CN113703446A - 一种基于磁钉的导引车导航方法及调度系统 - Google Patents

一种基于磁钉的导引车导航方法及调度系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于磁钉的导引车导航方法，包括如下步骤：A、将磁钉阵列铺设在导引车行驶的场地；B、将磁传感器阵列安装在导引车上；C、通过里程计测量的导引车的线速度和角速度，得到导引车当前时刻的第一位姿信息；D、当检测到的磁场强度大于预先设置的阈值时，进入步骤F；否则，进入步骤E；E、根据步骤C所得的导引车当前的第一位姿信息进行导航；F、根据该误差函数得到距离引导车最近的磁钉的相对状态信息；G、计算导引车当前时刻的第二位姿信息；H、采用最优的加权因子对步骤C所得的第一位姿信息和步骤G所得的第二位姿信息进行加权融合，根据融合后的最终位姿信息进行导航。本发明实现了精确的定位与导航，且成本低，易维护。

Description

一种基于磁钉的导引车导航方法及调度系统
技术领域
本发明涉及一种基于磁钉的导引车导航方法及调度系统。
背景技术
随着我国电商行业的迅速发展崛起，对物流分拣、配送、运输的要求也越来越高。为了追求高效率自动导引车AGV已经成为智能制造、智能物流以及数字化工厂的重要设备，在方便工厂货物运输、提高生产效率上具有重要作用。因此，找到一种高精度、鲁棒性好的导航技术尤为重要。
目前研究利用磁钉导航的方式有很多，如中国专利文献CN111208816A公开了一种基于磁钉导航的驾驶系统，将磁钉导航应用到新能源汽车的驾驶系统，提高驾驶系统的稳定性；如中国专利文献CN210852627U公开了一种可自动控制行驶的车辆，该专利利用磁钉导航仪来辅助实现自动驾驶功能，实现车辆的道路方向识别和动作识别帮助修正车辆导航定位的误差。这些方法的不足之处在于：仅仅利用磁钉来辅助实现导航，且使用了大量其他传感器，定位精度也比较低。
发明内容
本发明提出一种基于磁钉的导引车导航方法及调度系统，将基于里程计获得的信息与基于磁钉获得的信息进行融合，从而实现精确的定位与导航，且成本低，易维护。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于磁钉的导引车导航方法，包括如下步骤：
A、将N个磁钉阵列铺设在导引车行驶的场地，以第一个磁钉为零点建立全局坐标系；
B、将磁传感器阵列安装在导引车上，该磁传感器阵列由至少三个磁传感器组成；将里程计设置在导引车中心，设置导引车的初始位置位于一磁钉正上方；
C、导引车行驶过程中，通过里程计测量的导引车的线速度和角速度，得到导引车当前时刻的第一位姿信息，该第一位姿信息包括导引车当前时刻在全局坐标系中的坐标和转向角；
D、磁传感器阵列检测磁场强度，当检测到的磁场强度大于预先设置的阈值时，进入步骤F；否则，进入步骤E；
E、根据步骤C所得的导引车当前的第一位姿信息进行导航；
F、建立磁偶极子模型，根据所检测到的磁场强度，利用毕奥-萨伐尔定律创建误差函数，并根据该误差函数得到距离引导车最近的磁钉的相对状态信息，并进入步骤G；
G、根据该相对状态信息、磁传感器阵列中心与导引车中心的距离以及步骤C所得到的导引车第一位姿信息，计算导引车当前时刻的第二位姿信息，该第二位姿信息包括导引车当前时刻在全局坐标系中的坐标和转向角，并进入步骤H；
H、采用最优的加权因子对步骤C所得的第一位姿信息和步骤G所得的第二位姿信息进行加权融合，根据融合后的最终位姿信息进行导航；
步骤H包括如下步骤：
H1、设里程计与磁传感器阵列的融合参数
Figure BDA0003215639140000021
为：
Figure BDA0003215639140000022
其中，d1为步骤C所得的第一位姿信息，d2为步骤G所得的第二位姿信息，设导引车实际的位置为d，则d1、d2为d的无偏估计，故融合参数
Figure BDA0003215639140000023
的方差σ2为
Figure BDA0003215639140000031
而根据多元函数求极值理论可确定在最小方差σ2下的最优加权因子wi：
Figure BDA0003215639140000032
Figure BDA0003215639140000033
为d1的方差，
Figure BDA0003215639140000034
为d2的方差；
H2、根据步骤H1中所得到的wi得到当前时刻k的融合参数
Figure BDA0003215639140000035
为：
Figure BDA0003215639140000036
进一步的，所述步骤C中，所述第一位姿信息包括导引车当前时刻在全局坐标系中的坐标(xk,yk)和转向角θ，其计算公式为：
