CN110763225B - 一种小车路径导航方法及系统、运输车系统 - Google Patents

一种小车路径导航方法及系统、运输车系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种小车路径导航方法及系统、运输车系统，其中，小车路径导航方法包括：接收基于小车获取的数据，获取所述小车与障碍物的距离；根据所述距离，构建环境地图；基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进。通过地图构建方法建图速度快且易于维护，适合对激光雷达数据的地图化处理。在导航过程中使用这种地图能得到很好的导航效果，实现了小车在未知环境中的自主导航，即在小车搬运物料的过程中，不需要提前规划行进路线，不需要进行路径设置。只需将小车的运行终点告知，它就可以根据所处环境自主规划最优路径并到达目的地。

Description

一种小车路径导航方法及系统、运输车系统
技术领域
本发明涉汽车导航技术领域，尤其涉及一种小车路径导航方法及系统、运输车系统。
背景技术
AGV是自动导引小车(Automated Guided Vehicle)的缩写，是一种自动化的无人驾驶的智能化物料搬运设备，它是指装备具有电磁或者光学等自动引导装置，能够沿规定的引导路径行驶的运输小车，同时它还具有编程装置、安全保护装置、通信装置以及各种移动载重功能。它以电池为动力，进行非接触式导引。它能根据给定的起点和终点在无人干预的情况下，安全驶向指定目标，从而完成各种给定的任务。
随着AGV小车在各行业的广泛应用，传统的AGV小车缺点也逐渐浮现，传统的AGV小车往往利用磁条或者磁钉进行自动引导，使用过程中会遇到运输轨道构建成本高、容易受到环境影响、更改路线困难、使用中工程量与资金耗费大、小车位置无法实时监控等问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种小车路径导航方法及系统、运输车系统，以解决现有的小车运输轨道构建成本高、更改路线难的问题。
根据本发明的第一方面，提供一种小车路径导航方法，包括：
接收基于小车获取的数据，获取所述小车与障碍物的距离；
根据所述距离，构建环境地图；
基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进。
可选的，所述接收基于小车获取的数据，获取所述小车与障碍物的距离，包括：
根据所述小车的车轮半径、电机在单位时间内的旋转角度、所述小车的尺寸、所述小车的车轮相对于车体的位置得到所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程；
根据所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程、所述小车中的激光雷达与传感器之间的距离、以及所述激光雷达与所述障碍物之间的角度，得到所述小车与所述障碍物的距离。
可选的，所述基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进，包括：
根据所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程，以及所述小车中的激光雷达与传感器之间的距离，得到所述小车的位置；
根据所述小车的位置通过启发式搜索算法对所述小车的路径进行规划导航；
其中，所述启发式搜索算法用于评估所述小车途中某节点到目标节点的代价。
可选的，所述启发式搜索算法的评价函数为：
f*(z)＝g*(z)+h*(z)式中：z为当前节点的编号；g*(z)为起始节点vs到当前节点vx的最短路径长度，h*(z)为当前节点vx到目标节点vt的最短路径的启发函数。
可选的，所述基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进，还包括：
根据所述评价函数得到所述小车前进的方向值；
根据所述方向值、所述电机的旋转速度和旋转角度，控制所述小车沿目标点前进。
根据本发明的第二方面，提供一种小车路径导航系统，包括：
数据接收模块，用于接收基于小车获取的数据；
