CN111521180A - 一种agv室外定位导航方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AGV室外定位导航方法及系统，通过自解算UWB标签发射射频信号至各个UWB基站；各个UWB基站将定位与航向角信息发送至自解算UWB标签；将接收到的定位与航向角信息进行滤波并分别发送至上位机和主控模块；将位置信息和姿态信息发送到主控模块；通过卡尔曼滤波算法将滤波后的定位与航向角信息、位置信息和姿态信息进行数据融合得到导航信号；将导航信号发送至AGV控制器，AGV控制器根据导航信号对AGV的电机进行控制；利用SINS和UWB融合数据应用到AGV室外定位导航，提高了定位导航的精度；模块化设计了定位导航系统，提高了系统的容错率。

Description

一种AGV室外定位导航方法及系统
技术领域
本公开涉及室外定位与导航技术领域，具体涉及一种AGV室外定位导航方法及系统。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线定位技术已经成为一种应用非常广泛的室内定位导航方式。而AGV作为常用的工业机器人能够高效、准确、灵活地进行自动搬运作业。随着AGV(装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车)智能化程度的不短提高，AGV在室外工作环境下的定位导航精度成为行业研究热点。GPS(全球定位系统)被广泛应用与室外定位，但是GPS本身也有很多缺点，比如更新频率低、定位精度低等。捷联惯性导航系统具有自主性强、无需外界提供定位信息等优点。捷联惯性导航技术的应用领域逐渐增多，尤其在某些特殊的无或弱GNSS(全球导航卫星系统)室外场景需要使用多传感器定位系统，例如封闭厂区、工业园区、观光景区、机场摆渡车路线等。室外场景具有开阔性、不可预测性，GPS/SINS(捷联惯导系统)在室外定位导航时易受周围环境影响导致定位不准或无法定位，比如在恶劣的天气、偏僻的区域等弱GNSS信号的环境中。
发明内容
本公开提供一种AGV室外定位导航方法及系统，通过自解算UWB标签发射射频信号至各个UWB基站；各个UWB基站将定位与航向角信息发送至自解算UWB标签；将接收到的定位与航向角信息进行滤波并分别发送至上位机和主控模块；将位置信息和姿态信息发送到主控模块；通过卡尔曼滤波算法将滤波后的定位与航向角信息、位置信息和姿态信息进行数据融合得到导航信号；将导航信号发送至AGV控制器，AGV控制器根据导航信号对AGV的电机进行控制。
为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供一种AGV室外定位导航方法，基于AGV室外定位导航系统，所述系统包括：主控模块、两个自解算UWB标签、若干个UWB基站、SINS模块、上位机和AGV控制器，主控模块、两个自解算UWB标签和SINS模块安装在AGV上，所述两个自解算UWB标签分别安装在AGV前后对称位置，若干个UWB基站随机固定设在需要定位的场景边缘，主控模块分别与自解算UWB标签、SINS模块、上位机和AGV电机控制器通信，自解算UWB标签还分别与UWB基站、上位机通信,所述方法包括以下步骤：
S100：上位机向AGV的主控模块发送开始定位导航指令；
S200：主控模块接收到定位导航指令后向自解算UWB标签和SINS模块发送开始指令；
S300：自解算UWB标签和SINS模块接收到开始指令后，自解算UWB标签发射射频信号至各个UWB基站；
S400：各个UWB基站将定位与航向角信息发送至自解算UWB标签；
S500：自解算UWB标签将接收到的定位与航向角信息进行滤波并分别发送至上位机和主控模块；
S600：SINS模块将位置信息和姿态信息发送到主控模块；
S700：主控模块通过卡尔曼滤波算法将滤波后的定位与航向角信息、位置信息和姿态信息进行数据融合得到导航信号；
S800：主控模块将导航信号发送至AGV控制器，AGV控制器根据导航信号对AGV的电机进行控制。
