CN112504187A - 一种应用于移动测量的自主导航系统和方法 - Google Patents

一种应用于移动测量的自主导航系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于移动测量的自主导航系统和方法，包括测量设备和跟踪设备，所述测量设备上设有靶标，所述跟踪设备上设有标定测量器，所述标定测量器用于测量所述测量设备上的靶标，在移动中可实时测量靶标相对于标定测量器的位置和姿态。本发明依靠两辆agv的交互，由局部坐标系产生全局坐标系指导agv自主导航，无需预先建立全局的参考系，不仅灵活性强，而且能大大提高导航精度；本发明可广泛应用于工业物流，实现大尺寸工件的移动测量，减少在大型作业环境中的成本，提高生产效率。

Description

一种应用于移动测量的自主导航系统和方法
技术领域
本发明属于导航技术领域，尤其是涉及一种应用于移动测量的自主导航系统和方法。
背景技术
近几十年来，远距离高精度大量程的大尺寸坐标测量系统在航空航天、汽车造船、水力电力、钢铁、交通运输等工业领域中有着广泛的需求。随着大型装备制造业的发展，用户对产品质量控制的要求也在不断提高，工业产品设计和制造技术不断革新，工业现场大尺寸测量逐渐呈现出测量环境复杂、测量对象多样、测量过程自动化和测量功能综合化的特点，传统的大尺寸测量系统需要构造覆盖全局的参考点来实现导航，传统方法建造成本高，并且精度受限。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种应用于移动测量的自主导航系统，以实现在大尺寸测量中的自主导航。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种应用于移动测量的自主导航系统，包括测量设备和跟踪设备，所述测量设备上设有靶标，所述跟踪设备上设有标定测量器，所述标定测量器用于测量所述测量设备上的靶标，在移动中可实时测量靶标相对于标定测量器的位置和姿态。
进一步的，所述标定测量器为单目相机。
进一步的，所述靶标与测量设备固定连接。
进一步的，所述标定测量器与跟踪设备固定连接。
进一步的，所述测量设备和跟踪设备为AGV导航小车。
本发明的另一目的在于提出一种应用于移动测量的自主导航方法，具体包括如下步骤：
(1)测量前，建立初始坐标系，以及测量设备相对于初始坐标系的初始路径坐标；
(2)提前标定跟踪设备在初始坐标系中的坐标及姿态的初值，建立初始坐标系与跟踪设备坐标系的转换关系；
(3)测量时，在移动中建立跟踪设备坐标系与测量设备坐标系的转换关系；
(4)通过步骤(2)和(3)的转换关系得到初始坐标系与测量设备坐标系的转换关系，指导测量设备进行自主导航。
进一步的，初始坐标系与跟踪设备坐标系的转换关系用矩阵TOB表示，跟踪设备坐标系与测量设备坐标系的转换关系用矩阵TBC表示，则TOB与TBC相乘可得初始坐标系与测量设备坐标系的转换关系矩阵TOC。
进一步的，所述方法还包括，当测量设备运动时，跟踪设备保持静止，以标定测量器所测得的测量设备在跟踪设备坐标系下的坐标作为实时反馈，对测量设备的运动实现闭环控制。
进一步的，所述方法还包括，当跟踪设备运动时，测量设备静止，通过初始坐标系与跟踪设备坐标系的转换关系以及跟踪设备坐标系与测量设备坐标系的转换关系，得到跟踪设备在初始坐标系下的实时坐标，以这个坐标为反馈，实现对跟踪设备的运动的闭环控制。
相对于现有技术，本发明所述的一种应用于移动测量的自主导航系统和方法具有以下优势：
