CN113093215A - 一种基于激光测距的移动平台跟踪方法 - Google Patents

一种基于激光测距的移动平台跟踪方法 Download PDF

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CN113093215A CN202110357506.8A CN202110357506A CN113093215A CN 113093215 A CN113093215 A CN 113093215A CN 202110357506 A CN202110357506 A CN 202110357506A CN 113093215 A CN113093215 A CN 113093215A
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Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的移动平台跟踪方法,主要装置包括激光测距单元、被跟踪移动平台和主移动平台。激光测距单元由三个激光位移传感器和一块定制反光板组成，激光位移传感器安装在跟踪平台的前端面，定制反光板安装在被跟踪平台的后端面，利用激光TOF方式测量被跟踪移动平台的位姿信息。本发明的优点在于：1)测量精度高，反应快速，成本低，具有较高的适应性。2)既可以保证主移动平台运动的连续性，也可以保证跟踪的准确性。3)在两个移动平台初始位置确定的前提下，主平台可在场地环境、被跟踪平台运动状态都未知的情况下进行精确运动。4)老旧AGV改造简单，工程实际协同场景中，应用前景广泛。

Description

一种基于激光测距的移动平台跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种应用于航空制造领域的基于激光测距的移动平台跟踪方法，其属于航空制造领域。
背景技术
在工业4.0的背景下，无人工厂不仅解放了人工劳动力，而且使生产效率大幅度提高，是未来制造业工厂的一种发展方向。在无人工厂的自动化转站和物料运输中，基于各种导航方式的AGV有着广泛的应用。在AGV技术迅速发展的今天，多移动平台协同完成单次行驶任务、基于新旧技术的移动平台共存以及临时调度其他车间移动平台的现象广泛存在，在上述过程中出现了多移动平台运行干涉、基于旧技术的移动平台无法满足运行的精度要求、临时调度的移动平台对于现场环境未知等问题，需要一种简单便捷的移动平台跟踪方法实现双移动平台的高精度协同作业和对老旧移动平台的精度升级。
因此，利用激光位移传感器和定制反光板，设计了一种基于激光测距的移动平台跟踪方法。该方法装置简单，使得主移动平台在环境未知的情况下完成对被跟踪移动平台的高精度跟踪，当老旧移动平台安装激光位移传感器并对高精度移动平台进行跟踪行驶时，也完成了一次精度升级。
发明内容
本发明公开了一种基于激光测距的移动平台跟踪方法,其主要装置包括激光测距单元、被跟踪移动平台和主移动平台。激光测距单元由三个激光位移传感器和一块定制反光板组成，激光位移传感器安装在主移动平台的前端面，定制反光板安装在被跟踪平台的后端面，对被跟踪移动平台的二维位姿在进行测量。被跟踪移动平台为前车，以一定方式运动，主移动平台为后车，需要跟随前车协同运动。本发明的跟踪方法为：主移动平台通过不断获取激光位移传感器的实测值,计算出被跟踪移动平台的相对位姿，并结合传感器测量频率计算出前车速度矢量，实现主移动平台对被跟踪移动平台的精确跟踪。
本发明的技术方案是：一种基于激光测距的移动平台跟踪方法，其包含以下步骤：
1.1.安装激光测距单元。两车协同标定时，被跟踪平台处于静止状态，根据激光测距单元的数值，调整主移动平台使两车位姿处于目标初始位姿。
1.2.两车协同运动时，根据激光测距单元数值计算被跟踪移动平台的位姿。
1.3.主移动平台依据被跟踪移动平台位姿变化，解算被跟踪平台运动速度，依据速度调整自身运动状态以实现跟踪功能。
2.一种基于激光测距的移动平台跟踪方法，所述步骤1.1包括以下内容：
2.1.在主移动平台前端面上安装三个激光位移传感器，依次记为激光传感器1、2、3，激光传感器之间的间距分别为L1-2、L2-3，激光发射方向与航向平行。
2.2.在被跟踪移动平台后端面安装定制反光板，其由三个激光传感器的接收面构成，其中两个接收面与航向垂直，另一个接收面与地面垂直，且与其余两面夹角为θ。激光位移传感器用于测量主移动平台前端面与三个接收面之间的距离，并将其发送至控制中心作为跟踪依据。
2.3.在运动的初始位置，被跟踪平台处于静止状态，调整主移动平台位姿，使三个接收面分别处于对应激光传感器的测量范围内。
根据激光测距单元的数值，调整主移动平台位姿，设置主移动平台调整阈值，即认为当调整后的移动平台的位姿与目标位姿的误差在此阈值范围内时初始定位完成。两平台的目标位姿关系为两平台航向平行、中轴线重合、航向间距为设定值。即令三个激光位移传感器数值L1，L2，L3满足：