距离获取模块，用于获取所述小车与障碍物的距离；
地图构建模块，用于根据所述距离，构建环境地图；
导航模块，用于基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进。
根据本发明的第三方面，提供一种运输车系统，包括：如上述的小车路径导航系统。
可选的，所述系统还包括：车身、底盘控制器、激光雷达模块、超声波传感器模块、车轮、电机模块、电池、电源管理模块、无线通信模块、电源模块、牵引棒举升机构、声光报警模块、显示屏模块、防撞边条、障碍物检测传感器；
所述电池至于所述车身的正中央，所述牵引棒举升机构在所述电池的上方、所述超声波传感模块位于所述车身的前后，所述激光雷达模块位于所述车身前部的激光雷达支架上，所述声光报警模块位于所述车身的四个角，所述防撞边条位于所述车身的下方周围，所述小车路径导航系统位于车身内部，并分别与所述电机控制模块、电源控制模块、激光雷达模块和无线通信模块电气连接。
可选的，所述底盘控制器用于采集超声波传感器模块返回的距离数据、障碍物检测传感器的距离和角度数据、电机转速数据，同时向所述电机模块中的电机编码器发送控制命令，控制所述电机的转速，并与所述小车路径导航系统进行数据通信。
可选的，所述超声波传感器用于探测距离车身大于等于预设距离的障碍物；
所述障碍物检测传感器用于探测距离车身小于预设距离的障碍物；
所述防撞边条用于探测与车身相撞的障碍物。
本发明提供的一种小车路径导航方法及系统、运输车系统，通过地图构建方法建图速度快且易于维护，适合对激光雷达数据的地图化处理。在导航过程中使用这种地图能得到很好的导航效果，实现了小车在未知环境中的自主导航，即在小车搬运物料的过程中，不需要提前规划行进路线，不需要进行路径设置。只需将小车的运行终点告知，它就可以根据所处环境自主规划最优路径并到达目的地。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例提供的一种小车路径导航方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的栅格地图法构建地图的示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种小车路径导航系统的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的小车整车结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的供电系统结构示意图；
图6为本发明一实施例提供的小车底盘及其他硬件连接关系示意图；
图7为本发明一实施例提供的小车路径导航系统与外设通信原理图；
图8为本发明一实施例提供的底盘控制程序流程图；
图9为本发明一实施例提供的三种避障保护示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明一实施例提供的一种小车路径导航方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
101、接收基于小车获取的数据，获取所述小车与障碍物的距离；
根据所述小车的车轮半径、电机在单位时间内的旋转角度、所述小车的尺寸、所述小车的车轮相对于车体的位置得到所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程；
根据所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程、所述小车中的激光雷达与传感器之间的距离、以及所述激光雷达与所述障碍物之间的角度，得到所述小车与所述障碍物的距离。
102、根据所述距离，构建环境地图；
103、基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进。
在步骤103中基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进，包括：
