CN104793619A - 基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，包括激光雷达摆动控制模块、三维点云数据采集模块和车辆导航控制模块，其中：三维点云数据采集模块包括单线激光雷达、电机及转动机构，单线激光雷达为点云数据的采集设备，电机及转动机构为单线激光雷达的摆动提供动力，以实现由平面点云拼接成三维空间点云的功能；激光雷达摆动控制模块负责接收车辆导航控制模块的控制指令和电机的控制任务；车辆导航控制模块根据当前的工作状态向激光雷达摆动控制模块发送摆动控制命令并接收处理点云数据，根据当前视野点云计算得到自动引导车的位置，实现自动定位。本发明实现简单、性价比高、实用性好，适应各种类型仓库巷道的自动引导。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动引导车车辆导航技术，具体地说，设计的是一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置。
背景技术
信息化时代下，随着仓储物流的快速发展，自动引导车(AGV)在工厂的物流生产中发挥着越来越重要的作用。在工厂自动化程度不断提高的背景下，AGV的广泛应用已经成为目前的发展趋势。无人值守的生产作业中应用AGV不仅可以提高生产效率，还可以有效节省生产成本。而AGV之所以能够实现无人驾驶，自动导航对其起到了至关重要的最用。
经检索，发现了许多涉及AGV导航的专利，目前的专利以及实际应用案例中，自动导航装置一般基于电磁轨道，或者应用感应磁带、摄像头扫描标签带的方式，亦或是依靠固定扫描面的单线激光扫描信标来进行AGV的导航过程。在电磁轨道方案中，电磁轨道黏贴在地板上或嵌入地面沟槽中，AGV依靠电磁轨道的信息行进与定位，这种方案通常施工量比较大，且不易修改路线；传感器感应磁带和摄像头识别标签带的方案中，磁带和标签带黏贴于地面，仓库的长期频繁使用条件下，很容易磨损，需要经常的维护与检查；现有的固定扫描面的单线激光扫描反光信标来进行导航的方案普遍都需要在AGV行走的路径上或者仓库环境中设置一定数量的反光标签进行导航，成本及较高，另外，在仓库环境中设置差异化的标签也存在设定困难、施工量大、扩展更改路线不方便等问题。经过对现有文献的查阅，发现也有基于多线激光雷达的动态定位导航的方案，导航的效率、精度都比较高，但由于这种多线激光传感器的实际价格成本比较高，这种方案应用于普通工厂仓库中不具有实际可行性。
发明内容
基于对以上技术问题的分析，本发明的目的是提供一种低成本、灵活性好、易于移植、定位准确的基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，利用摆动的单线激光雷达建立AGV车辆行进方向的三维点云地图，从而与仓库全局地图进行匹配，实现AGV的定位和导航功能。
为达到以上目的，本发明的具体技术方案如下：
本发明提供一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道AGV导航装置，包括三维点云数据采集模块、激光雷达摆动控制模块以及车辆导航控制模块，其中：
所述三维点云数据采集模块，作为点云数据的采集设备，并将采集到的数据发送给车辆导航控制模块；该模块包括单线激光雷达、电机及转动机构，所述单线激光雷达用于采集AGV前方视野范围内的点云数据，即视野范围内的物体坐标数据，并将采集到的数据发送给车辆导航控制模块；所述电机及转动机构，用于搭载单线激光雷达，并带动单线激光雷达进行往复运动即摆动，该摆动的旋转轴为与单线激光雷达的激光发射器的旋转轴垂直的轴线；
所述激光雷达摆动控制模块，用于接收车辆导航控制模块发送的摆动状态控制信号，并驱动三维点云数据采集模块中的电机进行相应的转动；该模块包括单片机和电机驱动部件，所述单片机接收车辆导航控制模块的转动控制指令(包括正转、反转信号)，向车辆导航控制模块发送成功接收指令的信号，并发送脉宽调制PWM信号给所述电机驱动部件以驱动三维点云数据模块中的电机转动；
所述车辆导航控制模块，根据当前的工作状态向激光雷达摆动控制模块发送摆动状态控制命令，接收、处理三维点云数据采集模块采集的点云数据，并根据当前视野点云计算得到自动引导车的位置，实现自动定位。
优选地，所述电机用于驱动转动机构，所述转动机构上安放单线激光雷达。
优选地，所述电机驱动部件的输出与电机的驱动信号线相连；所述电机驱动部件输入PWM信号控制、方向控制信号，输出电机的控制信号。
优选地，所述激光雷达摆动控制模块根据车辆导航控制模块的转动控制指令控制三维点云数据采集模块的电机转换运动方向，其中在不换向的期间，控制电机匀速转动。