|L1-L3|≤E1 (19)
Figure BDA0003004030600000021
Figure BDA0003004030600000022
其中E1、E2、E3为平台调整阈值，L为两平台初始纵向间距，A为激光器2的光线与反光段交界处的初始横向距离。记此时被跟踪移动平台横向位姿分量X＝0，纵向位姿分量Y＝0，航向位姿
Figure BDA0003004030600000023
3.一种基于激光测距的移动平台跟踪方法，所述步骤1.2包括以下内容：
3.1.当被跟踪移动平台位姿发生变化时，激光位移传感器1、2、3的数值变化为l1，l2，l3，主移动平台的运动控制单元需要获得的数据为被跟踪平台的横向位姿分量X、纵向位姿分量Y以及航向角位姿
Figure BDA0003004030600000024
3.2.其中航向角位姿
Figure BDA0003004030600000025
可由公式(22)得到。
Figure BDA0003004030600000026
3.3.首先讨论横向位姿分量与纵向位姿分量都为0时的情况，记此时激光位移传感器2的数值为l′2。
Figure BDA0003004030600000031
当横向位姿分量X和纵向位姿分量Y不为0时，构造辅助三角形△ABC、△DEF进行求解。在△DEF中，点F为l′2的延长线与中段反光面的交点，纵向位姿分量Y＝lFG，lEF⊥lFG，横向位姿分量X＝lEF。点D在反光面上，为激光器2的实际照射点，lDE⊥lEF。lDE＝l2-l′2-Y，
Figure BDA0003004030600000032
在△ABC中，点B为l′2的延长线与两端反光面所在平面的交点，
Figure BDA0003004030600000033
点A与点C位于lDE的延长线上，lAC⊥lAB，lAC＝L+Y-(l2+lCD)，
Figure BDA0003004030600000034
由辅助△ABC和△DEF可列公式(24)和(25)。
Figure BDA0003004030600000035
Figure BDA0003004030600000036
联立公式(24)和(25)，未知数数量等于独立方程数，有如下唯一解。
Figure BDA0003004030600000037
Figure BDA0003004030600000038
4.一种基于激光测距的移动平台跟踪方法，所述步骤1.3包括以下内容：
4.1.记激光位移传感器的测量频率为f，则两次相邻测量的间隔时间为
Figure BDA0003004030600000039
结合两次测量的被跟踪移动平台的位姿差值ΔX、ΔY、
Figure BDA00030040306000000310
可以通过公式(28)～(30)得到前车在二维平面内的速度矢量，即三个速度分量Vx、Vy、w。
Figure BDA00030040306000000311
Figure BDA00030040306000000312
Figure BDA00030040306000000313
4.2.为了提高精度，运动开始后，选取n1个连续的测量周期的Vx、Vy、w求得均值
Figure BDA0003004030600000041
记n1个连续的测量周期结束时被跟踪移动平台位姿为X1、Y1、
Figure BDA0003004030600000042
通过公式(31)～(33)推测经过n1·n2·T后被跟踪移动平台的位姿X′1、Y′1、
Figure BDA0003004030600000043
Figure BDA0003004030600000044
Figure BDA0003004030600000045
Figure BDA0003004030600000046
其中n1、n2为设定值，n1＜10，n2＞10n1，n1，n2∈N+。
4.3.根据公式(34)～(36)计算得到主移动平台此时需要的行驶速度
Figure BDA0003004030600000047
Figure BDA0003004030600000048
Figure BDA0003004030600000049
Figure BDA00030040306000000410
Figure BDA00030040306000000411
4.4.在第二个n1·T内，主移动平台以
Figure BDA00030040306000000412
为平均速度运行，并获得第三个n1·T所需的行驶速度
Figure BDA00030040306000000413
同理，在第i+1个n1·T内，主移动平台以
Figure BDA00030040306000000414
为平均速度运行。计算中心获得被跟踪移动平台速度均值
Figure BDA00030040306000000418
