一種自動導引運輸車的定位系統和方法與流程

本發明實施例涉及自動定位導航技術領域，尤其涉及一種自動導引運輸車的定位系統和方法。

背景技術：

近年來，隨著智能物流行業的快速發展，自動導引運輸車(automatedguidedvehicle，agv)以其工作效率高、可降低人力成本、工作環境安全等優勢，得到了越來越廣泛的應用。

研究agv的關鍵在于如何對其準確定位與導航，對此，傳統且低成本的方式是采用磁條，配有二維碼、天花板特征等信息，該方法運動路徑可控，安全性高，但對路徑的局限性較大；也有部分采用陀螺儀和加速計，但該方法只能提供航向角信息，僅可作為輔助導航工具；此外，也有部分采用激光slam的方法，該方法雖然能提供高精度的定位信息，但價格非常昂貴。

因此，隨著agv的廣泛應用，需要研究一種既能滿足準確定位導航又能夠降低成本的agv定位導航系統及方法。

技術實現要素：

本發明提供一種自動導引運輸車的定位系統和方法，以實現對自動導引運輸車的高精度定位與導航。

第一方面，本發明實施例提供了一種自動導引運輸車的定位系統，包括加速度計、陀螺儀、磁力計、光電編碼器、超聲波探頭、攝像頭和微控制器；所述加速度計、所述陀螺儀、所述磁力計、所述光電編碼器、所述超聲波探頭和所述攝像頭分別與所述微控制器連接；其中：

所述加速度計，用于測量所述自動導引運輸車的車體的運動加速度；

所述陀螺儀，用于測量車體的運動角速度；

所述磁力計，用于測量車體四周磁場的分布量；

所述光電編碼器，用于測量車體驅動裝置的轉動信息，并將所述轉動信息編碼形成對應的光電脈沖信號；

所述超聲波探頭，用于測量車體底部與地面的相對距離；

所述攝像頭，用于獲取車體底部的地面圖像數據；

所述微控制器，用于處理所述加速度、所述角速度、所述磁場的分布量、所述光電脈沖信號、所述相對距離以及所述地面圖像數據獲得定位數據。

進一步的，所述光電編碼器設于所述自動導引運輸車的驅動輪的轉動主軸上；

所述超聲波探頭設于所述車體的底部，且朝向地面；

所述攝像頭設于所述車體的底部，且朝向地面。

進一步的，所述加速度計為三軸mems加速度計；

所述陀螺儀為三軸mems陀螺儀；

所述磁力計為三軸mems磁力計；

所述光電編碼器，包括增量式編碼器、絕對式編碼器和混合式絕對值編碼器；

所述攝像頭為廣角攝像頭。

第二方面，本發明實施例還提供了一種自動導引運輸車，包括第一方面所述的定位導航系統。

第三方面，本發明實施例還提供了一種用于自動導引運輸車的定位方法，該方法由第一方面所述的定位系統的微控制器來執行，包括：

接收原始數據，所述原始數據包括加速度、角速度、磁場的分布量、光電脈沖信號、車體底部與地面的相對距離和地面圖像數據；

對所述原始數據進行數據標定、融合或相互補償處理獲得定位數據。

本發明實施例提供的自動導引運輸車的定位系統和方法，通過使用加速度計、陀螺儀、磁力計、光電編碼器、超聲波探頭以及攝像頭，能夠全面、多方位地獲取與自動導引運輸車的當前姿態、位置等相關的數據，克服了傳統使用單一傳感器方法的不足；同時對獲取到的數據進行處理，從而能夠更加精確地得到自動導引運輸車當前的姿態、位置等信息，實現了對自動導引運輸車的高精度定位，同時也有助于自動導引運輸車的精確導航。

