CN111337016B - 一种基于激光扫描仪的agv及其导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光扫描仪的AGV及其导航方法。该AGV包括车体以及驱动所述车体的驱动装置，还包括激光扫描仪、角度编码器、驱动机构以及控制器，激光扫描仪与角度编码器同轴转动装配在车体，驱动机构驱动激光扫描仪以及角度编码器转动，激光扫描仪用于发射激光以及获取AGV与各个反光板之间的距离，角度编码器用于获取AGV与各个反光板之间的角度，控制器与驱动装置、角度编码器以及激光扫描仪电连接；控制器用于接收角度编码器以及激光扫描仪的信号计算AGV的当前位置坐标，根据预设目标坐标得到运行路径，向所述驱动装置发送运行信号。本发明无需对地面进行任何处理，路径变换灵活方便，适用于各种现场环境，能够方便快捷的修改运动参数及行驶路径。

Description

一种基于激光扫描仪的AGV及其导航方法

技术领域

本发明涉及AGV技术领域，特别是涉及一种基于激光扫描仪的AGV及其导航方法。

背景技术

自动导航车(Automated Guided Vehicles，AGV)，又称为无人搬运车，最早出现于20世纪50年代，是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备，属于移动式机器人系统，能够沿着预先设定的路径行驶，是现代化工业自动化物流系统的重要设备。不仅如此，在军事以及危险场所，以AGV的自动驾驶为基础继承其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷、阵地侦查和危险环境作业。

AGV的导引方式决定了由其组成的物流系统的柔性和系统运行时的可靠性，随着科学技术的发展，AGV的导引方式也多种多样，根据AGV导引线路的形式，可分为固定路径导引方式和自由路径导引方式。固定路径导引方式其成本较低，定位精度较高，也比较稳定可靠，但路径被限制，对现场环境要求较高；自由路径导引方式其路径变换灵活，柔性好，对现场环境的要求较低，但其定位精度受所用设备及导航控制算法的影响，致使在与固定路径导引方式同等的定位精度，其AGV的造价更高。

AGV主要有导向模块，行走模块，导向传感器，微处理器、通讯装置、移载装置和蓄电池组成。其中，导向传感器是AGV中感知路径、控制行走路径的关键模块，它的灵敏度及灵活性很大程度上决定了AGV小车的工作效率。目前，常用的导向传感方式一般为光学导航方式、以及电磁感应导航方式。

电磁感应导航方式在于导引线隐蔽，不易污染和破损，原理简单可靠，成本低；然而其导引路径的复杂度有限，且扩充或更改战线十分麻烦，缺少灵活性。光学导航方式是通过在行走路径上涂漆或粘贴色带，由光学传感器采入色带图像信号进行简单识别和处理来实现导引；其导航路径设置较为灵活，但对色带污染与损害很敏感，易受现场环境限制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于激光扫描仪的AGV以解决使用现有技术中的AGV需在行走路径上铺设导引材料而不能柔性化使用的技术问题。本发明还提供了一种基于激光扫描仪的AGV导航方法。

本发明的一种基于激光扫描仪的AGV的技术方案是：

一种基于激光扫描仪的AGV，包括车体以及驱动所述车体的驱动装置，还包括激光扫描仪、角度编码器、驱动机构以及控制器，所述激光扫描仪与所述角度编码器同轴转动装配在所述车体，所述驱动机构驱动激光扫描仪以及角度编码器转动，所述激光扫描仪用于发射激光以及获取AGV与各个反光板之间的距离，所述角度编码器用于获取AGV与各个反光板之间的角度，所述控制器与所述驱动装置、角度编码器以及激光扫描仪电连接；所述控制器用于接收所述角度编码器以及激光扫描仪的信号计算AGV的当前位置坐标，根据预设目标坐标得到运行路径，向所述驱动装置发送运行信号。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述驱动机构包括转动转配在所述车体上的转轴，所述角度编码器套设在所述转轴上，所述激光扫描仪固定连接在所述转轴的上端，所述转轴于角度编码器的下侧套设有用于反射所述激光扫描仪发出的激光束的反光镜。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述反光镜呈碗状结构。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述车体上设有伸缩架，所述伸缩架的上端设有料斗车，所述料斗车上设有驱动其运动的伺服电机。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述伸缩架包括剪刀架以及支撑板，所述剪刀架的下端连接有齿轮以及驱动所述齿轮转动的蜗轮蜗杆减速机，所述车体上设有与所述齿轮啮合的齿条，所述剪刀架的上端连接有滑块，所述支撑板上设有与所述滑块相匹配的滑槽；所述支撑板上设有用于监测伸缩架升降高度的高度传感器。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述支撑板的上侧转动连接有车架，所述车架上设有与所述料斗车相匹配的导轨。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述支撑板上固定连接有电机，所述车架上固定连接有与所述电机传动连接的谐波减速器，所述车架上还设有用于监测车架转动角度的角度传感器。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述料斗车上设有位置传感器，所述控制器与所述角度传感器、位置传感器、电机以及伺服电机电连接，所述控制器用于接收所述角度传感器、位置传感器的信号，并在所述料斗车对准储料仓的轨道时驱动所述料斗车进出储料仓。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述车体下侧设有前轮和后轮，所述驱动装置包括驱动后轮前行的驱动组件以及驱动前轮转向的转向器。

