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CN110147100A - 一种具有高精度导航定位功能的agv平台及导航方法 - Google Patents

一种具有高精度导航定位功能的agv平台及导航方法 Download PDF

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CN110147100A CN201910373018.9A CN201910373018A CN110147100A CN 110147100 A CN110147100 A CN 110147100A CN 201910373018 A CN201910373018 A CN 201910373018A CN 110147100 A CN110147100 A CN 110147100A
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王刚
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Abstract

本发明提供了一种环境适应力强、能有效避免误报错的具有高精度导航定位功能的AGV平台，以及基于该平台的导航方法。AGV平台包括含有四驱舵轮的车体（1），在车体的底面的中线上的不同位置设置有第一视觉相机（2）和第二视觉相机（3），该中线的走向与车体的前进方向一致，在车体的底面的另一条中线上且偏离车体的中心点还设置有第三视觉相机（4），在车体的底面中心点处设置有RFID读卡器（5）。其导航方法为：当该AGV平台前进时，第一视觉相机和第二视觉相机对前进路径进行俯拍，RFID读卡器不断扫描路径上标记的RFID信息，以获取色带的位置和位姿信息，据此来对车体的四驱舵轮进行控制。本发明可应用于AGV领域。

Description

一种具有高精度导航定位功能的AGV平台及导航方法
技术领域
本发明涉及AGV领域，尤其涉及一种具有高精度导航定位功能的AGV平台及导航方法。
背景技术
随着制造业和物流行业的自动化、智能化程度不断提高，传统点对点间的固定物料传输方式已经不能满足柔性化的要求，自动导航小车（AGV）适应这种柔性化的要求得到了飞速的发展。而作为AGV核心技术之一，AGV导航和定位也出现了多种形式，如磁导航、色带导航、惯性导航、激光SLAM（Simultaneous Localization and Mapping,即时定位与地图构建）、VSLAM(Visual Simultaneous Localization and Mapping，视觉即时定位与地图构建)等。然而，这些AGV导航和定位的方式也是各有优缺点。
磁导航应用较为成熟，这种导航方式优点是可用于粉尘、积水等恶劣的环境，导航原理是磁刷探测AGV相对地面轨道磁条的偏离信息，反馈驱动系统做相应的位姿校正；缺点是这种磁导航磁刷与地面磁条需保持较小的距离来保证准确位置信息输入，且这种磁刷探测的偏移量细分精度较差，不适用于需要精确位置导航的场景，且其定位需要配合其他定位方式来实现。
激光SLAM一般是结合GPS、AI(人工智能)以及大数据等后端技术支持，来导航载体（无人车）在高度随机的路面环境准确、安全地运行，激光起到导航定位和障碍物场景探测输入的作用，激光SLAM在现有的导航方式中无疑是最稳定、最优以及最为柔性的方式，但其硬件成本以及研发成本较高，在工业级既定、随机性不高的厂区应用场景中，激光SLAM的优势就显得有些冗余了。
VSLAM受限于深度相机、双目相机、处理器以及图像重建算法的成熟度，目前该种导航方式依然局限于实验室既定场景下的场合。