(1)本发明依靠两辆agv的交互，由局部坐标系产生全局坐标系指导agv自主导航，无需预先建立全局的参考系，不仅灵活性强，而且能大大提高导航精度；
(2)本发明可广泛应用于工业物流，实现大尺寸工件的移动测量，减少在大型作业环境中的成本，提高生产效率。
利用自主导航系统和方法可以实现测量大尺寸物体且不需重新构建坐标系的方法，做到采用中转站方式的移动测量不需要提前人工设置标定点，即可达到对物体的毫米级精度测量。
利用自主导航系统实现大尺寸物体移动测量的中转站方法，其包括标定测量器和移动测量器；所述标定测量器和移动测量器均为可获取物体形态信息的设备，移动测量器获取大尺寸物体形态信息的设备，在自主导航系统中为靶标作用；
自动导航方法中测量设备坐标系和跟踪设备坐标系的构建实体分别替换成测量设备上的靶标和跟踪设备上的标定测量器；
步骤一，根据被测量大尺寸物体的形状，将标定测量器放置在可测量待测物体的位置，建立初始坐标系，将此时的标定测量器所在位置作为初始坐标系原始零点并且作为标定测量器的初始测量位置；
步骤二，根据被测量的大尺寸物体的形状设计移动测量器的移动轨迹，使得移动测量器沿待测物体边缘进行闭环移动，根据移动测量器到初始坐标系的映射关系，获取待测物体边缘多处的坐标，利用自主导航方法，获知对应设计标定测量器的移动轨迹；
具体方法：已知初始坐标系与标定测量器移动后所在位置坐标系的转换关系即为自主导航方法中TOB，通过移动测量器获知标定测量器与其相对位置，相当于自主导航方法中转换关系矩阵TBC，根据转换关系得到移动测量器所在位置相对于初始坐标系的转换关系为TOC；
如出现移动测量器所在位置脱离标定测量器测量范围，进入步骤三；
步骤三，当移动测量器移动到标定测量器检测不到位置处时，标定测量器开始移动直至检测到此位置，此时根据步骤二中已知坐标建立初始坐标系与标定测量器移动后所在位置的坐标系的转换关系，根据转换关系得到原先标定测量器检测不到的移动测量器移动位置的坐标。
进一步的，步骤三，当移动测量器移动到标定测量器检测不到位置处，定义该位置为遮蔽位置，选择一个可测量到的位置定义为转折位置；
首先，获取转折位置在初始坐标系中的坐标C；
而后，将标定测量器移至同时可测量到转折位置与遮蔽位置的位置，标定测量器在移动后以其自身为原点建立移动坐标系；获取转折位置在移动坐标系中的坐标C，，通过矩阵转化计算得到坐标C到坐标C，的转换矩阵T，即得到初始坐标系与标定测量器移动后所在位置的坐标系的转换关系；
步骤四，遮蔽位置的坐标均可在获得移动坐标系中坐标后通过转换矩阵T转化成遮蔽位置在初始坐标系中的坐标。
进一步的，步骤三中转折位置定义为标定测量器位于原始位置时最后一次可测量到的移动测量器位置。此位置定义主要是为了规避待测物体为不规则物体而产生的边缘差异。
进一步的，步骤一中首先评估待测物体测量形态，将标定测量器放置在可获取待测物体边缘位置最多的位置，此位置作为初始坐标系原始零点位置。这样可提供整体测量的精确度，通过转化关系得到的坐标点越多，准确度越高。
进一步的，步骤二中获取待测物体边缘多处的坐标选取方式为移动测量器位于待测物体两个相邻交汇边缘的交点处则记录其在初始坐标系中的坐标。选取交汇点是有效节省坐标选取点的次数，相邻交汇点之间的映射关系可以很好体现了两者之间待测物体的边缘变换。
进一步的，步骤二中初始坐标系的坐标获取顺序为沿着待测物体边缘顺时针或者逆时针移动依次获得。
进一步的，步骤三中转换关系是通过转换矩阵得到，转换矩阵包括旋转矩阵和平移矩阵。
