TWI693493B

TWI693493B - 導引載具控制系統與方法

Info

Publication number: TWI693493B
Application number: TW108108065A
Authority: TW
Inventors: 蔡火鎮; 王右文; 蔡秉憲
Original assignee: 整技科技股份有限公司
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-05-11
Also published as: TW202034104A

Abstract

本發明提出一種導引載具控制系統和方法，包含：控制模組，控制該自動導引載具系統的運作；環境感應模組，耦接控制模組，偵測環境資訊，或數個導航點標籤的位置；姿態感測模組，耦接該控制模組，提供導引載具的態勢資訊，其中，姿態感測模組包含陀螺儀單元，使態勢資訊中，可包含導引載具的數筆姿態資訊；以及，路徑修正模組，儲存路徑修正演算法，利用環境資訊、導航點標籤之位置，與姿態資訊，修正導引載具的路徑；其中，導引載具控制系統可被佈署於導引載具端，或遠端。

Description

導引載具控制系統與方法

本發明涉及一種導引載具控制系統與方法，更詳而言之，為一種針對自動導引載具的路徑進行控制與校正，提高自動導引載具路徑的精確度與行進效率的系統與方法。

自動導引載具(Automatic Guided Vehicle，AGV)，係指可依照載具中內建編程的固定程序，或者依照預定規則，輔以所搭載的感應器或資料鏈(Data Link)如紅外線感應器、光學雷達(Light Detection and Ranging，LIDAR)、超音波雷達、雲端網路控制探測環境資訊，以沿著所規劃好的路線運動，而無需人工持續監控其工作狀態的一種載具。例如，自動導引載具可以沿著製造工廠地板的生產線運輸諸如重機具部件、發動機、底盤等物品，並將其從一個站點輸送到另一個點，以減輕人工因失誤或疲勞而產生的操作失誤，若以國外統計的資料可得知，一個產品的完成，平均僅有5%-25%的時間是花在製造與加工上，而花在運送和等待上的時間卻高達75%-95%，因此，導入自動導引載具的應用並提升其運作的效率，有助於提高企業的生產效率與降低生產上的時間成本，其重要性不言可喻。

歷史上，最早可運送貨物的導引載具於1953年，位於美國伊利諾州的巴雷特電子公司(Barrett Electronics Corporation)發明了世界上第一種導引載具，該導引載具具有一機械保險槓，並由地板上的簡單電線連接人工操控的遙控器，其外觀則由一部牽引車與數部配有貨櫃架的拖車所組成，但尚不具備現代具有可自動化導引的技術特徵，直到大約1980年代，數種用以規劃導引載具路徑的方法被發展成熟，以及在物流、生產工廠的自動化技術發展，自動導引載具對於工作效率的提升益發重要，其導引亦可分為多種形式，例如：電磁感應導引，由在地板上所挖出溝槽裡埋設的電線，當高頻電流流經導線時，導線周圍產生電磁場，AGV上左右對稱安裝有兩個電磁感應器，並依照所接收的電磁信號的強度差異可以反映AGV偏離路徑的程度；磁帶導引，以磁帶紀錄導引載具預先規劃的路徑，使導引載具依照一固定的路徑運動等等。

然則，上述由程序人員進行編程，以一預先規劃路徑使導引載具運動的方式，雖的確可一定程度實現導引載具運動的自動化，但，該預先規劃路徑的缺點為，其規劃的路徑無法預先得知某些錯誤的範圍，例如當無導引載具故障、動作錯誤，或規劃的路徑不符合應用場所的實際座標，而使路徑有所偏差，而以磁帶、色帶導航亦存在對地面破壞度較大，維護費用高，以及不適用較大應用場所的缺點。因此，在習知的技術中，遂有廠商推出利用一或二維條碼、ZigBee、NFC、紅外線等在定點放置固定可讀取標籤的方式，以使導引載具在運動的過程中，可透過在各個導航點標籤，比對事先建立之應用場所的地圖資訊的方式，以修正其路徑，以改善導引載具路徑的精確度。然而，由於上述的可讀取標籤，在人工貼合或設置在定點時，並無法避免會有人為上角度或位置的誤差，若無一校正的機制修正，則導引載具的路徑依然會有偏差，當運動的距離越長，或是生產工廠、應用場所面積越大時，則上述問題會益發嚴重。

