CN116755449A - 一种agv二维码导航系统、导航控制方法及纠偏导航方法 - Google Patents

一种agv二维码导航系统、导航控制方法及纠偏导航方法 Download PDF

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徐兴
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Abstract

本发明公开了一种AGV二维码导航系统，包括AGV小车、若干图像投射组件以及AGV控制模块；其中，图像投射组件安装于AGV小车的工作场景的顶部，用于将二维码图像按照指定的方向进行投射；AGV小车包括PID控制器、底盘驱动器、底盘编码器、惯性传感器和驱动左右车轮的电机；所述AGV控制模块内存储有纠偏导航算法，其根据图像投射组件、底盘编码器、惯性传感器所采集到的实时的AGV小车行驶参数对AGV小车进行控制，同时提供了配套的导航控制方法及纠偏导航方法与传统AGV二维码导航方法相比，该导航系统与导航方法本身并不直接依赖于二维码本身提供位置的位置信息，二维码一定程度的污损并不会对导航准确性产生非常大的影响，且不会随着本系统的使用时间变长而导致精度变低。

Description

一种AGV二维码导航系统、导航控制方法及纠偏导航方法
技术领域
本发明涉及AGV导航与控制技术领域，具体为一种AGV二维码导航系统、导航控制方法及纠偏导航方法。
背景技术
惯性二维码导航也叫二维码视觉导航AGV，他的工作原理是二维码AGV导航通过控制根据二维码传感器的扫描获取到地面铺设的二维码图像坐标系中的位置；把采集到的二维码图像坐标位置信息传送给AGV控制器，控制器计算图像传感器提供的坐标数据，从而确定图像在地图中的位置；调度系统发送给AGV小车导航路径指令；AGV小车根据接收到的路径指令，建立局部导航坐标系并计算AGV小车初始位置；AGV控制器通过编码器信息反馈量控制两个轮子转动圈数，使得AGV小车依次行驶至导航路径指令序列中的每个二维码图像标签，以完成导航路径指令。
但是，现有技术存在以下缺陷：
1)因陀螺芯片本身特性原因，伴随着时间增长误差积累越大，这也是惯性二维码导航绝对硬伤，对于一些产线需要高精度的作业就不是很适用。(二维码惯性导航传感器可重置数据)；
2)二维码惯性导航AGV小车二维码容易污损，需要定期维护、更换二维码；
3)如果场地复杂，用户就需要频繁更换二维码。
有鉴于此，申请人发明了研发了一套二维码导航控制模块，本软件支持小车与客户的WCS、MES等系统管理软件进行对接，自动执行客户调度软件下发的任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种AGV二维码导航系统，以解决上述背景技术中提出的目前在AGV二维码导航过程中存在的精度低、需要定期维护、更换二维码的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种AGV二维码导航系统，包括AGV小车、若干图像投射组件以及AGV控制模块；其中，所述图像投射组件安装于AGV小车的工作场景的顶部，用于将二维码图像按照指定的方向进行投射；所述AGV小车包括PID控制器、底盘驱动器、底盘编码器、惯性传感器(IMU)和驱动左右车轮的电机；所述AGV控制模块内存储有纠偏导航算法，其根据所述图像投射组件、所述底盘编码器、所述惯性传感器(IMU)所采集到的实时的AGV小车行驶参数对所述AGV小车进行控制。
作为一种优选的技术方案，图像投射组件为二维码相机。
作为一种优选的技术方案，还包括有外部API接口，并通过该接口连接外部WCS或MES系统管理软件。
一种AGV二维码导航控制方法，使用了上述的AGV二维码导航系统，其特征在于，包括自动模式和手动模式，手动模式的控制方法如下：
1)前进:长按前进按钮，小车以设定的速度往前行走，松开按钮，小车停止；
2)后退:长按后退按钮，小车以设定的速度往后行走，松开按钮，小车停止；
3)左转:长按左转按钮，小车以相机为中心往左旋转，松开按钮，小车停止；
4)右转:长按右转按钮，小车以相机为中心往右旋转，松开按钮，小车停止；
5)左转90:按下左转90度按钮，小车自动往左旋转90度后停止；
6)右转90:按下右转90度按钮，小车自动往右旋转90度后停止；
7)夹紧:按下夹紧按钮，工具夹紧；
8)松开:按下松开按钮，工具松开；
自动模式的控制方法如下：使用AGV控制模块预设好任务编号、任务动作，下发任务指令小车即可自动执行任务流程，具体如下：