Figure BDA0003215639140000037
其中，vk、wk分别为里程计在第k时刻所测量的导引车的线速度和角速度，Δt表示采样时间间隔。
进一步的，所述步骤D中，预先检测铺设好后的各磁钉的磁场波动，所述阈值则设定为大于所有磁钉的磁场波动的值。
进一步的，所述步骤F包括如下步骤：
F1、所述误差函数为
Figure BDA0003215639140000038
其中，Bmlx、Bmly和Bmlz分别为第l个磁传感器在三个正交方向上所测得的磁通密度，Blx、Bly和Blz分别为第l个磁传感器在三个正交方向上的磁通密度理论值；
F2、通过LM算法，找出使误差函数取值最小的磁钉位置，作为磁传感器阵列中心与离导引车最近的磁钉之间的相对位置信息(x,y,h)，并根据该值得到磁传感器阵列中心与该磁钉之间的相对状态信息(m,n,p)，其中，h＝0,p＝0。
进一步的，所述步骤G中，导引车当前时刻的第二位姿信息包括导引车当前时刻在全局坐标系中的坐标(xk1,yk1)和转向角
Figure BDA0003215639140000041
Figure BDA0003215639140000042
T为磁传感器阵列中心与导引车中心之间的距离。
进一步的，所述步骤H1中，d1分别为第一位姿信息中的坐标(xk,yk)和转向角θ，d2分别为第二位姿信息中的坐标(xk1,yk1)和转向角
Figure BDA0003215639140000043
进一步的，所述步骤A中，磁钉为水平铺设，各磁钉S极-N极方向相同，且沿X轴方向相邻的两磁钉之间的间距相同，沿Y轴方向相邻的两磁钉之间的间距相同。
进一步的，所述步骤B中，磁传感器阵列由九个磁传感器组成，磁传感器阵列安装在导引车正前方。
进一步的，所述磁钉为圆柱体永磁体。
本发明还通过以下技术方案实现：
一种基于磁钉的导引车调度系统，包括上位机和多个分别与上位机通信连接的导引车，上位机分别控制各导引车利用如上任一所述的导航方法进行有序的行走。
本发明具有如下有益效果：
1、磁传感器在导引车行进过程中进行环境磁场强度的检测，当检测到的磁场强度小于预先设置的阈值时，利用里程计进行导航，即根据里程计测量的信息，得到导引车当前时刻的位姿信息，根据该位姿信息进行导航，当检测到的磁场强度大于预先设置的阈值时，则采用最优的加权因子，对根据里程计测量的信息所得到的位姿信息与根据磁传感器阵列测量的信息所得到的位姿信息进行加权融合，并根据融合后的位姿信息进行导航，即将基于里程计获得的信息与基于磁钉获得的信息进行融合，在磁信号有效路段抑制里程计数据权重，加大磁钉信息数据的权重，以此来提高导航的精度；再者，本发明所采取的算法计算速度更快，能够在导引车高速行驶过程中保证数据及时有效的传输，更适于导引车快速行驶的应用场景；最后，本发明成本低、易维护，在实际工业应用中具有更大的价值，能够带来更高的经济效益。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的磁钉布置示意图。
图3为本发明磁钉、导引车和磁传感器阵列的分析示意图。
其中，1、磁钉；2、导引车；3、磁传感器。
具体实施方式
如图1所示，基于磁钉的导引车导航方法包括如下步骤：
A、如图2所示，将N个磁钉1以阵列形式铺设在导引车2行驶的场地，以第一个磁钉1为零点建立全局坐标系(Xg-Og-Yg)，并得到该坐标系下所有磁钉1坐标(a,b)，形成磁钉1地图；磁钉1铺设时应注意，磁钉1为水平铺设，各磁钉1S极-N极方向相同，且沿X轴方向相邻的两磁钉1之间的间距相同，沿Y轴方向相邻的两磁钉1之间的间距相同；本发明中的磁钉1为圆柱体永磁体；
B、如图3所示，将磁传感器阵列安装在导引车2正前方，该磁传感器阵列九个磁传感器3组成，磁传感器阵列中心Os与导引车2中心Ov的距离为T，这两个中心连线与全局坐标系(Xg-Og-Yg)的X轴之间的夹角等于导引车2的转向角；将里程计设置在导引车2中心Ov，设置导引车2的初始位置位于一磁钉1正上方，方向与磁钉1朝向一致；
C、导引车2行驶过程中，通过里程计测量的导引车2的线速度和角速度，得到导引车2当前时刻的第一位姿信息，该第一位姿信息包括导引车2当前时刻k在全局坐标系中的坐标(xk,yk)和转向角θ，计算公式为：
Figure BDA0003215639140000061
上式可以简化为：
Figure BDA0003215639140000062
其中，vk、wk分别为里程计在第k时刻所测量的导引车2的线速度和角速度，Δt表示采样时间间隔，因导引车2最初位置位于磁钉1上方，且朝向与磁钉1朝向一致，因此，转向角的初始值为0；
D、磁传感器阵列检测磁场强度，当检测到的磁场强度大于预先设置的阈值时，进入步骤F；否则，进入步骤E；其中，阈值按照如下方式确定：预先检测铺设好后的各磁钉1的磁场波动，阈值则设定为大于所有磁钉1的磁场波动的值；
