CN110108274B - 一种融合直线追踪的混合导航agv系统的导航定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法，包括AGV车（1）、陀螺仪（2）、磁钉（3）、磁尺传感器（4）、激光传感器（5）和标定结构（6）；本发明通过在三种导航模式之间依次切换逐步提高AGV系统与目标物体之间的定位精度，不同区域的定位精度需求，适用于需要控制AGV车沿着具有直线特征的物体，成本低且算法简单易行。

Description

一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法
技术领域
本发明涉及到移动机器人导航技术领域，特指一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法。
背景技术
AGV（自动引导小车 ）自动运输作用对工厂和物流仓库生产效率和管理具有非常重要的作用，其常见的导航方式有光电传感器、视觉导航、激光导航和磁导航传感器等。目前 AGV 行业内常采用磁条导航或采用二维码导航，但是由于仓库内（特别国内库房）难免没有灰尘堆积、人迹、清洁水渍等等，这些因素都会损坏磁条或二维码，不仅增加出错概率，而且使得这二者均不能重复使用。
因此当前工厂和仓库内逐步采用惯性导航系统代替磁条铺设路径，在减少铺设工作量且有效节约成本的同时能解决二维码受多尘环境影响较严重的缺陷，实现无轨导航方式，同时可以重复使用。但是一方面惯性导航的精度会随着时间及运行距离的加长而逐渐变低，另一方面当地面有坑洼等干扰因素，或若有机器人装载在AGV地盘上，机器人的运动对AGV底盘产生的扰动都是当前无法由单纯的惯性导航剔除的。因此对于动态定位精度和稳定性要求较高的应用场景，譬如在纺织行业的工厂中，要求带有AGV底盘的落纱机器人沿着近10多米长纺纱机高精度的行驶， 在这整个行驶过程中AGV底盘必须与纺纱机时刻保持恒定距离，距离偏差不能超过2mm，以便与搭载其上的自动落纱机器人可以对纱锭进行动态的抓取。此时，当前的惯性导航系统的定位精度无法满足应用需求。
发明内容
针对以上不足，本发明提出一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法，针对现有技术的缺陷，提供一种提高惯性导航AGV系统与目标物体之间动态定位精度的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法，包括AGV车、陀螺仪、磁钉、磁尺传感器、激光传感器和标定结构；所述陀螺仪设置在所述AGV车的原地旋转中心，用于提供陀螺仪直线导航所需要的传感信号；所述磁尺传感器设置有2个，以中心对称方式安装在所述AGV车的前端和后端，用于提供磁钉惯性导航所需要的传感信号；所述磁钉铺设在地面AGV航道上；所述标定结构为直线导轨，安装在需要精确定位的目标物体上；所述激光传感器安装在所述AGV车与目标物体平行且距离较近的一侧，用于测量所述AGV车前后与所述标定结构的水平和垂直距离，提供激光导轨导航模式所需要的信号；所述激光传感器包括2个用于检测水平距离的水平激光传感器和2个检测垂直距离的垂直激光传感器；所述水平激光传感器在所述AGV车的车头和车尾各安装1个；所述垂直激光传感器在所述AGV车的车头和车尾各安装1个。
包括以下步骤：
当所述AGV车从停止状态变为运动状态时，进入陀螺仪直线导航模式； 在陀螺仪直线导航模式下，若所述磁尺传感器检测到有效的磁钉信号, 则所述AGV车进入磁钉惯性导航模式，减少陀螺仪直线导航模式的积累误差；若所述激光传感器检测到有效的所述标定结构的信号，则所述AGV车进入激光导轨导航模式，提供动态高精度导航定位；当所述AGV车从激光导轨导航模式退出时，进入惯性导航模式，继续完成其他的任务。
所述磁钉惯性导航模式包括以下步骤：
步骤1，所述磁尺传感器获得相邻磁钉1和磁钉2的信号，并发送给所述AGV车的控制及处理系统；
步骤2，所述AGV车的控制及处理系统计算出磁钉1(G点) 的检测距离GL1(GF)和磁钉2(B点)的检测距离GL2(AB)；
步骤3，所述AGV车的控制及处理系统计算AGV车与相邻磁钉形成的目标路径的偏差角度：
已知相邻磁钉间距为GL(BG)，相对于AGV来说, 磁钉在左侧为负, 在右侧为正, 同样角度也是左负有正，则计算偏差角度 QUOTE 如下：
步骤4，所述AGV车的控制及处理系统计算AGV前轮与目标路径的偏移距离：
已知磁尺传感器与前轮中心点距离为AD，所述AGV车的控制及处理系统计算偏移 距离 QUOTE 如下：
QUOTE
QUOTE
QUOTE
QUOTE
QUOTE
步骤5，所述AGV车的控制及处理系统基于偏移角度和偏移距离计算控制系统的偏 移角度校准值 QUOTE 和偏移距离校准值 QUOTE ，然后计算前轮旋转角度控制量 QUOTE ,和后轮旋转角 度控制量 QUOTE 如下：
QUOTE ，其中DImax为磁尺最大 测量偏移距离， QUOTE 为最大旋转角
QUOTE
步骤6，所述AGV车的控制及处理系统控制前后轮旋转, 实现对车体偏移距离的校准。
所述激光导轨导航模式包括以下步骤：
步骤1，所述激光传感器获得当前偏移距离，发送给所述AGV车的控制及处理系统；
步骤2，所述AGV车的控制及处理系统计算出当前AGV与导轨之间的偏差角度 QUOTE ：
已知所述标定结构与所述AGV车之间的设定间隔距离 QUOTE , 所述水 平激光传感器在车头位置出检测到的距离为 QUOTE ,所述 水平激光传感器在车头位置出检测到的距离为 QUOTE ，所 述水平激光传感器在车头和车尾的两个传感器之间的距离为 QUOTE ， 偏差角度 QUOTE 计算如下：
步骤3，所述AGV车的控制及处理系统计算出导轨相对于相对于车头水平激光传感 器之间的垂直距离 QUOTE 和导轨相对于车尾水 平激光传感器之间的垂直距离 QUOTE
步骤4，所述AGV车的控制及处理系统计算出车头处的水平激光传感器的偏移距离 QUOTE 和车尾处的水平激光传感器的偏移距离 QUOTE 为：
步骤5，所述AGV车的控制及处理系统基于前后轮的偏移距离之后, 通过计算出控 制系统的前轮偏移距离校准量 QUOTE 和后轮偏 移距离校准量 QUOTE ，然后计算前轮旋转角度控制 量 QUOTE 和后轮旋转角度控制量 QUOTE 如 下：
其中 QUOTE 为最大旋转角；
步骤6，所述AGV车的控制及处理系统控制前后轮旋转, 实现对车体偏移距离的校准。
所述磁钉安装在两个相邻的目标物体的相邻边缘处。
本发明在三种导航模式之间依次切换逐步提高AGV系统与目标物体之间的定位精度，使用激光导轨导航模式稳定维持AGV系统与目标物体之间的动态定位精度，三种导航模式也满足工厂和仓库内不同区域的定位精度需求，适用于需要控制AGV车沿着具有直线特征的物体，如直线生产线或整齐排列的货架，高精度稳定运行的场合，成本低且算法简单易行。
附图说明
附图1是本发明的流程示意图；
附图2是本发明中磁钉惯性导航模式的流程示意图；
附图3是本发明中激光导轨导航模式的流程示意图；
附图4是本发明的俯视图；
附图5是本发明的左视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供的一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法，包括AGV车1、陀螺仪2、磁钉3、磁尺传感器4、激光传感器5和标定结构6；所述陀螺仪2设置在所述AGV车1的原地旋转中心，用于提供陀螺仪直线导航所需要的传感信号；所述磁尺传感器4设置有2个，以中心对称方式安装在所述AGV车1的前端和后端，用于提供磁钉惯性导航所需要的传感信号；所述磁钉3铺设在地面AGV航道上；所述标定结构6为直线导轨，安装在需要精确定位的目标物体上；所述激光传感器5安装在所述AGV车1与目标物体平行且距离较近的一侧，用于测量所述AGV车1前后与所述标定结构6的水平和垂直距离，提供激光导轨导航模式所需要的信号；所述激光传感器5包括2个用于检测水平距离的水平激光传感器51和2个检测垂直距离的垂直激光传感器52；所述水平激光传感器51在所述AGV车1的车头和车尾各安装1个；所述垂直激光传感器52在所述AGV车1的车头和车尾各安装1个。
包括以下步骤：
当所述AGV车1从停止状态变为运动状态时，进入陀螺仪直线导航模式； 在陀螺仪直线导航模式下，若所述磁尺传感器4检测到有效的磁钉信号, 则所述AGV车1进入磁钉惯性导航模式，减少陀螺仪直线导航模式的积累误差；若所述激光传感器5检测到有效的所述标定结构6的信号，则所述AGV车1进入激光导轨导航模式，提供动态高精度导航定位；当所述AGV车1从激光导轨导航模式退出时，进入惯性导航模式，继续完成其他的任务。
所述磁钉惯性导航模式包括以下步骤：
步骤1，所述磁尺传感器4获得相邻磁钉1和磁钉2的信号，并发送给所述AGV车1的控制及处理系统；
步骤2，所述AGV车1的控制及处理系统计算出磁钉1(G点) 的检测距离GL1(GF)和磁钉2(B点)的检测距离GL2(AB)；
步骤3，所述AGV车1的控制及处理系统计算AGV车与相邻磁钉形成的目标路径的偏差角度：
已知相邻磁钉间距为GL(BG)，相对于AGV来说, 磁钉在左侧为负, 在右侧为正, 同样角度也是左负有正，则计算偏差角度 QUOTE 如下：
步骤4，所述AGV车1的控制及处理系统计算AGV前轮与目标路径的偏移距离：
已知磁尺传感器与前轮中心点距离为AD，所述AGV车1的控制及处理系统计算偏移 距离 QUOTE 如下：
QUOTE
QUOTE
QUOTE
QUOTE
QUOTE
步骤5，所述AGV车1的控制及处理系统基于偏移角度和偏移距离计算控制系统的 偏移角度校准值 QUOTE 和偏移距离校准值 QUOTE ，然后计算前轮旋转角度控制量 QUOTE ,和后轮旋转角 度控制量 QUOTE 如下：
QUOTE ，其中DImax为磁尺最大 测量偏移距离， QUOTE 为最大旋转角
QUOTE
步骤6，所述AGV车1的控制及处理系统控制前后轮旋转, 实现对车体偏移距离的校准。
所述激光导轨导航模式包括以下步骤：
步骤1，所述激光传感器5获得当前偏移距离，发送给所述AGV车1的控制及处理系统；
步骤2，所述AGV车1的控制及处理系统计算出当前AGV与导轨之间的偏差角度 QUOTE ：
已知所述标定结构6与所述AGV车1之间的设定间隔距离 QUOTE , 所述 水平激光传感器51在车头位置出检测到的距离为 QUOTE , 所述水平激光传感器51在车头位置出检测到的距离为 QUOTE ，所述水平激光传感器51在车头和车尾的两个传感器之间的距离为 QUOTE ，偏差角度 QUOTE 计算如下：
步骤3，所述AGV车1的控制及处理系统计算出导轨相对于相对于车头水平激光传 感器之间的垂直距离 QUOTE 和导轨相对于车尾 水平激光传感器51之间的垂直距离 QUOTE
步骤4，所述AGV车1的控制及处理系统计算出车头处的水平激光传感器51的偏移 距离 QUOTE 和车尾处的水平激光传感器51的偏移距离 QUOTE 为：
步骤5，所述AGV车1的控制及处理系统基于前后轮的偏移距离之后, 通过计算出 控制系统的前轮偏移距离校准量 QUOTE 和后轮 偏移距离校准量 QUOTE ，然后计算前轮旋转角度控 制量 QUOTE 和后轮旋转角度控制量 QUOTE 如 下：
其中 QUOTE 为最大旋转角；
步骤6，所述AGV车1的控制及处理系统控制前后轮旋转, 实现对车体偏移距离的校准。
所述磁钉3安装在两个相邻的目标物体的相邻边缘处。
与现有的技术相比，本发明提供的一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法，能够在三种导航模式之间依次切换逐步提高AGV系统与目标物体之间的定位精度，使用激光导轨导航模式稳定维持AGV系统与目标物体之间的动态定位精度，三种导航模式也满足工厂和仓库内不同区域的定位精度需求，适用于需要控制AGV车沿着具有直线特征的物体，如直线生产线或整齐排列的货架，高精度稳定运行的场合，成本低且算法简单易行。

Claims (3)

1.一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法，包括AGV车(1)、陀螺仪(2)、磁钉(3)、磁尺传感器(4)、激光传感器(5)和标定结构(6)；所述陀螺仪(2)设置在所述AGV车(1)的原地旋转中心，用于提供陀螺仪直线导航所需要的传感信号；所述磁尺传感器(4)设置有2个，以中心对称方式安装在所述AGV车(1)的前端和后端，用于提供磁钉惯性导航所需要的传感信号；所述磁钉(3)铺设在地面AGV航道上；所述标定结构(6)为直线导轨，安装在需要精确定位的目标物体上；所述激光传感器(5)安装在所述AGV车(1)与目标物体平行且距离较近的一侧，用于测量所述AGV车(1)前后与所述标定结构(6)的水平和垂直距离，提供激光导轨导航模式所需要的信号；所述激光传感器(5)包括2个用于检测水平距离的水平激光传感器(51)和2个检测垂直距离的垂直激光传感器(52)；所述水平激光传感器(51)在所述AGV车(1)的车头和车尾各安装1个；所述垂直激光传感器(52)在所述AGV
车(1)的车头和车尾各安装1个；其特征在于，包括以下步骤：
当所述AGV车(1)从停止状态变为运动状态时，进入陀螺仪直线导航模式；在陀螺仪直线导航模式下，若所述磁尺传感器(4)检测到有效的磁钉信号,则所述AGV车(1)进入磁钉惯性导航模式，减少陀螺仪直线导航模式的积累误差；若所述激光传感器(5)检测到有效的所述标定结构(6)的信号，则所述AGV车(1)进入激光导轨导航模式，提供动态高精度导航定位；当所述AGV车(1)从激光导轨导航模式退出时，进入惯性导航模式，继续完成其他的任务；
所述激光导轨导航模式包括以下步骤：
步骤1，所述激光传感器(5)获得当前偏移距离，发送给所述AGV车(1)的控制及处理系统；
步骤2，所述AGV车(1)的控制及处理系统计算出当前AGV与导轨之间的偏差角度θ’：
已知所述标定结构(6)与所述AGV车(1)之间的设定间隔距离Dset，所述水平激光传感器(51)在车头位置处检测到的距离为Ddetectionfront,所述水平激光传感器(51)在车尾位置处检测到的距离为Ddetectionback，所述水平激光传感器(51)在车头和车尾的两个传感器之间的距离为Dinterval，偏差角度θ’计算如下：
步骤3，所述AGV车(1)的控制及处理系统计算出导轨相对于车头处的水平激光传感器(51)之间的垂直距离DperpendicularFront和导轨相对于车尾处的水平激光传感器(51)之间的垂直距离DperpendicularBack
步骤4，所述AGV车(1)的控制及处理系统计算出车头处的水平激光传感器(51)的偏移距离Dfront和车尾处的水平激光传感器(51)的偏移距离Dback为：
Dfront＝Dset-DperpendicularFront
Dback＝Dset-DperpendicularBack
步骤5，所述AGV车(1)的控制及处理系统基于前后轮的偏移距离之后，通过计算出控制系统的前轮偏移距离校准量PIDdistantcefront和后轮偏移距离校准量PIDdistantceback，然后计算前轮旋转角度控制量θsetFront和后轮旋转角度控制量θsetBack如下：
其中a为最大旋转角；
步骤6，所述AGV车(1)的控制及处理系统控制前后轮旋转,实现对车体偏移距离的校准。
2.如权利要求1所述的一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法，其特征在于，所述磁钉惯性导航模式包括以下步骤：
步骤1，所述磁尺传感器(4)获得相邻磁钉1和磁钉2的信号，并发送给所述AGV车(1)的控制及处理系统；
步骤2，所述AGV车(1)的控制及处理系统计算出磁钉1的检测距离GL1和磁钉2的检测距离GL2；
步骤3，所述AGV车(1)的控制及处理系统计算AGV车与相邻磁钉形成的目标路径的偏差角度：
已知相邻磁钉间距为GL，相对于AGV来说,磁钉在左侧为负,在右侧为正,同样角度也是左负右正，则计算偏差角度θ如下：
步骤4，所述AGV车(1)的控制及处理系统计算AGV前轮与目标路径的偏移距离：
已知磁尺传感器与前轮中心点距离为AD，所述AGV车(1)的控制及处理系统计算偏移距离DI如下：
AB＝GL2
CD＝AC-AD
步骤5，所述AGV车(1)的控制及处理系统基于偏移角度和偏移距离计算控制系统的偏移角度校准值PIDangle和偏移距离校准值PIDdistance，然后计算前轮旋转角度控制量θsetFront,和后轮旋转角度控制量θsetBack如下：
其中DImax为磁尺最大测量偏移距离，a为最大旋转角θsetBack＝θsetFront-PIDangle
步骤6，所述AGV车(1)的控制及处理系统控制前后轮旋转,实现对车体偏移距离的校准。
3.如权利要求1所述的一种融合直线追踪的混合导航AGV系统的导航定位方法，其特征在于，所述磁钉(3)安装在两个相邻的目标物体的相邻边缘处。
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