CN112125224B - 一种激光导航叉车的导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光导航叉车的导航系统，包括安装在叉车主体上的激光扫描机构、AGV控制器和驱动模块，还包括安装在货叉支架上的转向视觉模块和安装在叉车主体上的直行视觉模块，其方法为激光扫描机构用于扫描设置在叉车主体行走环境中的靶标，获取叉车主体与靶标之间的定位信号，AGV控制器根据定位信号向转向视觉模块发送叉车主体转弯的视觉跟随驱动信号，直行视觉模块和转向视觉模块用于在叉车主体的四周形成全景视觉扫描区域，来获取叉车主体行走环境中的设定的特征实际位置点与叉车主体的动态位置关系，由AGV控制器分析动态位置关系形成控制驱动模块驱动叉车主体直行和转向运动的控制信号，极大的提高叉车主体的定位、直行和转弯的效率。

Description

一种激光导航叉车的导航系统及方法
技术领域
本发明涉及激光导航叉车技术领域，具体涉及一种激光导航叉车的导航系统及方法。
背景技术
叉车作为一种运输搬运车辆，广泛应用于仓库、工厂车间、港口等流通中心和配送中心，并可进行托盘货物的装卸、搬运作业，是托盘运输、集装箱运输中必不可少的设备。目前市面上主流的叉车AGV均需通过规划固定的应用场景从而实现对目标货物的识别和校准，如通过固定货架扫描二维码的方式，叉车的AGV需要通过磁条、色带等作为导航路径，对于工厂、仓库等场合，需要经常的改动生产线或货架排布，这就为叉车的导航增加了很大的工作量，视觉传感式AGV叉车现有技术不成熟，容易在的叉车行动过程中累积误差，不适合长期使用，这对于仓储行业等要求物品放置具有一定精度无法应用，缩小的自动导航叉车的应用范围，对于末端定位精度要求高，运行路径无固定线路的工作环境，单纯使用无反射板激光导航叉车无法满足末端定位高精度定位导航的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光导航叉车的导航系统及方法，以解决现有技术中的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种激光导航叉车的导航系统，包括安装在叉车主体上的激光扫描机构、AGV控制器和驱动模块，还包括安装在货叉支架上的转向视觉模块和安装在叉车主体上的直行视觉模块，所述激光扫描机构用于扫描设置在叉车主体行走环境中的靶标，获取所述叉车主体与靶标之间的定位信号，所述AGV控制器根据定位信号向所述转向视觉模块发送叉车主体转弯的视觉跟随驱动信号，所述直行视觉模块和所述转向视觉模块用于在叉车主体的四周形成全景视觉扫描区域，来获取叉车主体行走环境中的设定的特征实际位置点与叉车主体的动态位置关系，由AGV控制器分析所述动态位置关系形成控制驱动模块驱动叉车主体直行和转向运动的控制信号。
作为本发明的一种优选方案，所述激光扫描机构通过组合固定支架安装在叉车主体上，所述组合定位支架包括固定在所述叉车主体上的支承座，以及设置在所述支承座上的定点定位支架，以及设置在所述定点定位支架两侧的线路定位支架，所述线路定位支架绕所述定点定位支架在固定角度内往复运动，所述线路定位支架在固定角度内往复运动。
作为本发明的一种优选方案，所述激光扫描机构包括设置在所述定点定位支架上的定点激光收发器，以及设置在所述线路定位支架上的线路激光收发器，所述定点激光收发器用于对叉车主体实时经过的靶标进行扫描定位以获取所述叉车主体的实时位置信息，所述线路激光收发器用于获取所述叉车主体前进路线中的靶标的分布信息来校正叉车主体的的行走路径与特征实际位置点的动态位置关系。
作为本发明的一种优选方案，所述直行视觉模块和所述转向视觉模块在叉车主体的四周形成全景视觉扫描区域中，所述全景视觉扫描区域由安装在叉车主体的前端两侧拐角处的直行视觉模块获取的固定扇形扫描区域和安装在货叉支架末端的转向视觉模块获取的可变扇形扫描区域组成。
