CN106249736A - 一种基于磁钉地图导航的自动导引车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁钉地图导航的自动导引车，包括车载传感器、执行器、控制器，车载传感器包括磁尺、惯性导航模块、里程计、RFID读写器，执行器包括转向***、制动***和动力***；所述导引车行驶在埋有磁钉的车道上，道路上的磁钉的坐标已知并存储在控制器内，控制器通过磁尺测量车道上的磁钉与车身的相对位置来实现对车辆的高精度定位；利用惯性导航模块与里程计，结合磁钉坐标信息进行数据融合，控制器可以精确、连续地计算出车辆的绝对位置，通过执行器实现高精度定位与自主行驶。本发明适用于各种自动化车间与物流仓库中，该装置可以有效减少人力，提高车间运行效率，具有定位精度高、控制性能好、成本较低、可靠性高、维护成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及无人驾驶技术领域，具体地，涉及一种基于磁钉地图导航的自动导引车。
背景技术
近年来无人驾驶技术迅速发展。GPS、雷达、激光雷达、摄像头等各种传感器技术的发展为无人车的环境感知提供了众多途径。而各种电控执行器(如，助力转向***、EPS***等)早已在汽车上得到广泛应用，这些电控执行***为未来无人车代替人类驾驶提供强大支持。由于实际驾驶环境的复杂性，以及交通法规的完善性，真正意义上的无人车短期内还不能应用和普及。但无人车技术却可以先应用于环境简单的局部交通场景内。
自动导引车是一种在固定线路的自主驾驶车辆，通过在线路上安置可用于定位或测量航向与路径偏差的标记实现车辆的导航。自动导引车在制造业，物流业及自动化仓储中有广泛的应用前景。使用自动导引车可以有效的降低人力成本，提高效率，便于管理与统一调度。
经检索，中国专利申请CN201410538378.7，该专利公开一种基于道路曲率地图的磁导航无人车及其地图的建立方法，包括车体、磁钉检测传感器、航位推算传感器、方向盘角度传感器、动力驱动***、转向驱动***、存储有道路曲率地图的控制计算机以及用于定义期望行驶轨迹的磁钉。……
但是，基于曲率地图的磁导航方法具有一定的局限性，该方法虽然优化了建图效率，但降低了地图精度，且只适用于在单条轨道上行驶，应用场景简单。曲率地图无法表达多车道间的磁钉关系，所以不能完成更换车换道等动作。且没有绝对定位的导航不利于可视化，也不利于多车***的统一调度与管理。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于磁钉地图导航的自动导引车，该自动导引车具有定位精度高、控制性能好、维护成本低的特点。
为实现以上目的，本发明提供一种基于磁钉地图导航的自动导引车，包括：车体和设置于车体上的车载传感器、执行器、控制器，以及与车载传感器配套的磁钉车道，其中：
所述车载传感器中包括磁尺、惯性导航模块、里程计和RFID读写器；所述磁尺、惯性导航模块、里程计和RFID读写器，以及所述执行器均与控制器相连接；
所述磁尺，安装在车辆上，用于测量磁钉车道竖直方向的磁场强度，并反馈给控制器；
所述惯性导航模块，用于测量车体垂直于地面的角速度，并反馈给控制器；
所述里程计，用于测量车体的速度与里程，并反馈给控制器；
所述RFID读写器，用于读取RFID标签信息，并反馈给控制器；
所述控制器通过磁尺测量磁钉车道上的磁钉与车体的相对位置，通过相对位置、上一时刻控制器计算得到的车***姿与磁钉的坐标信息计算出车体的坐标作为卡尔曼滤波器的测量值，利用惯性导航模块与里程计的数据结合车辆运动模型计算出卡尔曼滤波器的估计值，再通过测量值与估计值融合计算出车体的坐标与位姿信息，最终通过执行器实现对车体的导航控制。
优选地，所述RFID标签储存相邻磁钉信息，以用于所述自动导引车的初定位与校验。
优选地，所述磁尺由多个直线排列的磁场传感芯片组成，磁尺经过磁钉车道上方时，磁钉被磁尺识别，磁尺上的每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，磁场强度的大小反应出磁场传感芯片距离磁钉的远近；通过对多个磁传感芯片测量的结果与磁钉磁场分布的物理模型进行拟合，以精确判断磁钉相对于磁尺的横向位置，以及磁极方向。
优选地，所述磁尺安装于车体的前端并与车体的中轴线对称。
优选地，所述磁钉车道由间隔等距的磁钉组成，其中每一个磁钉的坐标和磁极朝向(N极向上或S极向上)已知并构成磁钉地图储存在控制器内。
更优选地，所述磁钉车道上的磁钉磁极在直道上的朝向与弯道的朝向相反，磁极的变化用于所述自动导引车在入弯与出弯时进行校验，避免磁钉漏检。
更优选地，所述磁钉车道不限于单列磁钉组成的线状道路，也包括由磁钉组成的网格状平面空间。
优选地，所述执行器包括转向***、制动***和动力***，其中：
