CN109506657A - 一种基于agv的自动纠偏轨道及纠偏定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AGV的自动纠偏轨道，包括AGV车体，所述AGV车体上设有组合导航定位系统、自动纠偏系统、嵌入式控制系统和基于UKF算法工作的多传感器信息融合模块，多传感器信息融合模块的输入端与组合导航定位系统连接，输出端与自动纠偏系统的输入端连接，自动纠偏系统的输出端与嵌入式控制系统连接，其纠偏定位方法包括如下步骤：S100、通过组合导航定位系统，实现对AGV车体的全局定位；S200、基于步骤S100，将组合导航定位系统采集到的AGV车体的位置信息传至多传感器信息融合模块，在自动纠偏系统的作用下，实现对AGV车体的纠偏定位，提高了AGV小车的纠偏精度，保证了AGV小车智能运输的稳定可靠性，提高了AGV小车智能运输的工作效率。

Description

一种基于AGV的自动纠偏轨道及纠偏定位方法

技术领域

本发明涉及智能运输技术领域，具体为一种基于AGV的自动纠偏轨道及纠偏定位方法。

背景技术

随着现代制造业自动化程度不断地向前推进，物料运输的自动化改造也越来受到重视，自动导引小车（AGV，Automated Guided Vehicle）应用在物料运输领域中，不仅将人工从这个领域解放出来，而且由于AGV具有运行稳定、性能可靠、投入成本低以及不会疲劳等特点，大大提高了企业的生产效率，但AGV在运行过程中仍存在一些问题，比如：AGV小车由于运行速度太快或者其它原因，容易发生AGV小车脱轨现象，一方面，会造成智能运输过程中断，降低了智能运输的工作效率；另一方面，可能造成智能运输产品的损坏，所以，现有的AGV小车上会配置纠偏设备，用于实现对AGV小车的自动纠偏功能，实现在AGV小车脱轨前，对AGV小车的纠偏操作，保证AGV小车在预定轨道上正常持续运行。

AGV小车的定位精度决定了其纠偏精度，传统AGV小车的定位方式主要有：磁导引定位，成本低、实现简单，但定位精度低；激光导引定位，定位精度高，但是易受到外界障碍物的屏蔽作用而导航失效；视觉导引定位，定位精度较高、性价比高，但易受光照环境影响，所以，寻求一种高精度的AGV小车定位系统成为迫切需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于AGV的自动纠偏轨道及纠偏定位方法，操作简便、自动化程度高，能够实现对AGV小车智能运输过程中准确定位以及精准纠偏的功能，且能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于AGV的自动纠偏轨道，包括AGV车体，所述AGV车体上设置有组合导航定位系统、自动纠偏系统、嵌入式控制系统和基于UKF算法工作的多传感器信息融合模块，所述多传感器信息融合模块的输入端与组合导航定位系统连接，输出端与自动纠偏系统的输入端连接，所述自动纠偏系统的输出端与嵌入式控制系统连接。

进一步地，所述组合导航定位系统包括多目视觉定位装置和基于Markov的激光定位装置，多目视觉定位装置包括安装于AGV车体中心底部的摄像机一以及两个分别倾斜安装于AGV车体前后的摄像机二，且所述摄像机一通过基于DSP的图像处理模块一与多传感器信息融合模块连接，两个所述摄像机二分别通过基于DSP的图像处理模块二也与多传感器信息融合模块连接。

进一步地，所述图像处理模块一、图像处理模块二均包括预处理单元和DSP处理芯片，所述预处理单元包括视频编解码器和中值滤波器，所述中值滤波器一端与视频编解码器连接，另一端与DSP处理芯片的输入端连接，且所述DSP芯片的输出端与多传感器信息融合模块连接。

