曲线段的两个端点之间的线段上(即非端点位置)，在本实施例中，以三个磁钉定位点为例，在对应定位修正点附近选取三个磁钉定位点，测量这三个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标并安装磁钉，在该修正点上安装RFID电子标签，该RFID电子标签内存储该定位修正点所在的对应所述轨迹直线段或所述轨迹曲线段的所述二维几何解析式及其附近三个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标，三个磁钉定位点的坐标按照与该定位修正点的欧氏距离由近到远的顺序进行存储；
其中，以所述定位修正点D1为圆心，以d为半径作圆a1，其中d为10cm，以所述定位修正点为端点，以其在轨迹线段上切线的正方向为方向，作射线b1，射线b1与圆a1相交于点c1，在圆a1上点c1附近随机或根据具体情况选取一点A1，经人工测量得在全局坐标系上坐标A1(x1,y1)；以点A1为圆心，以1.5×d为半径作圆a2，圆a2与所述定位修正点所在轨迹线段相交于点c2，在圆a2上点c2附近随机或根据具体情况选取一点A2，经人工测量得在全局坐标系上坐标A2(x2,y2)；以点A2为圆心，以2×d为半径作圆a3，圆a3与所述定位修正点所在轨迹线段相交于点c3，在圆a3上点c3附近随机或根据具体情况选取一点A3，经人工测量得在全局坐标系上坐标A3(x3,y3)；其中A1、A2及A3即为所选取的三个所述磁钉定位点；设置三个磁钉定位点既能保证修正的精确性，也能确保修正的响应速度。
步骤E.AGV在工作区域内开启并进行行驶，当AGV行驶前方的RFID电子标签进入到AGV车身上的RFID阅读器的扫描范围内，所述RFID阅读器将读取该RFID电子标签上所存储的轨迹线段二维几何解析式及其附近三个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标，并传输至控制器进行定位修正计算使用，其中，所述RFID阅读器扫描半径设置为4.5×d；
步骤F.AGV车身上磁传感器测得AGV与附近三个磁钉的距离分别为d1、d2、d3(其中d1<d2<d3)，AGV车身上RFID阅读器测得AGV与RFID电子标签的距离为d0，AGV根据左前轮和右前轮上所安装的编码器进行惯性导航定位估算当前AGV在全局坐标系下的坐标为(x0,y0)，设置当前AGV在全局坐标系下的真实坐标为(x,y)，若d0<d1，则以式(1)作为定位修正方程组，若d0>d3，则以式(2)作为定位修正方程组；
步骤G.根据所述定位修正方程组构造定位修正目标函数，对于式(1)定位修正目标函数构造为：
F(x,y)＝|(x1-x)2+(y1-y)2-(d1)2|+|(x2-x)2+(y2-y)2-(d2)2|+|(x3-x)2+(y3-y)2-(d3)2|，
对于式(2)定位修正目标函数构造为：
F(x,y)＝|(x1-x)2+(y1-y)2-(d3)2|+|(x2-x)2+(y2-y)2-(d2)2|+|(x3-x)2+(y3-y)2-(d1)2|；
步骤H.以F(x,y)为模拟退火算法的优化目标函数，以惯性导航定位下估算的当前AGV在全局坐标系下的坐标(x0,y0)为模拟退火算法初始解，初始温度设置为T0，终止温度设置为Tt，退火策略选择指数降温，即Tk＝αTk-1，系数α设置为接近1的小数，设置优化目标函数F(x,y)的优化目标阈值f，在模拟退火算法迭代的过程中，当目标函数F(x,y)的具体值小于阈值f，则终止算法，输出此时的解(x',y')作为所述定位修正方程组的解,则x＝x'，y＝y'；
步骤I.将(x',y')设置为AGV当前在全局坐标系下的坐标，并以该坐标位置对AGV仅利用轮子上编码器的惯性导航进行初始化；
步骤K.AGV控制器结合当前精确的定位坐标及从RFID电子标签上所读取的轨迹线段二维几何解析式，通过电机速度控制算法对AGV的行驶进行控制，以实现AGV的修正。
与现有技术相比，本发明提供的基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其通过RFID电子标签和磁钉获取AGV惯性导航误差修正的所需数据，建立定位修正方程组并利用模拟退火算法进行求解，实现了AGV通过车轮上编码器在室内能够高效导航，使惯性导航在成本低廉的情况下也能有较高的定位导航精度。
作为优选方案，用户根据自身需求设置所述RFID阅读器每隔一段时间T′进行一次扫描，确保AGV在设定好的路径上行驶。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (6)

1.基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A.在AGV左前轮和右前轮分别安装编码器用于测量AGV行进过程中对应轮子的转角，并根据轮子半径计算出对应轮子所行驶的距离，在AGV车身上安装RFID阅读器及磁传感器；
步骤B.在AGV的工作区域内，根据具体情况建立直角坐标系，并以该直角坐标系作为AGV导航的全局坐标系；
步骤C.在全局坐标系上，规划AGV行驶路径，并将所规划的AGV行驶路径分割为N段可用解析几何表达的轨迹直线段或轨迹曲线段，并通过二维解析几何方法求解这N段轨迹直线段或轨迹曲线段在全局坐标系上的二维几何解析式；