a)先将小车运行二维码待命点，切换到自动运行状态；
b)客户的调度系统通过无线网络把任务发送给AGV小车的PLC软件；
c)PLC软件把任务按照报文格式发送给PC端；
d)小车按照接收到的任务自动执行直行、转弯、夹紧、松开、充电等调度系统的逻辑任务；
e)小车执行任务过程中实时上传小车的位置、任务状态、任务编号、电量信息；
f)执行完成任务后，将任务存入数据库并更新该任务的状态方便历史追溯。
一种AGV二维码导航系统纠偏方法，包括以下步骤：
步骤1：在AGV工作区域内等间距设置有n个二维码标签；
步骤2：AGV在行驶路径中识别到任意第i个二维码标签并启动二维码导航模式，从而利用计算得到的纵向偏差ΔLQR、侧向偏差ΔDQR、方向偏差ΔφQR来实现AGV在第i个二维码标签上的姿态调整；
步骤3：利用底盘编码器估算AGV的车轮速度，利用惯性传感器(IMU)采集AGV的横摆角速度；
步骤4：利用AGV控制模块和PID控制器结合实时的纵向偏差ΔLQR、侧向偏差ΔDQR、方向偏差ΔφQR、车轮速度和AGV的横摆角速度对AGV的行驶方向进行纠偏。
作为一种优选的技术方案，AGV小车在行走过程中根据当前二维码的坐标位置对准下个二维码的中心位置进行实时纠偏，在小车行走过程中，实时接收所述底盘编码器、图像投射组件的通信数据、陀螺仪数据，小车在二维码位置上重置坐标系，在小车离开二维码的瞬时记录当前的二维码坐标和陀螺仪角度；当AGV小车不在二维码上时，根据读到的陀螺仪角度计算小车偏移的角度、根据编码器的值计算行走距离并且实时刷新，通过小车偏移的角度和行走距离计算出小车一瞬间在X、Y方向的行走距离，并计算出X方向在行走方向的导航角，通过在行走距离上增加导航距离，让小车无限接近二维码中心运行，通过导航距离计算出目标角度，计算目标角度与导航角度之间的差值做PID调控，实现不断的缩小误差，让小车实时朝目标点运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该AGV二维码导航系统通过设置PID控制器、底盘驱动器、底盘编码器、惯性传感器(IMU)结合预设好的导航控制方法及纠偏导航方法，使得AGV小车在行走过程中可以根据当前二维码的坐标位置自动对准下个二维码的中心位置进行实时纠偏；在AGV小车行驶过程中计算出小车在X、Y方向的行走距离，并计算出X方向在行走方向的导航角，通过在行走距离上增加导航距离，让小车无限接近二维码中心运行，通过导航距离计算出目标角度，计算目标角度与导航角度之间的差值做PID调控，实现不断的缩小误差，让小车实时朝目标点运行。与传统AGV二维码导航方法相比，该导航系统与导航方法本身并不直接依赖于二维码本身提供位置的位置信息，二维码一定程度的污损并于会对导航准确性产生非常大的影响，且其也不会随着使用时间变长而导致精度变低。
附图说明
图1为本发明的一种AGV二维码导航系统原理示意图；
图2为本发明的姿态表示方法示意图；
图3为本发明IMU启动后，车体的初始状态被记为零度的状态一；
图4为本发明IMU启动后，车体的初始状态被记为零度的状态二。
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。
本发明提供一种技术方案：一种AGV二维码导航系统，包括AGV小车、若干图像投射组件以及AGV控制模块；其中，所述图像投射组件安装于AGV小车的工作场景的顶部，用于将二维码图像按照指定的方向进行投射；所述AGV小车包括PID控制器、底盘驱动器、底盘编码器、惯性传感器(IMU)和驱动左右车轮的电机；所述AGV控制模块内存储有纠偏导航算法，其根据所述图像投射组件、所述底盘编码器、所述惯性传感器(IMU)所采集到的实时的AGV小车行驶参数对所述AGV小车进行控制。其中，图像投射组件为二维码相机。还包括有外部API接口，并通过该接口连接外部WCS或MES系统管理软件，AGV小车与客户的WCS、MES等系统管理软件进行对接后咳哟实现自动导航模式。
请参阅图1，工作原理说明：由于地面凹凸不平，轮子打滑等因素的影响，AGV在行驶过程中无法保证在路径上行驶(从一个二维码到第二个二维码)，则需要通过调整两个轮子的转速，来使小车行驶在正确的路径(位置)和方向(行驶角度)上。首先，位置和角度信息是必需的，运动过程中，分为扫到二维码和没扫到二维码两种情况对位置信息和角度信息的处理；
请参阅图2：
扫到二维码，车体运动中心在二维码坐标系上的姿态(X，Y，Theta)(包括位置和行驶角度)；