作为本发明的一种优选方案，所述转向视觉模块包括通过滑轨安装在所述货叉支架末端的套板体，所述套板体的端部设置有钝角豁口，所述钝角豁口的圆心位置处安装有圆柱体，所述圆柱体表面安装有视觉感知单元；所述圆柱体的下部套装有安装盘座，所述安装盘座通过支架安装有导向辊，所述货叉支架上设置有根据定位信号转动的扭矩电机，所述扭矩电机的输出轴上设置有主动盘，所述主动盘通过两个平行的传动杆连接安装盘座。
作为本发明的一种优选方案，所述直行视觉模块至少包括两个视觉感知单元，所述直行视觉模块通过角度调节装置安装在所述叉车主体上，所述角度调节装置用于分隔或拼接至少两个所述视觉感知单元的扫描区域。
作为本发明的一种优选方案，所述角度调节装置包括固定安装在所述叉车主体上的安装座，以及设置在安装座两侧且与所述叉车主体垂直的视觉限位板，所述安装座和两个所述视觉限位板的拐角顶点处设置有球面座，所述球面座上设置有用于配合至少两个所述视觉感知单元的嵌装槽，至少两个所述视觉感知单元的一端通过铰轴相互铰接，所述视觉感知单元的另一端铰接在所述嵌装槽的内壁上，所述铰轴连接有驱动单元，所述驱动单元用于驱动所述视觉感知单元以所述视觉感知单元铰接所述嵌装槽处为转动轴做圆周转动，以此来分隔或拼接至少两个所述视觉感知单元的扫描区域。
本发明提供了一种激光导航叉车的导航系统的导航方法，包括步骤：
S100、通过线路激光收发器扫描设置在所述叉车主体行走环境中的靶标，获取所述叉车主体与目标位置的靶标之间的定位信号，并利用线路激光收发器同步构建叉车主体在行走环境中的平面坐标系，将定点激光收发器获取目标位置的靶标的路径方向作为动态Y轴叠加在该平面坐标系；
S200、同时通过直行视觉模块和转向视觉模块在叉车主体的四周形成位于该平面坐标系中的全景视觉扫描区域，并利用AGV控制器获取所述叉车主体的驱动模块的运行状态；
S300、AGV控制器根据叉车主体的驱动模块的运行状态信息和叉车主体位于平面坐标系中的位置信息，通过确定的目标位置的定位信号，利用AI算法生成一条最优化路径，通过AGV控制器根据最优化路径控制驱动模块工作，同时利用定点激光收发器获取目标位置的靶标的路径方向作为动态Y轴，在驱动模块工作过程中不断校正驱动模块的运行角度和速度，驱动叉车主体行驶至目标位置，实现导航目的。
作为本发明的一种优选方案，所述直行视觉模块和转向视觉模块，在叉车主体直行行驶时采集以叉车主体的行走环境中的货架与路径边缘新型轮廓作为实际位置点的数据信息，在叉车主体转弯行驶时，转向视觉模块则采集以货架线性轮廓作为实际位置点的数据信息。
作为本发明的一种优选方案，在叉车主体处于前进或后退的运行状态时，直行视觉模块和转向视觉模块动态获取叉车主体周围环境中设置的实际位置点与叉车主体的对应关系，得到针对每个扫描区域的单应性矩阵，利用位于叉车主体前行方向上扫描区域内图像的帧间差分获取叉车主体的前景像素区域，对前景像素区域中的叉车周围环境进行实际位置点的提取，通过叉车主体前行方向上扫描区域的实际位置点与位于叉车主体两侧的扫描区域获取的实际位置点进行关系对应，从而校正叉车主体的定位、移动速度。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
本发明在通过线路激光收发器获取所述叉车主体与目标位置的靶标之间的定位信号，同步构建叉车主体在行走环境中的平面坐标系，将定点激光收发器获取目标位置的靶标的路径方向作为动态Y轴叠加在该平面坐标系；同时通过直行视觉模块和转向视觉模块在叉车主体的四周形成位于该平面坐标系中的全景视觉扫描区域的方式进行激光雷达技术和视觉检测技术的结合，极大的提高叉车主体的定位、直行和转弯的精准度和运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例提供叉车主体的结构示意图；