所述转向***与制动***将控制器输出的模拟信号转化为相对应的方向盘角度与制动力，从而实现控制器对车体的方向控制与制动控制；所述控制器输出模拟信号给动力***控制车体输出的动力，并结合里程计返回的速度信号实现速度闭环控制。
优选地，所述控制器根据磁尺测量的磁钉横向偏差信息与通过控制器解算的车***姿，判断车体与磁钉的相对位置，再根据磁钉的坐标信息反推出车体的坐标，实现定位的更新。
更优选地，所述控制器根据计算出的车体坐标与位姿，判断车体与车道中心的横向偏差与航向偏差，并根据横向偏差与航向偏差控制转向***进行修正使车体运行在车道中心；当控制器检测到磁钉极性发生变化时，则控制器进行磁钉计数的校验，避免小概率下的误检磁钉而引起的定位误差。
更优选地，所述控制器在没有收到磁尺给出的磁钉检测结果时，通过惯性导航模块给出的角速度与里程计给出的里程，结合车辆运动学模型进行车***姿的航位推算；当收到磁尺给出的磁钉检测结果时，结合航位推算的车***姿与根据磁钉信息提供的车***置测量值进行卡尔曼滤波，计算出准确的车体坐标与位姿。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.本发明属于磁导航方案，具有磁导航的优势，即相对于激光导航、视觉导航而言，本发明具有不容易受到环境干扰、稳定可靠、低成本的优点。
2.与现有的磁导航方案(磁带导航、电磁导航)相比，本发明具有众多优势；磁带在车间内容易磨损，且传感器必须距离地面较低。而本发明的磁尺根据选用磁钉的大小可以达到5cm-30cm的安装高度，且可调整的范围较大。电磁导航线路铺设麻烦、维护成本高、线路改变困难。而本发明的磁钉铺设相对简单，且几乎不需要维护。
3.与现有的磁导航技术相比，磁钉地图导航具有能够提供更多信息的优点：磁钉导航可以通过磁钉极性的变化、相邻磁钉之间的距离变化来给车辆提供更多定位信息；还可以实时矫正车辆的绝对位置，为停靠站点、岔路等提供标定记号，而无需其他辅助的定位或标记措施。
4.与现有的磁导航技术相比，基于磁钉地图导航的控制性能更优：由于已知磁钉地图信息与定位结果，其自动导引车的控制不再局限于基于磁传感器下方的横向偏差来实现横向控制，而是有了前瞻。可以大大提高自动导引车的转弯与定点停车的控制性能。
5、与基于曲率地图的磁导航技术相比，基于磁钉地图导航的地图信息更精确、丰富：曲率地图保存的是相邻磁钉的位置关系，其地图的误差会随着往前推算的磁钉个数而累加。由于本发明的磁钉地图保存的是所有磁钉的绝对位置与极性朝向，所以相比曲率地图有更高的精度。由于知道了每个磁钉的相绝对位置信息，其地图的使用更具有灵活性与拓展性，更有利于单车车辆的控制与多车的调度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的示意图，
图中：车体1，控制器2，里程计3，惯性导航模块4，转向***5，制动***6，RFID读写器7，磁尺8，磁钉9，RFID标签10，动力***11；
图2为本发明一实施例的控制过程流程图；
图3为本发明一实施例的网格状磁钉地图的示意图，
图中：自动导引车100，磁钉9，RFID标签10。
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，一种基于磁钉地图导航的自动导引车，所述自动导引车100包括：车体1、车载传感器、执行器、控制器2，所述车载传感器包括里程计3、惯性导航模块4、RFID读写器7、磁尺8，所述执行器包括转向***5、制动***6和动力***。控制器2与车载传感器和执行器相连接；磁钉车道由间隔等距的磁钉9组成，以磁极加以区分直道与弯道；每个磁钉9的坐标已被测量，并构成磁钉地图保存至控制器2内。直道两端设置了RFID标签10，RFID标签10内储存了相邻磁钉9的编号。
本实施例中，所述车体1所装载的转向***5与制动***6用于将控制器2输出的模拟信号转化为相对应的方向盘角度与制动力，从而实现控制器2对车体1的方向控制与制动控制，控制器2输出模拟信号给动力***以控制车体1输出的动力。
本实施例中，所述磁尺8由多个直线排列的磁场传感芯片组成，用于测量竖直方向的磁场强度，并反馈给控制器2；
磁尺8可以检测到磁钉车道的磁钉9相对于车体1的横向位置：磁尺8经过磁钉9上方时，磁尺8上的每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，磁场强度的大小反应出磁场传感器距离磁钉9的远近；通过对多个磁场传感芯片测量的结果与磁钉9磁场分布的物理模型进行拟合，就可以精确判断磁钉9相对于磁尺8的横向位置，以及磁极方向。
作为一优选的实施方式，所述磁尺8安装于车体1前端并与车体1的中轴线对称，距离地面约20cm左右。
本实施例中，所述惯性导航模块4用于测量车体1垂直于地面的角速度，并反馈给控制器2。
本实施例中，所述里程计3用于测量车体1的速度与里程，并反馈给控制器2。
本实施例中，所述RFID读写器7用于读取RFID标签10信息，并反馈给控制器2；RFID标签10储存相邻磁钉9信息，以用于所述自动导引车100的初定位与校验。