进一步地，所述多传感器信息融合模块包括用于实现数据相关、数据融合和特征提取的UKF滤波器。

进一步地，所述AGV车体上还设置有四轮驱动组件，所述四轮驱动组件包括四个设置在AGV车体下方的万向传动轮和四个分别用于驱动四个万向传动轮的伺服直流电机，四个所述伺服直流电机上分别设置有增量式编码器，且所述增量式编码器与多传感器信息融合模块连接，所述万向传动轮采用的是麦克纳姆轮，且其中两个万向传动轮为左旋轮，另外两个万向传动轮为右旋轮，左旋轮和右旋轮呈镜像对称分布。

进一步地，所述自动纠偏系统采用模糊控制技术，自动纠偏系统包括PID控制器和模糊控制器，所述PID控制器的输入端与多传感器信息融合模块连接，输出端与模糊控制器连接，且所述模糊控制器的输出端与嵌入式控制系统连接。

进一步地，所述激光定位装置包括安装在AGV车体底部的二维激光扫描雷达和五块置于AGV车体工作区内且独立于AGV车体的外置激光反射板，所述二维激光扫描雷达通过放大器与多传感器信息融合模块连接。

进一步地，所述多传感器信息融合模块与PID控制器之间还设置有计数器模块，所述计数器模块包括二进制计数器和FIFO存储器，所述二进制计数器输入端与多传感器信息融合模块连接，输出端与FIFO存储器连接，所述FIFO存储器的输出端与PID控制器连接。

进一步地，所述嵌入式控制系统包括ST89C52单片机和上位机，且所述上位机通过RS485通讯方式向ST89C52单片机发送控制指令。

一种基于AGV的纠偏定位方法，包括如下步骤：

S100、通过组合导航定位系统，实现对AGV车体的全局定位；

S200、基于步骤S100，将组合导航定位系统采集到的AGV车体的位置信息传递至多传感器信息融合模块，进而在自动纠偏系统的作用下，实现对AGV车体的纠偏定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过采用多目视觉装置和激光定位装置，共同实现对AGV小车运动过程中的实时全局定位功能，最后将两者的定位信息经由基于UKF滤波器的多传感器信息融合技术，最终完成AGV小车的精确定位，保证了定位的精准度，进而大大提高了AGV小车的纠偏精度，保证了AGV小车智能运输的稳定可靠性，提高了AGV小车智能运输的工作效率。

附图说明

图1为本发明的整体信号流程图；

图2为本发明的AGV车体结构示意图；

图3为本发明的四轮驱动组件布局结构示意图；

图4为本发明的外置激光反射板配置结构示意图；

图5为本发明的图像处理模块一工作流程图。

图中标号：

1-组合导航定位系统；2-自动纠偏系统；3-嵌入式控制系统；4-多目视觉定位装置；5-激光定位装置；6-预处理单元；7-四轮驱动组件；8-计数器模块；9-UKF滤波器；10-放大器；11-AGV车体；12-多传感器信息融合模块；13-图像处理模块一；14-图像处理模块二；15-DSP处理芯片；

201-PID控制器；202-模糊控制器；

301-ST89C52单片机；302-上位机；

401-摄像机一；402-摄像机二；

501-二维激光扫描雷达；502-外置激光反射板；

601-视频编解码器；602-中值滤波器；

701-万向传动轮；702-伺服直流电机；703-增量式编码器；

801-二进制计数器；802-FIFO存储器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施方式中，如图1至图5所示，本发明提供了一种基于AGV的自动纠偏轨道，包括AGV车体11，所述AGV车体11上设置有组合导航定位系统1、自动纠偏系统2、嵌入式控制系统3和基于UKF算法（该算法无需计算雅可比矩阵，可以精确到二阶或者更高，相比KF算法，具有可靠性强、误差小、抗干扰能力强等优点，从而大大提高了系统的精度）工作的多传感器信息融合模块12，组合导航定位系统1的设置，实现了对AGV小车整体的精确定位（定位精度决定纠偏精度），从而有效保证了纠偏精度，使得AGV小车在智能运输过程中正常高效行驶，提高了智能运输的效率，所述多传感器信息融合模块12的输入端与组合导航定位系统1连接，输出端与自动纠偏系统2的输入端连接，所述自动纠偏系统2的输出端与嵌入式控制系统3连接。