图2为本发明实施例提供直行视觉模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供转向视觉模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供导向辊的安装结构示意图；
图5为本发明实施例提供套板体横剖面俯视结构示意图；
图6为本发明实施例提供驱动单元驱动至少两个视觉感知单元完成变形的结构示意图。
图中的标号分别表示如下：
1-激光扫描机构；2-AGV控制器；3-转向视觉模块；4-直行视觉模块；5-组合固定支架；6-靶标；7-角度调节装置；8-货叉支架；9-叉车主体；
301-滑轨；302-套板体；303-钝角豁口；304-圆柱体；305-视觉感知单元；306-安装盘座；307-支架；308-导向辊；309-扭矩电机；310-主动盘；311-传动杆；
501-支承座；502-定点定位支架；503-线路定位支架；
701-安装座；702-视觉限位板；703-球面座；704-嵌装槽；705-铰轴；706-驱动单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图6所示，本发明提供了一种激光导航叉车的导航系统，包括安装在叉车主体9上的激光扫描机构1、AGV控制器2和驱动模块，其特征在于，还包括安装在货叉支架8上的转向视觉模块3和安装在叉车主体9上的直行视觉模块4，激光扫描机构1用于扫描设置在叉车主体行走环境中的靶标6，获取叉车主体与靶标6之间的定位信号，AGV控制器2根据定位信号向转向视觉模块3发送叉车主体9转弯的视觉跟随驱动信号，直行视觉模块4和转向视觉模块3用于在叉车主体9的四周形成全景视觉扫描区域，来获取叉车主体行走环境中的设定的特征实际位置点与叉车主体9的动态位置关系，由AGV控制器2分析动态位置关系形成控制驱动模块驱动叉车主体9直行和转向运动的控制信号。
在实际的激光导航叉车的工作过程中具体的实现方式包括：
在直线行驶过程中，处于前进状态或后退状态时，需要转向视觉模块和直行视觉模块，同步工作，；
其中，在无辅助标识的无线导航中，可以通过位于两侧的视觉检测，获取叉车主体位于工作环境中的精确定位，而位于叉车主体1前进方向上的扫描面，则可以实时配合。
进一步地，利用位于叉车主体1两侧的扫描区域5获取，位于叉车主体1两侧底面或周围环境中实际位置点与叉车主体1的对应关系，得到针对每个扫描区域5的单应性矩阵；
利用位于叉车主体1前行方向上扫描区域5内图像的帧间差分获取叉车主体1的前景像素区域，对前景像素区域中的叉车周围环境进行实际位置点的提取，通过叉车主体1前行方向上扫描区域5的实际位置点与位于叉车主体1两侧的扫描区域5获取的实际位置点进行关系对应，从而快速获得叉车主体1的定位、移动速度。
激光扫描机构1通过组合固定支架5安装在叉车主体9上，组合定位支架5包括固定在叉车主体9上的支承座501，以及设置在支承座501上的定点定位支架502，以及设置在定点定位支架502两侧的线路定位支架503，线路定位支架503绕定点定位支架502在固定角度内往复运动，线路定位支架503在固定角度内往复运动。
激光扫描机构1包括设置在定点定位支架上的定点激光收发器101，以及设置在线路定位支架503上的线路激光收发器102，定点激光收发器101用于对叉车主体9实时经过的靶标6进行扫描定位以获取叉车主体9的实时位置信息，线路激光收发器102用于获取叉车主体9前进路线中的靶标6的分布信息来校正叉车主体9的的行走路径与特征实际位置点的动态位置关系。