根据所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程，以及所述小车中的激光雷达与传感器之间的距离，得到所述小车的位置；
根据所述小车的位置通过启发式搜索算法对所述小车的路径进行规划导航；
其中，所述启发式搜索算法用于评估所述小车途中某节点到目标节点的代价。
所述启发式搜索算法的评价函数为：
f*(z)＝g*(z)+h*(z)式中：z为当前节点的编号；g*(z)为起始节点vs到当前节点vx的最短路径长度，h*(z)为当前节点vx到目标节点vt的最短路径的启发函数。
其中，基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进，还包括：
根据所述评价函数得到所述小车前进的方向值；
根据所述方向值、所述电机的旋转速度和旋转角度，控制所述小车沿目标点前进。
图3示出了本发明实施例提供的一种小车路径导航系统的结构示意图，如图3所示，该小车路径导航系统包括：
数据接收模块31，用于接收基于小车获取的数据；
距离获取模块32，用于获取所述小车与障碍物的距离；
地图构建模块33，用于根据所述距离，构建环境地图；
导航模块34，用于基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进。
该小车路径导航系统与上述小车路径导航方法是一一对应的关系，本实施例不再对其模块的具体实施方式进行详细说明。
另外，该小车路径导航系统可以认为是运输车系统中的主控模块。
图4示出了本发明实施例提供的一种运输车系统的结构示意图，如图4所示包括：如上述的小车路径导航系统即主控模块。
还包括：车身、底盘控制器9、激光雷达模块1、超声波传感器模块3、车轮5、电机模块11(包括减速电机和电机驱动模块)、电池6、电源管理模块14、无线通信模块、电源模块12、牵引棒举升机构8、声光报警模块7、显示屏模块13、防撞边条4、障碍物检测传感器2；
所述电池至于所述车身的正中央，所述牵引棒举升机构在所述电池的上方、所述超声波传感模块位于所述车身的前后，所述激光雷达模块位于所述车身前部的激光雷达支架上，所述声光报警模块位于所述车身的四个角，所述防撞边条位于所述车身的下方周围，所述小车路径导航系统位于车身内部，并分别与所述电机控制模块、电源控制模块、激光雷达模块和无线通信模块电气连接。
所述底盘控制器用于采集超声波传感器模块返回的距离数据、障碍物检测传感器的距离和角度数据、电机转速数据，同时向所述电机模块中的电机编码器发送控制命令，控制所述电机的转速，并与所述小车路径导航系统进行数据通信。
所述超声波传感器用于探测距离车身大于等于预设距离的障碍物；
所述障碍物检测传感器用于探测距离车身小于预设距离的障碍物；
所述防撞边条用于探测与车身相撞的障碍物。
具体的，下面详细说明小车对传感器数据的处理过程。
此发明使用的激光雷达为360度扫描激光雷达，雷达旋转一周后可以得到一组数据，数据包含两个值：障碍物到激光雷达的距离d、当前激光雷达旋转过的角度θ。同时本发明使用的电机带有旋转编码器，能够在电机工作的时候记录电机旋转的角度和所用的时间。通过激光雷达数据和电机的旋转数据，本发明在ROS中使用改进的Fastslam2.0算法计算出AGV小车当前的环境地图m，并根据环境地图和雷达数据确定小车当前的位置。在此基础上，主控模块还会将新生成的环境地图数据和原有的地图数据进行比较，用来修正当前位置误差。
AGV小车完成环境地图构建和定位后，就可以按照指定的目标点进行路径规划和导航。假定小车从A点出发到达B点，小车会使用A*导航算法自动规划前进最优路径，并在前进过程中自动规避障碍物。A*算法是一种启发式搜索算法，他利用启发函数来评估途中某节点到到目标节点的代价，即路径长短的评估值。
在AGV小车向目标点前进的过程中，小车的PBS-03JN避障传感器、超声波传感器和防撞传感器会同时启动，当小车前方2m-3m、180度角中无障碍物时，小车会以设定速度的上限进行行驶，当PBS-03JN障碍物传感器检测到路径前方有障碍物时，小车会减慢行驶速度，同时重新规划路线绕开障碍物。当障碍物出现在小车前方10cm-50cm时，小车会主动停止，并触发声光报警模块，等待障碍物移除后，继续沿原路径行驶。这个功能可有效避免小车与工人或其他AGV小车发生碰撞。保证小车在运行过程中的安全性。