进一步的，可获取物体形态信息的设备为获取物体位置或者姿态等客观数据信息的设备，优选单目/双目相机。
进一步的，所述标定测量器为单目相机，且单目相机搭载在自动导引装置上，即为自主导航系统中的跟踪设备。
进一步的，所述移动测量器为双目相机，且双目相机搭载在自动导引装置上，即为自主导航系统中的测量设备。
相对于现有技术，本发明创造所述的利用自主导航系统实现大尺寸物体移动测量的中转站方法具有以下优势：
(1)本发明所述的根据标定测量器与移动测量器的交互移动实现了无需设立其他标定点也可对待测物体进行测量的操作，其中标定测量器原始位置的选取以及移动测量器起到的标定与信息反馈的作用都是此方法优势，而标定测量器在测量过程中位置发生移动的方式也称之为中转站法。
(2)本发明所述的中转关系的映射方式可以提高整体测量的精确度；移动测量器的移动方式也使得整体方法的效率提高。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造的自主导航系统工作流程图；
图2为本发明创造的自主导航系统工作示意图；
图3为本发明创造一种大尺寸物体移动测量的中转站方法简易流程图；
图4为本发明创造一种大尺寸物体移动测量的中转站方法示例图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1、2所示，本发明提供了一种应用于移动测量的自主导航系统和方法，自主导航系统包括两辆agv，根据功能不同，一辆为测量agv，用于在移动中进行测量，一辆为跟踪agv，用于在移动中进行跟踪。跟踪agv上安装单目相机标定测量器，测量agv上安装可以被跟踪agv的标定测量器所测量的靶标。标定测量器可以实时测量靶标相对于标定测量器的位置和姿态。靶标与测量agv固连，标定测量器与跟踪agv固连。
本发明的工作原理如下：
测量agv根据工作需要得到一组路径。路径坐标是相对于一个初始坐标系的。跟踪agv上的标定测量器在初始坐标系中的坐标及姿态的初值在工作开始前已标定好，可以建立初始坐标系(O)与跟踪坐标系(B)的转换关系，用矩阵TOB来描述。同理可以随时建立跟踪坐标系(B)与测量坐标系(C)的转换关系，用矩阵TBC来描述。TOB与TBC相乘可得初始坐标系(O)与测量坐标系(C)的转换关系描述矩阵TOC。本发明通过矩阵之间的转换关系，将全局参考系的影响在运算中过滤掉，由局部坐标系产生全局坐标系指导agv自主导航，无需预先建立全局的参考系，提高导航精度。
在工作时，先将路径上下一个目标点的坐标转换到跟踪坐标系(B)下，然后在跟踪坐标系(B)下对测量agv完成导航。即在测量agv运动时，跟踪agv保持静止，以标定测量器所测得的测量agv在跟踪坐标系(B)下的坐标作为实时反馈，对测量agv的运动实现闭环控制。
为了将靶标始终保持在标定测量器的视野范围之内，跟踪agv要通过运动来实现对测量agv的“跟踪”。当跟踪agv运动时，测量agv保持静止。在跟踪agv的运动过程中，可以实时得到测量agv在跟踪坐标系(B)下的坐标，进而得到TBC，然后通过逆变换得到TCB。由于测量agv保持静止，故上一阶段得到的TOC保持不变。TOC与TCB相乘得TOB。即得到了测量agv在初始坐标系下的实时坐标，以这个坐标为反馈，实现对跟踪agv的运动的闭环控制。
以上两个过程交替进行，可实现两台agv的全局自主导航，完成大尺寸测量的工作任务。
本发明可应用于大尺寸移动测量领域中实现自主导航，也可应用于其他导航领域中实现自主导航。
上述说到的“大尺寸”只是一个概念，只要是一个初始坐标系不能满足测量要求，或者需设立更换多个标定点的都归为此类定义。