直行视觉模块4和转向视觉模块3在叉车主体9的四周形成全景视觉扫描区域中，全景视觉扫描区域由安装在叉车主体9的前端两侧拐角处的直行视觉模块4获取的固定扇形扫描区域和安装在货叉支架8末端的转向视觉模块3获取的可变扇形扫描区域组成。
在转弯导航行驶的过程中，转向视觉模块3包括通过滑轨301安装在货叉支架8末端的套板体302，套板体302的端部设置有钝角豁口303，钝角豁口303的圆心位置处安装有圆柱体304，圆柱体304表面安装有视觉感知单元305；圆柱体304的下部套装有安装盘座306，安装盘座306通过支架307安装有导向辊308，货叉支架8上设置有根据定位信号转动的扭矩电机309，扭矩电机309的输出轴上设置有主动盘310，主动盘310通过两个平行的传动杆311连接安装盘座306。
在货叉支架上的货物尺寸超出货叉支架时，或货物遮挡转向视觉模块3时，两个传动杆311同时做伸长动作，使得套板体302沿所述滑轨301座直线运动，进行位置的调节；
在叉车主体进行转弯动作时，扭矩电机309接收线路激光收发器102获取的叉车主体9的目标位置的定位角度信息，配合叉车主体9的转向速度，提前进行扭矩电机309的工作，扭矩电机309转动将带动主动盘310的转动进而通过两个传动杆311实现对安装盘座306的转动传动，使安装盘座306与主动盘310进行同步的转动，将叉车主体9的转弯动作传动至导向辊308和圆柱体304，进而，使位于圆柱体306上的视觉感知单元305扫描目标位置的环境信息。
直行视觉模块4至少包括两个视觉感知单元305，直行视觉模块4通过角度调节装置7安装在叉车主体9上，角度调节装置7用于分隔或拼接至少两个视觉感知单元305的扫描区域。
以视觉感知单元305的数量为两个为例，并且两个视觉感知单元305位于同一直线上，两个视觉感知单元305铰接在一起，角度调节装置7包括固定安装在叉车主体9上的安装座701，以及设置在安装座701两侧且与叉车主体9垂直的视觉限位板702，安装座701和两个视觉限位板702的拐角顶点处设置有球面座703，球面座703上设置有用于配合至少两个视觉感知单元305的嵌装槽704，至少两个视觉感知单元305的一端通过铰轴705相互铰接，视觉感知单元305的另一端铰接在嵌装槽704的内壁上，铰轴705连接有驱动单元706，驱动单元706用于驱动视觉感知单元305以视觉感知单元305铰接嵌装槽704处为转动轴做圆周转动，以此来分隔或拼接至少两个视觉感知单元305的扫描区域。
在叉车主体直线导航行驶过程中，位于叉车主体两侧的感知单元均发生折叠的圆周转动，使得两个视觉感知单元305形成重叠的视觉感知区，来实现对货架与路径边缘新型轮廓作为实际位置点的数据信息聚焦。
此时两个视觉感知单元305折叠成一定的角度，使得两个视觉感知单元305的扫描区域分开，从视觉感知单元305的物理机械结构上进行叉车主体行驶环境中的货架和路径边缘，或货架的轮廓进行聚焦，同时在位于叉车主体9两侧的视觉感知单元305同时发生上述的动作时，必然有两个视觉感知单元305的图像采集范围重叠，有两个视觉感知单元305的图像采集范围呈平行状态。
在叉车主体进行转弯的过程中，则利用两个视觉感知单元305的平行状态进行图像采集，同时在转弯的过程中，通过控制驱动单元706调节两个视觉感知单元305的折叠角度，实现转弯过程中的随动，进而实现转弯过程中的目标位置处的货架和路径的聚焦。
本发明提供了一种根据上述的激光导航叉车的导航系统的导航方法，包括步骤：
S100、通过线路激光收发器扫描设置在所述叉车主体行走环境中的靶标，获取所述叉车主体与目标位置的靶标之间的定位信号，并利用线路激光收发器同步构建叉车主体在行走环境中的平面坐标系，将定点激光收发器获取目标位置的靶标的路径方向作为动态Y轴叠加在该平面坐标系；