另一方面，為了使導引載具在運動的過程中能夠感測與維持其運動的方向，導引載具大多會有陀螺儀(gyroscope)的配置，以使導引載具能夠依據陀螺儀旋轉時，因角動量守恆能抗拒方向改變趨勢的原理，達到偵測導引載具運動姿態的目的。然則，依照陀螺儀的精準度、躁聲、導引載具的種類、應用場所、導引載具行走的速度、地面顛簸、行走路徑彎曲程度的不同，除了會造成陀螺儀的角速度偏移，其偏移的量也會隨著時間的積累使運動姿態的偵測誤差越來越大，因此不同的導引載具，勢必需要根據不同的使用情形，以及所搭配不同的感應器與資料鏈的種類，根據成本、性能等需要，而採用不同的最佳化方法來加以修正其角速度的偏移量，然而，此點在先前技術中卻鮮有探討。

有鑒於此，為解決上述問題，本發明提出了一種導引載具控制系統，包含：控制模組，控制導引載具控制系統的運作；環境感應模組，耦接控制模組，偵測環境資訊，或導航點標籤位置；姿態感測模組，耦接控制模組，提供導引載具態勢資訊，其中，姿態感測模組更包含陀螺儀單元，上述陀螺儀單元利用定軸性與逆動性，使態勢資訊中可包含導引載具的姿態資訊；以及，路徑修正模組，儲存路徑修正演算法，利用上述環境資訊、導航點標籤位置，與姿態資訊，修正導引載具的路徑與地圖資訊；其中，導引載具控制系統可被佈署於導引載具端，或遠端。

於本發明實施例中，環境感應模組可依據成本、性能、應用場所等需要，搭配不同的感應器種類，偵測周遭的環境資訊，或一或二維條碼偵測器、高感度麥克風、紅外線感應器、毫米波雷達、超聲波雷達、光學雷達、ZigBee感應器、NFC感應器、藍芽感應器、光學攝影機，或以上之組合，經數位編碼後傳輸予控制模組。

根據本發明內容，上述姿態感測模組更包含加速度計單元，提供該導引載具控制系統導引載具的方向資訊。

根據本發明內容，上述姿態感測模組更包含磁力計單元，偵測一方位角，提供導引載具的運動方向的相對於實際環境的方位資訊。

本發明提出了一種導引載具控制方法，包含下列步驟：控制模組每隔一段時間T_a1取一姿態感測模組對態勢資訊的測量值；控制模組每隔一段時間T_b1取一環境感應模組對環境資訊，或導航點標籤的測量值；判斷上述態勢資訊、導航點標籤測位置，或/與環境資訊的測量值的偏移量是否超過預設值；若上述的偏移量超過預設值，則路徑修正模組依照態勢資訊、導航點標籤測位置，或/與環境資訊的測量值的偏移量，調整導引載具的實際路徑。