和平台位姿Xi+1、Yi+1、
Figure BDA00030040306000000415
推测出经过n1·n2·T后被跟踪移动平台的位姿X′i+1、Y′i+1、
Figure BDA00030040306000000416
最终计算出主移动平台速度
Figure BDA00030040306000000417
并在第i+2个n1·T内运行并重复上述计算过程。
主移动平台将重复上述运动，直至被跟踪移动平台静止。
附图说明
图1两移动平台初始位置示意图；
图2位姿解算示意图一；
图3位姿解算示意图二；
图4两车跟踪示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-3和实施例对本发明作进一步的说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
1.如图1所示，设计适合两移动平台运动的定制反光板，具体要求为：
1.1.三个反光段反光面平整，其中两端反光段所在平面重合，中间反光段所在平面与其余反光段所在平面夹角θ已知。安装完成后，三个反光段所在平面均与地面垂直。
1.2.夹角θ设计合理，以顺时针旋转为正向，满足被跟踪移动平台的航向角位姿
Figure BDA0003004030600000051
始终位于(-θ，90°-θ)。
1.3.三个反光段长度设计合理，满足跟踪运行中激光位移传感器1、2、3分别测量的是同一反光段。
2.如图1所示，安装激光位移传感器，具体要求为：
2.1.选取同一品牌型号激光位移传感器三个，要求测量频率f高，测量精度高。
2.2.激光位移传感器1、2、3分布于同一高度，且间距L1-2、L2-3合理，满足跟踪运行中激光位移传感器1、2、3分别测量的是同一反光段。
3.如图1所示，在运动初始位置，被跟踪平台处于静止状态，根据激光测距单元的数值，调整主移动平台使两平台位姿处于目标初始位姿。根据激光测距单元的数值，调整主移动平台位姿，设置主移动平台调整阈值，即认为当调整后的移动平台的位姿与目标位姿的误差在此阈值范围内时初始定位完成。两平台的目标位姿关系为两平台航向平行、中轴线重合、航向间距为设定值。即令三个激光位移传感器数值L1，L2，L3满足：
|L1-L3|≤E1 (37)
Figure BDA0003004030600000052
Figure BDA0003004030600000057
其中E1、E2、E3为平台调整阈值。如图1所示，L为两平台初始纵向间距，A为激光器2的光线与反光段交界处的初始横向距离。记此时被跟踪移动平台横向位姿分量X＝0，纵向位姿分量Y＝0，航向位姿
Figure BDA0003004030600000053
4.当被跟踪移动平台位姿发生变化时，激光位移传感器1、2、3的数值变化为l1，l2，l3，主移动平台的运动控制单元需要获得的数据为被跟踪移动平台的横向位姿分量X、纵向位姿分量Y以及航向角位姿
Figure BDA0003004030600000054
4.1.其中航向角位姿
Figure BDA0003004030600000055
可由公式(40)得到。
Figure BDA0003004030600000056
4.2.首先讨论横向位姿分量与纵向位姿分量都为0时的情况，记此时激光位移传感器2的数值为l′2。其中l′代表长度如图2所示。
Figure BDA0003004030600000061
当横向位姿分量X和纵向位姿分量Y不为0时，构造如图3所示的辅助三角形进行求解。
其中横向位姿分量X＝lEF，纵向位姿分量Y＝lFG，lBF＝l′，
Figure BDA0003004030600000062
Figure BDA0003004030600000063
在△DEF中，lDE＝l2-l′2-Y，
Figure BDA0003004030600000064
在△ABC中，lAC＝L+Y-(l2+lCD)，
Figure BDA0003004030600000065
可列公式(42)和(43)。
Figure BDA0003004030600000066
Figure BDA0003004030600000067
联立公式(42)和(43)，未知数数量等于独立方程数，有如下唯一解。
Figure BDA0003004030600000068
Figure BDA0003004030600000069
5.每经过一个测量周期可以得到被跟踪移动平台的当前位姿，结合激光传感器的测量频率可计算出前车速度矢量，控制主移动平台跟随前车运动。
5.1.记激光位移传感器的测量频率为f，则两次相邻测量的间隔时间为
Figure BDA00030040306000000610
结合两次测量的被跟踪移动平台的位姿差值ΔX、ΔY、
Figure BDA00030040306000000611
可以通过公式(46)～(48)得到前车在二维平面内的速度矢量，即三个速度分量Vx、Vy、w。