如图3所示，一种大尺寸物体移动测量的中转站方法，其包括标定测量器和移动测量器；所述标定测量器和移动测量器均为可获取物体形态信息的设备，移动测量器获取大尺寸物体形态信息的设备，在自主导航系统中为靶标作用；
自动导航方法中测量设备坐标系和跟踪设备坐标系的构建实体分别替换成测量设备上的靶标和跟踪设备上的标定测量器，也就是测量设备坐标系是移动测量器在初始坐标系下形成，跟踪设备坐标系是标定测量器在初始坐标系下形成；
步骤一，根据被测量大尺寸物体的形状，将标定测量器放置在可测量待测物体的位置，建立初始坐标系，将此时的标定测量器所在位置作为初始坐标系原始零点并且作为标定测量器的初始测量位置；
步骤二，根据被测量的大尺寸物体的形状设计移动测量器的移动轨迹，使得移动测量器沿待测物体边缘进行闭环移动，根据移动测量器到初始坐标系的映射关系，获取待测物体边缘多处的坐标，利用自主导航方法，获知对应设计标定测量器的移动轨迹；
具体方法：已知初始坐标系与标定测量器移动后所在位置坐标系的转换关系即为自主导航方法中TOB，通过移动测量器获知标定测量器与其相对位置，相当于自主导航方法中转换关系矩阵TBC，根据转换关系得到移动测量器所在位置相对于初始坐标系的转换关系为TOC；
如出现移动测量器所在位置脱离标定测量器测量范围，进入步骤三；
否则直接根据待测物体边缘多处坐标进行尺寸测量，而尺寸测量可以是对物体体积、面积的测绘，还可以是物体此时所在位置的测量，不论是哪种最重要的就是获取物体多点坐标情况，根据坐标情况很简单的就可以得到最终需要测量测绘的信息数据；
步骤三，当移动测量器移动到标定测量器检测不到位置处时，标定测量器开始移动直至检测到此位置，此时根据步骤二中已知坐标建立初始坐标系与标定测量器移动后所在位置的坐标系的转换关系，根据转换关系得到原先标定测量器检测不到的移动测量器移动位置的坐标。
为了得到更好的测量精度以及优化测量效率，则对上述方法进行进一步优化，具体如下：
步骤一中首先评估待测物体测量形态，将标定测量器放置在可测量待测物体的位置，建立初始坐标系，将此时的标定测量器所在位置作为初始坐标系原始零点，并且作为标定测量器的初始测量位置。
步骤二中根据被测量的大尺寸物体的形状设计移动测量器的移动轨迹，使得移动测量器沿待测物体边缘进行闭环移动，根据移动测量器到初始坐标系的映射关系，获取待测物体边缘多处的坐标，同时对应设计标定测量器的移动轨迹。步骤二中初始坐标系的坐标获取顺序为沿着待测物体边缘顺时针或者逆时针移动依次获得。
步骤三，当移动测量器移动到标定测量器检测不到位置处，定义该位置为遮蔽位置，选择一个可测量到的位置定义为转折位置；优化的，转折位置定义为标定测量器位于原始位置时最后一次可测量到的移动测量器位置；
首先，获取转折位置在初始坐标系中的坐标C；
而后，将标定测量器移至同时可测量到转折位置与遮蔽位置的位置，标定测量器在移动后以其自身为原点建立移动坐标系；获取转折位置在移动坐标系中的坐标C，通过矩阵转化计算得到坐标C到坐标C，的转换矩阵T，即得到初始坐标系与标定测量器移动后所在位置的坐标系的转换关系，转换矩阵包括旋转矩阵和平移矩阵；
步骤四，遮蔽位置的坐标均可在获得移动坐标系中坐标后通过转换矩阵T转化成遮蔽位置在初始坐标系中的坐标。
可获取物体形态信息的设备为获取物体位置或者姿态等客观数据信息的设备，优选单目/双目相机。
所述标定测量器为单目相机，且单目相机搭载在自动导引装置(AGV)上，也就是跟踪设备。
所述移动测量器为双目相机，且双目相机搭载在自动导引装置(AGV)上，也就是测量设备。
