CN111679292B - 一种用于agv小车激光导航的相对定位方法 - Google Patents

一种用于agv小车激光导航的相对定位方法 Download PDF

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Abstract

一种用于AGV小车激光导航的相对定位方法，包括有AVG小车以及激光雷达，包括有：S1、激光雷达扫描周围环境，获所距离以及角度信息获得周围环境的边界图形；S2、建立AVG小车在边界图形内的局部直角坐标系；S3、获得边界图形的重心点，将重心点记为P(X，Y)；S4、获得边界图形对于重心点的惯量矩阵，获得相邻时刻下AGV小车所在位置的方向角变化量；S5、将后一时刻的AGV小车正方向旋转到与前一时刻AGV小车正方向一致；S6、获得旋转后一时刻边界图形的重心位置坐标，然后将两相邻时刻的重心位置坐标相减得到相对位移，通过采用相对定位方法实现AGV小车不依靠反光板的设置实现自身在室内空间内的定位以及导航，减少了在室内设置多个反光板所占据的空间。

Description

一种用于AGV小车激光导航的相对定位方法
技术领域
本发明涉及AGV高精度定位技术领域，具体涉及一种用于AGV小车激光导航的相对定位方法。
背景技术
激光雷达技术广泛应用在AGV、无人驾驶等领域，基于激光雷达技术的AGV凭借其较高的稳定性，较高的定位精度，以及对场景依赖性小的特性，广泛应用在货物运输、快递运输等领域。激光雷达主要应用于AGV的自身定位，目前主流的定位方式是基于反光板的三角定位算法。
申请号为CN201910326851.8的中国专利公开了一种激光导航AGV的高精度定位方法，基于卡尔曼滤波的算法来提高定位的稳定性，解决AGV小车在运动过程中定位的延时性，这极大地提高了AGV的运行速度。
但是在相对封闭的室内反光板的设置会占据室内的空间，影响对室内空间的利用，现有技术存在改进之处。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于AGV小车激光导航的相对定位方法，提供了在室内封闭环境下不使用反光板作为参考点的相对定位方法，消除了设置在室内的反光板，提高对室内空间的利用率。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于AGV小车激光导航的相对定位方法，包括有AVG小车以及激光雷达，其特征在于，包括有以下步骤：
S1、所述激光雷达扫描周围环境，根据激光雷达所取得的距离以及角度信息获得周围环境的边界图形；
S2、建立AVG小车在边界图形内的局部直角坐标系；
S3、获得边界图形的重心点，将重心点记为P(X，Y)；
S4、获得边界图形对于重心点的惯量矩阵，获得相邻时刻下AGV小车所在位置的方向角变化量；
S5、将后一时刻的AGV小车正方向旋转到与前一时刻AGV小车正方向一致；
S6、获得旋转后一时刻边界图形的重心位置坐标，然后将两相邻时刻的重心位置坐标相减就即可得到两相邻时刻的相对位移。
本发明进一步设置为：其中所述S2中建立如下的局部直角坐标系，
Figure BDA0002555343730000021
其中，l为激光雷达到边界图形之间的距离，θ为对应的角度信息。
本发明进一步设置为：其中所述S3中获得边界图形的重心点的具体步骤包括有：
A1、在边界图形内任取一确定的空间直角坐标系O-xy，则边界图形可微元出i个质点，每个质点对应各自坐标(xi，yi)及质量mi；
A2、令M＝m1+m2+…+mi，该边界图形的重心为P(X，Y)；
则有：X＝(x1m1+x2m2+…+ximi)/M；Y＝(y1m1+y2m2+…+yimi)/M；
A3、其中0点为激光雷达所在位置，A点为其中一个扫描点，β为角分辨率，θi表示的是第i个点的角度信息，l为激光雷达测得的A点到激光雷达的位置距离，设A′为等腰三角形的重心位置，A′与O点之间的距离为2/3S，则有
Figure BDA0002555343730000022
Figure BDA0002555343730000023
质量权重用三角形的面积来表示：
Figure BDA0002555343730000024
将xi、yi、mi代入所述A2中即可得到重心P的坐标。
本发明进一步设置为：其中，所述S4中惯量矩阵的求取具体包括以下步骤：
B1、将激光雷达扫描得到的边界图形看作刚体，将每个扫描点看作质点，根据转动惯量公式：
Figure BDA0002555343730000025
Figure BDA0002555343730000026
Figure BDA0002555343730000027
其中，(xi，yi)是将坐标系平移到以重心为坐标原点下各点的坐标值并建立参考直角坐标系，可以得到分别绕参考直角坐标系下x轴、y轴的转动惯量；