最后是小车一周的防撞条，当有物体触碰防撞条，或者小车的避障传感器和超声波传感器失灵、没有检测到障碍物导致小车撞向障碍物的时候，防撞条一方面可以给障碍物和小车一个缓冲，另一方面；当物体触碰防撞条时，防撞条会给底盘控制传感器发送指令，告知其当前状态，底盘控制传感器根据程序会给AGV小车断电、并触发声光报警。进一步保证人员、物资和小车的安全性。图9展示了三个避障传感器的工作方式，其中1为PBS-03JN障碍物传感器探测范围，2为超声波传感器探测范围，3为防撞条所在位置。
本发明具有一种远、中、近三重避障保护的功能，通过三个不同的传感器(PBS-03JN避障传感器、US-015超声波传感器、防撞条)探测不同范围内的障碍物。当探测到远处的障碍物时AGV小车减速前进，并使用改进的Fastslam2.0算法和改进的A*算法重新规划路线，当障碍物距离较近是小车主动停止，等待障碍物移开后继续前进。当有物体与AGV小车相撞时，小车能进行断电保护和声光报警。
在上述运输车系统中，包括硬件和软件。
硬件方面包括如下：
AGV小车底盘控制器选用STM32F103C8系列微控制器作为底盘驱动主控芯片，控制器通过一组I/O口控制四个ZD510无刷电机驱动模块实现对四个电机的控制。电池选用24V40A 80AH充电型锂电池，电池与电源管理模块相连将电压电流进行变换，电源管理模块再与小车各用电模块相连接，给小车各子系统供电。电源系统与各模块之间的关系如图5所示。
超声波传感器模块、举升机构、防撞边条、声光报警模块、显示屏模块通过和底盘控制器上的I/O口相连来与底盘控制器进行通信。底盘控制器将各传感器信息进行采集和预处理后。由RS232转USB串口模块将数据发送给主控模块，等待主控模块对数据的下一步处理，主控模块和激光雷达通过POSRT-1接口连接。主控将采集到的激光雷达数据和底盘控制器预处理数据通过改进的Fastslam2.0算法进行数据处理，处理完成后，主控模块将控制指令发送给底盘控制器，将处理后的定位数据、地图数据和路径数据通过主控模块上的WIFI模块上传给远程的电脑主机或工控机，底盘控制器则根据得到的数据完成对电机和其他传感器的控制。三者硬件连接的关系如图6所示。
主控模块采用Raspberry 3B+系列控制板，SOC型号为Broadcom BCM2837(B0)，CPU采用ARM Cortex-A53 1.4GHz 64-bit quad-core ARMv8，该主控模块具有4个USB2.0接口、支持千兆以太网802.11ac Wireless LAN(2.4G/5G双频)的无线通信模块，计算性能较高。主控模块使用激光雷达获取周围障碍物数据，使用电源管理模块为其供电，和底盘控制器相连发送控制指令。其中无线通讯模块主要用来与外部计算机设备通信，主控模块将激光雷达建立的地图数据通过WIFI模块发送至路由器中，再由路由器对数据进行无线传输，在同一局域网下，技术人员在笔记本电脑1、和路由器相连的有线电脑2、具有无线接收功能的台式电脑3、智能手机上输入主控模块的IP地址后，就可以以远程监控AGV小车的实时状态。远程可查看的状态包括：小车所在环境的环境地图、小车在地图中的位置、小车的行进路线以及当前小车的运动速度。可控制的内容包括：小车的目的地、用电脑键盘控制小车的前进、转向、控制小车的行进速度。小车上的主控模块中的无线模块与外部电脑主机通信示意图，如图7所示。本发明具有一种远程监视和控制的能力，即AGV小车可通过WIFI的方式将当前各种信息实时发送给同一网络下的电脑中，电脑中需要安装linux+ROS的平台，电脑端只需知道小车的IP地址，就可以实时监测小车当前所在位置、运动路径、当前速度等信息，并且可以通过电脑给小车下达新的指令，例如让小车改变目的地、改变当前前进方向、让小车停止等。
软件方面包括两个部分，分为底盘控制器程序和主控模块程序。本发明使用了一种新的软件平台，即linux+ROS的组合方式实现小车的导航，小车的定位算法和导航算法都在此软件平台上运行。且通过这种新的软件平台可以实现对AGV小车的实时监测、远程控制等功能。