Figure BDA00030040306000000612
Figure BDA00030040306000000613
Figure BDA00030040306000000614
5.2.为了提高精度，运动开始后，选取n1个连续的测量周期的Vx、Vy、w求得均值
Figure BDA0003004030600000071
记n1个连续的测量周期结束时被跟踪移动平台位姿为X1、Y1、
Figure BDA0003004030600000072
通过公式(49)～(51)推测经过n1·n2·T后被跟踪移动平台的位姿X′1、Y′1、
Figure BDA0003004030600000073
Figure BDA0003004030600000074
Figure BDA0003004030600000075
Figure BDA0003004030600000076
其中n1、n2为设定值，n1＜10，n2＞10n1，n1，n2∈N+。
5.3.根据公式(34)～(36)计算得到主移动平台此时需要的行驶速度
Figure BDA0003004030600000077
Figure BDA0003004030600000078
Figure BDA0003004030600000079
Figure BDA00030040306000000710
Figure BDA00030040306000000711
5.4.在第二个n1·T内，主移动平台以
Figure BDA00030040306000000712
为平均速度运行，并获得第三个n1·T所需的行驶速度
Figure BDA00030040306000000713
同理，在第i+1个n1·T内，主移动平台以
Figure BDA00030040306000000714
为平均速度运行。计算中心获得被跟踪移动平台速度均值
Figure BDA00030040306000000715
和平台位姿Xi+1、Yi+1、
Figure BDA00030040306000000716
推测出经过n1·n2·T后被跟踪移动平台的位姿X′i+1、Y′i+1、
Figure BDA00030040306000000717
最终计算出主移动平台速度
Figure BDA00030040306000000718
并在第i+2个n1·T内运行并重复上述计算过程。
主移动平台将重复上述运动，直至被跟踪移动平台静止
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，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于激光测距的移动平台跟踪方法，其特征在于其包含以下步骤：
1.1.安装激光测距单元，两车协同标定时，被跟踪平台处于静止状态，根据激光测距单元的数值，调整主移动平台使两车位姿处于目标初始位姿；
1.2.两车协同运动时，根据激光测距单元数值计算被跟踪移动平台的位姿；
1.3.主移动平台依据被跟踪移动平台位姿变化，解算被跟踪平台运动速度，依据速度调整自身运动状态以实现跟踪功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的移动平台跟踪方法，其特征在于所述步骤1.1包括以下内容：
2.1.在主移动平台前端面上安装三个激光位移传感器，依次记为激光传感器1、2、3，激光传感器之间的间距分别为L1-2、L2-3，激光发射方向与航向平行；
2.2.在被跟踪移动平台后端面安装定制反光板，其由三段激光传感器的接收面构成，其中两个接收面与航向垂直，另一个接收面与地面垂直，且与其余两面夹角为θ。激光位移传感器用于测量主移动平台前端面与三个接收面之间的距离，并将其发送至控制中心作为跟踪依据；
2.3.在两车协同标定时，被跟踪平台处于静止状态，调整主移动平台位姿，使三个接收面分别处于对应激光传感器的测量范围内；
根据激光测距单元的数值，调整主移动平台位姿，设置主移动平台调整阈值，即认为当调整后的移动平台的位姿与目标位姿的误差在此阈值范围内时初始定位完成。两平台的目标位姿关系为两平台航向平行、中轴线重合、航向间距为设定值。即令三个激光位移传感器数值L1，L2，L3满足：
|L1-L3|≤E1 (1)
Figure FDA0003004030590000011
Figure FDA0003004030590000012
其中E1、E2、E3为平台调整阈值，L为两平台初始纵向间距，A为激光器2的光线与反光段交界处的初始横向距离。记此时被跟踪移动平台横向位姿分量X＝0，纵向位姿分量Y＝0，航向位姿
Figure FDA0003004030590000013
3.根据权利要求2所述的一种基于激光测距的移动平台跟踪方法，其特征在于所述步骤1.2包括以下内容：