根據本發明內容，若上述的偏移量未超過預設值，則姿態控制模組經過時間T_a2將態勢資訊的測量值饋入控制模組。

根據本發明內容，若上述的偏移量未超過預設值，則環境感應模組經過時間T_b2將環境資訊測量值，或導航點標籤位置的偏移量饋入控制模組。

根據本發明內容，態勢資訊可包含：由陀螺儀單元提供的姿態資訊；由加速度計提供的方向資訊；以及，由磁力計單元提供的方位資訊。

以上所述係用以說明本發明之目的、技術手段以及其可達成之功效，相關領域內熟悉此技術之人可以經由以下實施例之示範與伴隨之圖式說明及申請專利範圍更清楚明瞭本發明。

100‧‧‧導引載具控制系統

101‧‧‧控制模組

103‧‧‧環境感應模組

105‧‧‧姿態感測模組

105a‧‧‧陀螺儀單元

105c‧‧‧磁力計單元

105e‧‧‧加速度計單元

107‧‧‧路徑修正模組

109‧‧‧導引載具端

200‧‧‧導引載具控制方法

S1A-S4‧‧‧方法步驟

301‧‧‧導引載具

303‧‧‧橫軸標線

305‧‧‧縱軸標線

307‧‧‧導航點標籤

701‧‧‧第一圓弧

703‧‧‧第二圓弧

如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。

圖1係說明導引載具控制系統之架構方塊圖。

圖2顯示導引載具控制系統方法之步驟流程圖。

圖3A說明導引載具和導航點標籤位置的誤差產生原因。

圖3B說明如何以座標化之方式修正導引載具和導航點標籤位置的誤差。

圖4顯示姿態資訊，即，陀螺儀單元的角度偏移誤差產生原因。

圖5顯示導引載具於有橫向位移時的情況，路徑修正演算法的其中一種路徑修正方式。

圖6顯示導引載具於無橫向位移時，路徑修正演算法的另外一種路徑修正方式。

圖7係說明導引載具一導航點至另一導航點的中間需繞路閃避時的情形。

本發明將以較佳之實施例及觀點加以詳細敘述。下列描述提供本發明特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本發明亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。本發明將以較佳實施例及觀點加以敘述，此類敘述係解釋本發明之結構，僅用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍。以下描述中使用之術語將以最廣義的合理方式解釋，即使其與本發明某特定實施例之細節描述一起使用。

本發明之第一目的，在於試圖改善習知技術中，導引載具的控制系統與方法，藉由環境感應模組(103)中至少一種以上，包含一或二維條碼偵測器、高感度麥克風、紅外線感應器、毫米波雷達、超聲波雷達、光學雷達、ZigBee感應器、NFC感應器、藍芽感應器、光學攝影機等類型的感應器的座標位置實施校正，以解決人工大量佈建導航點標籤(307)時，因各個位置的導航點標籤(307)具有不同程度的偏移與歪斜，而使導引載具(301)在行走的過程中，實際路徑與預定路徑有所誤差的問題。本發明的第二目的，為解決導引載具(301)在不同的行走路徑時，優化與校正姿態感測模組(105)所提供的態勢資訊，包含姿態資訊、方向資訊，與方位資訊，以提高導引載具(301)行走時，實際路徑與預定路徑之間的精準度。此外，本發明的第三目的，在於根據成本、性能、地圖資訊的類型等需要，整合不同種類的感應器，包含環境感應模組(103)與姿態感測模組(105)，以最佳化導引載具(301)的效能，舉例而言，當應用場所的空間會隨時間而改變(如物流轉運站)，或成本受限，無法使用以光學雷達為基礎的雷射導航時，依然使導引載具(301)能夠滿足應用場所的需求。

為達到上述之目的，請參閱圖1，本發明提出了一種導引載具控制系統(100)，包含：控制模組(101)，控制導引載具控制系統(100)的運作；環境感應模組(103)，耦接控制模組(101)，偵測環境資訊，或導航點標籤位置；姿態感測模組(105)，耦接控制模組(101)，提供導引載具(301)態勢資訊，其中，姿態感測模組(105)更包含陀螺儀單元(105a)，使態勢資訊中可包含導引載具(301)的姿態資訊；以及，路徑修正模組(107)，儲存路徑修正演算法與地圖資訊，利用上述環境資訊、導航點標籤(307)位置、姿態資訊，修正導引載具(301)的實際路徑；其中，導引載具控制系統(100)可被佈署於導引載具端(109)，或遠端。

在本發明中，上述之控制模組(101)，通常包含處理晶片、記憶體、暫存記憶體、顯示裝置、網路通訊模組、作業系統及應用程式等等，以通常已知方式相互連接，執行運算、暫存、顯示及資料傳輸，與提供導引載具控制系統(100)之運作與管理協調等功能，基於以上係屬通常已知架構，故在此不贅述。

根據本發明內容，上述姿態感測模組(105)所提供的所謂態勢資訊，可包含但不限於由陀螺儀單元(105a)利用定軸性(inertia)與逆動性(precession)所提供的導引載具(301)的姿態資訊、由加速度計單元(105e)提供當下導引載具(301)運動之方向資訊，與由磁力計單元(105c)所提供的方位資訊。態勢資訊經過數位編碼後傳輸予控制模組(101)，使路徑修正模組(107)得以整合環境資訊，或導航點標籤(307)的測量值，修正導引載具(301)的實際路徑，提高其實際路徑的精準度。