如图4所示，AGV1上面有双目摄像头用于测量，此双目摄像头为移动测量器，AGV2上面有单目摄像头用于跟踪AGV1，此单目摄像头为标定测量器。
以AGV2上的单目相机为初始位置建立初始坐标系，单目相机的坐标为A(0,0,0)，可以通过单目相机读取AGV1在AGV2坐标系中的坐标B(x1,y1,z1)，因为初始位置AGV2的坐标系即为初始坐标系，所以AVG1在初始坐标系的坐标同样为B(x1,y1,z1)。
下面进行测量操作，假设待测物体为长方体，需要在四个角进行测量。首先在B点进行测量，下一步到C点进行测量，因为C点在AGV2(A点)的视野范围之内，因此可以直接将AGV1移动到C点；
此时AGV1在AGV2上单目相机的坐标即为初始坐标系中的坐标，记为C(x2，y2，z2)；
下一步AGV1要到D点进行测量，由于D点不在单目相机的视野范围之内，需要移动AGV2到E点；
此时AGV1(C点)在单目相机(E点)的移动坐标系中对应坐标点C’(x2’，y2’，z2’)。
(x2，y2，z2)和(x2’，y2’，z2’)是在初始坐标系和移动坐标系中的对应的同一点，可以计算出从初始坐标系到移动坐标系的转换矩阵T。然后将AGV1从C点移动到D点，AGV1在单目相机(E点)中的坐标为(x3’，y3’，z3’)，可以利用上述提到的转换矩阵T，转换为全局坐标(x3，y3，z3)。
以此类推，直到测量过程结束。
从(x2′，y2′，Z2′)到(x2，y2，z2)的坐标转换如公式1所示。
Figure BDA0002777046470000111
从(x2，y2，z2)到(x2′，y2′，Z2′)的坐标转换如公式2所示。
Figure BDA0002777046470000112
转换矩阵T包含旋转和平移两个步骤，分别用旋转R和平移矩阵P表示。
Figure BDA0002777046470000113
由于两台AGV只有一台AGV在运动，因此在一台AGV运动的过程中，另一台在自己坐标系与初始坐标系的转换关系是固定，所以可以通过坐标转换矩阵T求另一台AGV在初始坐标系中的坐标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于移动测量的自主导航系统，其特征在于：包括测量设备和跟踪设备，所述测量设备上设有靶标，所述跟踪设备上设有标定测量器，所述标定测量器用于测量所述测量设备上的靶标，在移动中可实时测量靶标相对于标定测量器的位置和姿态。
2.根据权利要求1所述的一种应用于移动测量的自主导航系统，其特征在于：所述标定测量器为单目相机。
3.根据权利要求1所述的一种应用于移动测量的自主导航系统，其特征在于：所述靶标与测量设备固定连接。
和或
所述跟踪器与跟踪设备固定连接。
4.一种应用于移动测量的自主导航方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
(1)测量前，建立初始坐标系，以及测量设备相对于初始坐标系的初始路径坐标；
(2)提前标定跟踪设备在初始坐标系中的坐标及姿态的初值，建立初始坐标系与跟踪设备坐标系的转换关系；
(3)测量时，在移动中建立跟踪设备坐标系与测量设备坐标系的转换关系；
(4)通过步骤(2)和(3)的转换关系得到初始坐标系与测量设备坐标系的转换关系，指导测量设备进行自主导航。
