CN109814562A

CN109814562A - 一种多传感器的agv定位方法

Info

Publication number: CN109814562A
Application number: CN201910084597.5A
Authority: CN
Inventors: 邓亚颂; 曲立国; 杜友武; 盛宇
Original assignee: Anhui Normal University
Current assignee: Anhui Normal University
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-05-28

Abstract

本发明公开了一种多传感器的AGV定位方法，该方法基于QR码地标系统，即通过QR码内嵌入标签号和位置信息，AGV从起点到终点路径中，工业相机在识别到QR码后，提取QR码特征点在网络中的位置，并且计算当前QR码与AGV之间的位置偏差和姿态，根据QR码与AGV的位置关系对AGV的位置和姿态进行调整，确定AGV的绝对行驶角度。其次，重新设计编码器在AGV上的安装方法，提出了一种S形曲线打滑误差修正算法，将QR码与编码器间隔使用，补偿了编码器大角度范围变化下积累的误差。针对轮式AGV中定位方法单一、易车轮打滑、安装成本高的不足，本发明将两种定位策略间隔使用有效的提高了实用性与稳定性，具有安装简便、算法处理简单的特点。

Description

一种多传感器的AGV定位方法

技术领域

本发明涉及一种AGV定位技术领域，特别涉及一种多传感器的AGV定位方法。

背景技术

自动引导小车(AGV)作为现代物流系统的重要组成部分，随着物流行业的发展与科技技术水平的提升，国内AGV技术发展迅速，AGV需求量居国际前列。AGV之所以能够实现无人驾驶，导航和导引对其起到了关键的作用，而AGV能否稳定精确的完成任务，定位的准确性将会直接影响AGV导航的精度。通常，对于已知环境的定位方法主要分为相对定位法和绝对定位法，相对定位法通常使用航位推算和惯性导航完成AGV姿态计算的导航方法，但是这种方法的估计误差将会被累积；绝对定位法将QR码作为人工地标引入到机器人的定位与导航上，通过垂直于人工地标的摄像机检测到人工地标，机器人读取QR码里设置的定位数据而得到确切位置，进而校准机器人的姿态。随着导航技术的发展，为了提高定位的准确性。许多研究人员试图考虑将两种方法结合起来解决一些问题。其中有两个关键问题需要解决，第一是AGV如何在QR码处确定前进的绝对角度，保证正确到达下一个节点。第二是离开QR码后，在两个QR码之间如何进行局部的位置姿态调整，保证行进方向的正确性以及如何补偿车轮打滑问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多传感器的AGV定位方法，可以有效解决AGV在QR码处确定前进的绝对角度问题和离开QR码后对于车轮打滑的补偿问题。

为此，本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种多传感器的AGV定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在AGV的行进路径上布置QR码作为视觉信标节点。

步骤二：通过相机采集布置在AGV行进路径上的QR码图像信息。

步骤三：采用图像信息处理模块读入QR码图像信息并且做参数化处理。

步骤四：AGV上设有减震支架，减震支架与AGV底板之间设有减震弹簧，并且，编码器与AGV轮轴同轴线，通过编码器和AGV自带陀螺仪进行无QR码情况下的相对定位。

步骤五：采用定位信息模块读入QR码图像信息参数化处理后的参数化信息，并对比栅格地图坐标参数以定位当前位置。

步骤六：采用主控模块来接收定位信息模块发送的定位信息，并做下一步路径规划。

所述步骤一中，在AGV行进路径的起点、途径点和终点布置QR码作为视觉信标节点。

AGV路径中的QR码包含位置信息，QR码中嵌入有标签号和位置坐标。

所述步骤三包括以下步骤：

a.读取相机采集的QR码图像信息；

b.对采集到的图像进行灰度图像自适应阈值分割；

c.对进行路径边缘进行直线提取确定QR码正向与AGV正向之间是否有航偏角；

d.如果是，则基于QR码图像对AGV的航偏角进行校正；

e.如果不是，则将QR码参数化信息传送给定位模块，对比栅格地图坐标参数定位当前位置。

进一步，为消除AGV在两个QR码之间行驶时AGV车轮打滑形成的误差，采用以下S形曲线修正方式进行航偏角修正：设定AGV行进过程中的左右编码器记录的路程分别为S_L1和S_R1，θ_n为陀螺仪提供的下一时刻AGV的航偏角与水平轴的夹角，Δθ_n为AGV前后两个时刻位置的变化量，