附圖說明

圖1是本發明實施例一中的一種自動導引運輸車的定位系統的結構示意圖；

圖2是本發明實施例二中的一種用于自動導引運輸車的定位方法的流程圖；

圖3是本發明實施例三中的一種自動導引運輸車的結構示意圖；

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部結構。

實施例一

圖1是本發明實施例一提供的一種自動導引運輸車的定位系統的結構示意圖。如圖1所示，該定位系統包括：加速度計110、陀螺儀120、磁力計130、光電編碼器140、超聲波探頭150、攝像頭160和微控制器170。加速度計110、陀螺儀120、磁力計130、光電編碼器140、超聲波探頭150、攝像頭160分別與微控制器170連接。

本實施例中，加速度計110、陀螺儀120和磁力計130優選可以通過spi或i2c接口與微控制器170進行連接；光電編碼器140優選可以通過io電路與微控制器170進行連接；超聲波探頭150優選可以通過串行接口電路與微控制器170進行連接；攝像頭160優選可以通過usb接口電路與微控制器170進行連接。

其中，加速度計110，用于測量自動導引運輸車的車體的運動加速度；陀螺儀120，用于測量車體的運動角速度；磁力計130，用于測量車體周圍磁場的分布量；光電編碼器140，用于測量車體驅動裝置的轉動信息，并將所述轉動信息編碼形成對應的光電脈沖信號；超聲波探頭150，用于測量車體底部與地面的相對距離；攝像頭160，用于獲取車體底部的地面圖像數據；微控制器170，用于處理加速度、角速度、磁場的分布量、光電脈沖信號、所述相對距離以及所述地面圖像數據獲得定位數據。

本實施例中，加速度計110、陀螺儀120和磁力計130在車體中的安裝位置均沒有特殊限定，只要不影響其正常工作即可，既可以獨立于微控制器安裝于車體；又可以與微控制器整合成一個整體后安裝于車體，此時，可提高定位系統的各部件的集成度，降低定位系統安裝的難度。光電編碼器140由于需要獲取與車輪有關的轉動信息，以方便后續微控制器170計算車體的運動速度、行進距離和轉向角，應安裝于車體的驅動裝置上，優選可以安裝于驅動裝置內發動機的轉動主軸上或驅動輪的轉動主軸上。超聲波探頭150和攝像頭160優選可安裝于車體的底部，并且都朝向地面設置；在此需要說明的是，超聲波探頭150和攝像頭160在車底的位置應盡量靠近，以保證超聲波探頭150發出的超聲波與地面的交點，可以近似于攝像頭160的地面成像范圍內的圓心，方便后續數據處理。

本實施例中，通過使用加速度計、陀螺儀、磁力計、光電編碼器、超聲波探頭以及攝像頭，能夠全面、多方位地獲取與自動導引運輸車的當前姿態、位置等相關的數據，克服了傳統使用單一傳感器方法的不足；同時對獲取到的數據進行處理，從而能夠更加精確地得到自動導引運輸車當前的姿態、位置等信息，實現了對自動導引運輸車的高精度定位，同時也有助于自動導引運輸車的精確導航。

在上述實施例的基礎上，進一步的，加速度計110優選可以是三軸mems加速度計；陀螺儀120優選可以是三軸mems陀螺儀；磁力計130優選可以是三軸mems磁力計；光電編碼器140優選可以是增量式編碼器、絕對式編碼器和混合式絕對值編碼器等；攝像頭160優選可以是廣角攝像頭。

本實施例中，三軸mems加速度計、三軸mems陀螺儀和三軸mems磁力計均可測量x、y、z三個軸向的數據，以保證所測數據全面準確；廣角攝像頭可采集到的圖像范圍廣，能夠增加所測圖像數據的有效性，以提高圖像數據的利用率。