色带导航一般是通过安装在车体底部的俯拍相机拍摄色带轨道来获取位姿信息，并通过色带轨道上的离散二维码或数字信息，来判断关键地点相对于地球坐标系的相对位置，色带导航的柔性程度优于磁导航，且探测车体偏移色带轨道的精度更高（和磁导航相比），但是在位姿控制方面依然衍生出了不同的控制方法，对破损色带的适应能力也不尽相同，对于关键地点的判断精度和二维码维护也有较高的要求。
综上所述，针对工业级既定、随机性不高的厂区应用场景，显然是色带导航更加适用。然而，目前的色带导航对色带的完整度要求较高，导航定位适应性差，当色带轨道上出现破损、沾污、遮盖等情况时，AGV移动到这些色带段容易出现出轨误报错。
本发明正是针对AGV色带导航中存在的上述问题来设计一种新的AGV平台，以解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种环境适应力强、能有效避免误报错的具有高精度导航定位功能的AGV平台，以及基于该平台的导航方法。
本发明所述具有高精度导航定位功能的AGV平台所采用的技术方案是：它包括含有四驱舵轮的车体，在所述车体的底面的中线上的不同位置设置有第一视觉相机和第二视觉相机，该中线的走向与所述车体的前进方向一致，在所述车体的底面的另一条中线上且偏离车体的中心点还设置有第三视觉相机，在所述车体的底面中心点处设置有RFID读卡器，当该AGV平台前进时，所述第一视觉相机、第二视觉相机和/或第三视觉相机对前进路径进行俯拍，所述RFID读卡器不断扫描路径上标记的RFID信息，以获取色带的位置和位姿信息，据此来对所述车体的四驱舵轮进行控制。
由此可见，针对现有技术中的二维码定位信息导致色带导航定位精度较差，且关键点二维码残缺将导致对全局位置的丢失而引起致命的误操作；本发明结合使用RFID（射频ID，射频信号是一种电磁信号），对关键点的信息进行射频编码，控制车体进行减速、停止、入弯和横移等动作，保证动作的准确性，以适用粉尘和水污等环境，解决二维码残缺定位不准的问题；另外，针对由于色带轨道的划线误差、相机的安装位姿误差以及AGV曲线拟合寻轨存在误差而导致AGV出现有一侧偏离色带轨道，也就是单相机拍摄的图像位姿不能准确地标示AGV车体位姿的情况，本发明用前进方向的双相机获得的色带图像来来构建矢量进行精确导航，上位机同时提取第一视觉相机和第二视觉相机的色带图像，计算得到色带在视野中的位置以及色带倾斜度，然后在AGV坐标系下构矢量，然后用此矢量反馈目标舵轮转角和速度并调整，从而实现对AGV车体的高精度的自动导航定位；同时，对于色带轨道可能存在不连续的破损或沾污情况，本平台同样适用，故其道路环境适应力强，能有效避免误报错。
进一步地，在所述车体的外周上还设置有避障雷达和防撞条。由此可见，避障雷达能够安全地监测AGV运行环境潜在的障碍，对AGV起到提前预测和保护的作用；防撞条能够避免AGV车体与潜在的障碍发生碰撞，保证车体的安全性，还可以将防撞条上位机相配合，当防撞条被碰撞时，上位机马上发出驱动轮断电并抱死行走轮的命令，从而最大程度地对车体进行保护。
又进一步地，所述第一视觉相机、第二视觉相机和第三视觉相机的中心距为1800mm。可见，本发明所采用的相机的中心距足够大，能够对行走路线的较大范围进行拍照，降低色带位置确定的难度。
基于上述具有高精度导航定位功能的AGV平台的导航方法包括以下步骤：
a.AGV在前进过程中以设定的扫描周期扫描路径上的RFID信息，当扫描到RFID标记的信息是精确导航起点信息时，上位机调取所述第一视觉相机和所述第二视觉相机的图像，分别对图像在水平方向上进行加权平均计算色带在视野中的位置P1(x1,y1)和P2(x2,y2)以及色带倾斜度θ1和θ2，以此两参数确定AGV相对于色带的位姿；
b.根据色带的位姿信息在AGV坐标系下构位姿矢量；
c.根据所构的位姿矢量确定AGV的位置和偏移量，根据AGV的偏移量调整舵轮转角与速度，等待下一次的位姿反馈，直到读取RFID信息是精确导航结束点。