作为优选的实施方式，组合导航定位系统1包括多目视觉定位装置4和基于Markov的激光定位装置5，多目视觉定位装置4包括安装于AGV车体11中心底部的摄像机一401（彩色CCD摄像机）以及两个分别倾斜安装于AGV车体11前后的摄像机二402（彩色CCD摄像机），且所述摄像机一401通过基于DSP的图像处理模块一13（DSP不仅可以满足在运算性能方面的需要，而且由于DSP的可编程性，大大增强了系统的灵活性）与多传感器信息融合模块12连接，两个所述摄像机二402分别通过基于DSP的图像处理模块二14也与多传感器信息融合模块12连接，通过图像处理模块一13和图像处理模块二14的设置，实现了对摄像机一401、摄像机二402所获取的数字图像信息的处理功能。

通过多目视觉定位装置4的设置，实现了基于视觉的局部精确定位，一方面，前置的摄像机二402作为标识预判单元，完成了AGV小车的减速及粗定位的功能，中间的摄像机一401则用于AGV小车的精确定位；另一方面，利用前置的摄像机二402以及后置的摄像机二402来实现实时测距并提前纠偏来保证AGV运动过程中的正常姿态；中间的摄像机一401是基于改进后的最小乘椭圆定点方法来实现视觉局部定位的。

补充说明的是，由于摄像机一401和摄像机二402的引入，会带来一定的系统误差，摄像机一401、摄像机二402与AGV车体11装配会引入装配误差，所以，在AGV小车工作之前，需要通过平面模板法，完成对摄像机一401和摄像机二402内部参数、外部参数的标定，从而将其引入的误差降至最小，保证了AGV小车工作的稳定可靠性。

激光定位装置5包括安装在AGV车体11底部的二维激光扫描雷达501和五块置于AGV车体11工作区内且独立于AGV车体11的外置激光反射板502，所述二维激光扫描雷达501通过放大器10与多传感器信息融合模块12连接，二维激光扫描雷达501发射激光信号，激光信号照到外置激光反射板502上被反射回来，二维激光扫描雷达501接收至少3个被外置激光反射板502反射回来的激光信号（基于三角定位原理实现激光定位），并将其转换成电信号，经过放大器10的放大作用后，传送给多传感器信息融合模块12，结合多目视觉定位装置4采集的数字图像信息，最终确定该AGV车体11所在位置，实现准确定位。

图像处理模块一13、图像处理模块二14均包括预处理单元6和DSP处理芯片15，所述预处理单元6包括视频编解码器601和中值滤波器602，所述中值滤波器602一端与视频编解码器601连接，另一端与DSP处理芯片15的输入端连接，且所述DSP芯片15的输出端与多传感器信息融合模块12连接，通过摄像机一401和摄像机二402对目标图像采集，采集到的数字图像信号采用逐行倒相制式传输给视频编解码器601，经由视频编解码器601对彩色图像二值化处理后（视频编解码器601解码后输出8位BT-601YCbCr格式的彩色图像，在此类格式中，Cb分量与Cr分量分别代表蓝色分量、红色分量）；图像在生成、传输过程中，极易产生脉冲噪声，进而提高了错误率，通过中值滤波器602的设置，可实现对图像的去噪声处理。

AGV车体11上还设置有四轮驱动组件7，所述四轮驱动组件7包括四个设置在AGV车体11下方的万向传动轮701和四个分别用于驱动四个万向传动轮701的伺服直流电机702，四个所述伺服直流电机702上分别设置有增量式编码器703，且所述增量式编码器703与多传感器信息融合模块12连接，通过增量式编码器703的设置，可实时检测出旋转台801的旋转角度信号，并将其传给多传感器信息融合模块12，操作简单方便。