其中，底盘控制器程序主要用来采集超声波传感器返回的距离数据、障碍物检测传感器的距离和角度数据以及电机转速数据，同时向电机编码器发送控制命令，控制电机转速并与主控模块进行数据通信。底盘控制程序使用C语言进行编写。程序流程图如图8所示。
主控模块程序，主控器使用Ubuntu MATE-16.04版本的linux系统，在linux系统的基础上使用ROS(Robot Operating System)分布式平台，在此平台上编写激光雷达的数据处理程序、底层串口通信程序、改进的Fastslam2.0算法程序、地图显示程序、定位与导航程序、无线通信程序；并将处理后的数据结果转化为底层控制命令，通过串口发回底层控制系统，再由底层控制系统驱动相应传感器或元件实现对应功能。主控模块对数据处理完成后，会通过WIFI通信程序将AGV小车当前状态发送到用户指定的局域网中，在局域网中的其他电脑则可通过查询AGV小车的IP地址得到小车当前的状态信息。
激光雷达传感器采集的距离和角度数据的处理、电机编码器采集的里程计数据的处理、改进的Fastslam2.0算法程序的实现、AGV小车定位、导航、地图构建都依赖ROS平台，本发明将算法程序编写成ROS平台能够使用的功能包，通过ROS平台强大的计算能力和通信机制完成AGV小车的自主导航和避障行为。
下面对小车前进的运算过程进行详细说明。
已知AGV小车的车轮半径r，电机在单位时间内旋转的角度θ，根据AGV小车的长宽高以及车轮相对车体的位置我们可以得到小车的运动学模型A，小车开始运行后，可得到小车在速度v下经过时间t内走过的里程dt；并将其作为算法输入的控制量ut，激光雷达在工作的过程中会产生两个变量，一个是激光雷达与传感器之间的距离xt，另一个是激光雷达与障碍物之间的角度θ′，根据这两个变量可组成新的测量向量zt。使用小车的运动学模型计算后可以的得到障碍物与小车之间的距离a，根据以上数据使用栅格地图算法构建小车的环境地图。
如图2所示，1中圆圈为激光雷达，2为小车车体，3为激光雷达射出的激光线，4为激光雷达检测到的障碍物，栅格地图的工作原理为：
将小车周围的环境使用栅格进行表示，当激光雷达扫过一片栅格的时候，障碍物与激光雷达之间的栅格5(蓝色部分)认为其没有障碍物，蓝色栅格中每个栅格的值为0，而激光雷达扫到存在障碍物的栅格4(黑色部分)认为其栅格值为1，根据这个原理，随着小车和激光雷达的运行，就能够得到一张完整的环境地图，地图的精度和栅格的选取大小有关。
在地图构建和定位的过程中使用了Fastslam2.0方法，并对其进行了改进，首先改进了协方差更新公式，使得整个位姿更新的过程只与AGV位姿信息相关。其次采用自适应重采样技术来减少粒子退化的影响，同时在粒子分布时引入当前观测值，使粒子估计的不确定性降低。这样不但降低计算成本，还在不破坏建图与定位精度的前提下提高了建图速度。
在改进的Fastslam2.0算法中，使用一种地图栅格化的方法实现环境地图的构建，与定位功能，栅格化的方法是指以激光雷达为中心，将周围环境划分为大小一致的小栅格，每个栅格被赋予一个0-1之间的数值，用来表示该栅格被障碍物占据的可能性大小，借此来表示外界环境的状态。这种地图构建方法建图速度快且易于维护，适合对激光雷达数据的地图化处理。在导航过程中使用这种地图能得到很好的导航效果。
得到含有噪声的控制量ut和测量量xt后，使用一种基于贝叶斯理论和重要性采样思想的概率方法对数据进行处理，估计出小车的真实位置。再根据小车的估计位置使用A*算法对小车的前进路径进行规划。A*算法是一种启发式搜索算法，他利用启发函数来评估途中某节点到目标节点的代价，即路径长短的评估值A*算法的评价函数可表示为：f*(z)＝g*(z)+h*(z)式中：z为当前节点的编号；g*(z)为起始节点vs到当前节点vx的最短路径长度，h*(z)为当前节点vx到目标节点vt的最短路径的启发函数。这个算法可以得到下一时刻小车最优的前进方向。根据A*算法得到的前进方向值和小车的运动学模型可得到电机的旋转角度和旋转速度，控制小车沿目标点前进。