当S_L1＝S_R1时，即AGV车轮没出现打滑情况，由于采样的周期性，n时刻的AGV位置通过以下方式计算：

其中ΔS＝S_L1＝S_R1，

当SL1≠SR1时，即AGV车轮出现打滑，通过以下两种方式修正：

若S_L1>S_R1时，则：S_L1-S_R1＝ΔS>0；

为了保证AGV最后能回到原轨迹并且保持正方向不变直线向前行走，使AGV左右两轮行进路程满足如下关系：

S_L2-S_R2＝-2ΔS

进而还需要使得AGV左右两轮行进路程满足如下关系：

S_L3-S_R3＝ΔS

若S_L1<S_R1时，时刻n的AGV位置通过以下方式计算：

其中

通过以下方式进行第一次修正后的位置计算：

然后通过以下方式进行第二次修正后的位置计算：

通过上述方式使得AGV按照修正后的路径行驶。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明公布的一种多传感器的AGV定位方法重新设计编码器在AGV上的安装方法，补偿了编码器大角度范围变化下积累的误差；针对轮式AGV中定位方法单一、易出现车轮打滑和安装成本高的不足，将两种定位策略间隔使用有效的提高了实用性与稳定性，具有安装简便、算法处理简单的特点。满足了自动物流系统、柔性制造系统对降低成本、提高柔性的要求。

附图说明

图1为本发明QR码分布图；

图2为本发明AGV靠近QR码时相机能拍摄到图像信息；

图3为本发明AGV与QR码之间的位置关系；

图4为本发明AGV旋转中心与QR码旋转中心重合示意图；

图5为本发明编码器安装结构示意图；

图6为本发明“S”形曲线修正路径图；

图7为本发明AGV偏移路线示意图。

其中，减震支架1、减震弹簧2、编码器3、小车底板4、车轮5、相机6。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排除的特征以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者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。

一种多传感器的AGV定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在AGV的行进路径上布置QR码作为视觉信标节点。

如图1所示，所述步骤一中，在AGV的起点、途径点和终点都需要布置QR码作为视觉信标节点，并且AGV路径中的QR码包含位置信息，QR码中嵌入有标签号和位置坐标。以(3)号QR码位置作为AGV每次工作的出发点，(4)号QR码作为终点，其他QR码为途径点。

所述步骤三包括以下步骤：

a.读取相机采集的QR码图像信息；

b.对采集到的图像进行灰度图像自适应阈值分割；

d.如果是，则基于QR码图像对AGV的航偏角进行校正；

在本具体实施例中，如图2所示，图2为AGV在工作中在渐渐靠近QR码时，相机能拍摄到图像信息，相机的旋转中心还未与QR码的旋转中心重合，而此时AGV的实时位置推算可由以下方式求得：

如图3所示，AGV与QR码之间的位置关系，其中YW-OW-XW为世界坐标系下的位置坐标，YC-OC-XC为AGV的坐标，YR-OR-XR为QR码坐标。(在本实施例中默认为QR码坐标与世界坐标重合，忽略在粘贴QR码时候人为误差)。

设AGV坐标系下某QR码坐标为[x_c,y_c]^T，对应的世界坐标系下坐标为[x_w,y_w]^T。由公式推导可得：

x_w＝x_ccosθ_α-y_csinθ_α+r_x

y_w＝x_csinθ_α+y_ccosθ_α+r_y

转换为矩阵形式有：

X_w＝H·X_c+r

式中：H为旋转矩阵，r为平移矢量。

其线性关系可表示为：

X_w＝[x_w,y_w,1]^T,X_c＝[x_c,y_c,1]^T

结合上式(1)(2)(3)可得：

即线性关系式：

X_w＝T_w,c·X_c

式中Tw,c为两坐标系之间相互变换的的变换矩阵。

由公式(5)也可写出其反向变换矩阵为：

则可用T来表示AGV的位置，进行此次位置的调整，直到使AGV的旋转中心与QR码旋转中心重合，结束此阶段局部的位置校正。

当AGV行进到QR码区域时，会对相机中拍摄到的QR码进行解码，提取QR码中编码的标签号和位置信息，与地图上的信息进行比较确定AGV实时的位置坐标，再进行QR码局部的位置校正，此过程是基于QR码与AGV之间旋转中心重合时的偏转角进行校正。

例如图4所示，即为AGV旋转中心与QR码旋转中心重合时的一种情况，在这种情况下需要基于QR码图像对AGV的航偏角进行校正，即对相机采集到的QR码图像进行处理。为了更快和能够适应不同的光照强度，首先对采集到的图像进行了灰度图像自适应阈值分割。再对边缘进行直线提取求得QR码正向与AGV正向之间的航偏角，在AGV旋转中心进行位置的校正是通过中间两个驱动轮差速控制来调整AGV的姿态。