上述方案可见，通过前进方向的双相机获得的色带图像来来构建矢量进行精确导航，上位机同时提取第一视觉相机和第二视觉相机的色带图像，计算得到色带在视野中的位置以及色带倾斜度，然后在AGV坐标系下构矢量，然后用此矢量反馈目标舵轮转角和速度并调整，从而实现对AGV车体的高精度的自动导航定位，减少了破损色带上运行小车出轨的频率，降低色带的维护频率；也提高了导航定位精度；还实现了AGV可靠稳定的寻色带轨道运动，且其算法过程简单可靠。
进一步地，在所述步骤a中，当读取的RFID识别信息没有在精确的导航起始点和结束点之间时，上位机判断目前所处的路段为普通导航路段，上位机同一时间只用一个视觉相机获得的图像进行导航；上位机在选取视觉相机获得的图像时，首先以所述第一视觉相机反馈的色带图像，并在opencv中判断所述第一视觉相机反馈的色带信息是否完整，如果判断色带信息完整，则利用所述第一视觉相机输出的图像来获得AGV的位姿信息，反之则调用所述第二视觉相机的图像，然后根据该位姿信息调整舵轮的转角和速度，使AGV稳定地在色带轨道上运行。由此可见，在普通导航路线上，即使色带有部分破损或者是部分沾污，但没有连续破损或沾污超过相机中心距，只采用其中一台相机获得的图像给出的位姿信息就能完成精确导航，从而减少了一台相机的投入，降低了上位机的数据处理量，提升了效率，也降低了成本。
再进一步地，所述步骤a中，在上位机调取所述第一视觉相机和所述第二视觉相机的图像后，还包括以下步骤：在opencv中对获得的图像进行运动伪影和图像去噪处理，再对图像中的色带进行边缘检测，确定色带在图像中的位置。由此可见，对相机获取的图像进行处理，以保证图像的质量，为后续的色带位姿信息确定提供前提保证，也降低后续工作的计算量。
又再进一步地，步骤a中的扫描周期是20ms。由此可见，通过极短的扫描周期，能够随时获得AGV行进过程中的俯拍图像，进而确认其位姿，结合偏移量来实现对舵轮的转角和速度的调整，保证AGV始终沿着色带运动。
附图说明
图1是本发明实体AGV的简易结构示意图；
图2是本发明抽象出来的模型俯视图；
图3是本发明抽象出来的舵轮轮系和相机布置俯视示意图，其中位于图中右上部分的坐标系是第一视觉相机获得的图像中的色带位置示意，位于图中右下部分的坐标系是第二视觉相机获得的图像中的色带位置示意；
图4是本发明抽象出来的在AGV车体发生了偏离状态下的舵轮轮系和相机布置俯视示意图，其中位于图中中上部分的坐标系是第一视觉相机获得的图像中的色带位置示意，位于图中中下部分的坐标系是第二视觉相机获得的图像中的色带位置示意，位于右侧的坐标是的位姿矢量示意；
图5是根据AGV的偏移量调整舵轮转角与速度的模型图。
具体实施方式
如图1和图4所示，本发明中，具有高精度导航定位功能的AGV平台，包括含有四驱舵轮的车体1，在所述车体1的底面的中线上的不同位置设置有第一视觉相机2和第二视觉相机3，该中线的走向与所述车体1的前进方向一致，在所述车体1的底面的另一条中线上且偏离车体的中心点还设置有第三视觉相机4，其中，第三视觉相机4是在车体横向移动时才启用，同样是对地面进行俯拍以获取车体横移时的色带图像。在所述车体1的底面中心点处设置有RFID读卡器5，当该AGV平台前进时，所述第一视觉相机2、第二视觉相机3和/或第三视觉相机4对前进路径进行俯拍，所述RFID读卡器5不断扫描路径上标记的RFID信息，以获取色带的位置和位姿信息，据此来对所述车体1的四驱舵轮进行控制。在所述车体1的外周上还设置有避障雷达6和防撞条7。所述第一视觉相机2、第二视觉相机3和第三视觉相机4的中心距为1800mm。
基于上述AGV平台的导航方法包括以下步骤：
