CN109471124A - 基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统和方法，线激光发射器在垂向剖面投射激光线；激光线经定位器反射后被基站内的反射光接收装置接收，基站通过反射信号强度提取定位器反射面信号，利用三角测距原理或时间飞行法测得该定位器与线激光发射器的距离；通过定位器反射的光在反射光接收装置的垂向方向的像素坐标得出定位器所在的俯仰角；通过旋转电机将线激光发射器和反射光接收装置旋转，获取圆周360°范围内定位器的区域距离位置，并获得方位角；计算得出该定位器基于基站的X、Y、Z空间坐标。该系统和方法对现场改造少、易于实施且成本低廉，属于直接定位、定位精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内定位方法和系统，可用于室内移动车辆(如AGV等)的全局定位，属于机器人定位导航控制技术领域。
背景技术
室内定位导航是室内AGV按照规划的路径到达指定地点的关键，特别是在减少或无需对室内现场进行改造的前提下，对AGV的大量部署应用具有决定性作用。目前较为成熟的导航技术有基于磁条、磁钉、磁带等的方法，但需要大量铺设，对室内场地改造工作量巨大，路径局限性较大。其次，应用较广的是二维码导航技术，通过扫码枪读取地面贴具有位置编码信息的二维码，可实现单点的定位，辅助以其他里程计技术，可实现室内的定位。但该技术依赖的地面二维码，表面容易被脏污覆盖，导致读码可靠性降低，该技术主要适用于无人场景下。对场地改造较少的技术有基于反光板的激光小定位技术(如CN201510082486)，通过激光雷达旋转扫描，识别三个以上通过反光板反射回来较强的光信号，实现三角定位，具有室内定位可靠等优点，但需要每台AGV配置一个激光雷达，多台AGV同时使用综合成本较高。对室内场地几乎无需改造的SLAM技术，是一种基于环境形状特征的定位技术，通过将AGV周围的环境点云数据与已构建的地图点云技术匹配，通过最佳匹配获得当前的全局坐标。SLAM技术属于间接定位方法，为实现更可靠的定位，一般结合其它方法(CN201611006340、CN201611230784、CN201711291698、CN201711443729等)进行综合定位。此外，室内定位的方法还有UWB(如CN201610073329)等，通过多台基站广播信号，接收装置解算三台以上基站的距离，实现三角定位。该方法中，基站广播的信号经过多次反射后容易导致接收装置定位误差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种现场改造少、直接定位、定位精度高的室内定位系统和方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统，其特征在于主要包括：
在待定位室内区域设置至少设置一个基站，所述基站单独或分块儿覆盖待定位室内区域；基站在距离地面设定高度安装，基站内设置反射光接收装置、线激光发射生器和旋转电机，反射光接收装置、线激光发射生器由旋转电机驱动实现对待定位室内区域旋转扫描；
至少一台行走移动物体，每个行走移动物体装有一个定位器；多台定位器共享一个基站，所述行走移动物体在待定位室内区域内移动；所述定位器用于反射距离最近的基站所投射的激光线，反射光接收装置设置为接收定位器反射的激光线；基站和定位器通过射频天线和射频模块进行通讯。
进一步的，基站整体用透光球封装，透光球外部安装基站射频天线、基站计算单元、基站射频模块；透光球内活动设置安装板，线激光发射器和反射光接收装置朝下固定在安装板上，安装板由旋转电机驱动转动而实现线激光发射器和反射光接收装置的旋转扫描；定位器主体封装在反光球内，反光球通过支撑杆或法兰装置固定在所述行走移动物体上；反光球内部封装射定位器射频模块、定位器计算单元，反光球外部安装定位器射频天线。
进一步的，线激光发射器投射的光是不可见光或可见光，对应的反射光接收装置为不可见光相机或可见光相机。
进一步的，所述行走移动物体为AGV小车。
基于上述基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统的定位方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：线激光发射器在垂向剖面投射激光线；所述激光线沿着垂向剖面投射，所述垂向剖面为以基站正下方为圆心，沿着基站垂心所在的竖直剖面与地面的相交线向外散发的射线面；激光线经定位器反射后被基站内的反射光接收装置接收，基站通过反射信号强度提取定位器反射面信号，利用三角测距原理或时间飞行法测得该定位器与线激光发射器的距离；
S2：利用反射光接收装置的像素坐标计算得出定位器姿态；通过定位器反射的光在反射光接收装置的垂向方向的像素坐标得出定位器所在的俯仰角；
S3：通过旋转电机将线激光发射器和反射光接收装置旋转，获取圆周360°范围内定位器的区域距离位置，并获得方位角；
S4：通过所获取的定位器所在的距离、俯仰角和方位角，进一步计算得出该定位器基于基站的X、Y、Z空间坐标。