作为优选的实施方式，万向传动轮701采用的是麦克纳姆轮，且其中两个万向传动轮701为左旋轮，另外两个万向传动轮701为右旋轮，左旋轮和右旋轮呈镜像对称分布，麦克纳姆轮的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移，小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动，麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮，可以更灵活方便的实现该AGV小车的全方位移动功能。

补充说明的是，由四个麦克纳姆轮组成的四轮驱动组件的轮组布局形式多种多样，并不是每一种布局形式都能实现全方位运动，通过对多种由四个麦克纳姆轮组成的四轮驱动组件的轮组布局形式一一进行运动学分析（建立运动学方程，列出雅克比矩阵）可知，当四轮驱动行走组件逆运动学雅克比矩阵列不满秩时，四轮驱动行走组件中存在奇异位形，使轮驱动行走模块的运动自由度减少，对于由四个麦克纳姆轮组成的四轮驱动组件，因逆运动学方程反映了四个轮转速与四轮驱动行走模块中心速度的映射关系，雅克比矩阵的性质也反映了四轮驱动组件的运动特性，对全方位运动系统来说，若系统的逆运动学方程的雅克比矩阵列不满秩时，系统也具有奇异位形，反映在运动学上就是失去部分自由度，即系统不能实现全方位运动，因此为使四轮驱动组件确保有三个自由度的全方位运动，判定四轮驱动组件实现全方位运动性能优劣的必要条件如下：

1、雅克比矩阵列满秩，则四轮驱动组件具有实现全方位运动的能力；

2、雅克比矩阵列不满秩，四轮驱动组件中存在奇异位形，不能实现全方位运动。

四轮驱动组件在满足上述必要条件后，还必须具有很好的驱动性能和控制性，为了使四轮驱动组件制造经济合理，四个麦克纳姆轮的滚子偏置角取相同的数值，且将轮结构对称设计，安装时只要采用正反安装法，就可得到实际上的大小相等而方向相反的两种滚子偏置角，另外，为实现各轮的载荷均匀，四轮驱动组件的支撑结构稳定，一般常采取四个麦克纳姆轮关于车体几何中心（坐标系XOY，X轴正方向代表AGV车体11前进方向的左侧；Y轴正方表代表AGV车体11前进方向）对称布置的轮结构布局形式，即使这样规定，四轮驱动组件的布局结构仍然有多种组合形式，各种形式中驱动性能有很大的区别，因全方位的四轮驱动组件在某些运动方向上存在欠驱动是其自身的特点，所以四轮驱动组件驱动性能的好坏的设计原则是：

1、在三个自由度方向上，若四轮驱动组件的四个轮都是驱动轮，则驱动性能良好；

2、即使有欠驱动，欠驱动的方向应处于次要的运动方向上。

本发明采取如图3所示的轮组结构布局方式，图4中的四个方框分别表示四个万向传动轮701，方框中的斜线表示各轮接触地面时滚子偏置角（根据斜线的方向，将万向传动轮701分为两两一组，一组为左旋轮，一组为右旋轮），由图3可知，逆运动学雅克比矩阵列为列满秩，且可实现四轮驱动组件7沿X轴、Y轴的直线运动，也能实现绕中心O的定点旋转运动，三个方向的运动中，四个万向传动轮701都是驱动轮，使得四轮驱动组件7不仅能实现全方位运动，且驱动性能好。

进一步地，多传感器信息融合模块12包括用于实现数据相关、数据融合和特征提取的UKF滤波器9（Unscented Kalman Filter，无损卡尔曼滤波器，是无损变换和标准Kalman滤波体系的结合，通过无损变换使非线性系统方程适用于线性假设下的标准Kalman滤波体系），由于摄像机一401、摄像机二402、二维激光扫描雷达501和增量式编码器703均存在测量误差，且彼此的误差相互独立，因此，需要采用多传感数据信息融合技术进行分析验证并补充综合，来最大程度降低数据采集的不确定性以提高AGV的定位精度，定位精度的提高则会使得该基于AGV的自动纠偏轨道的纠偏精度，保证AGV小车的准确运行。