E、根据步骤C所得的导引车2当前的第一位姿信息进行导航；其中，根据位姿信息进行导航的具体过程为现有技术；
F、建立磁偶极子模型，根据所检测到的磁场强度，利用毕奥-萨伐尔定律创建误差函数，并根据该误差函数得到距离引导车最近的磁钉1的相对状态信息，并进入步骤G；具体包括如下步骤：
F1、误差函数为
Figure BDA0003215639140000071
其中，Bmlx、Bmly和Bmlz分别为第l个磁传感器3在三个正交方向上所测得的磁通密度，Blx、Bly和Blz分别为第l个磁传感器3在三个正交方向上的磁通密度理论值；
Figure BDA0003215639140000072
BT为磁钉1的特征常数，(xl,yl)为第l个磁传感器3在磁传感器阵列坐标系(XS-OS-YS)下的坐标，Rl表示第l个磁传感器3至磁传感器阵列坐标系(XS-OS-YS)原点之间的距离；
F2、通过LM算法，找出使误差函数取值最小的磁钉1位置，作为磁传感器阵列中心与离导引车2最近的磁钉1之间的相对位置信息(x,y,h)，并根据该值得到磁传感器阵列中心与该磁钉1之间的相对状态信息(m,n,p)，其中，h＝0,p＝0；
将该相对位置信息减去预先进行设置的磁钉1坐标(a,b)，可得到磁传感器阵列中心Os在全局坐标系(Xg-Og-Yg)下的坐标(xm,ym)：
Figure BDA0003215639140000073
可根据该坐标判断磁传感器阵列是否偏离磁钉1地图，进而可判断导引车2是否偏离磁钉1地图；
G、根据该相对状态信息、磁传感器阵列中心与导引车2中心的距离以及步骤C所得到的导引车2第一位姿信息，计算导引车2当前时刻的第二位姿信息，该第二位姿信息包括导引车2当前时刻在全局坐标系中的坐标(xk1,yk1)和转向角
Figure BDA0003215639140000074
并进入步骤H；其中，
Figure BDA0003215639140000075
T为磁传感器阵列中心与导引车2中心之间的距离；
H、采用最优的加权因子对步骤C所得的第一位姿信息和步骤G所得的第二位姿信息进行加权融合，根据融合后的最终位姿信息进行导航；
步骤H包括如下步骤：
H1、设里程计与磁传感器阵列的融合参数
Figure BDA0003215639140000081
为：
Figure BDA0003215639140000082
其中，d1为步骤C所得的第一位姿信息，d2为步骤G所得的第二位姿信息，设导引车2实际的位置为d，d的值可通过vicon光学跟踪仪测得，则d1、d2为d的无偏估计，故融合参数
Figure BDA0003215639140000083
的方差σ2为
Figure BDA0003215639140000084
而根据多元函数求极值理论可确定在最小方差σ2下的最优加权因子wi：
Figure BDA0003215639140000085
Figure BDA0003215639140000086
为d1的方差，
Figure BDA0003215639140000087
为d2的方差；其中，d1分别为第一位姿信息中的坐标(xk,yk)和转向角θ，d2分别为第二位姿信息中的坐标(xk1,yk1)和转向角
Figure BDA0003215639140000088
两坐标的x轴进行加权融合，求取一组最优加权因子，两坐标的y轴进行加权融合，求取一组最优加权因子，两转向角进行加权融合，求取一组最优加权因子；
H2、根据步骤H1中所得到的wi得到当前时刻k的融合参数
Figure BDA0003215639140000089
为：
Figure BDA00032156391400000810
利用上述导航方法，可形成基于磁钉1的导引车2调度系统，该调度系统包括上位机和多个分别与上位机通信连接的导引车2，上位机分别控制各导引车2利用上述导航方法进行有序的行走。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、将N个磁钉阵列铺设在导引车行驶的场地，以第一个磁钉为零点建立全局坐标系；
B、将磁传感器阵列安装在导引车上，该磁传感器阵列由至少三个磁传感器组成；将里程计设置在导引车中心，设置导引车的初始位置位于一磁钉正上方；
C、导引车行驶过程中，通过里程计测量的导引车的线速度和角速度，得到导引车当前时刻的第一位姿信息，该第一位姿信息包括导引车当前时刻在全局坐标系中的坐标和转向角；
D、磁传感器阵列检测磁场强度，当检测到的磁场强度大于预先设置的阈值时，进入步骤F；否则，进入步骤E；
E、根据步骤C所得的导引车当前的第一位姿信息进行导航；
F、建立磁偶极子模型，根据所检测到的磁场强度，利用毕奥-萨伐尔定律创建误差函数，并根据该误差函数得到距离引导车最近的磁钉的相对状态信息，并进入步骤G；