进一步的，重复上述步骤S1-S4，获得多个定位器的空间坐标。
进一步地，在行走移动物体移动过程中，通过射频通信方法获取每个定位器的历史最新坐标和运动速度等信息，按照最小误差和运动方向等方法匹配最新的定位坐标。
进一步地，历史最新的坐标和当前基站扫描得出的该定位器当前坐标的匹配，通过基站计算单元进行或通过定位器计算单元实现。
进一步地，若需扩大定位覆盖范围，通过多台基站分区域覆盖完成。
相对于现有技术，本发明所取得的有益效果为：
通过本发明的系统和定位方法，最少配置为1台基站及若干定位器，只需在一定高度安装一个基站即可满足多个定位器的定位需求，场地改造少。定位器只需反光球、无线射频模块和计算单元，成本较低，因此，单个定位器定位所需的性价比高。通过激光三角测距原理，基于激光定向传播特性，相比UWB等原理具有定位精度高的优点。相比SLAM技术，通过直接定位方法可靠性更高。此外，由于本发明投射的是激光线，对定位器安装高度无严格要求，无需满足类似基于反光板的激光雷达定位所需的同高度要求，因此，对地面的不平整具有更高的适应性。
附图说明
图1为根据本发明实施的基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统原理结构示意图。
图2为基站内部结构示意图。
图3为基站内部结构和定位器工作原理图。
图4为定位器内部结构示意图。
图1-4中的附图标记对应如下：
定位器1、反光球1.1、定位器射频模块1.2、定位器计算单元1.3、支撑杆1.4、定位器射频天线1.5、基站2、基站射频天线2.1、基站计算单元2.2、基站射频模块2.3、透光球2.4、小车3、线激光发射器4、旋转电机5、反射光接收装置6、安装板7。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明作进一步说明。
根据本发明实施的基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统包括：
装有反射光接收装置6、线激光发射器4和旋转电机5的基站2，基站2在距离地面设定高度安装；至少一台AGV小车(或其他需要定位的物体)3，每个AGV小车3装有一个定位器1；所述定位器1用于反射基站2所投射的激光线；基站和定位器通过射频天线和射频模块进行通讯。
基于线激光旋转扫描的室内激光全局定位方法具体包括如下步骤：
线激光发射器4设定为在垂向剖面投射激光线；激光线经定位器反射后被基站2内的反射光接收装置6(优选为红外相机)接收，基站2通过反射信号强度提取定位器1反射面信号，利用三角测距原理实现测距。如图1所示，线激光发射器4投射的激光为激光线，沿着垂向剖面(图1中的横向三角形面)投射，所示垂向剖面为基站2为以基站2正下方为圆心，沿着基站2垂心所在的竖直剖面与地面的相交线向外散发的射线面。
经过定位器1反射后，通过反射光接收装置6接收并以射线面所在三角形实现三角测距，通过反射的光强确定定位器1并排除环境其他物体反射的激光。经过定位器反射后，也可通过时间飞行法(TOF)进行测距。
同时，基站2利用反射光接收装置6的像素坐标可计算得出定位器姿态，因此基于该原理可获得装有定位器1的AGV小车3的位置和姿态。通过定位器1反射的光在反射光接收装置6的垂向方向的像素坐标可得出定位器1所在的俯仰角。
基站2通过旋转电机5将线激光发射器4和反射光接收装置6旋转，可实现圆周360°范围内定位器1的区域距离位置，并获得方位角。
基站2通过获得定位器1所在的距离位置、俯仰角和方位角，进一步可计算得出该定位器1基于基站2的X、Y、Z坐标。
基站2通过投射激光线并旋转360°可获得多个定位器1的空间坐标。
此外，装有定位器1的多台AGV3同时被一个基站2感知到时，通过读取每台AGV3的最近的一个位置坐标及运动方向，基于最小误差和运动方向预测等方法可匹配得出最新的位姿，利用射频通信方法可将每台AGV3的位姿进行分发，实现多台定位器1的定位。
进一步地，通过射频通信方法获取每个定位器1的历史最新坐标和运动速度等信息，按照最小误差和运动方向等方法匹配最新的定位坐标。历史最新的坐标和当前基站扫描得出的坐标的匹配，可通过基站进行，也可通过定位器内部的解算单元实现。
若需扩大定位覆盖范围，可通过多台基站2分区域覆盖即可完成。
线激光发射器4投射的光可以是不可见光也可以是可见光，对应的反射光接收装置依次为不可见光相机(如红外相机)和可见光相机(彩色相机或黑白相机)。
系统结构和定位原理如图1所示，基站2安装在一定高度，投射的激光线发射范围在一定扇面(夹角θ)范围内；反射光接收装置也设置为可接收一定扇面(夹角θ)范围内的定位器1反射的激光信号，基于三角测距或基于时间飞行法(TOF)进行测距。AGV小车3的位置匹配所需的通讯手段可通过基站和定位器配置的射频天线和射频模块实施(参见图2-4中的定位器射频模块1.2、定位器计算单元1.3、定位器射频天线1.5、基站2、基站射频天线2.1、基站计算单元2.2、基站射频模块2.3)。