该多传感器信息融合模块12的工作原理如下：

首先，将摄像机一401和摄像机二402所采集的图像信息分别通过图像处理模块一13、图像处理模块二14的处理后，进行数据相关；将摄像机一401采集的信息与二维激光扫描雷达501采集的信息进行数据融合；将四个增量式编码器703采集到的信息进行特征提取，得到相关速度和角度信息，最后通过UKF滤波器9的数据融合与数据关联策略得到最终的定位信息，达到AGV整体精确定位的目的。

进一步地，为保证组合导航定位系统1的定位精度，二维激光扫描雷达501在初始状态保持开启状态，实时输出较为精确的位置信息，通过UKF滤波器9的作用来实现多传感器信息融合。

作为优选的实施方式，自动纠偏系统2采用模糊控制技术，模糊控制是一种相比于传统控制更加贴近于人类思维的控制方法，与传统的控制方式不同之处是，模糊控制技术在复杂的多变量系统中可以通过各种变量之间的关系完成对系统的控制，从而使得系统的控制在直观上更加简便，自动纠偏系统2包括PID控制器201和模糊控制器202，所述PID控制器201的输入端与多传感器信息融合模块12连接，输出端与模糊控制器202连接，且所述模糊控制器202的输出端与嵌入式控制系统3连接，通过模糊控制器202的设置，使得该AGV的自动纠偏操作更加高效、准确和可靠，可有效避免AGV小车在行驶过程中的脱轨，保证了智能运输的持续性和安全性，大大提高了智能运输的工作效率。

多传感器信息融合模块12与PID控制器201之间还设置有计数器模块8，所述计数器模块8包括二进制计数器801和FIFO存储器802，所述二进制计数器801输入端与多传感器信息融合模块12连接，输出端与FIFO存储器802连接，所述FIFO存储器802的输出端与PID控制器201连接，二进制计数器801用于收集多传感器信息融合模块12所采集的融合信息，并将其存储在FIFO存储器802内，且FIFO存储器802不会干扰二进制计数器801的工作。

进一步解释的是，该模糊控制器202的工作原理如下：

第一步、计算控制变量，多传感器信息融合模块12对多目视觉定位装置4、激光定位装置5和增量式编码器703所采集的信息进行整合处理，通过计数器模块8得出该AGV小车的水平距离偏差和水平角度偏差（AGV选车行驶过程中通过水平距离偏差和水平角度偏差来控制行走路径，因此只要控制好这两个变量就可以实现路径纠偏）；

第二步、基于模糊控制规则（模糊控制规则是根据人驾驶汽车的操作经验总结而来），实现模糊推理；

第三步、模糊量清晰化处理，模糊量清晰化处理即为把模糊推理得出的结果转换为嵌入式控制系统3可以识别的确定值。

进一步地，嵌入式控制系统3包括ST89C52单片机301和上位机302，且所述上位机302通过RS485通讯方式向ST89C52单片机301发送控制指令，ST89C52单片机502接收指令，并根据设定值和信号采集值进行相应的控制操作，操作简便、可靠性强、准确度高；RS485通讯方式成本低廉，软件使用方便，采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，并且中心收发器具有高灵敏度，能检测低至200mv的电压，在长距离传输后信号能得以恢复。

本发明还提供了一种基于AGV的纠偏定位方法，包括如下步骤：

S100、通过组合导航定位系统，实现对AGV车体的全局定位，使得定位的准确度大大提高；

S200、基于步骤S100，将组合导航定位系统采集到的AGV车体的位置信息传递至多传感器信息融合模块，进而在自动纠偏系统的作用下，实现对AGV车体的纠偏定位，保证了AGV车体智能运输的稳定可靠性，大大提高了AGV小车智能运输的工作效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种基于AGV的自动纠偏轨道，包括AGV车体（11），其特征在于：所述AGV车体（11）上设置有组合导航定位系统（1）、自动纠偏系统（2）、嵌入式控制系统（3）和基于UKF算法工作的多传感器信息融合模块（12），所述多传感器信息融合模块（12）的输入端与组合导航定位系统（1）连接，输出端与自动纠偏系统（2）的输入端连接，所述自动纠偏系统（2）的输出端与嵌入式控制系统（3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于AGV的自动纠偏轨道，其特征在于：所述组合导航定位系统（1）包括多目视觉定位装置（4）和基于Markov的激光定位装置（5），多目视觉定位装置（4）包括安装于AGV车体（11）中心底部的摄像机一（401）以及两个分别倾斜安装于AGV车体（11）前后的摄像机二（402），且所述摄像机一（401）通过基于DSP的图像处理模块一（13）与多传感器信息融合模块（12）连接，两个所述摄像机二（402）分别通过基于DSP的图像处理模块二（14）也与多传感器信息融合模块（12）连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于AGV的自动纠偏轨道，其特征在于：所述图像处理模块一（13）、图像处理模块二（14）均包括预处理单元（6）和DSP处理芯片（15），所述预处理单元（6）包括视频编解码器（601）和中值滤波器（602），所述中值滤波器（602）一端与视频编解码器（601）连接，另一端与DSP处理芯片（15）的输入端连接，且所述DSP芯片（15）的输出端与多传感器信息融合模块（12）连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于AGV的自动纠偏轨道，其特征在于：所述多传感器信息融合模块（12）包括用于实现数据相关、数据融合和特征提取的UKF滤波器（9）。

5.根据权利要求1所述的一种基于AGV的自动纠偏轨道，其特征在于：所述AGV车体（11）上还设置有四轮驱动组件（7），所述四轮驱动组件（7）包括四个设置在AGV车体（11）下方的万向传动轮（701）和四个分别用于驱动四个万向传动轮（701）的伺服直流电机（702），四个所述伺服直流电机（702）上分别设置有增量式编码器（703），且所述增量式编码器（703）与多传感器信息融合模块（12）连接，所述万向传动轮（701）采用的是麦克纳姆轮，且其中两个万向传动轮（701）为左旋轮，另外两个万向传动轮（701）为右旋轮，左旋轮和右旋轮呈镜像对称分布。

6.根据权利要求1所述的一种基于AGV的自动纠偏轨道，其特征在于：所述自动纠偏系统（2）采用模糊控制技术，自动纠偏系统（2）包括PID控制器（201）和模糊控制器（202），所述PID控制器（201）的输入端与多传感器信息融合模块（12）连接，输出端与模糊控制器（202）连接，且所述模糊控制器（202）的输出端与嵌入式控制系统（3）连接。

7.根据权利要求2所述的一种基于AGV的自动纠偏轨道，其特征在于：所述激光定位装置（5）包括安装在AGV车体（11）底部的二维激光扫描雷达（501）和五块置于AGV车体（11）工作区内且独立于AGV车体（11）的外置激光反射板（502），所述二维激光扫描雷达（501）通过放大器（10）与多传感器信息融合模块（12）连接。

8.根据权利要求6所述的一种基于AGV的自动纠偏轨道，其特征在于：所述多传感器信息融合模块（12）与PID控制器（201）之间还设置有计数器模块（8），所述计数器模块（8）包括二进制计数器（801）和FIFO存储器（802），所述二进制计数器（801）输入端与多传感器信息融合模块（12）连接，输出端与FIFO存储器（802）连接，所述FIFO存储器（802）的输出端与PID控制器（201）连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于AGV的自动纠偏轨道，其特征在于：所述嵌入式控制系统（3）包括ST89C52单片机（301）和上位机（302），且所述上位机（302）通过RS485通讯方式向ST89C52单片机（301）发送控制指令。

10.一种基于AGV的纠偏定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

S100、通过组合导航定位系统，实现对AGV车体的全局定位；

S200、基于步骤S100，将组合导航定位系统采集到的AGV车体的位置信息传递至多传感器信息融合模块，进而在自动纠偏系统的作用下，实现对AGV车体的纠偏定位。