优选地，所述车辆导航控制模块通过向激光雷达摆动控制模块中的单片机发送转动控制指令，以触发单片机驱动三维点云数据采集模块中的电机进行反向转动。
优选地，所述车辆导航控制模块接收到单片机已经成功接收到指令并驱动电机转动的反馈信号后，接收通过USB串口获取的单线激光雷达数据帧，对平面扫描数据进行连接形成三维空间点云地图。
优选地，所述车辆导航控制模块将当前获取的点云地图进行滤波，并提取巷道货架点云的网格特征与其存储的工厂仓库巷道空间地图进行匹配，从而得到精确的自身位置信息。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
1、本发明装置结构简单、安装灵活，性价比高；
2、本发明不需要在工厂仓库里安装辅助定位的基础性设施；
3、本发明因为采用空间点云数据与仓库巷道空间地图匹配进行定位，定位精度高、定位稳定性好；
4、导航定位实现自动化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的结构框图；
图2为本发明一实施例的三维点云数据采集模块中单线激光雷达摆动方式的原理图；
图3为本发明一实施例的三维点云数据采集模块中单线激光雷达摆动方式的原理图；
图4为本发明一实施例的转动机构三维示意图；
图中：1为车辆导航控制模块，2为单片机，3为电机驱动部件，4为单线激光雷达，5为电机，6为转动机构旋转轴，7为安装激光雷达的转动托架，8为装置固定架。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道AGV导航装置，包括：激光雷达摆动控制模块、三维点云数据采集模块以及车辆导航控制模块1，其中：车辆导航控制模块1与激光雷达摆动控制模块之间通过通用异步收发传输器(UART)进行通信，激光雷达摆动控制模块包括单片机2(MC9S12XS128-MAL)和电机驱动部件3，三维点云数据采集模块包括单线激光雷达4(UTM-30LX)、电机5(42HS4813A4)及转动机构。本实施例中数据采集采用一个单线激光雷达4。
作为一种优选方式，所述三维点云数据采集模块安装在AGV的前端，单线激光雷达4(本实施例中选用的是Hokuyo的UTM-30LX)的初始位置在图2中的扫描上界或扫描下界。单线激光雷达4在扫描上、下界之间单向摆动(由上至下或由下至上)一次为一个摆动周期，每个摆动周期内，单线激光雷达4将其每一扫描平面的各个扫描点位置数据通过USB2.0发送回车辆导航控制模块1进行处理，生成空间点云。
作为一种优选方式，如图4所示为三维点云数据模块中的转动机构三维示意图，所述的电机5的转轴与转动机构转动轴6(即单线激光雷达4摆动的旋转轴)相连；托架7由电机5提供转动力，单线激光雷达4安装在此托架7上；固定架8为固定该模块到AGV上的固定底座。
作为一种优选方式，所述的三维点云数据采集模块可以用于环境的三维点云重建，可以利用单线激光雷达4在绕与其激光发射器的旋转轴垂直的轴线为旋转轴往复转动扫描这一特性，来将三维平面点云数据连接成空间点云数据。
作为一种优选方式，可将单线激光雷达4摆动获得的空间点云进行拼接从而形成整个环境三维点云地图。
作为一种优选方式，所述的激光雷达摆动控制模块中：单片机2使用的是Freescale的MC9S12XS128MAL单片机，电机驱动部件3的PWM信号和方向控制信号由单片机2产生，并通过UART与车辆导航控制模块1进行通信。在本实施例中单片机2接收到车辆导航控制模块1的转向控制信号的周期为3秒，故单线激光雷达4旋转周期为3秒，即每隔3秒电机5转动换向。
作为一种优选方式，所述的单片机2的控制程序使用CodeWarrior编程平台编写完成。
作为一种优选方式，所述的车辆导航控制模块1向单片机2发送“正转”、“反转”信号，单片机2接收到后向车辆导航控制模块1发送一个成功接收信号并开启PWM模块、输出转动方向控制信号。
作为一种优选方式，所述的电机驱动部件3将电机5的转动步长设定为360°/3200，电机5在每个摆动周期内的转动角度为120°，即如图2所示扫描上界和扫描下界的角度为120°；本实施例中使用的单线激光雷达4的数据帧率为40帧每秒，所以在这个摆动周期内可以采集120帧点云数据，其中地平面平分摆动角。
如图2所示，作为一种优选方式，所述的转动机构旋转轴6直接与电机5转轴相连；如图3所示，激光扫描平面的扇形区域张角在本实施例中也为120°，即单线激光雷达4在每摆动周期内的全部扫描范围是俯仰视角120°和左右视野120°范围内的区域，最终在车辆导航控制模块1中还原出该区域的空间点云地图。