基站2内部结构示意图如图2-3所示，线激光发射器4和反射光接收装置6固定在安装板7上，旋转电机5驱动安装板7转动实现线激光发射器4和反射光接收装置6整体的旋转扫描。该装置整体用透光球2.4封装，透光球2.4外部安装基站射频天线2.1、基站计算单元2.2、基站射频模块2.3。
定位器1内部结构示意图见图4所示，反光球1.1内部封装射定位器射频模块1.2、定位器计算单元1.3，外部安装定位器射频天线1.5和支撑杆1.4。安装形式可不限于支撑杆1.4，也可通过法兰等形式进行固定。
本发明系统和方法的基本定位思路是将基站安装在室内一定高度，向下对装有定位器的AGV小车或其他移动物体进行激光定位和位姿分发，多台定位器共享一个基站。基站在垂向剖面投射激光线，经装在AGV小车的定位器反射面反射，由基站内的反射光接收装置接收，通过反射信号强度提取定位器反射面信号，利用三角测距原理实现测距。同时，基于相机模型，利用反射光接收装置的像素坐标可计算得出定位器姿态，因此基于该原理可获得装有定位器的物体的位置和姿态。通过电机将线激光发射器和反射光接收装置旋转，可实现圆周360°范围内定位器的定位。此外，装有定位器的多台AGV同时被一个基站感知到时，通过读取每台AGV的最近的一个位置坐标及运动方向，基于最小误差和运动方向预测等方法可匹配得出最新的位姿，利用射频通信方法可将每台AGV的位姿进行分发，实现多台定位器的定位。
Claims (9)
1.一种基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统，其特征在于主要包括：
在待定位室内区域设置至少设置一个基站，所述基站单独或分块儿覆盖待定位室内区域；基站在距离地面设定高度安装，基站内设置反射光接收装置、线激光发射生器和旋转电机，反射光接收装置、线激光发射生器由旋转电机驱动实现对待定位室内区域旋转扫描；
至少一台行走移动物体，每个行走移动物体装有一个定位器；多台定位器共享一个基站，所述行走移动物体在待定位室内区域内移动；所述定位器用于反射距离最近的基站所投射的激光线，反射光接收装置设置为接收定位器反射的激光线；基站和定位器通过射频天线和射频模块进行通讯。
2.根据权利要求1所述的基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统，其特征在于基站整体用透光球封装，透光球外部安装基站射频天线、基站计算单元、基站射频模块；透光球内活动设置安装板，线激光发射器和反射光接收装置朝下固定在安装板上，安装板由旋转电机驱动转动而实现线激光发射器和反射光接收装置的旋转扫描；定位器主体封装在反光球内，反光球通过支撑杆或法兰装置固定在所述行走移动物体上；反光球内部封装射定位器射频模块、 定位器计算单元，反光球外部安装定位器射频天线。
3.根据权利要求1所述的基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统，其特征在于线激光发射器投射的光是不可见光或可见光，对应的反射光接收装置为不可见光相机或可见光相机。
4.根据权利要求1所述的基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统，其特征在于所述行走移动物体为AGV小车。
5.一种室内定位方法，基于上述权利要求1-4任一项所述的基于线激光旋转扫描的室内全局定位系统进行，其特征在于包括如下步骤：
S1：线激光发射器在垂向剖面投射激光线；所述激光线沿着垂向剖面投射，所述垂向剖面为以基站正下方为圆心，沿着基站垂心所在的竖直剖面与地面的相交线向外散发的射线面；激光线经定位器反射后被基站内的反射光接收装置接收，基站通过反射信号强度提取定位器反射面信号，利用三角测距原理或时间飞行法测得该定位器与线激光发射器的距离；
S2：利用反射光接收装置的像素坐标计算得出定位器姿态；通过定位器反射的光在反射光接收装置的垂向方向的像素坐标得出定位器所在的俯仰角；
S3：通过旋转电机将线激光发射器和反射光接收装置旋转，获取圆周360°范围内定位器的区域距离位置，并获得方位角；
S4：通过所获取的定位器所在的距离、俯仰角和方位角，进一步计算得出该定位器基于基站的X、Y、Z空间坐标。
6.根据权利要求5所说的室内定位方法，其特征在于：重复上述步骤S1- S4，获得多个定位器的空间坐标。
7.根据权利要求5所说的室内定位方法，其特征在于：在行走移动物体移动过程中，通过射频通信方法获取每个定位器的历史最新坐标和运动速度等信息，按照最小误差和运动方向等方法匹配最新的定位坐标。
8.根据权利要求5所说的室内定位方法，其特征在于：历史最新的坐标和当前基站扫描得出的该定位器当前坐标的匹配，通过基站计算单元进行或通过定位器计算单元实现。
9.根据权利要求5所说的室内定位方法，其特征在于：若需扩大定位覆盖范围，通过多台基站分区域覆盖完成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190315 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |