CN110427033A - 一种基于二维码的激光导航agv高精度定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能移动机器人技术领域，尤其是涉及一种基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，该方法在AGV车体上安装二维码相机，通过在激光导航终点附近，距离料架一段固定距离的地面贴制二维码标签，AGV到达激光导航终点，二维码相机读到二维码后，进入二次定位环节，精准获取AGV在二维码坐标下的位姿偏差，规划出一条可行路径，然后通过PID算法跟踪路径，利用两轮差速运动模型计算出左右轮的速度，AGV跟随路径行驶，实时纠偏AGV与路径之间的偏差，最后准确到达指定位置。相较于现有技术，本发明实现了从激光导航到二维码导航之间的完美衔接，最终停车精度在±5mm以内，具有定位精确，操作方便，成本更低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人小车技术领域，尤其是涉及一种基于二维 码的激光导航AGV定位方法。
背景技术
自动引导车(Automated Guided Vehicle,AGV)是指配备有多种传 感器装置，如激光雷达、深度相机和二维码相机等，能够在不需要人 工引导的情况下，将货物从A点送至B点的搬运车。
目前国内大多数工厂生产车间内的物料搬运都是由人工完成的。 人工搬运存在着工作强度大、效率低、安全隐患和人工成本越来越高 等问题。AGV具有多个安全保护等级，只需在前期完成建图和设定目 标点等工作，后续结合多机调度系统或仓储管理系统，即可实现自动 无人化车间。然而，为了确保不同的环境下，每次搬运的百分百成功， AGV需要更高的停车精度。申请人经过市场调研了解，目前任何一家 激光无反光板的AGV停车精度都不能达到毫米级。为了使AGV停车 精度提高到毫米级，一般的做法都是使用二次定位技术。
在现有技术中，可以将辅助二次定位功能分为两大类：(1)二次 定位装置，中国专利公布号CN203299650U，公布日2013.11.20中公 开了一种智能二次精准定位装置，通过在相应的工位上安装信号标识 面板，在AGV上安装扫描面板，可以达到毫米级或微米级的精度；(2) 使用二维码带、色带或磁条来辅助，这类方法虽然能够提供更多的位 置信息且成本低廉，但AGV最终只能停靠在码带、色带或磁条上，换 句话说，料架必须要精准地放在码带、色带或磁条的正上方。中国专 利公布号109669455A，公布日2019.4.23中公开了一种基于二维码的 AGV定位系统，该方法安装了三个二维码相机，分别读取两侧的控制 码和中间的位置码，可以实现二维码导航。但该方法类似于磁条导航， 对码带贴制的平行度要求较高，且在二次定位中，需要三个二维码相 机，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是解决现有技术的问题，提供可实现 AGV停车精度达到毫米级，满足工业需求，且AGV不需要额外的二 次定位装置，结构更简单，成本更低的一种基于二维码的激光导航 AGV定位方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，其特征在于， 所述AGV包括具有激光导航装置的AGV车体，所述AGV车体包括 PID控制器、底盘驱动器、底盘编码器和驱动左右车轮的电机，所述 AGV车体上还设置有二维码相机，所述AGV精确定位方法包括以下 步骤：
S1、确定料架的位置，以料架中心为起点，在向前方或后方平移 一段固定距离的地面位置，贴上二维码标签；此时，在二维码坐标系 下，已知AGV和所述料架的位姿；
S2、开始激光导航，AGV从起点出发，激光导航的目标点为所述 二维码标签在地图坐标系下的位姿；
S3、当AGV快行驶到激光导航终点时减速，所述二维码相机读取 到二维码标签，获取AGV在二维码坐标下的位姿偏差，立即进入二次 定位步骤，此时不再使用全局坐标，使用二维码坐标系下AGV的相对 坐标；
S4、在二维码坐标系下，已知AGV位姿和料架位姿，此时以AGV 为起点，以料架为终点，规划出一条路径；
S5、将所述路径传送给所述PID控制器，利用PID算法跟踪路径， 结合里程信息，计算出当前时刻AGV的速度输出，然后利用两轮差速 运动模型，将AGV的速度分别分解到左右轮的速度，最后下发给底盘 驱动器执行；
S6、AGV沿规划的路径行驶，通过一段时间的纠偏，使得位姿偏 差趋向于0，AGV行驶到达料架底部后停止。
其中，所述二维码相机安装在所述AGV车体的正中心处，二维码 相机坐标系与AGV车体坐标系一致，定义所述AGV行驶的前进方向 为X正方向，左侧为Y正方向，AGV车体逆时针转向时角度为正。
优选地，所述二维码标签应贴制在激光导航的终点之前，且Y方 向的偏离值不超过±80mm，所述二维码相机距离地面的二维码标签的 垂直距离为100mm。如果二维码标签贴放没有一致，通过简单的坐标 转换即可。保证小车在二维码标签上前后运动时x值在变化，车头与 二维码标签一致时，返回0°，且左转时返回角度为正值。
优选地，所述料架中心与二维码标签的距离为500-1000mm。如果 AGV里程精度不够好，可以使用卡尔曼滤波融合IMU来提高里程的 精度。
优选地，所述步骤S5中，步骤S5中，利用PID算法跟踪路径， 具体为通过公式计算，AGV实时返回的里程 作为时返回的里程作为AGV的输出量y(t)，路径上的位姿作为给定量 r(t)，用误差e(t)＝y(t)-r(t)作为系统的负反馈，产生速度控制量u(t)下发 给底盘驱动器，控制AGV行驶。
本发明的通过AGV上的二维码相机读到二维码后，精准获取到 AGV在二维码坐标下的位姿偏差Δx、Δy和Δθ，规划出一条可行路径， 在速度模式下用里程作PID闭环控制，实时纠偏AGV与路径之间的 误差，从而准确地达到指定位置。
由于采用上述技术方案，本发明不依赖于额外的二次定位装置， 使用单个二维码标签，利用PID控制器进行闭合控制，实现AGV高 精度的二次定位功能。相较于现有技术，本发明达到以下有益效果：
1、通过二次定位解决AGV高精度定位的问题，不需要额外的二 次定位机械装置。
2、对地面的改造较小，仅需在地面贴制一张二维码标签，AGV 上仅设置一个二维码相机，结构简单，成本较低。
3、通过PID闭环控制，可以实现从激光导航和二维码导航之间 完美衔接，中间无停顿。
附图说明
图1为本发明中的AGV侧视示意图；
图2为本发明中基于二维码导航阶段的示意图；
图3为本发明中的里程闭环PID控制系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例的一种基于二维码的激光导航AGV高精度 定位方法，应用于一种潜伏顶升式AGV，该AGV包括具有激光导航 装置的AGV车体1，AGV车体包括PID控制器、底盘驱动器、底盘 编码器和驱动左右车轮的伺服电机，AGV车体1上还设置有二维码相 机2，二维码相机2安装在AGV车体正中心并朝向下方地面。二维码 相机坐标系与AGV车体坐标系一致，定义所述AGV行驶的前进方向 为X正方向，左侧为Y正方向，AGV车体逆时针转向时角度为正。
其中，底盘驱动器和伺服电机包含速度模式。所述速度模式是指 给底盘驱动器下发速度指令序列，伺服电机不断响应该速度，直到速 度为零，伺服电机停止，单位为每分钟多少转(RPM)。
本发明通过在AGV激光导航终点附近贴制二维码标签，以二维码 坐标系下AGV作为起点，料架作为终点，规划出一条可行的曲线路径， 使AGV平滑地走到指定终点的位置。基于伺服电机的高精度，最终的 停车精度可以达到毫米级，满足工业需求。如图2-3所示，基于二维 码和开环控制的AGV二次定位方法具体通过以下步骤实现：
S1、确定料架的位置，以料架中心为起点，在向前方或后方平移 500mm(料架左右两侧的间距一般小于AGV车宽，因此AGV无法从 料架的两侧进入)的地面位置，贴上二维码标签。此时，在二维码坐 标系下，AGV车体的位姿是已知的。优选地，二维码标签应贴制在激光导航的终点之前，且Y方向的偏离值不超过±80mm。如果二维码 标签贴放没有一致，通过简单的坐标转换即可。保证小车在二维码标 签上前后运动时x值在变化，车头与二维码标签一致时，返回0°， 且左转时返回角度为正值。考虑到里程累积误差，料架中心与二维码标签之间的距离优选为500-1000mm，都可实现本发明的AGV停车精 度到达5mm。
S2、开始激光导航，底盘驱动器以速度模式控制伺服电机使AGV 从起点出发，激光导航的目标点为所述二维码标签在地图坐标系下的 位姿。当二维码相机2的安装高度为100mm时，x和y可以读到的范 围为[-60,60]mm左右，因此二维码标签只要贴在激光导航停车精度为 ±60mm误差内就行。一般激光导航的精度可以达到±25mm，因此二维 码标签贴的位置要求并非十分严格。
S3、当AGV快行驶到激光导航终点时减速，所述二维码相机读取 到二维码标签，获取AGV在二维码坐标下的位姿偏差，立即进入二次 定位步骤，此时不再使用全局坐标，使用二维码坐标系下AGV的相对 坐标。
S4、在二维码坐标系下，已知AGV位姿和料架位姿，此时以AGV 为起点，以料架为终点，规划出一条曲线路径，如图2所示。在二维 码坐标下，已知小车位姿和料架位姿，可以有不同的路径规划方法， 本实施例通过三次函数曲线y＝ax3+bx2+cx+d规划曲线路径，其中x为X 方向的坐标，y为Y方向的坐标，起点坐标为(x0,y0)，需要四个方程：方 程1：起点(x0,y0)在曲线上，因此ystart＝f(xstart)；方程2：起点的角度是 函数在该点的斜率，即f′(xstart)＝tan(θstart)；方程3：终点处有f(xend)＝0；方 程4：终点处斜率有f′(xend)＝0。求解该方程组得到四个系数a，b，c，d。
