CN109916403A - 一种用于agv小车的短时精确定位的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于AGV小车的定位技术领域，并公开了一种用于AGV小车的精确定位装置及其短时精确定位方法，该装置包括安装在AGV小车车轮上的左前轮驱动计数装置、左侧转向驱动计数装置、右前轮驱动计数装置、右侧转向驱动计数装置和地磁方向传感器，该方法包括以下步骤：1)将时长T等分为n份；2)判断小车是进行直线运动还是转向运动，以获得相对位移坐标值(ΔPxi,ΔPyi)；3)将n次计算出的微分段坐标值累加。本发明通过对AGV小车上布置多个旋转编码器和一个地磁方向传感器，并将这些传感器的数据进行融合计算，最终计算出AGV小车在短时段内的精确位移信息。

Description

一种用于AGV小车的短时精确定位的装置及方法
技术领域
本发明属于AGV小车的定位技术领域，更具体地，涉及一种用于AGV小车的精确定位装置及方法。
背景技术
AGV(Automated Guided Vehicle)小车是现代化工厂、柔性制造车间、智能化物流、无人仓储库及分拣中心的核心设备。
AGV小车的导航方式一般有布置信标的直接坐标引导方式、在路径上布置金属线的电磁引导方式、在路径上布置磁带的磁带引导方式、在路径上布置色带的光学引导方式和激光雷达(或视觉)SLAM算法构建实时地图的导航方式等。前4种AGV小车的导航都属于路径事前规划的信标预置类引导方式，该方式存在着改变和扩充路径复杂、信标铺设困难、信标维护成本高等问题。激光雷达(或视觉)SLAM算法构建地图和进行导航定位的方式越来越成为AGV小车的主流导航方式。
SLAM算法构建实时地图和定位是通过对多传感器的数据进行融合计算的结果，建图时需要精确得到AGV小车在短时段(一般在1s至3s)运动的相对位移量。现在常用的短时精确定位的装置有里程计、陀螺仪和IMU等。上述短时精确定位的装置及方法在某些方面还是存在着某些不足，如陀螺仪和IMU存在着装置设备昂贵、易受外界干扰(如在测量过程中有较大的温度和振动)的缺点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于AGV小车短时精确定位的装置及方法，主要通过在AGV小车车架上布置多个旋转编码器和一个地磁方向传感器，并将这些传感器的数据进行融合计算，最终计算出AGV小车在短时段内的精确位移信息。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种能用于AGV小车的短时精确定位装置，其特征在于，包括安装在AGV小车车架上的左前轮驱动计数装置、左侧转向驱动计数装置、右前轮驱动计数装置、右侧转向驱动计数装置和地磁方向传感器，其中，
所述左前轮驱动计数装置包括左前轮驱动电机和左前轮编码器，所述左前轮驱动电机与左前轮通过联轴器固定连接，所述左前轮编码器安装在所述左前轮驱动电机的电机轴上，以用于获得所述左前轮累积的转动角度；
所述左侧转向驱动计数装置包括左侧转向电机、左侧转向器和左侧转向编码器，所述左侧转动电机与所述左侧转向器连接，以用于让左侧转向器带动AGV小车车架转向，所述左侧转向编码器安装在所述左侧转向器上，以用于获得所述左侧转向器转动的角度，进而获得左前轮转动的角度；
所述右前轮驱动计数装置包括右前轮驱动电机和右前轮编码器，所述右前轮驱动电机与右前轮通过联轴器固定连接，所述右前轮编码器安装在所述右前轮驱动电机的电机轴上，以用于获得所述右前轮累积的转动角度；
所述右侧转向驱动计数装置包括右侧转向电机、右侧转向器和右侧转向编码器，所述右侧转动电机与所述右侧转向器连接，以用于让右侧转向器带动AGV小车车架转向，所述右侧转向编码器安装在所述右侧转向器上，以用于获得所述右侧转向器转动的角度，进而获得右前轮转动的角度；
所述的地磁方向传感器固定在AGV小车车架的几何中心处，以用于测量小车车身朝向。
按照本发明的另一个方面，还提供了所述的短时精确定位装置进行短时精确定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据AGV小车的构图算法所设的精确定位短时间段的时长为时间T，将时长T等分为n份，每一个微分时间段的时长为dt＝T/n，其中，所述构图算法为激光SLAM实时构图算法或视觉SLAM实时构图算法；