本发明的一种基于激光扫描仪的AGV导航方法的技术方案是：

一种基于激光扫描仪的AGV导航方法，包括以下步骤：

获取基于激光扫描仪的AGV与各个反光板之间的距离；

获取基于激光扫描仪的AGV与各个反光板之间的角度；

预设目标坐标，根据所述距离和所述角度计算得到基于激光扫描仪的AGV的当前位置，并根据所述目标位置导航。

作为对上述技术方案的进一步改进，激光扫描仪利用脉冲激光器发出激光并通过内部的反射镜以一定的转速旋转，对周围的反光板进行扫描，测出每个反光板的距离和角度。

作为对上述技术方案的进一步改进，计算机控制系统向AGV的转向器内的伺服电机发出指令，从而控制AGV的运动方向。

计算机控制系统向AGV的转向器内的伺服电机发出指令，从而控制AGV的运动方向。

本发明的一种基于激光扫描仪的AGV及其导航方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明的基于激光扫描仪的AGV使用时，激光扫描仪利用脉冲激光器发出激光并通过内部的反射镜以一定的转速旋转，对周围的反光板进行扫描，测出每个反光板的距离和角度；角度编码器接收到反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的角度，控制器接收到激光扫描仪和角度编码器的信号，计算出AGV的当前位置坐标，控制器根据预设目标坐标得到运行路径，向所述驱动装置发送运行信号。本发明的AGV利用激光的不发散性对AGV所处的位置进行精确定位，其主要功能是在控制器监控下，按指定路径和作业要求，引导AGV精确行走并停靠于预定地点并完成一系列物料搬运。本发明的AGV无需对地面进行任何处理，路径变换灵活方便，适用于各种现场环境；运用光学反射、折射理论，对激光束应用调制解调技术进行识别，运用数学解析几何理论构建光路方程模型，使用计算机技术快速准确地判断出AGV的坐标定位，实现AGV高精度全范围“知道”作业场地，彻底解决升降运载车导航依赖地面铺设导引材料而不能实现柔性化生产的难题。同时，本发明的AGV解决仓储物料的过程中人工搬运，运输、存储和取出，尤其在高位置存储时人工上下物料的危险性，节省转料时间。

本发明的基于激光扫描仪的AGV通过在车体上设置伸缩架，伸缩架上设置料斗车，伸缩架可将料斗车举升至高位，使得本发明的AGV可适用于高位上下物料，解决了人工高位上下料危险性高的问题。另外，蜗轮蜗轮减速机驱动齿轮沿齿条转动，控制伸缩架升降，蜗轮蜗杆减速机具有自锁功能，可以将伸缩架控制在任何高度，避免了伸缩架在重力作用下滑落的问题。

本发明的基于激光扫描仪的AGV通过在支撑板上设置高度传感器，支撑板上设置位置传感器和角度传感器，可将料斗车调整至与储料仓的轨道对齐。本发明的基于激光扫描仪的AGV能够实现物料智能化搬运，效率更高。