示例性的，自動導引運輸車的定位系統中的三軸mems加速度計、三軸mems陀螺儀和三軸mems磁力計通過spi接口將測量得到的車體運動加速度、角速度和磁場的分布量發送給該系統的微控制器；安裝于車體左右驅動輪主軸上的增量式編碼器，將與車體驅動輪的轉動信息相關的光電脈沖信號通過io電路發送給微控制器；安裝于車底且朝向地面的超聲波探頭，將測量到的車體底部與地面的相對距離通過串行接口發送給微控制器；安裝于車底且朝向地面的攝像頭，將車體底部的地面圖像數據通過usb接口電路發送給微控制器。該微控制器170在接收到加速度、角速度、磁場的分布量、光電脈沖信號、相對距離和地面圖像數據后，對上述數據進行處理，得到自動導引運輸車的定位數據。此外，定位系統還包括與微控制器連接的數據輸出模塊(圖未示出)，微控制器通過數據輸出模塊將上述處理得到的定位數據輸出給自動導引運輸車的主控系統，以供自動導引運輸車的主控系統對自動導引運輸車進行實時定位與導航。數據輸出模塊也可以與加速度計110、陀螺儀120、磁力計130和微控制器170整合成一個整體后安裝于自動導引運輸車的車體，提高定位系統的各部件的集成度，降低定位系統安裝的難度。

實施例二

圖2是本發明實施例二提供的一種用于自動導引運輸車的定位方法的流程圖，該方法可由上述各實施例中的定位系統的微控制器來執行，包括：

步驟210、接收原始數據，原始數據包括加速度、角速度、磁場的分布量、光電脈沖信號、車體底部與地面的相對距離和地面圖像數據。

本實施例中，微控制器接收原始數據，該原始數據由上述各實施例中的定位系統中的加速度計、陀螺儀、磁力計、光電編碼器、超聲波探頭和攝像頭分別獲取并發送。

步驟220、對原始數據進行數據標定、融合或相互補償處理獲得定位數據。

本實施例中，通過微控制器接收由加速度計、陀螺儀、磁力計、光電編碼器、超聲波探頭以及攝像頭發送的全面且多方位的、與自動導引運輸車的當前姿態、位置等相關的數據，克服了傳統使用單一傳感器數據的不足；同時對獲取到的數據進行數據標定、融合或相互補償處理，從而能夠更加精確地得到自動導引運輸車當前的姿態、位置等信息，實現了對自動導引運輸車的高精度定位，同時也有助于自動導引運輸車的精確導航。

在上述實施例的基礎上，進一步的，步驟220具體包括以下步驟：

(1)對加速度、角速度和磁場的分布量進行姿態數據融合，得到車體的姿態數據。

在本實施例中，利用車體的姿態信息可以更加準確地判斷車體的運動狀態，因此，可以利用姿態數據融合算法對加速度信號、角速度信號和磁場變化信號進行姿態數據融合，以獲取姿態數據，其中，所述姿態數據包括車體的俯仰角、偏航角和滾轉角。

本實施例中，姿態數據融合算法優選但不限于擴展型卡爾曼濾波器。

(2)利用相對距離對地面圖像數據進行標定，得到車體在水平面上的位置變化量。

本實例中，優選可以根據超聲波探頭測得的其與地面的相對距離，并結合攝像頭的視場角，計算出攝像頭所能拍攝到的地面的最大距離。利用該距離對攝像頭獲取到的地面圖像數據進行標定，即可得到地面圖像數據中每個像素點所對應的實際地面距離，至此，完成對圖像數據的標定。

在車體的運動過程中，攝像頭會以預先設定的采樣頻率對地面進行圖像采集，優選可以利用圖像特征提取，在攝像頭獲取到的相鄰兩幀的圖像數據中，選取出同一個特征點作為參考點，并確定在相鄰兩幀圖像數據中，目標點相對參考點移動的像素點個數，根據像素點個數和像素點對應的實際地面距離，即可確定車體的位置變化量。

(3)利用光電脈沖信號，得到車體的運動速度、行進距離和轉向角。

示例性的，光電編碼器安裝在車體左右驅動輪上，在車體在運動過程中，安裝在左右驅動輪上的光電編碼器，分別采集左右驅動輪的轉動信息，并將該信息以光電脈沖信號的形式發送給微控制器。微控制器利用該光電脈沖信號計算車體的運動速度、行進距離和轉向角，其中，轉向角指的是偏航角，即車體在水平面上左右方向上的轉角。