进一步地，在S100中，所述主控模块包括电源模块、主控芯片、CAN通信模块、无线串口模块、开关模块、引脚模块和RS485模块，电源模块用于为主控模块供电，主控模块通过CAN通信模块与AGV控制器通信，主控模块通过无线串口模块与上位机通信，开关模块用于AGV在定位导航中遇到紧急情况时进行人工急停动作，即开关模块用于停止或启动AGV，主控模块通过RS485模块与SINS模块通信，所述主控芯片为STM32F103RCT6，所述引脚模块将主控芯片的各个引脚与电源模块、主控芯片、CAN通信模块、无线串口模块、开关模块、引脚模块和RS485模块进行连接。
其中，所述无线串口模块为ATK-LORA-01模块，可以实现无线通信，通信距离可以达到3km。
进一步地，在100中，所述上位机用于实时监控AGV的位置信息和姿态信息，并能够发送开始定位导航指令、急停指令到主控模块从而通过AGV控制器对AGV的电机进行控制，即发送定位导航指令则AGV开始导航，主控模块接收到急停指令后通过开关模块停止AGV。
进一步地，在S200中，所述UWB基站是基于TOF测距的基站，交叉分布在室外场景中，令随机一个UWB基站作为主基站，主基站用于区域二维编组。
进一步地，在S200中，所述自解算UWB标签为通过TODA和/或AOA定位算法对UWB基站与AGV的距离、AGV的航向角信息进行空间坐标解算的UWB标签。
进一步地，在S400中，所述定位与航向角信息包括时间戳、UWB基站与AGV的距离、AGV的航向角信息，所述定位与航向角信息通过UWB基站测量AGV得到。
进一步地，在S600中，SINS模块通过捷联惯导系统通过陀螺仪和加速度计采集位置信息和姿态信息数据并进行解算从而输出地理坐标系内速度、经纬高、姿态角，即输出位置信息和姿态信息。
本发明还提供了基于一种AGV室外定位导航系统，所述系统包括：主控模块、两个自解算UWB标签、若干个UWB基站、SINS模块、上位机和AGV控制器，主控模块、两个自解算UWB标签和SINS模块安装在AGV上，所述两个自解算UWB标签分别安装在AGV前后对称位置，若干个UWB基站随机固定设在需要定位的场景边缘，主控模块分别与自解算UWB标签、SINS模块、上位机和AGV电机控制器通信，自解算UWB标签还分别与UWB基站、上位机通信；
所述系统包括：主控模块、两个自解算UWB标签、若干个UWB基站、SINS模块、上位机和AGV控制器，主控模块、两个自解算UWB标签和SINS模块安装在AGV上，所述两个自解算UWB标签分别安装在AGV前后位置，若干个UWB基站随机固定设在需要定位的场景边缘，主控模块分别与自解算UWB标签、SINS模块、上位机和AGV电机控制器通信，自解算UWB标签还分别与UWB基站、上位机通信；
所述主控模块，用于接收上位机发送的定位导航指令，根据所述定位导航指令向自解算UWB标签和SINS模块发送开始指令；
所述自解算UWB标签用于在接收开始指令后发射射频信号至各个UWB基站，并将UWB基站返回的定位与航向角信息进行滤波并分别发送至上位机和主控模块；
所述SINS模块用于接收开始指令后通过陀螺仪和加速度计采集位置信息和姿态信息数据并进行解算从而输出地理坐标系内速度、经纬高、姿态角；
所述AGV控制器用于根据定位导航指令、急停指令对AGV的电机进行控制。
本公开的有益效果为：本发明提供一种AGV室外定位导航方法及系统，利用SINS和UWB融合数据应用到AGV室外定位导航，提高了定位导航的精度；模块化设计了定位导航系统，提高了系统的容错率。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
图1所示为一种融合SINS和UWB的AGV室外定位导航系统；
图2所示为一种融合SINS与UWB的AGV室外定位导航系统的导航流程图；
图3所示SINS模块与UWB模块融合导航信号融合控制图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示为根据本公开的一种融合SINS和UWB的AGV室外定位导航系统、如图2所示为一种融合SINS与UWB的AGV室外定位导航系统的导航流程图，下面结合图1和图2来阐述根据本公开的实施方式的一种AGV室外定位导航方法。