為達本發明中，校正導航點標籤(307)具有不同程度的偏移與歪斜，而使導引載具(301)的實際路徑發生偏移的原因，請參閱圖3A與圖3B，其顯示了本發明路徑修正模組(107)中，所佈署路徑修正演算法的其中一種路徑修正方式。當環境感應模組(103)，依據由導引載具(301)訂定的橫軸標線(303)與縱軸標線(305)，而偵測到導航點標籤(307)的測量值O_off(x_off,y_off)時，此時該測量值O_off(x_off,y_off)因導航點標籤(307)歪斜而不在預定的位置O_m(0,0)上，因此為使導航點標籤(307)得以繼續使用而不需花費額外的成本重新設置，便需要對其位置進行校正。在本發明實施例中，其校正的步驟為由環境感應模組(103)對該導航點標籤(307)重複偵測n次(n>3)，當該n次的測量小於一預設值，亦即，其精度(Precision)符合於一規範內的值時，則計算上述的座標偏移量與角度偏移量的平均值如下式：x_off=(x₁+x₂+......x_n)/n；y_off=(y₁+y₂+......y_n)/n；θ_off=(θ₁+θ₂+......θ_n)/n；因此，若以圖3A與圖3B的角度偏移量的修正為例，當其計算出平均的角度偏移量為逆時針θ_off=0.52°，即表示該導航點標籤(307)需順時針修正θ_off=0.52°，並將結果存入路徑修正模組(107)，如此即使導航點標籤(307)在人工設置時有所偏差，導引載具控制系統(100)依然能透過上述修正，使導引載具(301)的行走依然能符合預定路徑而不致產生混亂，亦不需將導航點標籤(307)以人工的方式拔除重新設置，除可節約人力外，同時也得以避免重複設置導航點標籤(307)時對地面可能造成的破壞。其中，上述導航點標籤(307)的類型，可為但不限於一或二維條碼、ZigBce、NFC、紅外線、藍芽等等。

本發明另一目的，為解決導引載具(301)在不同的行走路徑，以及當導引載具(301)位於前一個與下一個導航點標籤(307)的中間時，優化與校正姿態感測模組(105)所提供的態勢資訊，包含姿態資訊、方向資訊，與方位資訊，使路徑修正模組(107)所佈署的路徑修正演算法可依上述參數修正導引載具(301)的行走路徑，確保導引載具(301)在前一個與下一個導航點標籤(307)的行走路徑中間時不至於發生迷航的情況。請參閱圖4，其顯示了路徑修正演算法的另外一種路徑修正方式。以姿態資訊的獲得來舉例，其顯示在不加以修正導引載具(301)行走路徑時，其每走一固定距離R，分別在點P₁、P₂、P₃發生了θ₁、θ₂、θ₃等角度的偏移。在本發明的較佳的實施例中，為了使陀螺儀單元(105a)提供的態勢資訊能配合控制模組(101)中，處理晶片的運算速度、導引載具(301)的行走速度、根據環境感應模組(103)的反應所設定的時間T_b1、應用場所中導航點標籤(307)的分佈密度，以及陀螺儀單元(105a)本身的解析度(0.05°-2°)等因素，姿態感測模組(105)每隔一段時間T_a1取一陀螺儀單元(105a)對姿態資訊的測量值，其中時間T_a1與T_b1的範圍可為1毫秒(ms)-1秒(s)，使路徑修正模組(107)得依據導引載具(301)路徑的偏移量，透過判斷態勢資訊與環境資訊是否超過一預設值，決定是否對其導引載具(301)的路徑進行修正。

承上述，為使環境感應模組(103)與姿態感測模組(105)對環境資訊、導航點標籤位置、態勢資訊，能配合路徑修正模組(107)對導引載具(301)行走路徑進行優化，則必須考慮導引載具(301)其實際行走路徑的情況。請參閱圖5，其顯示了導引載具(301)於有橫向位移時的情況。所謂橫向位移，係指導引載具(301)在做圓周運動、轉彎，或直線行走的過程中，因為受到一橫向的外力，或左右輪的轉速差異，導致其實際的行走路徑並非為預定路徑，因此有必要做出修正。在本發明較佳的實施例中，當導引載具(301)每走一固定距離R，而該固定距離R的範圍在0.1-30mm的距離內時，則可根據陀螺儀單元(105a)所獲得的姿態資訊，得知其實際路徑與預定路徑的偏移角度大小為α，若其預定的行走路徑為圓周運動或轉彎時，其半徑D的大小可以被近似為D=R/n(Sinα)，其中，n的值依據導引載具(301)的類型(如：潛盾型、堆高機型或板車型等等)、導引載具(301)左右輪的數目，而有不同的值；若其預定的行走路徑為直線行走，則其橫向位移的大小d為d=R Sinα，以達到本發明中，優化與校正導引載具(301)行走時，實際路徑與預定路徑之間的精準度，或提供導引載具(301)左右輪因速度差異而造成實際路徑和預定路徑不同時，加以修正的依據。