B2、得到该体系对于重心的惯量矩阵：
Figure BDA0002555343730000028
B3、得到了惯量主轴以及惯量主轴与坐标轴之间的夹角，其中特征向量表示的是长短轴在参考直角坐标系中的方向，得到获得相邻时刻下两个边界图形的相对旋转角度。
本发明进一步设置为：其中所述S6中包括有：所述位移变化量的求取将后一时刻的AGV小车正方向旋转到与前一时刻AGV小车正方向一致，再次根据所述S4求出旋转后后一时刻边界图形的重心位置坐标(X‘2，Y‘2)，然后将后一时刻边界图形的重心位置坐标与S3中得到的前一时刻的重心位置坐标(X1，Y1)相减就可得到两时刻的相对位移Δx＝X1-X2‘；Δy＝Y1-Y‘2。
综上所述，本发明具有以下效果：
通过采用相对定位方法实现AGV小车不依靠反光板的设置实现自身在室内空间内的定位以及导航，减少了在室内设置多个反光板所占据的空间，大大提高了室内空间的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为激光雷达扫描示意图；
图2为边界图形示意图；
图3为相对定位方法的流程图；
图4为质量权重求取示意图；
图5为旋转后的两时刻重心示意图；
图6为惯量主轴示意图；
图7为坐标转换示意图。
图中：1、AGV小车；2、激光雷达。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图4所示，一种用于AGV小车激光导航的相对定位方法，包括有AVG小车以及激光雷达，包括有以下步骤：
S1、激光雷达扫描周围环境，根据激光雷达所取得AGV小车与周围环境的距离以及角度信息获得周围环境的边界图形；
S2、建立AVG小车在边界图形内的局部直角坐标系，以AVG小车所在位置为O点建立O-xy坐标系；
S3、获得边界图形的重心点，将重心点记为P(X，Y)；
S4、获得边界图形对于重心点的惯量矩阵，获得相邻时刻下AGV小车所在位置的方向角变化量；
S5、将后一时刻的AGV小车正方向旋转到与前一时刻AGV小车正方向一致；
S6、获得旋转后一时刻边界图形的重心位置坐标，然后将其与中得到的前一时刻的重心位置坐标相减就可得到两时刻的相对位移。
进一步的，其中在S2中建立如下的局部直角坐标系：
Figure BDA0002555343730000041
其中，l为激光雷达到边界图形之间的距离，θ为对应的角度信息。
结合图4所示，其中S3中获得边界图形的重心点的具体步骤包括有：
A1、在边界图形内任取一确定的空间直角坐标系O-xy，则边界图形可微元出i个质点，每个质点对应各自坐标(xi，yi)及质量mi；
A2、令M＝m1+m2+…+mi，该边界图形的重心为P(X，Y)；
则有：X＝(x1m1+x2m2+…+ximi)/M；Y＝(y1m1+y2m2+…+yimi)/M；
A3、其中0点为激光雷达所在位置，A点为其中一个扫描点，β为角分辨率，θi表示的是第i个点的角度信息，激光雷达扫描四周360°环境，会得到n个点。可对激光雷达的角分辨率进行设置，若角分辨率β为0.25°，会得到(360/0.25＝1440)个点；若角分辨率β为0.15°，会得到(360/0.25＝2400)个点，以角分辨率为0.15°为例，扫描到2400个点，第一个点(L1，θ1)，第二个点(L2，θ2)……。在实际扫描中两个点之间的角度差θ2-θ1≈角分辨率β为0.15°；l为激光雷达测得的A点到激光雷达的位置距离，设A′为等腰三角形的重心位置，A′与0点之间的距离为2/3S，则有
Figure BDA0002555343730000042
Figure BDA0002555343730000043
质量权重用三角形的面积来表示：
Figure BDA0002555343730000044
将xi、yi、mi代入A2中即可得到重心P的坐标。
结合图5、图6和图7所示，其中，S4中惯量矩阵的求取具体包括以下步骤：
B1、将激光雷达扫描得到的边界图形看作刚体，将每个扫描点看作质点，根据转动惯量公式：
Figure BDA0002555343730000051
Figure BDA0002555343730000052
Figure BDA0002555343730000053
其中，(xi，yi)是将坐标系平移到以重心为坐标原点下各点的坐标值并建立参考直角坐标系，可以得到分别绕参考直角坐标系下x轴、y轴的转动惯量；
参考直角坐标系与局部直角坐标系的关系是：局部直角坐标系的原点是激光雷达，参考直角坐标系的原点是边界图形的中心，两者的x轴平行，y轴平行；
B2、得到该体系对于重心的惯量矩阵：
Figure BDA0002555343730000054
B3、得到了惯量主轴以及惯量主轴与坐标轴之间的夹角，其中特征向量表示的是长短轴在参考直角坐标系中的方向，得到获得相邻时刻下两个边界图形的相对旋转角度。