S5、将所述曲线路径传送给所述PID控制器，利用PID算法跟踪 路径，结合里程信息，计算出当前时刻AGV的速度输出，然后利用两 轮差速运动模型，将AGV的速度分别分解到左右轮的速度，最后下发 给底盘驱动器执行。利用PID算法跟踪路径，具体为通过公式计算，AGV实时返回的里程作为时返回的里 程作为AGV的输出量y(t)，路径上的位姿作为给定量r(t)，用误差 e(t)＝y(t)-r(t)作为系统的负反馈，产生速度控制量u(t)下发给底盘驱动 器，控制AGV行驶。AGV两轮差速运动模型为本领域技术人员所习 知的，本实施例中不再赘述。
S6、AGV沿规划的路径行驶，通过一段时间的纠偏，使得位姿偏 差趋向于0。具体地，AGV在行驶中，通过获取底盘的编码器值，利 用航迹推演法计算出AGV的里程和位姿传送给PID控制器，返回步 骤S5。
S7、判断里程和料架的位姿差，当两者距离的绝对值小于5mm时， AGV到位停止。
本实施例的AGV高精度定位方法解决了以下问题：
在不需要额外辅助装置的情况下，用二次定位解决一些定位精度 要求高的应用场景；
使用单个二维码，贴制方便，解决码带或色带等复杂铺设，并解 决使用码带或色带时料架必须放置在二维码的正上方的问题；
利用PID闭合控制，实现从激光导航和二维码导航之间完美衔接， 中间无停顿。
综上所述，本发明有效融合了激光导航和基于二维码导航技术， 通过里程闭合PID控制，实现了毫米级的二次定位功能，可以广泛应 用于需要高停车精度的应用场景，适用于所有AGV车型。利用图1中 的AGV测试，本发明最终的停车精度在±5mm以内，完全满足工业需 求。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟 悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限 制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，其特征在于，所述AGV包括具有激光导航装置的AGV车体，所述AGV车体包括PID控制器、底盘驱动器、底盘编码器和驱动左右车轮的电机，所述AGV车体上还设置有二维码相机，所述AGV精确定位方法包括以下步骤：
S1、确定料架的位置，以料架中心为起点，在向前方或后方平移一段固定距离的地面位置，贴上二维码标签；此时，在二维码坐标系下，已知AGV和所述料架的位姿；
S2、开始激光导航，AGV从起点出发，激光导航的目标点为所述二维码标签在地图坐标系下的位姿；
S3、当AGV快行驶到激光导航终点时减速，所述二维码相机读取到二维码标签，获取AGV在二维码坐标下的位姿偏差，立即进入二次定位步骤，此时不再使用全局坐标，使用二维码坐标系下AGV的相对坐标；
S4、在二维码坐标系下，已知AGV位姿和料架位姿，此时以AGV为起点，以料架为终点，规划出一条路径；
S5、将所述路径传送给所述PID控制器，利用PID算法跟踪路径，结合里程信息，计算出当前时刻AGV的速度输出，然后利用两轮差速运动模型，将AGV的速度分别分解到左右轮的速度，最后下发给底盘驱动器执行；
S6、AGV沿规划的路径行驶，通过一段时间的纠偏，使得位姿偏差趋向于0，AGV行驶到达料架底部后停止。
2.根据权利要求1所述的基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，其特征在于，所述二维码相机安装在所述AGV车体的正中心处，二维码相机坐标系与AGV车体坐标系一致，定义所述AGV行驶的前进方向为X正方向，左侧为Y正方向，AGV车体逆时针转向时角度为正。
3.根据权利要求2所述的基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，其特征在于，所述二维码标签应贴制在激光导航的终点之前，且Y方向的偏离值不超过±80mm，所述二维码相机距离地面的二维码标签的垂直距离为100mm。
4.根据权利要求1所述的基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，其特征在于，所述料架中心与二维码标签的距离为500-1000mm。
5.根据权利要求1所述的基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，利用PID算法跟踪路径，具体为通过公式计算，AGV实时返回的里程作为时返回的里程作为AGV的输出量y(t)，路径上的位姿作为给定量r(t)，用误差e(t)＝y(t)-r(t)作为系统的负反馈，产生速度控制量u(t)下发给底盘驱动器，控制AGV行驶。
6.根据权利要求1所述的基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，其特征在于，所述步骤S6中，AGV在行驶中，通过获取底盘的编码器值，利用航迹推演法计算出AGV的里程和位姿传送给PID控制器，返回步骤S5。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于二维码的激光导航AGV高精度定位方法，其特征在于，所述步骤S6中，AGV停止之前，判断里程和料架的位姿差，当两者距离的绝对值小于5mm时，到位停止。
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