請參閱圖6，其顯示了在本發明之另一實施例中，導引載具(301)不具有橫向位移時的情況。在沒有橫向位移的情況中，係指導引載具(301)在做直線行走的過程中，因左右輪的轉速差異，造成其實際的行走路徑並非為預定路徑的直線路徑，因此有必要做出修正。在本發明最佳的實施例中，同樣當導引載具(301)每走一固定距離R，而該固定距離R的範圍一樣在0.1-30mm的距離內時，則可依照陀螺儀單元(105a)所獲得的姿態資訊，得知其實際路徑與預定路徑的偏移角度大小為α，則其實際的行走路徑可被視作為圓周運動的一部分，其半徑D的大小可以被近似為D=R/n(Sinα)，其中，n的值依據導引載具(301)的類型(如：潛盾型、堆高機型或板車型等等)、導引載具(301)左右輪的數目，而有不同的值，而其左右的偏移大小d可依姿態資訊與上述的近似D，如下式子進行計算d=D-Dcosα，以達到本發明中，優化與校正導引載具(301)行走時，實際路徑與預定路徑之間的精準度，或提供導引載具(301)左右輪因速度差異而造成實際路徑和預定路徑不同時，加以修正的依據。

請參閱圖7，其顯示了在當導引載具(301)所通過的導航點標籤(307)具有偏移與歪斜時，以及導引載具(301)的行走路徑具有一偏移角度α情況下的修正方式。在本發明較佳的實施例中，當兩個導航點標籤(307)的距離L在0.5-50m以內時，修正上述情況的方式為依據座標偏移量與角度偏移量的平均值x_off、y_off、θ_off計算出導引載具(301)和導航點標籤(307)的偏移量△x的大小，此時導引載具(301)的行走方向，可由路徑修正模組(107)透過姿態感測模組(105)所提供的偏移角度α，考慮上述實施例中是否具有橫向位移，修正其行走的路徑。

在本發明一實施例中，導引載具控制系統(100)可被佈署於遠端的一雲端伺服器中心(未顯示於圖)，或其它同樣裝備有導引載具控制系統(100)的導引載具端(109)，透過控制模組(101)所含的網路通訊模組，將應用場所中複數個導引載具(301)的位置和行走路徑加以統整，並根據上述的路徑修正演算法，加以優化各個導引載具(301)的行走路徑，提升導引載具(301)的運作效率，並避免各個導引載具(301)之間因在應用場所中，所佈屬的數量過於龐大，而有相互碰撞的危險。

請參閱圖2，為達本發明中，針對人工大量佈建導航點標籤(307)時，具有不同程度的偏移與歪斜，優化導引載具(301)在不同的行走路徑時，實際路徑與預定路徑之間的精準度，以及，根據成本、性能等需要，整合不同的種類的感應器，本發明提出提出了一種導引載具控制方法(200)，包含下列步驟：於步驟(S1A)中，每隔一段時間T_a1取一姿態感測模組(105)對態勢資訊的測量值；於步驟(S1B)中，每隔一段時間T_b1取一環境感應模組(103)對環境資訊，或導航點標籤(307)的測量值；在步驟(S2A)，路徑修正模組(107)判斷上述態勢資訊、導航點標籤(307)的位置，步驟(S2B)中，路徑修正模組(107)判斷環境資訊的測量值的偏移量是否超過預設值；在步驟(S3A)與步驟(S3B)中，若上述的偏移量超過預設值，則於步驟(S4)中，路徑修正模組(107)，依照態勢資訊、導航點標籤測(307)位置，或/與環境資訊的測量值的偏移量，調整導引載具(301)的實際路徑。

根據本發明內容，在步驟(S3A)中，若態勢資訊的偏移量未超過預設值，則姿態控制模組經過時間T_a2後，將態勢資訊的測量值饋入控制模組(101)，並重新執行步驟(S1A)。

根據本發明內容，在步驟(S3B)中，若環境資訊或導航店標籤(307)的位置偏移量未超過預設值，則環境感應模組經過時間T_b2將環境資訊，或導航點標籤(307)位置的偏移量饋入控制模組(101)，並重新執行步驟(S1A)。

根據本發明方法中之較佳的實施例，T_a1與T_b1的範圍可為1微秒(ms)-1秒(s)，使路徑修正模組(107)得依據導引載具(301)路徑的偏移量，透過判斷態勢資訊與環境資訊是否超過一預設值，決定是否對其導引載具(301)的路徑進行修正。

以上敘述係為本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。