结合实例及附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参考图4，本发明基于激光雷达与最优路径规划的AGV运输车，包括车身，激光雷达1，PBS-03JN障碍物传感器2(前后各一个)，US-015型超声波传感器3(其它型号传感器也可)，防撞边条4，车轮5，电池6，声光报警模块7，举升机构和牵引棒8，底层控制器9，主控模块10，电机11，急停开关12，显示屏13，电源管理模块14，无线信号收发模块15。
(1)按下AGV小车启动按钮12给小车供电。供电按钮位于小车前方控制平台左侧。控制平台上还有显示屏13，用来显示AGV小车的一些基本信息例如小车电压、电池电量、小车当前状态等。
(2)小车通电后，电压模块14(在于车中心前侧)会将电池6(位于小车中部)的电压根据不同模块和传感器的需要进行供电。
(3)小车开始供电后，底盘控制器9和主控制器10，开始启动并完成自检与通信，开始等待工作人员使用电脑给AGV小车发送前进目标命令。
(4)目标指令下达后，主控器系统启动激光雷达1(位于小车左上角)，同时主控制器与底盘控制模块9进行通信，底盘控制模块9接收到主控模块的命令后启动电机和避障系统。
(5)激光雷达1启动后，开始采集小车与周围障碍物的距离和角度，将这两个值传入ROS平台中，使用改进的Fastslam2.0算法对数据进行栅格化处理，得到环境地图m和自身位姿xt。
(6)环境地图m和自身位姿得到后，使用A*算法规划下次前进路线和前进速度。得到速度vt后，使用串口将速度值下发给底层控制器9，底层控制器控制电机编码器11控制电机旋转。
(7)当检测到障碍物时，PBS-03JN传感器2会将数据发送给底层控制器，底层控制器控制电机减速，主控模块通过激光雷达检测到障碍物会重新规划前进路线。
(8)由于PBS-03JN个激光雷达的检测平面是有限的，当两其无法检测到障碍物时，US-015超声波传感器3，会对被忽略的障碍物进行检测，US-015超声波传感器位于小车的前方和后方，每一侧有4对，有一定的角度，能覆盖前方10cm～m的范围。当超声波传感器检测到障碍物时，底盘控制器会控制电机使小车停下，防止小车与障碍物发生碰撞。
(9)当激光雷达、障碍物传感器、超声波传感器都没有检测到障碍物或者有物体与小车相撞时，防撞条4(位于小车下方四周)会起到缓冲和停止的作用。防撞条中有压力传感器，受到挤压后会触发底盘控制器的报警程序，底盘控制器会将电机转速降低为0，同时启动声光报警模块7(位于小车四周)，发出警报。
当小车顺利到达目的地后，主控制器会向底盘控制器发送指令控制举升机构将牵引棒升起，牵引物料到下一个目的地。
上述实施例实现了AGV小车在未知环境中的自主导航，即在AGV小车搬运物料的过程中，不需要提前规划行进路线，不需要进行路径设置。只需将AGV小车的运行终点告知AGV，它就可以根据所处环境自主规划最优路径并到达目的地。
该系统不仅能应用在AGV小车上，例如巡检机器人、扫地机器人等都可以使用这套系统。本AGV小车使用四轮差速驱动，也可采用两轮差速驱动，都是同样的效果，同时也可以将四个轮子更换成麦克纳姆轮，使其具有全向移动的能力。
需要注意的是，本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本发明的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
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涵括在本发明内。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。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (9)

1.一种小车路径导航方法，其特征在于，包括：
根据所述小车的车轮半径、电机在单位时间内的旋转角度、所述小车的尺寸、所述小车的车轮相对于车体的位置得到所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程；
根据所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程、所述小车中的激光雷达与障碍物之间的距离、以及所述激光雷达与所述障碍物之间的角度，得到所述小车与所述障碍物的距离；