作为一种优选方式，在所述车辆导航控制模块1中事先保存工厂仓库巷道空间地图。在AGV行进过程中，导航装置连续采集点云数据，车辆导航控制模块1将连续的120帧点云数据拼接成三维空间点云地图；在扫描过程中，每一帧数据都根据电机恒定转动角速度和数据接收时间来计算出该帧数据相对于摆动初始位置(即扫描上界或扫描下界)的转过的角度，从而计算得到当前帧在空间中的准确位置，从而还原出上述扫描区域的空间点云地图。
所述车辆导航控制模块1生成一次空间点云地图后，对该地图数据进行滤波去噪，并用随机采样一致性算法(RANdom SAmple Consensus，RANSAC)提取点云中的巷道式货架垂直平面点云，再将该点云与事先存储的工厂仓库巷道空间地图点云进行正态分布变换(Normal Distribution Transform，NDT)匹配，该匹配过程结束后得到当前视野的三维地图在工厂仓库巷道空间点云地图的相对位置，即得到当前AGV的具***置，实现导航定位的功能。
作为一种优选方式，在巷道式货架仓库中，可以根据单次摆动单线激光雷达4获取的空间点云数据，对其进行特征提取后，获得巷道货架的网格信息；计算当前视野数据与地图数据的相对位置信息；利用该相对位置信息得到安装本导航装置的自动引导车在仓库中的准确位置。
作为一种优选方式，所述的三维点云数据采集模块及激光雷达摆动控制模块均由12V电池提供。
以上对本发明的优选实施例进行了详细描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形、替代或修改，这并不影响本发明的实质内容，本发明的保护范围应如权利要求书所列。
Claims (7)
1.一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，其特征在于，包括三维点云数据采集模块、激光雷达摆动控制模块以及车辆导航控制模块，其中：
所述三维点云数据采集模块，作为点云数据的采集设备，并将采集到的数据发送给车辆导航控制模块；该模块包括单线激光雷达、电机及转动机构，所述单线激光雷达用于采集AGV前方视野范围内的点云数据，即视野范围内的物体坐标数据，并将采集到的数据发送给车辆导航控制模块；所述电机及转动机构，用于搭载单线激光雷达，并带动单线激光雷达进行往复运动即摆动，该摆动的旋转轴为与单线激光雷达的激光发射器的旋转轴垂直的轴线；
所述激光雷达摆动控制模块，用于接收车辆导航控制模块发送的摆动状态控制信号，并驱动三维点云数据采集模块中的电机进行相应的转动；该模块包括单片机和电机驱动部件，所述单片机接收车辆导航控制模块的转动控制指令，向车辆导航控制模块发送成功接收指令的信号，并发送脉宽调制PWM信号给所述电机驱动部件以驱动三维点云数据模块中的电机转动；
所述车辆导航控制模块，根据当前的工作状态向激光雷达摆动控制模块发送摆动状态控制命令，接收、处理三维点云数据采集模块采集的点云数据，并根据当前视野点云计算得到自动引导车的位置，实现自动定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，其特征在于，所述电机用于驱动转动机构，所述转动机构上安放单线激光雷达。
3.根据权利要求1所述的一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，其特征在于，所述电机驱动部件的输出与电机的驱动信号线相连；所述电机驱动部件输入PWM信号控制、方向控制信号，输出电机的控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，其特征在于，所述激光雷达摆动控制模块根据车辆导航控制模块的转动控制指令控制三维点云数据采集模块的电机转换运动方向，其中在不换向的期间，控制电机匀速转动。
5.根据权利要求1所述的一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，其特征在于，所述车辆导航控制模块通过向激光雷达摆动控制模块中的单片机发送转动控制指令，以触发单片机驱动三维点云数据采集模块中的电机进行反向转动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，其特征在于，所述车辆导航控制模块接收到单片机已经成功接收到指令并驱动电机转动的反馈信号后，接收通过USB串口获取的单线激光雷达数据帧，对平面扫描数据进行连接形成三维空间点云地图。
7.根据权利要求6所述的一种基于摆动单线激光雷达的仓库巷道自动引导车导航装置，其特征在于，所述车辆导航控制模块将当前获取的点云地图进行滤波，并提取巷道货架点云的网格特征与其存储的工厂仓库巷道空间地图进行匹配，从而得到精确的自身位置信息。
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