如图5所示，AGV上设有减震支架，减震支架与AGV之间设有减震弹簧，并且，编码器与AGV轮轴同轴线设置，从而不受AGV本身的压力影响，使得不影响AGV转弯的前提下精确测量AGV真实位移，此外相机安装在AGV驱动轮连轴的正中心，因而角度上存在的误差不会被叠加到位置误差中，进一步提高定位精度。

如图6所示，S形曲线修正方法可以解决AGV在两个QR码之间行驶过程中车轮打滑所导致的误差修正，为了修正由车轮打滑带来的误差，使得车头保持直线向前行走，AGV在行进过程中左右编码器记录的路程分别为S_L1和S_R1，θ_n为下一时刻AGV的航偏角与水平轴的夹角(θ_n为陀螺仪提供的相对角度)，Δθ_n为AGV前后两个时刻位置的变化量。可分以下两种情况讨论：

AGV车轮不打滑时：S_L1＝S_R1；

由于采样的周期性，所以位置的推算公式如下：

式中ΔS＝S_L1＝S_R1，

AGV车轮出现打滑时：S_L1≠S_R1。

若AGV发生偏移，当S_L1>S_R1时，如图6第一部分所示，则：

S_L1-S_R1＝ΔS>0

根据图示几何关系，为了保证AGV最后能回到原轨迹并且保持正方向不变直线向前行走，按照本发明提出的算法AGV需要进行如图6第二部分调整，使左右两轮行进路程满足如下关系：

S_L2-S_R2＝-2ΔS

为了达到AGV最后能达到上述目的，接下来还需要做如图6第三部分调整，使左右两轮行进路程满足如下关系：

S_L3-S_R3＝ΔS

根据以上方法推算在AGV发生偏移时，进行以上两次修正则可以满足回到原轨迹并且保持正方向不变直线向前行走的目的。

若发生S_L1<S_R1时，调整方法相同。具体S形曲线修正方法中具体位置推算如下，其中AGV驱动轮控制算法用PID控制。

如图7中所示，即为某一时刻n车轮出现了打滑的情况，则此时刻AGV的位置推算为：

式中

那么接下来即需要做如图6第二部分调整，调整过程中位置推算公式为：

为了保证AGV最后能回到原轨迹并且保持正方向不变直线向前行走，接下来还需要做如图6第三部分调整，调整过程中位置推算公式为：

调整之后的行进路线则为正确的行驶路线。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种多传感器的AGV定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在AGV的行进路径上布置QR码作为视觉信标节点；

步骤二：通过相机采集布置在AGV行进路径上的QR码图像信息；

步骤三：采用图像信息处理模块读入QR码图像信息并且做参数化处理；

步骤四：AGV上设有减震支架，减震支架与AGV底板之间设有减震弹簧，并且，编码器与AGV轮轴同轴线设置，通过编码器和AGV自带陀螺仪进行无QR码情况下的相对定位；

步骤五：采用定位信息模块读入QR码图像信息参数化处理后的参数化信息，并对比栅格地图坐标参数以定位当前位置；

2.根据权利要求1所述的一种多传感器的AGV定位方法，其特征在于，所述步骤一中，在AGV的行进路径的起点、途径点和终点布置QR码作为视觉信标节点。

3.根据权利要求2所述的一种多传感器的AGV定位方法，其特征在于，AGV路径中的QR码包含位置信息，QR码中嵌入有标签号和位置坐标。

4.根据权利要求1所述的一种多传感器的AGV定位方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：

a.读取相机采集的QR码图像信息；

b.对采集到的图像进行灰度图像自适应阈值分割；

d.如果是，则基于QR码图像对AGV的航偏角进行校正；

5.根据权利要求4所述的一种多传感器的AGV定位方法，其特征在于，为消除AGV在两个QR码之间行驶时AGV车轮打滑形成的误差，采用以下S形曲线修正方式进行航偏角修正：设定AGV行进过程中的左右编码器记录的路程分别为S_L1和S_R1，θ_n为陀螺仪提供的下一时刻AGV的航偏角与水平轴的夹角，Δθ_n为AGV前后两个时刻位置的变化量，

其中ΔS＝S_L1＝S_R1，

当SL1≠SR1时，即AGV车轮出现打滑，通过以下两种方式修正：

若S_L1>S_R1时，则：S_L1-S_R1＝ΔS>0；

S_L2-S_R2＝-2ΔS

进而还需要使得AGV左右两轮行进路程满足如下关系：

S_L3-S_R3＝ΔS

若S_L1<S_R1时，此刻的的AGV位置通过以下方式计算：

其中

通过以下方式进行一次修正后的位置计算：

然后通过以下方式进行二次修正后的位置计算：

使得AGV按照修正后的路径行驶。