a.AGV在前进过程中以设定的扫描周期（扫描周期是20ms）扫描路径上的RFID信息，当扫描到RFID标记的信息是精确导航起点信息时，上位机调取所述第一视觉相机2和所述第二视觉相机3的图像，分别对图像在水平方向上进行加权平均计算色带在视野中的位置P1(x1,y1)和P2(x2,y2)以及色带倾斜度θ1和θ2，以此两参数确定AGV相对于色带的位姿。在上位机调取所述第一视觉相机（2）和所述第二视觉相机（3）的图像后，还包括以下步骤：在opencv中对获得的图像进行运动伪影和图像去噪处理，再对图像中的色带进行边缘检测，确定色带在图像中的位置。
b.根据色带的位姿信息在AGV坐标系下构位姿矢量。
c.根据所构的位姿矢量确定AGV的位置和偏移量，根据AGV的偏移量调整舵轮转角与速度，等待下一次的位姿反馈，直到读取RFID信息是精确导航结束点。
在所述步骤a中，当读取的RFID识别信息没有在精确的导航起始点和结束点之间时，上位机判断目前所处的路段为普通导航路段，上位机同一时间只用一个视觉相机获得的图像进行导航。上位机在选取视觉相机获得的图像时，首先以所述第一视觉相机（2）反馈的色带图像，并在opencv中判断所述第一视觉相机（2）反馈的色带信息是否完整，如果判断色带信息完整，则利用所述第一视觉相机（2）输出的图像来获得AGV的位姿信息，反之则调用所述第二视觉相机（2）的图像，然后根据该位姿信息调整舵轮的转角和速度，使AGV稳定地在色带轨道上运行。
所述步骤c中，根据AGV的偏移量调整舵轮转角与速度的步骤如下：
根据AGV的偏移量，按偏移量和目标转角的函数关系（即阿克曼转向原理算子）计算目标舵轮的转角，确定目标舵轮的转角后，将目标舵轮的转速大小设置成一常量值，然后根据阿克曼转向原理，设定目标舵轮和其余各舵轮的转角和速度大小；上位机向AGV发出运动指令，控制驱动目标舵轮PID根据指令动作，其余舵轮驱动满足阿克曼转向角PID跟随适应（同样是根据下述的阿克曼转向原理算子来约定）；间隔设定的时间判断一次各舵轮速度与转角是否满足阿克曼转向原理，如果在误差容许范围满足阿克曼转向原理，则四驱舵轮就保持当前的位姿和转速，等待下一色带采样位姿判断，判断的时间间隔为40ms；如果各舵轮速度与转角不满足阿克曼转向原理，则在线学习地修改各驱动轮的PID参数，调整完后再次用阿克曼转向原理作为判断，如此循环直至各轮速度与转角满足阿克曼转向原理。在这里，在线学习地修改各驱动轮的PID参数是指根据舵轮行走电机反馈的电流，加权平均四个舵轮的电流均值，对应拟合的电流——PID比例参数Kp，并根据反馈电流的震荡性，调节转速模式下的积分和微分参数Ki和Kd，实现在线学习调整。
如图5所示，具体过程如下：
设在AGV的前进方向上，前后两排舵轮之间的轴距为L，同一排舵轮之间的轮宽为d，位于前排内侧的舵轮的旋转半径为R11，该舵轮位姿与AGV前进方向之间的夹角为θ11，转速为V11，外侧的舵轮的旋转半径为R12，该舵轮位姿与AGV前进方向之间的夹角为θ12，转速为V11，位于后排内侧的舵轮的旋转半径为R21，该舵轮位姿与AGV前进方向之间的夹角为θ21，转速为V11，外侧的舵轮的旋转半径为R22，该舵轮位姿与AGV前进方向之间的夹角为θ22，转速为V11，其中θ11与θ21的大小相等，方向相反，θ12与θ22的大小相等，方向相反；在理想状态下，AGV的旋转中心垂直AGV的长度方向且通过前后两排舵轮之间的中点，设定AGV在前进方向上的前排内侧的舵轮为目标舵轮，根据阿克曼原理有：
——式1，
——式2，
——式3，
式1表示各舵轮回转的半径矩阵，其中L和d为常量，存在的θ11为独立变量，在首次执行时其为预设值；式2表示各舵轮的速度矩阵，其中存在独立变量V11和θ11，式3表示各舵轮的转角矩阵，其中存在唯一的变量θ11，其中，θ11根据色带轨道半径和相机所拍色带偏移量设定，V11根据期望的AGV运行速度及实际沿色带安全不脱轨运行的安全速度设定。