没有扫到二维码，IMU能得到运动过程中的角度变化(△Theta)，编码器能得到运动过程中的距离变化(△Distance)
扫描到二维码时，姿态表示方式，无需任何计算，
X＝qrX，
Y＝qrY，
Theta＝360–qrTheta；
无二维码，使用IMU与编码器进行表示：在一个Time Step(一个特定选取时间段)下，车体走过的距离：Distance＝平均值(左右两个轮子编码器数值变化)；Time Step很小的情况下，Steering Angle保持不变,Steering Angle(轮子的行驶角度)与AGV的姿态角Theta有关,具体的：
X_(t+1)＝X_t+Distance*Cos(行驶角)；
Y_(t+1)＝Y_t+Distance*Sin(行驶角)；
Theta_(t+1)＝通过IMU,qrTheta；
行驶角＝通过Theta与行驶方向来计算。
值得注意的是，IMU只能测角度变化AGV通过扫二维码能准确得到姿态角的信息
在没有二维码信息的情况下，姿态角＝离开二维码时的角度+IMU测到的角度变化。
当AGV原地旋转时,左右两个轮子的变化值符号相反,因此移动的距离为零为了方便处理，两个变化值的符号相同时，坐标变化见行驶角的计算。
行驶角计算：
通过qrTheta,IMU只能计算姿态角将行驶方向考虑进去才能知道AGV沿着那个方向运动，Theta_t为车尾方向与X轴逆时针的夹角，
在二维码上时＝360–qrTheta
不在二维码上时＝360–qrTheta+IMU_(t)–IMU_(t-1)；
后退时，速度为负；
行驶角(Steering Angle)＝Theta_t；
前进时，速度为正；
heta_t<180，行驶角(Steering Angle)＝Theta_t+180；
Theta_t>180，行驶角(Steering Angle)＝Theta_t-180。
方向纠偏：使用追踪点计算出AGV需要调整的角度,并输入给PID PID输出控制指令
leftSpeed＝(1-u)*Speed
rightSpeed＝(1+u)*Speed
或者
leftSpeed＝(1+u)*Speed
rightSpeed＝(1-u)*Speed
取决于AGV是前进或者后退,方向不同的情况下，用左右轮来进行顺逆时针旋转的方式也不同。
差速小车通过改变左右轮速来调节运动方向；
车体原地左转：逆时针旋转；
车体原地右转：顺时针旋转；
下发前进命令：两轮子速度为正；
下发后退命令：两轮子速度为负；
前进状态下转动：左轮速度绝对值大于右轮速度绝对值顺时针，左轮速度绝对值小于右轮速度绝对值逆时针；
后退状态下转动：左轮速度绝对值小于右轮速度绝对值顺时针，左轮速度绝对值大于右轮速度绝对值逆时针；
另外，如图3和图4所示，为两种IMU启动后，车体的初始状态被记为零度的状态。
该导航系统可以分为手动和自动两种工作模式：
手动模式的控制方法如下：
1)前进:长按前进按钮，小车以设定的速度往前行走，松开按钮，小车停止；
2)后退:长按后退按钮，小车以设定的速度往后行走，松开按钮，小车停止；
3)左转:长按左转按钮，小车以相机为中心往左旋转，松开按钮，小车停止；
4)右转:长按右转按钮，小车以相机为中心往右旋转，松开按钮，小车停止；
5)左转90:按下左转90度按钮，小车自动往左旋转90度后停止；
6)右转90:按下右转90度按钮，小车自动往右旋转90度后停止；
7)夹紧:按下夹紧按钮，工具夹紧；
8)松开:按下松开按钮，工具松开；
自动模式的控制方法如下：使用AGV控制模块预设好任务编号、任务动作，下发任务指令小车即可自动执行任务流程，在AGV小车与客户的WCS、MES等系统管理软件进行对接后，自动执行客户调度软件下发的任务：
具体的控制流程如下：
a)先将小车运行二维码待命点，切换到自动运行状态；
b)客户的调度系统通过无线网络把任务发送给AGV小车的PLC软件；
c)PLC软件把任务按照报文格式发送给PC端；
d)小车按照接收到的任务自动执行直行、转弯、夹紧、松开、充电等调度系统的逻辑任务；
e)小车执行任务过程中实时上传小车的位置、任务状态、任务编号、电量信息；
f)执行完成任务后，将任务存入数据库并更新该任务的状态方便历史追溯。