附图说明

图1是本发明的基于激光扫描仪的AGV的结构示意图；

图2是图1中的基于激光扫描仪的AGV的右视图；

图3是图1中的基于激光扫描仪的AGV的左视图；

图4是图1中A处的放大图；

图5是本发明的基于激光扫描仪的AGV中的料斗车的底部示意图；

图中：1、车体；2、前轮；3、后轮；4、距离传感器；5、连接板；6、控制器；7、第一电机；8、主动链轮；9、从动链轮；10、链条；11、剪刀架；12、齿轮；13、滑块；14、齿条；15、蜗轮蜗杆减速机；16、联轴器；17、传动轴；18、压板；19、支撑板；20、车架；21、第三电机；22、谐波减速器；23、导轨；24、高度传感器；25、料斗车；26、位置传感器；27、行走轮；28、第一主动带轮；29、第一从动带轮；30、第一同步带；31、第四电机；32、转轴；33、转向器；34、转轴；35、反光镜；36、角度编码器；37、激光扫描仪；38、轴承座；39、轴承；40、第五电机；41、第二主动带轮；42、第二从动带轮；43、第二同步带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的基于激光扫描仪的AGV的具体实施例，如图1所示，包括车体1以及驱动装置。车体1的下端设置有前轮2和后轮3，驱动装置包括驱动后轮3前行的驱动组件以及驱动前轮2转向的转向器33。具体的，驱动组件包括第一电机7、主动链轮8、从动链轮9以及链条10，第一电机7固定连接在车体1下侧，且第一电机7的转轴与主动链轮8止转连接，两个后轮3之间连接有连接轴，从动链轮9与连接轴止转连接，链条10环绕在主动链轮8与从动链轮9之间。第一电机7转动时，驱动主动链轮8转动，主动链轮8通过链条10带动从动链轮9转动，从动链轮9带动后轮3转动。两个前轮2通过转轴32转动连接在车体1的下侧，转向器33活动连接在两个前轮2之间，转向器33内部具有伺服电机，伺服电机转动时，可以驱动两个前轮2实现转向。

本实施例中，车体1包括车头和车厢两部分，车厢上设置有伸缩架。具体的，伸缩架包括两个平行布置的剪刀架11以及设置在剪刀架11上端的支撑板19。车厢上固定连接有第二电机以及与第二电机传动连接的蜗轮蜗杆减速机15，蜗轮蜗杆减速机15为双出轴蜗轮蜗杆减速机，蜗轮蜗杆减速机的两个输出轴通过联轴器16分别连接有传动轴17。传动轴17连接在两个剪刀架11的下端，且向外伸出至剪刀架11外侧，传动轴17伸出剪刀架11外侧的一端上固定连接有齿轮12，车体1的车厢上固定连接有与齿轮12啮合的齿条14，齿条14的延伸方向为车厢的长度方向。剪刀架11的上端分别铰接有滑块13，本实施例中，滑块13为T形结构，T形的滑块13包括水平部和竖直部，竖直部与剪刀架11铰接。支撑板19上具有与水平部相匹配的滑槽，滑块13的竖直部上套装有压板18，压板18与支撑板19通过螺栓固定连接，将滑块13固定在滑槽内。本实施例中，第二电机转动时，带轮蜗轮蜗杆减速机15转动，蜗轮蜗杆减速机15带动传动轴17转动，传动轴17带动齿轮12沿齿条14转动，齿轮12沿齿条14转动过程中，剪刀架11合拢或打开，同时剪刀架11端部的滑块13在支撑板19滑槽内滑动，支撑板19高度发生改变。本实施例中，支撑板19的后端固定连接有高度传感器24，高度传感器24用于获取支撑板19的高度信息。

本实施例中，支撑板19上转动连接有车架20，具体的，支撑板19的下侧固定连接有第三电机21，第三电机21的转轴向上穿出支撑板19上侧。当然，支撑板19上具有供第三电机21的转轴穿出的穿孔。车架20上固定连接有谐波减速器22，谐波减速器22的外圈与车架20固定连接，谐波减速器22的内圈与第三电机21的转轴止转连接，车架20与支撑板19之间具有一定间距，第三电机21转动时，驱动车架20转动。

本实施例中，车架20上设置有料斗车25。料斗车25的下侧具有四个呈矩形布置的行走轮27，车架20上具有与车轮相匹配的两条导轨23。行走轮27的内侧具有与导轨23挡止的挡沿，以防止行走轮27脱离导轨23。料斗车25的下侧设置有驱动料斗车25行进的驱动系统，驱动系统包括第四电机31、第一主动带轮28、第一从动带轮29以及第一同步带30。其中，第四电机31固定连接在料斗车25的下侧，第一主动带轮28与第四电机31的转轴止转连接，第一从动带轮29止转连接在两个车轮之间的连接轴上，第一同步带30环绕在第一主动带轮28与第一从动带轮29之间。第四电机31转动时，驱动第一主动带轮28转动，第一主动带轮28通过第一同步带30带动第一从动带轮29转动，第一从动带轮29带动行走轮27沿导轨23运动。