G、根据该相对状态信息、磁传感器阵列中心与导引车中心的距离以及步骤C所得到的导引车第一位姿信息，计算导引车当前时刻的第二位姿信息，该第二位姿信息包括导引车当前时刻在全局坐标系中的坐标和转向角，并进入步骤H；
H、采用最优的加权因子对步骤C所得的第一位姿信息和步骤G所得的第二位姿信息进行加权融合，根据融合后的最终位姿信息进行导航；
步骤H包括如下步骤：
H1、设里程计与磁传感器阵列的融合参数
Figure FDA0003215639130000011
为：
Figure FDA0003215639130000012
其中，d1为步骤C所得的第一位姿信息，d2为步骤G所得的第二位姿信息，设导引车实际的位置为d，则d1、d2为d的无偏估计，故融合参数
Figure FDA0003215639130000021
的方差σ2为
Figure FDA0003215639130000029
而根据多元函数求极值理论可确定在最小方差σ2下的最优加权因子wi：
Figure FDA0003215639130000022
Figure FDA0003215639130000023
为d1的方差，
Figure FDA0003215639130000024
为d2的方差
H2、根据步骤H1中所得到的wi得到当前时刻k的融合参数
Figure FDA0003215639130000025
为：
Figure FDA0003215639130000026
2.根据权利要求1所述的一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：所述步骤C中，所述第一位姿信息包括导引车当前时刻在全局坐标系中的坐标(xk,yk)和转向角θ，其计算公式为：
Figure FDA0003215639130000027
其中，vk、wk分别为里程计在第k时刻所测量的导引车的线速度和角速度，Δt表示采样时间间隔。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：所述步骤D中，预先检测铺设好后的各磁钉的磁场波动，所述阈值则设定为大于所有磁钉的磁场波动的值。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：所述步骤F包括如下步骤：
F1、所述误差函数为
Figure FDA0003215639130000028
其中，Bmlx、Bmly和Bmlz分别为第l个磁传感器在三个正交方向上所测得的磁通密度，Blx、Bly和Blz分别为第l个磁传感器在三个正交方向上的磁通密度理论值；
F2、通过LM算法，找出使误差函数取值最小的磁钉位置，作为磁传感器阵列中心与离导引车最近的磁钉之间的相对位置信息(x,y,h)，并根据该值得到磁传感器阵列中心与该磁钉之间的相对状态信息(m,n,p)，其中，h＝0,p＝0。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：所述步骤G中，导引车当前时刻的第二位姿信息包括导引车当前时刻在全局坐标系中的坐标(xk1,yk1)和转向角
Figure FDA0003215639130000031
T为磁传感器阵列中心与导引车中心之间的距离。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：所述步骤H1中，d1分别为第一位姿信息中的坐标(xk,yk)和转向角θ，d2分别为第二位姿信息中的坐标(xk1,yk1)和转向角
Figure FDA0003215639130000032
7.根据权利要求1或2或3所述的一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：所述步骤A中，磁钉为水平铺设，各磁钉S极-N极方向相同，且沿X轴方向相邻的两磁钉之间的间距相同，沿Y轴方向相邻的两磁钉之间的间距相同。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：所述步骤B中，磁传感器阵列由九个磁传感器组成，磁传感器阵列安装在导引车正前方。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种基于磁钉的导引车导航方法，其特征在于：所述磁钉为圆柱体永磁体。
10.一种基于磁钉的导引车调度系统，其特征在于：包括上位机和多个分别与上位机通信连接的导引车，上位机分别控制各导引车利用权利要求1-9任一所述的导航方法进行有序的行走。
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