根据所述距离，通过栅格地图法构建环境地图；
基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进；
所述激光雷达采用360度扫描激光雷达，雷达旋转一周后得到数据包含：障碍物到激光雷达的距离、当前激光雷达旋转过的角度；同时电机带有旋转编码器，能够在电机工作的时候记录电机旋转的角度和所用的时间；通过激光雷达数据和电机的旋转数据，在ROS平台中使用改进的Fastslam2.0算法计算出小车当前的环境地图，并根据环境地图和激光雷达数据确定小车当前的位置，主控模块还将新生成的环境地图数据和原有的地图数据进行比较，用来修正当前位置误差；
在小车向目标点前进的过程中，小车上的避障传感器、超声波传感器和防撞条传感器会同时启动，当避障传感器检测到路径前方有障碍物时，小车会减慢行驶速度，同时重新规划路线绕开障碍物；当障碍物出现在小车前方10cm-50cm时，小车会主动停止，并触发声光报警模块，等待障碍物移除后，继续沿原路径行驶；一方面防撞条传感器的防撞条给障碍物和小车缓冲，另一方面当物体触碰防撞条传感器时，防撞条传感器会给底盘控制传感器发送指令，告知其当前状态，底盘控制传感器根据程序会给小车断电、并触发声光报警；
小车具有远、中、近三重避障保护的功能，通过避障传感器、超声波传感器、防撞条传感器三个不同的传感器探测不同范围内的障碍物，当探测到远处的障碍物时小车减速前进，并使用改进的Fastslam2.0算法和A*算法重新规划路线；当障碍物距离近时小车主动停止，等待障碍物移开后继续前进；当有物体与小车相撞时，小车进行断电保护和声光报警；
根据小车的车轮半径r，电机在单位时间内旋转的角度θ，小车的长宽高以及车轮相对车体的位置得到小车的运动学模型A，小车开始运行后得到小车在速度v下经过时间t内走过的里程dt，并将其作为改进的Fastslam2.0算法输入的控制量ut，激光雷达在工作的过程中会产生激光雷达与障碍物之间的距离xt以及激光雷达与障碍物之间的角度θ′两个变量，根据这两个变量组成新的测量向量zt，使用小车的运动学模型计算得到障碍物与小车之间的距离a，使用栅格地图算法构建小车的环境地图；
栅格地图算法的工作原理为：
将小车周围的环境使用栅格进行表示，当激光雷达扫过一片栅格的时候，障碍物与激光雷达之间的栅格认为其没有障碍物，每个栅格的值为0，而激光雷达扫到存在障碍物的栅格的栅格值为1，根据这个原理，随着小车和激光雷达的运行，就能够得到一张完整的环境地图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进，包括：
根据所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程，以及所述小车中的激光雷达与障碍物之间的距离，得到所述小车的位置；
根据所述小车的位置通过启发式搜索算法对所述小车的路径进行规划导航；
其中，所述启发式搜索算法用于评估所述小车途中某节点到目标节点的代价。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述启发式搜索算法的评价函数为：
f*(z)＝g*(z)+h*(z)
式中：z为当前节点的编号；g*(z)为起始节点vs到当前节点vx的最短路径长度，h*(z)为当前节点vx到目标节点vt的最短路径的启发函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进，还包括：
根据所述评价函数得到所述小车前进的方向值；
根据所述方向值、所述电机的旋转速度和旋转角度，控制所述小车沿目标点前进。
5.一种小车路径导航系统，其特征在于，包括：
数据接收模块，用于根据所述小车的车轮半径、电机在单位时间内的旋转角度、所述小车的尺寸、所述小车的车轮相对于车体的位置得到所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程；
距离获取模块，用于根据所述小车在目标速度下经过预设时间内走过的里程、所述小车中的激光雷达与障碍物之间的距离、以及所述激光雷达与所述障碍物之间的角度，得到所述小车与所述障碍物的距离；