2)AGV小车在每个微分段开始时，先根据左侧转向编码器和右侧转向编码器的值判断小车是进行直线运动还是转向运动，如果为直线运动，则根据直线运动计算方法计算出该微分时间段的相对位移坐标值(ΔPxi,ΔPyi)，如果为转向运动，则根据转向运动计算方法计算出该微分时间段的相对位移坐标值(ΔP'xi,ΔP'yi)；
3)将n次计算出的微分段坐标值累加，即可得到AGV小车的时间段T的相对位移值。
优选地，所述AGV小车短时精确定位的直线运动计算方法如下：
令A点为小车起始点，B点为小车直线运动结束点，并将A点作为二维坐标系的原点，由地磁方向传感器测量车身初始朝向，得到AGV小车车身与X轴正向的夹角θ0，根据左前轮编码器记录的左前轮转动累积角度α1，得到AGV小车直线运动行驶的路程为S＝α1×r，式中r为AGV小车车轮半径，B点的坐标为(S×sinθ0，S×cosθ0)，其中，α1的单位为弧度，X轴正方向是地平面的正东向，Y轴正方向是地平面的正北向,X轴和Y轴构成的坐标系是整个AGV小车运动过程中的绝对位置坐标系；
优选地，所述的AGV小车短时精确定位的转向运动计算方法如下：
AGV小车的左前轮的转向角η1和右前轮的转向角η2的关系为D(cot(η2)-cot(η1))＝L，其中D为左前轮与右前轮的中心线的距离，L为左前轮与右前轮的轮距，此时左前轮、右前轮和后轮三者圆心的法线会交会在同一点上，令此点为转向圆心点O点，根据左侧转向编码器测量到的左侧转向器转动角度η1,可得到转弯圆心O相对AGV小车车架几何中心G点的相对位置的坐标值为AGV小车的转弯半径为
令A点为AGV小车起始点，B点为AGV小车转向运动结束点，O点为小车转向圆心点，A点看作坐标系的原点，由地磁方向传感器测量车身初始朝向，得到AGV小车车身与X轴正向的夹角θ0，根据左前轮编码器记录的左前轮转动累积角度α1，其中α1的单位弧度，得到左轮绕圆心O做圆周运动行驶的弧长为α1×r，其中r为AGV小车车轮半径，因此左前轮绕圆心O运动过的角度为其中为左前轮绕圆心O的旋转半径，AGV小车绕圆心转向的角度为 的弦长为 相对X轴正方向的夹角为B的坐标为(d×cos(θ′),d×sin(θ′)),其中，X轴正方向是地平面的正东向，Y轴正方向是地平面的正北向,X轴和Y轴构成的坐标系是整个AGV小车运动过程中的绝对位置坐标系。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明通过在AGV小车特定结构上安装多个旋转编码器和一个地磁传感器，采用特定的计算方法能够在短时间内精确并稳定地计算出小车的相对位移量。本发明的实施方案相较于陀螺仪和IMU方案，成本能够大大地降低，且计算精度不受外界环境影响。本发明的实施方案相较于里程计方案，里程计方案仅能粗略提供AGV小车在短时段内运动的路程，不能准确地提供方向和位置信息。
附图说明
图1为本发明的一种用于AGV小车的精确定位装置的结构示意图；
图2为本发明的一种用于AGV小车的短时精确定位方法中AGV小车直线运动的计算方法示意图；
图3为本发明的AGV小车转向运动的原理示意图；
图4为本发明的一种用于AGV小车的短时精确定位方法中AGV小车转向运动的计算方法示意图；
图5为本发明的一种用于AGV小车的短时精确定位装置和方法的一种具体实施例的示例图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1，一种能用于AGV小车的短时精确定位装置，包括安装在AGV小车车架4上的左前轮驱动计数装置2、左侧转向驱动计数装置3、右前轮驱动计数装置6、右侧转向驱动计数装置5和地磁方向传感器8，其中，
所述左前轮驱动计数装置2包括左前轮驱动电机和左前轮编码器，所述左前轮驱动电机与左前轮1通过联轴器固定连接，所述左前轮编码器安装在所述左前轮驱动电机的电机轴上，以用于获得所述左前轮1累积的转动角度；