步骤D.在AGV的工作区域内，在所规划的AGV行驶路径的N段轨迹直线段或轨迹曲线段上，根据具体情况或随机选取K个点作为AGV行驶定位修正点D1，在对应定位修正点附近选取Z个磁钉定位点，其中Z≥2，测量这Z个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标并安装磁钉，在该修正点上安装RFID电子标签，该RFID电子标签内存储该定位修正点所在的对应所述轨迹直线段或所述轨迹曲线段的所述二维几何解析式及其附近Z个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标，Z个磁钉定位点的坐标按照与该定位修正点的欧氏距离由近到远的顺序进行存储；
步骤E.AGV在工作区域内开启并进行行驶，当AGV行驶前方的RFID电子标签进入到AGV车身上的RFID阅读器的扫描范围内，所述RFID阅读器将读取该RFID电子标签上所存储的轨迹线段二维几何解析式及其附近Z个磁钉定位点在全局坐标系上的坐标，并传输至控制器进行定位修正计算使用；
步骤F.AGV车身上磁传感器测得AGV与附近Z个磁钉的距离分别为d1、d2……dZ(其中d1<d2<……<dZ)，AGV车身上RFID阅读器测得AGV与RFID电子标签的距离为d0，AGV根据左前轮和右前轮上所安装的编码器进行惯性导航定位估算当前AGV在全局坐标系下的坐标为(x0,y0)，设置当前AGV在全局坐标系下的真实坐标为(x,y)，若d0<d1，则以式(1)作为定位修正方程组，若d0>dZ，则以式(2)作为定位修正方程组；
步骤G.根据所述定位修正方程组构造定位修正目标函数，对于式(1)定位修正目标函数构造为：
F(x,y)＝|(x1-x)2+(y1-y)2-(d1)2|+|(x2-x)2+(y2-y)2-(d2)2|+...+|(xz-x)2+(yz-y)2-(dz)2|对于式(2)定位修正目标函数构造为：
F(x,y)＝|(x1-x)2+(y1-y)2-(dz)2|+|(x2-x)2+(y2-y)2-(d2)2|+...+|(xz-x)2+(yz-y)2-(d1)2|
步骤H.以F(x,y)为模拟退火算法的优化目标函数，以惯性导航定位下估算的当前AGV在全局坐标系下的坐标(x0,y0)为模拟退火算法初始解，初始温度设置为T0，终止温度设置为Tt，退火策略选择指数降温，即Tk＝αTk-1，系数α设置为接近1的小数，设置优化目标函数F(x,y)的优化目标阈值f，在模拟退火算法迭代的过程中，当目标函数F(x,y)的具体值小于阈值f，则终止算法，输出此时的解(x',y')作为所述定位修正方程组的解,则x＝x’，y＝y’；
步骤I.将(x',y')设置为AGV当前在全局坐标系下的坐标，并以该坐标位置对AGV仅利用轮子上编码器的惯性导航进行初始化；
步骤K.AGV控制器结合当前精确的定位坐标及从RFID电子标签上所读取的轨迹线段二维几何解析式，通过电机速度控制算法对AGV的行驶进行控制，以实现AGV的修正。
2.根据权利要求1所述的基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其特征在于：所述定位修正点的位置选择在所述轨迹直线段或轨迹曲线段的两个端点之间。
3.根据权利要求2所述的基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其特征在于：所述Z的值≥3，在全局坐标系上定义逆时针方向为正方向，正方向左侧偏差为正，右侧偏差为负，确定所述定位修正点D1前三个磁钉定位点的方式为：以所述定位修正点D1为圆心，以d为半径作圆a1，以所述定位修正点D1为端点，以其在轨迹线段上切线的正方向为方向，作射线b1，射线b1与圆a1相交于点c1，在圆a1上点c1附近随机或根据具体情况选取一点A1，经人工测量得在全局坐标系上坐标A1(x1,y1)；以点A1为圆心，以aa×d为半径作圆a2，圆a2与所述定位修正点D1所在轨迹线段相交于点c2，在圆a2上点c2附近随机或根据具体情况选取一点A2，经人工测量得在全局坐标系上坐标A2(x2,y2)；以点A2为圆心，以bb×d为半径作圆a3，圆a3与所述定位修正点D1所在轨迹线段相交于点c3，在圆a3上点c3附近随机或根据具体情况选取一点A3，经人工测量得在全局坐标系上坐标A3(x3,y3)；其中A1、A2及A3即为所选取的三个所述磁钉定位点。
4.根据权利要求3所述的基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其特征在于：所述圆a1的半径d、系数aa和系数bb满足：d＜aa＜bb。
5.根据权利要求3所述的基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其特征在于：所述RFID阅读器扫描半径设置为3×aa×d。
6.根据权利要求1所述的基于模拟退火的AGV惯性导航修正方法，其特征在于：所述RFID阅读器每隔一个扫描周期T′进行一次扫描。
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