根据式1～3，在确定了目标舵轮的转角θ11和速度V11后，另外三个舵轮的转角和速度即确定。
本发明与现有技术相比，通过RFID读卡器的设置，能够在AGV前进的过程中对色带路径上存在的所有RFID信息进行读取，避免信息遗留，同时对环境要求较低，减少了破损色带上运行小车出轨的频率，降低色带的维护频率；通过三相机的设置，对于具有破损或沾污的色带，都能够快速准确地获得AGV应该具备的位姿信息，从而提高了导航定位精度，也提升了AGV可靠稳定的寻色带轨道运动。

Claims (8)

1.一种具有高精度导航定位功能的AGV平台，包括含有四驱舵轮的车体（1），其特征在于：在所述车体（1）的底面的中线上的不同位置设置有第一视觉相机（2）和第二视觉相机（3），该中线的走向与所述车体（1）的前进方向一致，在所述车体（1）的底面的另一条中线上且偏离车体的中心点还设置有第三视觉相机（4），在所述车体（1）的底面中心点处设置有RFID读卡器（5），当该AGV平台前进时，所述第一视觉相机（2）、第二视觉相机（3）和/或第三视觉相机（4）对前进路径进行俯拍，所述RFID读卡器（5）不断扫描路径上标记的RFID信息，以获取色带的位置和位姿信息，据此来对所述车体（1）的四驱舵轮进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种具有高精度导航定位功能的AGV平台，其特征在于：在所述车体（1）的外周上还设置有避障雷达（6）和防撞条（7）。
3.根据权利要求1所述的一种具有高精度导航定位功能的AGV平台，其特征在于：所述第一视觉相机（2）、第二视觉相机（3）和第三视觉相机（4）的中心距为1800mm。
4.一种利用如权利要求1所述的具有高精度导航定位功能的AGV平台进行色带导航的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.AGV在前进过程中以设定的扫描周期扫描路径上的RFID信息，当扫描到RFID标记的信息是精确导航起点信息时，上位机调取所述第一视觉相机（2）和所述第二视觉相机（3）的图像，分别对图像在水平方向上进行加权平均计算色带在视野中的位置P1(x1,y1)和P2(x2,y2)以及色带倾斜度θ1和θ2，以此两参数确定AGV相对于色带的位姿；
b.根据色带的位姿信息在AGV坐标系下构位姿矢量；
c.根据所构的位姿矢量确定AGV的位置和偏移量，根据AGV的偏移量调整舵轮转角与速度，等待下一次的位姿反馈，直到读取RFID信息是精确导航结束点。
5.根据权利要求4所述的色带导航方法，其特征在于，它还包括以下步骤：在所述步骤a中，当读取的RFID识别信息没有在精确的导航起始点和结束点之间时，上位机判断目前所处的路段为普通导航路段，上位机同一时间只用一个视觉相机获得的图像进行导航。
6.根据权利要求5所述的色带导航方法，其特征在于，上位机在选取视觉相机获得的图像时，首先以所述第一视觉相机（2）反馈的色带图像，并在opencv中判断所述第一视觉相机（2）反馈的色带信息是否完整，如果判断色带信息完整，则利用所述第一视觉相机（2）输出的图像来获得AGV的位姿信息，反之则调用所述第二视觉相机（2）的图像，然后根据该位姿信息调整舵轮的转角和速度，使AGV稳定地在色带轨道上运行。
7.根据权利要求4所述的色带导航方法，其特征在于，所述步骤a中，在上位机调取所述第一视觉相机（2）和所述第二视觉相机（3）的图像后，还包括以下步骤：在opencv中对获得的图像进行运动伪影和图像去噪处理，再对图像中的色带进行边缘检测，确定色带在图像中的位置。
8.根据权利要求4所述的色带导航方法，其特征在于：步骤a中的扫描周期是20ms。
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