所述左侧转向驱动计数装置3包括左侧转向电机、左侧转向器和左侧转向编码器，所述左侧转动电机与所述左侧转向器连接，以用于让左侧转向器带动AGV小车车架4转向，所述左侧转向编码器安装在所述左侧转向器上，以用于获得所述左侧转向器转动的角度，进而获得左前轮1转动的角度；
所述右前轮驱动计数装置6包括右前轮驱动电机和右前轮编码器，所述右前轮驱动电机与右前轮7通过联轴器固定连接，所述右前轮编码器安装在所述右前轮驱动电机的电机轴上，以用于获得所述右前轮7累积的转动角度；
所述右侧转向驱动计数装置5包括右侧转向电机、右侧转向器和右侧转向编码器，所述右侧转动电机与所述右侧转向器连接，以用于让右侧转向器带动AGV小车车架4转向，所述右侧转向编码器安装在所述右侧转向器上，以用于获得所述右侧转向器转动的角度，进而获得右前轮7转动的角度；
所述的地磁方向传感器8固定在AGV小车车架4的几何中心处，以用于测量小车车身朝向。
AGV小车的右后轮9和左后轮10做跟随运动。
AGV小车运动分为直线运动和转向运动，短时精确定位的计算方法也分为直线运动计算方法和转向运动计算方法。
AGV小车短时精确定位的直线运动计算方法，参见图2，A点为小车起始点，B点为小车直线运动结束点，A点看做坐标系的原点，由地磁方向传感器测量车身初始朝向，得到AGV小车车身与X轴正向的夹角θ0，根据左前轮编码器记录的左前轮转动累积角度α1(单位换算成弧度)，得到AGV小车直线运动行驶的路程为S＝α1×r，式中r为AGV小车车轮半径，B点的坐标为(S×sin(θ0)，S×cos(θ0))，其中，X轴正方向是地平面的正东向，Y轴正方向是地平面的正北向,X轴和Y轴构成的坐标系是整个AGV小车运动过程中的绝对位置坐标系。
AGV小车转向运动的原理，参见图3，为了实现AGV小车车轮在转向过程中不打滑，需要左右两个前轮具有特定的转向角η1和η2，此时左前轮、右前轮和后轮三者圆心的法线会交会在同一点上(即图3的O点)，根据左侧转向编码器测量到的左侧转向器转动角度η1和右侧转向编码器测量到的右侧转向器转动角度η2,可以得到转弯圆心O相对AGV小车车架几何中心G点的相对位置的坐标值为AGV小车几何中心的转弯半径为
AGV小车短时精确定位的转向运动计算方法，参见图4，A点为小车起始点，B点为小车转向运动结束点，O点为小车转向圆心，A点看做坐标系的原点，由地磁方向传感器测量车身初始朝向，得到AGV小车车身与X轴正向的夹角θ0。根据左前轮编码器记录的左前轮转动累积角度α1(单位换算成弧度)，得到左轮绕圆心O做圆周运动行驶的弧长为α1×r，式中r为AGV小车车轮半径。因此左轮绕圆心O运动过的角度为其中为左轮绕圆心O的旋转半径。根据左侧转向编码器测量到的左侧转向器转动角度η1和右侧转向编码器测量到的右侧转向器转动角度η2,根据图3和AGV小车转向原理的结论，AGV小车几何中心G的转弯半径为AGV小车几何中心G绕圆心转向的角度为(小车几何中心和小车左车轮绕圆心的转动角度一样)，两点的弦长为 相对X轴正方向的夹角为B的坐标为(d×cos(θ′),d×sin(θ′)),其中，X轴正方向是地平面的正东向，Y轴正方向是地平面的正北向,X轴和Y轴构成的坐标系是整个AGV小车运动过程中的绝对位置坐标系。
AGV小车的短时精确定位计算方法的一种具体实施例的示例图，参见图5，以及相应的计算步骤为：
首先，根据AGV小车激光(或视觉)SLAM算法所设需的精确定位短时间段的时长为时间T，将时长T等分为n份，每一个微分时间段时长为dt＝T/n；
然后，AGV小车在每个微分段开始时，先根据左侧转向编码器和右侧转向编码器的值判断小车是进行直线运动还是转向运动，如果认定为直线运动，则根据直线运动计算方法计算出该微分时间段的相对位移坐标值(ΔPxi,ΔPyi)，如果认定为转向运动，则根据转向运动计算方法计算出该微分时间段的相对位移坐标值(ΔP'xi,ΔP'yi)；
最后，将n次计算出的微分段坐标值累加，即可得到短时间段T的相对位移值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种能用于AGV小车的短时精确定位装置，其特征在于，包括安装在AGV小车车架上的左前轮驱动计数装置、左侧转向驱动计数装置、右前轮驱动计数装置、右侧转向驱动计数装置和地磁方向传感器，其中，