T1时刻的惯量矩阵为I1，T2时刻的惯量矩阵为I2。可得到I1的特征向量为V1，D1。
I2的特征向量为V2，D2。利用特征向量可得到相对旋转角度：V1＝(V11，V12)，V2＝(V21，V22)，根据三角函数可以得到：A1＝arctan(V11/V12)A2＝arctan(V21/V22)，则有：旋转角度为ΔA＝A2-A1。
在转动后边界图形的坐标位置也随之发生了改变，即角度由θ变为了(θ-ΔA)，在求重心坐标的时候公式为：
Figure BDA0002555343730000055
Figure BDA0002555343730000056
Figure BDA0002555343730000057
(质量权重不变)
其中所述S6中包括有：所述位移变化量的求取将后一时刻的AGV小车正方向旋转到与前一时刻AGV小车正方向一致，再次根据所述S4求出旋转后后一时刻边界图形的重心位置坐标(X‘2，Y‘2)，然后将后一时刻边界图形的重心位置坐标与S3中得到的前一时刻的重心位置坐标(X1，Y1)相减就可得到两时刻的相对位移Δx＝X1-X‘2；Δy＝Y1-Y‘2。
应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于AGV小车激光导航的相对定位方法，包括有AGV小车以及激光雷达，其特征在于，包括有以下步骤：
S1、所述激光雷达扫描周围环境，根据激光雷达所取得的距离以及角度信息获得周围环境的边界图形；
S2、建立AGV小车在边界图形内的局部直角坐标系；
S3、获得边界图形的重心点，将重心点记为P(X,Y)；
S4、获得边界图形对于重心点的惯量矩阵，获得相邻时刻下AGV小车所在位置的方向角变化量；
S5、将后一时刻的AGV小车的正方向旋转到与前一时刻AGV小车的正方向一致；
S6、获得旋转后后一时刻边界图形的重心位置坐标，然后将两相邻时刻的重心位置坐标相减就即可得到两相邻时刻的相对位移；
其中，所述S3中获得边界图形的重心点的具体步骤包括有：
A1、在边界图形内任取一确定的空间直角坐标系O-xy，则边界图形可微元出i个质点，每个质点对应各自坐标(xi,yi)及质量mi；
A2、令M＝m1+m2+…+mi，该边界图形的重心为P(X,Y)；
则有：X＝(x1m1+x2m2+…+ximi)/M；Y＝(y1m1+y2m2+…+yimi)/M；
A3、其中O点为激光雷达所在位置，A点为其中一个扫描点，β为角分辨率，θi表示的是第i个点的角度信息，li为激光雷达测得的第i个A点到激光雷达的位置距离，设A＇为等腰三角形的重心位置，A＇与O点之间的距离为2/3li，则有
Figure FDA0004059524060000011
Figure FDA0004059524060000012
质量权重用三角形的面积来表示：
Figure FDA0004059524060000013
将xi、yi、mi代入所述A2中即可得到重心P的坐标。
2.根据权利要求1所述的相对定位方法，其特征在于，其中所述S2中建立如下的局部直角坐标系，
Figure FDA0004059524060000014
其中，l为激光雷达到边界图形之间的距离，θ为对应的角度信息。
3.根据权利要求1所述的相对定位方法，其特征在于，其中，所述S4中惯量矩阵的求取具体包括以下步骤：
B1、将激光雷达扫描得到的边界图形看作刚体，将每个扫描点看作质点，根据转动惯量公式：
Figure FDA0004059524060000021
Figure FDA0004059524060000022
Figure FDA0004059524060000023
其中，(x′i,y′i)是将所述局部直角坐标系平移到以重心为坐标原点下各点的坐标值并建立参考直角坐标系，可以得到分别绕参考直角坐标系下x轴、y轴的转动惯量；
B2、得到所述参考直角坐标系对于重心的惯量矩阵：
Figure FDA0004059524060000024
B3、得到了惯量主轴以及惯量主轴与坐标轴之间的夹角，其中特征向量表示的是惯量主轴在参考直角坐标系中的方向，得到获得相邻时刻下两个边界图形的相对旋转角度。
4.根据权利要求3所述的相对定位方法，其特征在于，其中在所述S6中，所述位移变化量的求取包括：在将后一时刻的AGV小车的正方向旋转到与前一时刻AGV小车的正方向一致后，再次根据所述S3求出旋转后后一时刻边界图形的重心位置坐标(X′2，Y′2)，然后将后一时刻边界图形的重心位置坐标与S3中得到的前一时刻的重心位置坐标(X1，Y1)相减就可得到两时刻的相对位移Δx＝X1-X′2；Δy＝Y1-Y′2。
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