本實施例中，車體處于直線運動過程中，利用光電脈沖信號計算得到的數據包括車體的運動速度和行進距離；車體在運動過程中發生角度偏轉時，利用光電脈沖信號計算得到的數據包括車體的運動速度、行進距離和轉向角。

(4)利用位置變化量與光電脈沖信號進行車體打滑檢測，得到車體打滑判斷數據。

本實施例中，利用地面圖像數據得到的位置變化量，可以確定車體相對地面的位移；利用光電脈沖信號，可以確定車輪的轉速，從而確定車輪相對地面轉動的距離。車體未發生打滑現象時，利用地面圖像數據獲得的位置變化量與利用光電脈沖信號獲得的行進距離相等。一旦車體發生打滑現象，二者不再相等。

為了判斷車體是否處于打滑狀態，需要利用位置變化量和光電脈沖信號進行車體打滑檢測，具體的，打滑檢測包括：若檢測到光電脈沖信號變化，位置變化量不變，則確定車體打滑。

本實施例中，當車體發生打滑現象時，攝像頭采集到的地面圖像數據中，相鄰兩幀圖像中的目標點與參考點之間的像素點個數不變，即由地面圖像數據獲得的車體的位置變化量是0；而驅動輪則會由于驅動裝置的驅動作用，一直處于轉動狀態，光電編碼器持續發送光電脈沖信號，由光電脈沖信號獲得的車體的行進距離不為0，顯然，在這種情況下，光電脈沖信號可信度較低。因此，通過對比光電脈沖信號和位置變化量，即可判斷車體是否處于打滑狀態，當檢測到光電脈沖信號變化，而位置變化量不變時，確定車體處于打滑狀態；當檢測到光電脈沖信號變化，而位置變化量也變化時，確定車體未處于打滑狀態。

(5)利用車體打滑判斷數據對光電脈沖信號和姿態數據進行相互補償處理，得到經過補償后的光電脈沖信號和姿態數據。

本實施例中，優選的，根據車體打滑判斷數據，對光電脈沖信號和姿態數據進行相互補償處理的方法是：分別為光電脈沖信號和姿態數據設定一個由車體打滑判斷數據動態調整的可信度系數。具體的，當確定車體未處于打滑狀態時，光電脈沖信號和姿態數據的可行度系數都比較高，優選可以設定為0.90-1.00之間的數值；當確定車體處于打滑狀態時，光電脈沖信號的可信度系數較低，優選可以設定為0.00-0.10之間的數值，姿態數據的可信度系數比較高，優選可以設定為0.90-1.00之間的數值。

(6)對經過動態調整后的光電脈沖信號和姿態數據進行航向角融合，得到車體的航向角。

本實施例中，光電脈沖信號的可信度系數即車體的運動速度、行進距離和轉向角的可信度系數，因此，將可信度系數與由光電脈沖信號獲得的車體的運動速度、行進距離和轉向角相匹配，得到具有可信度系數的運動速度、行進距離和轉向角相匹配。

本實施例中，航向角等同于車體的轉向角、偏航角，將具有可信度系數的轉向角與具有可信度系數的偏航角進行航向角融合，得到車體的航向角，其中，航向角融合算法，優選但不限于互補型卡爾曼濾波器。

(7)對位置變化量和航向角進行位置融合，得到車體的位置變化數據。

本實施例中，對位置變化量和航向角結合行進速度進行位置融合，其中，位置融合算法，優選可以是互補型卡爾曼濾波器，其中，互補的參數為位置變化量和航向角結合具有可信度系數的行進速度得到的位移。對位置變化量和航向角并結合行進速度進行位置融合后，可得到車體的位置變化數據。

經過上述數據標定、融合或相互補償處理后，最終可獲得自動導引運輸車的定位數據，包括：車體的加速度、運動速度、車體打滑判斷數據、航向角和位置變化數據，其中，運動速度為具有可信度系數的運動速度。