5.根据权利要求4所述的一种应用于移动测量的自主导航方法，其特征在于：不同坐标系间的转换关系用转换矩阵来描述，初始坐标系与跟踪设备坐标系的转换关系用矩阵TOB表示，跟踪设备坐标系与测量设备坐标系的转换关系用矩阵TBC表示，初始坐标系与测量设备坐标系的转换关系矩阵用矩阵TOC表示，每隔一定的循环次数后，用归一化操作来保持转换矩阵的特性。两台设备不会同时运动，当其中一台运动时另一台保持静止，即TOB与TOC总有一个保持不变，TBC由跟踪设备实时测得，则在任何时刻都能实时获得所有转换矩阵的值。
6.根据权利要求4所述的一种应用于移动测量的自主导航方法，其特征在于：所述方法还包括，测量设备和跟踪设备都搭载信号发射器和接收器并建立双向的通信，当测量设备运动时，跟踪设备保持静止，通过通信设备将标定测量器所测得的测量设备在跟踪设备坐标系下的坐标作为实时反馈发送至测量设备上，测量设备依据反馈对自身的运动实现闭环控制；
或
所述方法还包括，当跟踪设备运动时，测量设备静止，通过初始坐标系与跟踪设备坐标系的转换关系以及跟踪设备坐标系与测量设备坐标系的转换关系，得到跟踪设备在初始坐标系下的实时坐标，以这个坐标为反馈，实现对跟踪设备的运动的闭环控制。
7.利用自主导航系统实现大尺寸物体移动测量的中转站方法，其特征在于：包括标定测量器和移动测量器；所述标定测量器和移动测量器均为可获取物体形态信息的设备，移动测量器获取大尺寸物体形态信息的设备，在自主导航系统中为靶标作用；
自动导航方法中测量设备坐标系和跟踪设备坐标系的构建实体分别替换成测量设备上的靶标和跟踪设备上的标定测量器；
步骤一，根据被测量大尺寸物体的形状，将标定测量器放置在可测量待测物体的位置，建立初始坐标系，将此时的标定测量器所在位置作为初始坐标系原始零点并且作为标定测量器的初始测量位置；
步骤二，根据被测量的大尺寸物体的形状设计移动测量器的移动轨迹，使得移动测量器沿待测物体边缘进行闭环移动，根据移动测量器到初始坐标系的映射关系，获取待测物体边缘多处的坐标，利用自主导航方法，获知对应设计标定测量器的移动轨迹；
如出现移动测量器所在位置脱离标定测量器测量范围，进入步骤三；
步骤三，当移动测量器移动到标定测量器检测不到位置处时，标定测量器开始移动直至检测到此位置，此时根据步骤二中已知坐标建立初始坐标系与标定测量器移动后所在位置的坐标系的转换关系，根据转换关系得到原先标定测量器检测不到的移动测量器移动位置的坐标。
8.根据权利要求7所述的大尺寸物体移动测量的中转站方法，其特征在于：步骤三，当移动测量器移动到标定测量器检测不到位置处，定义该位置为遮蔽位置，选择一个可测量到的位置定义为转折位置；
首先，获取转折位置在初始坐标系中的坐标C；
而后，将标定测量器移至同时可测量到转折位置与遮蔽位置的位置，标定测量器在移动后以其自身为原点建立移动坐标系；获取转折位置在移动坐标系中的坐标C’，通过矩阵转化计算得到坐标C到坐标C’的转换矩阵T，即得到初始坐标系与标定测量器移动后所在位置的坐标系的转换关系；
步骤四，遮蔽位置的坐标均可在获得移动坐标系中坐标后通过转换矩阵T转化成遮蔽位置在初始坐标系中的坐标。
9.根据权利要求7所述的大尺寸物体移动测量的中转站方法，其特征在于：步骤一中首先评估待测物体测量形态，将标定测量器放置在可获取待测物体边缘位置最多的位置，此位置作为初始坐标系原始零点位置，并且作为标定测量器的初始测量点。
10.根据权利要求7所述的大尺寸物体移动测量的中转站方法，其特征在于：步骤二中获取待测物体边缘多处的坐标选取方式为移动测量器位于待测物体两个相邻交汇边缘的交点处则记录其在初始坐标系中的坐标。
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