所述左前轮驱动计数装置包括左前轮驱动电机和左前轮编码器，所述左前轮驱动电机与左前轮通过联轴器固定连接，所述左前轮编码器安装在所述左前轮驱动电机的电机轴上，以用于获得所述左前轮累积的转动角度；
所述左侧转向驱动计数装置包括左侧转向电机、左侧转向器和左侧转向编码器，所述左侧转动电机与所述左侧转向器连接，以用于让左侧转向器带动AGV小车车架转向，所述左侧转向编码器安装在所述左侧转向器上，以用于获得所述左侧转向器转动的角度，进而获得左前轮转动的角度；
所述右前轮驱动计数装置包括右前轮驱动电机和右前轮编码器，所述右前轮驱动电机与右前轮通过联轴器固定连接，所述右前轮编码器安装在所述右前轮驱动电机的电机轴上，以用于获得所述右前轮累积的转动角度；
所述右侧转向驱动计数装置包括右侧转向电机、右侧转向器和右侧转向编码器，所述右侧转动电机与所述右侧转向器连接，以用于让右侧转向器带动AGV小车车架转向，所述右侧转向编码器安装在所述右侧转向器上，以用于获得所述右侧转向器转动的角度，进而获得右前轮转动的角度；
所述的地磁方向传感器固定在AGV小车车架的几何中心处，以用于测量小车车身朝向。
2.权利要求1所述的短时精确定位装置进行短时精确定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据AGV小车的构图算法所设的精确定位短时间段的时长为时间T，将时长T等分为n份，每一个微分时间段的时长为dt＝T/n，其中，所述构图算法为激光SLAM实时构图算法或视觉SLAM实时构图算法；
2)AGV小车在每个微分段开始时，先根据左侧转向编码器和右侧转向编码器的值判断小车是进行直线运动还是转向运动，如果为直线运动，则根据直线运动计算方法计算出该微分时间段的相对位移坐标值(ΔPxi,ΔPyi)，如果为转向运动，则根据转向运动计算方法计算出该微分时间段的相对位移坐标值(ΔP'xi,ΔP'yi)；
3)将n次计算出的微分段坐标值累加，即可得到AGV小车的时间段T的相对位移值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述AGV小车短时精确定位的直线运动计算方法如下：
令A点为小车起始点，B点为小车直线运动结束点，并将A点作为二维坐标系的原点，由地磁方向传感器测量车身初始朝向，得到AGV小车车身与X轴正向的夹角θ0，根据左前轮编码器记录的左前轮转动累积角度α1，得到AGV小车直线运动行驶的路程为S＝α1×r，式中r为AGV小车车轮半径，B点的坐标为(S×sinθ0，S×cosθ0)，其中，α1的单位为弧度，X轴正方向是地平面的正东向，Y轴正方向是地平面的正北向,X轴和Y轴构成的坐标系是整个AGV小车运动过程中的绝对位置坐标系。
4.权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的AGV小车短时精确定位的转向运动计算方法如下：
AGV小车的左前轮的转向角η1和右前轮的转向角η2的关系为D(cot(η2)-cot(η1))＝L，其 中D为左前轮与右前轮的中心线的距离，L为左前轮与右前轮的轮距，此时左前轮、右前轮和 后轮三者圆心的法线会交会在同一点上，令此点为转向圆心点O点，根据左侧转向编码器测 量到的左侧转向器转动角度η1,可得到转弯圆心O相对AGV小车车架几何中心G点的相对位 置的坐标值为AGV小车的转弯半径为
令A点为AGV小车起始点，B点为AGV小车转向运动结束点，O点为小车转向圆心点，A点看做坐标系的原点，由地磁方向传感器测量车身初始朝向，得到AGV小车车身与X轴正向的夹角θ0，根据左前轮编码器记录的左前轮转动累积角度α1，其中α1的单位弧度，得到左轮绕圆心O做圆周运动行驶的弧长为α1×r，其中r为AGV小车车轮半径，因此左前轮绕圆心O运动过的角度为其中为左前轮绕圆心O的旋转半径，AGV小车绕圆心转向的角度为 的弦长为 相对X轴正方向的夹角为B的坐标为(d×cos(θ′),d×sin(θ′)),其中，X轴正方向是地平面的正东向，Y轴正方向是地平面的正北向,X轴和Y轴构成的坐标系是整个AGV小车运动过程中的绝对位置坐标系。
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