为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供一种AGV室外定位导航方法，基于AGV室外定位导航系统，所述系统包括：主控模块、两个自解算UWB标签、若干个UWB基站、SINS模块、上位机和AGV控制器，主控模块、两个自解算UWB标签和SINS模块安装在AGV上，所述两个自解算UWB标签分别安装在AGV前后对称位置，若干个UWB基站随机固定设在需要定位的场景边缘，主控模块分别与自解算UWB标签、SINS模块、上位机和AGV电机控制器通信，自解算UWB标签还分别与UWB基站、上位机通信,所述方法包括以下步骤：
S100：上位机向AGV的主控模块发送开始定位导航指令；
S200：主控模块接收到定位导航指令后向自解算UWB标签和SINS模块发送开始指令；
如图3所示，SINS模块与UWB模块融合导航信号融合控制如以下步骤：
S300：自解算UWB标签和SINS模块接收到开始指令后，自解算UWB标签发射射频信号至各个UWB基站；
S400：各个UWB基站将定位与航向角信息发送至自解算UWB标签；
S500：自解算UWB标签将接收到的定位与航向角信息进行滤波并分别发送至上位机和主控模块；
S600：SINS模块将位置信息和姿态信息发送到主控模块；
S700：通过卡尔曼滤波算法将滤波后的定位与航向角信息、位置信息和姿态信息进行数据融合得到导航信号；
S800：将导航信号发送至AGV控制器，AGV控制器根据导航信号对AGV的电机进行控制。
进一步地，在S100中，所述主控模块包括电源模块、主控芯片、CAN通信模块、无线串口模块、开关模块、引脚模块和RS485模块，电源模块用于为主控模块供电，主控模块通过CAN通信模块与AGV控制器通信，主控模块通过无线串口模块与上位机通信，开关模块用于AGV在定位导航中遇到紧急情况时进行人工急停动作，即开关模块用于停止或启动AGV，主控模块通过RS485模块与SINS模块通信，所述主控芯片为STM32F103RCT6，所述引脚模块将主控芯片的各个引脚与电源模块、主控芯片、CAN通信模块、无线串口模块、开关模块、引脚模块和RS485模块进行连接。
其中，所述无线串口模块为ATK-LORA-01模块，可以实现无线通信，通信距离可以达到3km。
进一步地，在100中，所述上位机用于实时监控AGV的位置信息和姿态信息，并能够发送开始定位导航指令、急停指令到主控模块从而通过AGV控制器对AGV的电机进行控制，即发送定位导航指令则AGV开始导航，主控模块接收到急停指令后通过开关模块停止AGV。
进一步地，在S200中，所述UWB基站是基于TOF测距的基站，交叉分布在室外场景中，令随机一个UWB基站作为主基站，主基站用于区域二维编组。
进一步地，在S400中，所述定位与航向角信息包括时间戳、UWB基站与AGV的距离、AGV的航向角信息，所述定位与航向角信息通过UWB基站测量AGV得到。
进一步地，在S600中，SINS模块通过捷联惯导系统通过陀螺仪和加速度计采集位置信息和姿态信息数据并进行解算从而输出地理坐标系内速度、经纬高、姿态角，即输出位置信息和姿态信息。
本发明还提供了基于一种AGV室外定位导航系统，所述系统包括：主控模块、两个自解算UWB标签、若干个UWB基站、SINS模块、上位机和AGV控制器，主控模块、两个自解算UWB标签和SINS模块安装在AGV上，所述两个自解算UWB标签分别安装在AGV前后对称位置，若干个UWB基站随机固定设在需要定位的场景边缘，主控模块分别与自解算UWB标签、SINS模块、上位机和AGV电机控制器通信，自解算UWB标签还分别与UWB基站、上位机通信；
所述系统包括：主控模块、两个自解算UWB标签、若干个UWB基站、SINS模块、上位机和AGV控制器，主控模块、两个自解算UWB标签和SINS模块安装在AGV上，所述两个自解算UWB标签分别安装在AGV前后位置，若干个UWB基站随机固定设在需要定位的场景边缘，主控模块分别与自解算UWB标签、SINS模块、上位机和AGV电机控制器通信，自解算UWB标签还分别与UWB基站、上位机通信；