为了便于控制车架的转动角度，本实施例中，车架20上固定连接有角度传感器，角度传感器用于检测车架20的转动角度。料斗车25上还固定连接有位置传感器26，位置传感器26用于获取料斗车25的位置信息。

本实施例中，车体1上还固定连接有距离传感器4，优选的，距离传感器4具有八个，车体1的前、后、左、右侧面上分部固定连接有两个距离传感器4。距离传感器4可用于监测车体1与障碍物之间的距离，从而为避免车体1与障碍物发生碰撞提供支持。

本实施例中，车头内固定连接有连接板5，连接板5上具有两个穿孔，其中一个穿孔的上侧固定连接有轴承座38以及与轴承座38相匹配的轴承39。轴承39内安装有转轴34，转轴34的下端伸入至连接板5下侧。转轴34的上侧套装有反光镜35，反光镜35呈碗状结构，转轴34于反光镜35的上侧套装有角度编码器36，转轴34的上端固定连接有激光扫描仪37。车头内还安装有驱动转轴34转动的驱动组件，驱动组件包括第五电机40、第二主动带轮41、第二从动带轮42以及第二同步带43。其中，第五电机40的转轴向下穿入至连接板5的另一个穿孔内，第二主动带轮41固定连接在第五电机40的转轴上，第二从动带轮42固定连接在转轴位于连接板5下侧的一端，第二同步带43环绕在主动带轮和从动带轮之间。第五电机40转动时，带动第二主动带轮41转动，第二主动带轮41通过第二同步带43带动第二从动带轮42转动，第二从动带轮42带动转轴转动。连接板5上还安装有控制器6，控制器6与激光扫描仪37、位移传感器、高度传感器以及角度传感器以及角度编码器36电连接。激光扫描仪37发射激光束，激光束经反光镜35反射后射向周围，第五电机40驱动激光扫描仪37转动，激光扫描仪37对周围的反射板进行扫描，激光扫描仪37接收到经反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的距离；角度编码器36接收到反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的角度，控制器6接收到激光扫描仪37和角度编码器36的信号，计算出AGV的当前位置坐标，控制器6根据预设目标坐标得到运行路径，向第一电机7发送运行信号，驱动AGV行走。

本发明的基于激光扫描仪的AGV的工作原理为：激光扫描仪37发射激光束，激光束经反光镜35反射后射向周围，第五电机40驱动激光扫描仪37转动，激光扫描仪37对周围的反射板进行扫描，激光扫描仪37接收到经反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的距离；角度编码器36接收到反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的角度，控制器6接收到激光扫描仪37和角度编码器36的信号，计算出AGV的当前位置坐标，控制器6根据预设目标坐标得到运行路径，向第一电机7发送运行信号，驱动AGV行走。当AGV运行至目标位置后，控制器6控制第二电机转动，第二电机带动蜗轮蜗杆减速机，驱动伸缩架升降，车架上的高度传感器实时检测高度，当车架高度升降至预定高度时，控制器控制第二电机停止转动。控制器控制第三电机转动，第三电机驱动车架转动，角度传感器实时检测角度，料斗车上的位置传感器检测料斗车是否对准储料仓的轨道，当料斗仓对准储料仓的轨道后，控制器驱动第四电机31，第四电机31驱动料斗车25至上下料位置处。