實施例三

圖3是本發明實施例三提供的一種自動導引運輸車的結構示意圖。如圖3所示，自動導引運輸車300包括實施例一中的定位系統310。

本實施例中，定位系統310通過數據輸出模塊與主控系統連接，優選可以采用無線連接的方式，主控系統接收定位系統310發送的定位數據，并結合預設的導航路線，可以對車體進行精確定位和輔助導航。

此外，所述自動導引運輸車還包括存儲器320，用于存儲定位系統在工作過程中獲取到的各類數據。

示例性的，自動導引運輸車工作于室內環境，在運動過程中，其定位系統中的加速度計、陀螺儀、磁力計、光電編碼器、超聲波探頭和攝像頭分別獲取車體的加速度、角速度、磁場的分布量、與驅動輪的轉速相關的光電脈沖信號、與地面的相對距離和地面圖像數據，并發送給微控制器和存儲器。

微控制器利用上述各實施例中的定位方法對接收到的各數據進行處理，具體的：

由加速度、角速度和磁場的分布量獲取車體的姿態數據，包括車體的俯仰角、偏航角和滾轉角，由于車體主要用于貨物的裝載和運輸，一般不會發生上下顛簸和側翻，其對應的俯仰角和滾轉角會比較小，因此，所獲取的姿態數據中，起主導作用的姿態角是偏航角。

得到車體的姿態數據后，為了實現對車體的精確定位，還需要獲取車體的位置變化數據，該位置變化數據由與地面的相對距離和地面圖像數據共同確定。利用與地面的相對距離和攝像頭自身的視場角，對地面圖像數據進行標定，得到每個像素點所對應的地面的實際距離，這樣，通過對比相鄰兩幀圖像數據中目標點相對參考點移動的像素點個數，就可以得到車體的位置變化量。

一般，如果不考慮其他因素，在獲取到上述車體的姿態數據和位置變化量數據之后，即可完成車體的定位。但是，在車體行進過程中，往往會由于各種原因出現打滑的現象，又由于車體處于自動導引狀態，當發生打滑現象時，無法及時得都處理。

基于此，在定位系統中設置光電編碼器，該光電編碼器安裝于左右驅動輪的轉動主軸上，獲取與左右驅動輪轉動信息相關的光電脈沖信號。并由此獲得車體的運動速度、行進距離和轉向角。

車體在正常運動過程中，光電脈沖信號發生變化的同時位置變化量也在發生變化，一旦車體發生打滑，則位置變化量不再發生改變，但在此過程中，光電脈沖信號仍然在發生變化，此時，該信號的可信度比較低。

在車體處于打滑狀態時，需要對車體的姿態數據和位置變化數據進行補償校正，以得到更加精準的定位數據。

根據打滑判斷數據對當判斷車體處于打滑狀態時，分別為光電脈沖信號和姿態數據設定一個由車體打滑判斷數據動態調整的可信度系數，當打滑時，光電脈沖信號的可信度系數比較低，可以設為0.05，姿態數據的可信度系數比較高，可設為0.95，利用互補型卡爾曼濾波器對由具有可信度系數光電脈沖信號獲得的轉向角和姿態數據中的偏航角進行航向角融合，得到經過補償校正后的相對準確的航向角數據。

由于光電脈沖信號具有可信度系數，則由此獲得的行進速度也具有可信度系數。利用互補型卡爾曼濾波器對位置變化量和航向角結合行進速度所得到的位移進行位置融合，得到經過補償校正后的相對準確的位置變化數據。

微控制器將經過處理后的數據通過數據輸出模塊發送給自動導引運輸車的主控系統和存儲器，所發送的定位數據包括車體的加速度、運動速度、車體打滑判斷數據、航向角和位置變化數據，其中，運動速度為具有可信度系數的運動速度。

主控系統利用定位數據可以實現車體的精確定位與打滑故障報警，并且在車體行進過程中，主控系統也可利用定位數據對車體進行輔助導航。

注意，上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解，本發明不限于這里所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的范圍由所附的權利要求范圍決定。