所述主控模块，用于接收上位机发送的定位导航指令，根据所述定位导航指令向自解算UWB标签和SINS模块发送开始指令；
所述自解算UWB标签用于在接收开始指令后发射射频信号至各个UWB基站，并将UWB基站返回的定位与航向角信息进行滤波并分别发送至上位机和主控模块；
所述SINS模块用于接收开始指令后通过陀螺仪和加速度计采集位置信息和姿态信息数据并进行解算从而输出地理坐标系内速度、经纬高、姿态角；
所述AGV控制器用于根据定位导航指令、急停指令对AGV的电机进行控制。
尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims (7)

1.一种AGV室外定位导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100：上位机向AGV的主控模块发送开始定位导航指令；
S200：主控模块接收到定位导航指令后向自解算UWB标签和SINS模块发送开始指令；
S300：自解算UWB标签和SINS模块接收到开始指令后，自解算UWB标签发射射频信号至各个UWB基站；
S400：各个UWB基站将定位与航向角信息发送至自解算UWB标签；
S500：自解算UWB标签将接收到的定位与航向角信息进行滤波并分别发送至上位机和主控模块；
S600：SINS模块将位置信息和姿态信息发送到主控模块；
S700：主控模块通过卡尔曼滤波算法将滤波后的定位与航向角信息、位置信息和姿态信息进行数据融合得到导航信号；
S800：主控模块将导航信号发送至AGV控制器，AGV控制器根据导航信号对AGV的电机进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种AGV室外定位导航方法，其特征在于，所述定位与航向角信息包括时间戳、UWB基站与AGV的距离、AGV的航向角信息。
3.一种AGV室外定位导航系统，其特征在于，所述系统包括：主控模块、两个自解算UWB标签、若干个UWB基站、SINS模块、上位机和AGV控制器，主控模块、两个自解算UWB标签和SINS模块安装在AGV上，所述两个自解算UWB标签分别安装在AGV前后位置，若干个UWB基站随机固定设在需要定位的场景边缘，主控模块分别与自解算UWB标签、SINS模块、上位机和AGV电机控制器通信，自解算UWB标签还分别与UWB基站、上位机通信；
所述主控模块，用于接收上位机发送的定位导航指令，根据所述定位导航指令向自解算UWB标签和SINS模块发送开始指令；
所述自解算UWB标签用于在接收开始指令后发射射频信号至各个UWB基站，并将UWB基站返回的定位与航向角信息进行滤波并分别发送至上位机和主控模块；
所述SINS模块用于接收开始指令后通过陀螺仪和加速度计采集位置信息和姿态信息数据并进行解算从而输出地理坐标系内速度、经纬高、姿态角；
所述AGV控制器用于根据定位导航指令、急停指令对AGV的电机进行控制。
4.根据权利要求3所述的一种AGV室外定位导航系统，其特征在于，所述主控模块包括电源模块、主控芯片、CAN通信模块、无线串口模块、开关模块、引脚模块和RS485模块，电源模块用于为主控模块供电，主控模块通过CAN通信模块与AGV控制器通信，主控模块通过无线串口模块与上位机通信，开关模块用于停止或启动AGV，主控模块通过RS485模块与SINS模块通信。
5.根据权利要求4所述的一种AGV室外定位导航系统，其特征在于，所述主控芯片为STM32F103RCT6。
6.根据权利要求4所述的一种AGV室外定位导航系统，其特征在于，所述无线串口模块为ATK-LORA-01模块。
7.根据权利要求3所述的一种AGV室外定位导航系统，其特征在于，SINS模块通过捷联惯导系统通过陀螺仪和加速度计采集位置信息和姿态信息数据并进行解算从而输出地理坐标系内速度、经纬高、姿态角。
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