地图构建模块，用于根据所述距离，通过栅格地图法构建环境地图；
导航模块，用于基于所述小车的当前位置以及所述环境地图对所述小车的路径进行规划导航，以控制所述小车沿目标点前进；
所述激光雷达采用360度扫描激光雷达，雷达旋转一周后得到数据包含：障碍物到激光雷达的距离、当前激光雷达旋转过的角度；同时电机带有旋转编码器，能够在电机工作的时候记录电机旋转的角度和所用的时间；通过激光雷达数据和电机的旋转数据，在ROS平台中使用改进的Fastslam2.0算法计算出小车当前的环境地图，并根据环境地图和激光雷达数据确定小车当前的位置，主控模块还将新生成的环境地图数据和原有的地图数据进行比较，用来修正当前位置误差；
在小车向目标点前进的过程中，小车上的避障传感器、超声波传感器和防撞条传感器会同时启动，当避障传感器检测到路径前方有障碍物时，小车会减慢行驶速度，同时重新规划路线绕开障碍物；当障碍物出现在小车前方10cm-50cm时，小车会主动停止，并触发声光报警模块，等待障碍物移除后，继续沿原路径行驶；一方面防撞条传感器的防撞条给障碍物和小车缓冲，另一方面当物体触碰防撞条传感器时，防撞条传感器会给底盘控制传感器发送指令，告知其当前状态，底盘控制传感器根据程序会给小车断电、并触发声光报警；
小车具有远、中、近三重避障保护的功能，通过避障传感器、超声波传感器、防撞条传感器三个不同的传感器探测不同范围内的障碍物，当探测到远处的障碍物时小车减速前进，并使用改进的Fastslam2.0算法和A*算法重新规划路线；当障碍物距离近时小车主动停止，等待障碍物移开后继续前进；当有物体与小车相撞时，小车进行断电保护和声光报警；
根据小车的车轮半径r，电机在单位时间内旋转的角度θ，小车的长宽高以及车轮相对车体的位置得到小车的运动学模型A，小车开始运行后得到小车在速度v下经过时间t内走过的里程dt，并将其作为改进的Fastslam2.0算法输入的控制量ut，激光雷达在工作的过程中会产生激光雷达与障碍物之间的距离xt以及激光雷达与障碍物之间的角度θ′两个变量，根据这两个变量组成新的测量向量zt，使用小车的运动学模型计算得到障碍物与小车之间的距离a，使用栅格地图算法构建小车的环境地图；
栅格地图算法的工作原理为：
将小车周围的环境使用栅格进行表示，当激光雷达扫过一片栅格的时候，障碍物与激光雷达之间的栅格认为其没有障碍物，每个栅格的值为0，而激光雷达扫到存在障碍物的栅格的栅格值为1，根据这个原理，随着小车和激光雷达的运行，就能够得到一张完整的环境地图。
6.一种运输车系统，其特征在于，包括：如权利要求5所述的小车路径导航系统。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：车身、底盘控制器、激光雷达模块、超声波传感器、车轮、电机模块、电池、电源管理模块、无线通信模块、电源模块、牵引棒举升机构、声光报警模块、显示屏模块、防撞条传感器、障碍物检测传感器；
所述电池至于所述车身的正中央，所述牵引棒举升机构在所述电池的上方、所述超声波传感器位于所述车身的前后，所述激光雷达模块位于所述车身前部的激光雷达支架上，所述声光报警模块位于所述车身的四个角，所述防撞条传感器位于所述车身的下方周围，所述小车路径导航系统位于车身内部，并分别与所述电机控制模块、电源控制模块、激光雷达模块和无线通信模块电气连接。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述底盘控制器用于采集超声波传感器返回的距离数据、障碍物检测传感器的距离和角度数据、电机转速数据，同时向所述电机模块中的电机编码器发送控制命令，控制所述电机的转速，并与所述小车路径导航系统进行数据通信。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述超声波传感器用于探测距离车身大于等于预设距离的障碍物；
所述障碍物检测传感器用于探测距离车身小于预设距离的障碍物；
所述防撞条传感器用于探测与车身相撞的障碍物。
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