该AGV二维码导航系统通过设置PID控制器、底盘驱动器、底盘编码器、惯性传感器(IMU)结合预设好的导航控制方法及纠偏导航方法，使得AGV小车在行走过程中可以根据当前二维码的坐标位置自动对准下个二维码的中心位置进行实时纠偏；在AGV小车行驶过程中计算出小车在X、Y方向的行走距离，并计算出X方向在行走方向的导航角，通过在行走距离上增加导航距离，让小车无限接近二维码中心运行，通过导航距离计算出目标角度，计算目标角度与导航角度之间的差值做PID调控，实现不断的缩小误差，让小车实时朝目标点运行。与传统AGV二维码导航方法相比，该导航系统与导航方法本身并不直接依赖于二维码本身提供位置的位置信息，二维码一定程度的污损并于会对导航准确性产生非常大的影响，且其也不会随着使用时间变长而导致精度变低。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种AGV二维码导航系统，其特征在于，包括AGV小车、若干图像投射组件以及AGV控制模块；其中，所述图像投射组件安装于AGV小车的工作场景的顶部，用于将二维码图像按照指定的方向进行投射；所述AGV小车包括PID控制器、底盘驱动器、底盘编码器、惯性传感器(IMU)和驱动左右车轮的电机；所述AGV控制模块内存储有纠偏导航算法，其根据所述图像投射组件、所述底盘编码器、所述惯性传感器(IMU)所采集到的实时的AGV小车行驶参数对所述AGV小车进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种AGV二维码导航系统，其特征在于，所述图像投射组件为二维码相机。
3.根据权利要求1所述的一种AGV二维码导航系统，其特征在于，还包括有外部API接口，并通过该接口连接外部WCS或MES系统管理软件。
4.一种AGV二维码导航控制方法，使用了如上述权利要求1～3中任意一项所述的AGV二维码导航系统，其特征在于，包括自动模式和手动模式，手动模式的控制方法如下：
1)前进:长按前进按钮，小车以设定的速度往前行走，松开按钮，小车停止；
2)后退:长按后退按钮，小车以设定的速度往后行走，松开按钮，小车停止；
3)左转:长按左转按钮，小车以相机为中心往左旋转，松开按钮，小车停止；
4)右转:长按右转按钮，小车以相机为中心往右旋转，松开按钮，小车停止；
5)左转90:按下左转90度按钮，小车自动往左旋转90度后停止；
6)右转90:按下右转90度按钮，小车自动往右旋转90度后停止；
7)夹紧:按下夹紧按钮，工具夹紧；
8)松开:按下松开按钮，工具松开；
自动模式的控制方法如下：使用AGV控制模块预设好任务编号、任务动作，下发任务指令小车即可自动执行任务流程，具体如下：
a)先将小车运行二维码待命点，切换到自动运行状态；
b)客户的调度系统通过无线网络把任务发送给AGV小车的PLC软件；
c)PLC软件把任务按照报文格式发送给PC端；
d)小车按照接收到的任务自动执行直行、转弯、夹紧、松开、充电等调度系统的逻辑任务；
e)小车执行任务过程中实时上传小车的位置、任务状态、任务编号、电量信息；
f)执行完成任务后，将任务存入数据库并更新该任务的状态方便历史追溯。
5.一种AGV二维码导航系统纠偏方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在AGV工作区域内等间距设置有n个二维码标签；
步骤2：AGV在行驶路径中识别到任意第i个二维码标签并启动二维码导航模式，从而利用计算得到的纵向偏差ΔLQR、侧向偏差ΔDQR、方向偏差ΔφQR来实现AGV在第i个二维码标签上的姿态调整；
步骤3：利用底盘编码器估算AGV的车轮速度，利用惯性传感器(IMU)采集AGV的横摆角速度；
步骤4：利用AGV控制模块和PID控制器结合实时的纵向偏差ΔLQR、侧向偏差ΔDQR、方向偏差ΔφQR、车轮速度和AGV的横摆角速度对AGV的行驶方向进行纠偏。
6.根据权利要求5所述的一种AGV二维码导航系统，其特征在于，所述AGV小车在行走过程中根据当前二维码的坐标位置对准下个二维码的中心位置进行实时纠偏，在小车行走过程中，实时接收所述底盘编码器、图像投射组件的通信数据、陀螺仪数据，小车在二维码位置上重置坐标系，在小车离开二维码的瞬时记录当前的二维码坐标和陀螺仪角度；当AGV小车不在二维码上时，根据读到的陀螺仪角度计算小车偏移的角度、根据编码器的值计算行走距离并且实时刷新，通过小车偏移的角度和行走距离计算出小车一瞬间在X、Y方向的行走距离，并计算出X方向在行走方向的导航角，通过在行走距离上增加导航距离，让小车无限接近二维码中心运行，通过导航距离计算出目标角度，计算目标角度与导航角度之间的差值做PID调控，实现不断的缩小误差，让小车实时朝目标点运行。
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