S200、同时通过直行视觉模块和转向视觉模块在叉车主体的四周形成位于该平面坐标系中的全景视觉扫描区域，并利用AGV控制器获取所述叉车主体的驱动模块的运行状态；
S300、AGV控制器根据叉车主体的驱动模块的运行状态信息和叉车主体位于平面坐标系中的位置信息，通过确定的目标位置的定位信号，利用AI算法生成一条最优化路径，通过AGV控制器根据最优化路径控制驱动模块工作，同时利用定点激光收发器获取目标位置的靶标的路径方向作为动态Y轴，在驱动模块工作过程中不断校正驱动模块的运行角度和速度，驱动叉车主体行驶至目标位置，实现导航目的。
所述直行视觉模块和转向视觉模块，在叉车主体直行行驶时采集以叉车主体的行走环境中的货架与路径边缘新型轮廓作为实际位置点的数据信息，在叉车主体转弯行驶时，转向视觉模块则采集以货架线性轮廓作为实际位置点的数据信息。
在叉车主体处于前进或后退的运行状态时，直行视觉模块和转向视觉模块动态获取叉车主体周围环境中设置的实际位置点与叉车主体的对应关系，得到针对每个扫描区域的单应性矩阵，利用位于叉车主体前行方向上扫描区域内图像的帧间差分获取叉车主体的前景像素区域，对前景像素区域中的叉车周围环境进行实际位置点的提取，通过叉车主体前行方向上扫描区域的实际位置点与位于叉车主体两侧的扫描区域获取的实际位置点进行关系对应，从而校正叉车主体的定位、移动速度。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (6)

1.一种激光导航叉车的导航系统，包括安装在叉车主体(9)上的激光扫描机构(1)、AGV控制器(2)和驱动模块，其特征在于，还包括安装在货叉支架(8)上的转向视觉模块(3)和安装在叉车主体(9)上的直行视觉模块(4)，所述激光扫描机构(1)用于扫描设置在叉车主体行走环境中的靶标(6)，获取所述叉车主体与靶标(6)之间的定位信号，所述AGV控制器(2)根据定位信号向所述转向视觉模块(3)发送叉车主体(9)转弯的视觉跟随驱动信号，所述直行视觉模块(4)和所述转向视觉模块(3)用于在叉车主体(9)的四周形成全景视觉扫描区域，来获取叉车主体行走环境中的设定的特征实际位置点与叉车主体(9)的动态位置关系，由AGV控制器(2)分析所述动态位置关系形成控制驱动模块驱动叉车主体(9)直行和转向运动的控制信号；
所述激光扫描机构(1)通过组合固定支架(5)安装在叉车主体(9)上，所述组合定位支架(5)包括固定在所述叉车主体(9)上的支承座(501)，以及设置在所述支承座(501)上的定点定位支架(502)，以及设置在所述定点定位支架(502)两侧的线路定位支架(503)，所述线路定位支架(503)绕所述定点定位支架(502)在固定角度内往复运动，所述线路定位支架(503)在固定角度内往复运动；
所述激光扫描机构(1)包括设置在所述定点定位支架上的定点激光收发器(101)，以及设置在所述线路定位支架(503)上的线路激光收发器(102)，所述定点激光收发器(101)用于对叉车主体(9)实时经过的靶标(6)进行扫描定位以获取所述叉车主体(9)的实时位置信息，所述线路激光收发器(102)用于获取所述叉车主体(9)前进路线中的靶标(6)的分布信息来校正叉车主体(9)的行走路径与特征实际位置点的动态位置关系；
所述直行视觉模块(4)和所述转向视觉模块(3)在叉车主体(9)的四周形成全景视觉扫描区域中，所述全景视觉扫描区域由安装在叉车主体(9)的前端两侧拐角处的直行视觉模块(4)获取的固定扇形扫描区域和安装在货叉支架(8)末端的转向视觉模块(3)获取的可变扇形扫描区域组成；