3.1.当被跟踪移动平台位姿发生变化时，激光位移传感器1、2、3的数值变化为l1，l2，l3，主移动平台的运动控制单元需要获得的数据为被跟踪移动平台的横向位姿分量X、纵向位姿分量Y以及航向角位姿
Figure FDA0003004030590000021
3.2.其中航向角位姿
Figure FDA0003004030590000022
可由公式(4)得到；
Figure FDA0003004030590000023
3.3.首先讨论横向位姿分量与纵向位姿分量都为0时的情况，记此时激光器2的光线在反光板上的照射点为点G，其数值为l′2；
Figure FDA0003004030590000024
当横向位姿分量X和纵向位姿分量Y不为0时，在二维平面内构造辅助三角形ΔABC、ΔDEF进行位姿求解。在ΔDEF中，点F为l′2的延长线与中段反光面的交点，延长段lFG为纵向位姿分量Y，lEF为横向位姿分量X，lEF⊥lFG。点D在反光面上，为激光器2的实际照射点，lDE⊥lEF。lDE＝l2-l′2-Y，
Figure FDA0003004030590000025
在ΔABC中，点B为l′2的延长线与两端反光面所在平面的交点，
Figure FDA0003004030590000026
点A与点C位于lDE的延长线上，lAC⊥lAB，lAC＝L+Y-(l2+lCD)，
Figure FDA0003004030590000027
由辅助ΔABC和ΔDEF可列公式(6)和(7)；
Figure FDA0003004030590000028
Figure FDA0003004030590000029
联立公式(6)和(7)，未知数数量等于独立方程数，有如下唯一解；
Figure FDA00030040305900000210
Figure FDA00030040305900000211
4.根据权利要求3所述的一种基于激光测距的移动平台跟踪方法，其特征在于所述步骤1.3包括以下内容：
4.1.记激光位移传感器的测量频率为f，则两次相邻测量的间隔时间为
Figure FDA0003004030590000031
结合两次测量的被跟踪移动平台的位姿差值ΔX、ΔY、
Figure FDA0003004030590000032
可以通过公式(10)～(12)得到前车在二维平面内的速度矢量，即三个速度分量Vx、Vy、w；
Figure FDA0003004030590000033
Figure FDA0003004030590000034
Figure FDA0003004030590000035
4.2.为了提高精度，运动开始后，选取n1个连续的测量周期的Vx、Vy、w求得均值
Figure FDA0003004030590000036
记n1个连续的测量周期结束时被跟踪移动平台位姿为X1、U1、
Figure FDA0003004030590000037
通过公式(13)～(15)推测经过n1·n2·T后被跟踪移动平台的位姿X′1、Y′1、
Figure FDA0003004030590000038
Figure FDA0003004030590000039
Figure FDA00030040305900000310
Figure FDA00030040305900000311
其中n1、n2为设定值，n1＜10，n2＞10n1，n1，n2∈N+；
4.3.根据公式(16)～(18)计算得到主移动平台此时需要的行驶速度
Figure FDA00030040305900000312
Figure FDA00030040305900000313
Figure FDA00030040305900000314
Figure FDA00030040305900000315
Figure FDA00030040305900000316
4.4.在第二个n1·T内，主移动平台以
Figure FDA00030040305900000317
为平均速度运行，并获得第三个n1·T所需的行驶速度
Figure FDA00030040305900000318
同理，在第i+1个n1·T内，主移动平台以
Figure FDA00030040305900000319
为平均速度运行。计算中心获得被跟踪移动平台速度均值
Figure FDA00030040305900000320
和平台位姿Xi+1、Yi+1、
Figure FDA00030040305900000321
推测出经过n1·n2·T后被跟踪移动平台的位姿X′i+1、Yi+1、
Figure FDA0003004030590000041
最终计算出主移动平台速度
Figure FDA0003004030590000042
并在第i+2个n1·T内运行并重复上述计算过程；
主移动平台将重复上述运动，直至被跟踪移动平台静止。
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