本发明的一种基于激光扫描仪的AGV导航方法的具体实施例，包括以下步骤：

获取基于激光扫描仪的AGV与各个反光板之间的距离；

获取基于激光扫描仪的AGV与各个反光板之间的角度；

预设目标坐标，根据所述距离和所述角度计算得到基于激光扫描仪的AGV的当前位置，并根据所述目标位置导航。

具体的，利用脉冲激光器发出激光束，激光束经反光镜反射后射向周围，第五电机驱动激光扫描仪转动，激光扫描仪对周围的各个反射板进行扫描，激光扫描仪接收到经反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的距离；角度编码器接收到反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的角度，控制器接收到激光扫描仪和角度编码器的信号，计算出AGV的当前位置坐标，控制器根据预设目标坐标得到运行路径，向第一电机和转向器发送运行信号，驱动AGV行走。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于激光扫描仪的AGV，包括车体以及驱动所述车体的驱动装置，其特征在于，还包括激光扫描仪、角度编码器、驱动机构以及控制器，所述激光扫描仪与所述角度编码器同轴转动装配在所述车体，所述驱动机构驱动激光扫描仪以及角度编码器转动，所述激光扫描仪用于发射激光以及获取AGV与各个反光板之间的距离，所述角度编码器用于获取AGV与各个反光板之间的角度，所述控制器与所述驱动装置、角度编码器以及激光扫描仪电连接；所述控制器用于接收所述角度编码器以及激光扫描仪的信号计算AGV的当前位置坐标，根据预设目标坐标得到运行路径，向所述驱动装置发送运行信号；

所述驱动机构包括转动转配在所述车体上的转轴，所述角度编码器套设在所述转轴上，所述激光扫描仪固定连接在所述转轴的上端，所述转轴于角度编码器的下侧套设有用于反射所述激光扫描仪发出的激光束的反光镜；

所述车体上设有伸缩架，所述伸缩架的上端设有料斗车，所述伸缩架包括剪刀架以及支撑板，车厢上固定连接有第二电机以及与第二电机传动连接的蜗轮蜗杆减速机，支撑板的下侧固定连接有第三电机，所述支撑板上设有用于监测伸缩架升降高度的高度传感器；

所述支撑板的上侧转动连接有车架，所述车架上设有与所述料斗车相匹配的导轨，所述支撑板上固定连接有电机，所述车架上固定连接有与所述电机传动连接的谐波减速器，所述车架上还设有用于监测车架转动角度的角度传感器，角度传感器用于检测车架的转动角度；

所述料斗车上设有位置传感器，位置传感器用于获取料斗车的位置信息，所述控制器与所述角度传感器、位置传感器、电机以及伺服电机电连接，所述控制器用于接收所述角度传感器、位置传感器的信号，并在所述料斗车对准储料仓的轨道时驱动所述料斗车进出储料仓；

料斗车的下侧设置有驱动料斗车行进的驱动系统，所述料斗车上设有驱动其运动的伺服电机，即第四电机；

激光扫描仪发射激光束，激光束经反光镜反射后射向周围，第五电机驱动激光扫描仪转动，激光扫描仪对周围的反射板进行扫描，激光扫描仪接收到经反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的距离；角度编码器接收到反射板反射后的激光束，获取AGV与各个反光板之间的角度，控制器接收到激光扫描仪和角度编码器的信号，计算出AGV的当前位置坐标，控制器根据预设目标坐标得到运行路径，向第一电机发送运行信号，驱动AGV行走；当AGV运行至目标位置后，控制器控制第二电机转动，第二电机带动蜗轮蜗杆减速机，驱动伸缩架升降，车架上的高度传感器实时检测高度，当车架高度升降至预定高度时，控制器控制第二电机停止转动；控制器控制第三电机转动，第三电机驱动车架转动，角度传感器实时检测角度，料斗车上的位置传感器检测料斗车是否对准储料仓的轨道，当料斗仓对准储料仓的轨道后，控制器驱动第四电机，第四电机驱动料斗车至上下料位置处；

所述反光镜呈碗状结构；

所述剪刀架的下端连接有齿轮以及驱动所述齿轮转动的蜗轮蜗杆减速机，所述车体上设有与所述齿轮啮合的齿条，所述剪刀架的上端连接有滑块，所述支撑板上设有与所述滑块相匹配的滑槽。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描仪的AGV，其特征在于，所述车体下侧设有前轮和后轮，所述驱动装置包括驱动后轮前行的驱动组件以及驱动前轮转向的转向器。

3.一种基于权利要求1-2任一项的激光扫描仪的AGV的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取基于激光扫描仪的AGV与各个反光板之间的距离；

获取基于激光扫描仪的AGV与各个反光板之间的角度；

预设目标坐标，根据所述距离和所述角度计算得到基于激光扫描仪的AGV的当前位置，并根据所述目标位置导航；

激光扫描仪利用脉冲激光器发出激光并通过内部的反射镜以一定的转速旋转,对周围的反光板进行扫描,测出每个反光板的距离和角度。

4.根据权利要求3所述的基于激光扫描仪的AGV导航方法，其特征在于，计算机控制系统向AGV的转向器内的伺服电机发出指令，从而控制AGV的运动方向。