所述转向视觉模块(3)包括通过滑轨(301)安装在所述货叉支架(8) 末端的套板体(302)，所述套板体(302)的端部设置有钝角豁口(303)，所述钝角豁口(303)的圆心位置处安装有圆柱体(304)，所述圆柱体(304)表面安装有视觉感知单元(305)；所述圆柱体(304)的下部套装有安装盘座(306)，所述安装盘座(306)通过支架(307)安装有导向辊(308)，所述货叉支架(8)上设置有根据定位信号转动的扭矩电机(309)，所述扭矩电机(309)的输出轴上设置有主动盘(310)，所述主动盘(310)通过两个平行的传动杆(311)连接安装盘座(306)。
2.根据权利要求1所述的一种激光导航叉车的导航系统，其特征在于，所述直行视觉模块(4)至少包括两个视觉感知单元(305)，所述直行视觉模块(4)通过角度调节装置(7)安装在所述叉车主体(9)上，所述角度调节装置(7)用于分隔或拼接至少两个所述视觉感知单元(305)的扫描区域。
3.根据权利要求2所述的一种激光导航叉车的导航系统，其特征在于，所述角度调节装置(7)包括固定安装在所述叉车主体(9)上的安装座(701)，以及设置在安装座(701)两侧且与所述叉车主体(9)垂直的视觉限位板(702)，所述安装座(701)和两个所述视觉限位板(702)的拐角顶点处设置有球面座(703)，所述球面座(703)上设置有用于配合至少两个所述视觉感知单元(305)的嵌装槽(704)，至少两个所述视觉感知单元(305)的一端通过铰轴(705)相互铰接，所述视觉感知单元(305)的另一端铰接在所述嵌装槽(704)的内壁上，所述铰轴(705)连接有驱动单元(706)，所述驱动单元(706)用于驱动所述视觉感知单元(305)以所述视觉感知单元(305)铰接所述嵌装槽(704)处为转动轴做圆周转动，以此来分隔或拼接至少两个所述视觉感知单元(305)的扫描区域。
4.一种根据权利要求1-3任意一项所述的激光导航叉车的导航系统的导航方法，其特征在于，包括步骤：
S100、通过线路激光收发器扫描设置在所述叉车主体行走环境中的靶标，获取所述叉车主体与目标位置的靶标之间的定位信号，并利用线路激光收发器同步构建叉车主体在行走环境中的平面坐标系，将定点激光收发器获取目标位置的靶标的路径方向作为动态Y轴叠加在该平面坐标系；
S200、同时通过直行视觉模块和转向视觉模块在叉车主体的四周形成位于该平面坐标系中的全景视觉扫描区域，并利用AGV控制器获取所述叉车主体的驱动模块的运行状态；
S300、AGV控制器根据叉车主体的驱动模块的运行状态信息和叉车主体位于平面坐标系中的位置信息，通过确定的目标位置的定位信号，利用AI算法生成一条最优化路径，通过AGV控制器根据最优化路径控制驱动模块工作，同时利用定点激光收发器获取目标位置的靶标的路径方向作为动态Y轴，在驱动模块工作过程中不断校正驱动模块的运行角度和速度，驱动叉车主体行驶至目标位置，实现导航目的。
5.根据权利要求4所述的一种激光导航叉车的导航方法，其特征在于，所述直行视觉模块和转向视觉模块，在叉车主体直行行驶时采集以叉车主体的行走环境中的货架与路径边缘新型轮廓作为实际位置点的数据信息，在叉车主体转弯行驶时，转向视觉模块则采集以货架线性轮廓作为实际位置点的数据信息。
6.根据权利要求5所述的一种激光导航叉车的导航方法，其特征在于，在叉车主体处于前进或后退的运行状态时，直行视觉模块和转向视觉模块动态获取叉车主体周围环境中设置的实际位置点与叉车主体的对应关系，得到针对每个扫描区域的单应性矩阵，利用位于叉车主体前行方向上扫描区域内图像的帧间差分获取叉车主体的前景像素区域，对前景像素区域中的叉车周围环境进行实际位置点的提取，通过叉车主体前行方向上扫描区域的实际位置点与位于叉车主体两侧的扫描区域获取的实际位置点进行关系对应，从而校正叉车主体的定位、移动速度。
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