本实施例中，所述磁钉车道由间隔等距的磁钉9组成，其中每一个磁钉9的坐标和磁极朝向(N极向上或S极向上)已知并构成磁钉地图储存在控制器2内。
作为一优选的实施方式，所述磁钉车道不限于单列磁钉9组成的线状道路(如图1所示)，也包括由磁钉9组成的网格状平面空间(如图3所示)。
如图2所示，本实施例所述控制器2控制过程如下：
当自动导引车100的控制器2首次启动时，车体1的初始位置未知；控制器2假设自动导引车100慢速行驶在一条无限远的磁钉直道上；控制器2通过磁尺8返回的磁钉9横向偏差，控制转向***使自动导引车100行驶在磁钉车道中；
当RFID读写器7第一次读取到RFID标签10时，通过返回的信息确定相邻磁钉9的编号，并根据编号载入相应的坐标，初始化自动导引车100的初始坐标与位姿；
在控制器2的每个控制周期里，如果没有收到磁尺8给出的磁钉9测量结果时，控制器2通过惯性导航模块4给出的角速度与里程计3给出的里程，结合车辆运动学模型进行车辆位姿的航位推算；当收到磁尺8给出的磁钉9测量结果时，控制器2根据车辆的坐标与位姿计算出检测到的磁钉9的坐标，并与磁钉地图中的数据匹配出该检测磁钉9的最有可能的磁钉9编号，控制器2载入相应磁钉9信息，并根据其高精度的坐标信息反推出车辆坐标；控制器2结合航位推算的车辆位姿与根据磁钉9测量结果提供的车辆坐标值进行卡尔曼滤波，计算出更为准确的车辆位姿；由于磁钉9测量结果是高精度的、固定不变的，所以控制器2对车辆位姿的计算不会随着各个传感器的误差而逐渐发散，并始终保持较高的精度，定位误差一般可以达到1cm以下；
当控制器2收到磁尺8返回的磁钉9磁极发生变化时，控制器2结合储存的磁钉9的磁极信息进行磁钉编号的矫正，以防止因磁钉9误检而照成的定位误差；
当控制器2收到RFID读写器7收到的信号时，控制器2结合储存的磁钉9的磁极信息进行磁钉9编号的矫正，以防止因磁钉9误检而照成的定位误差；
控制器2根据定位结果，执行相应的导航任务。
本发明具有不容易受到环境干扰、稳定可靠、低成本的优点；磁尺可调整的范围较大；磁钉铺设相对简单，且几乎不需要维护；通过磁钉极性的变化、相邻磁钉之间的距离变化来给车辆提供更多定位与校验信息；自动导引车可以实时计算出精确位置，由于有可靠前瞻，为控制带来便利并提高自动导引车的转向与定点停靠的性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。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或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，包括：车体和设置于车体上的车载传感器、执行器、控制器，以及与车载传感器配套的磁钉车道，其中：
所述车载传感器中包括磁尺、惯性导航模块、里程计和RFID读写器；所述磁尺、惯性导航模块、里程计和RFID读写器，以及所述执行器均与控制器相连接；
所述磁尺，安装在车辆上，用于测量磁钉车道竖直方向的磁场强度，并反馈给控制器；
所述惯性导航模块，用于测量车体垂直于地面的角速度，并反馈给控制器；
所述里程计，用于测量车体的速度与里程，并反馈给控制器；
所述RFID读写器，用于读取RFID标签信息，并反馈给控制器；
所述控制器通过磁尺测量磁钉车道上的磁钉与车体的相对位置，通过相对位置、上一时刻控制器计算得到的车***姿与磁钉的坐标信息计算出车体的坐标作为卡尔曼滤波器的测量值，利用惯性导航模块与里程计的数据结合车辆运动模型计算出卡尔曼滤波器的估计值，再通过测量值与估计值融合计算出车体的坐标与位姿信息，最终通过执行器实现对车体的导航控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述磁尺由多个直线排列的磁场传感芯片组成，磁尺经过磁钉车道上方时，磁钉被磁尺识别，磁尺上的每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，磁场强度的大小反应出磁场传感芯片距离磁钉的远近；通过对多个磁传感芯片测量的结果与磁钉磁场分布的物理模型进行拟合，以精确判断磁钉相对于磁尺的横向偏差以及磁极方向。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述磁尺安装于车体的前端并与车体的中轴线对称。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述RFID读写器读取设置于在磁钉车道直道上的的RFID标签信息，用于自动导引车的初定位与校验；所述RFID标签储存相邻磁钉信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述磁钉车道由间隔等距的磁钉组成，其中每一个磁钉的坐标和磁极朝向已知并构成磁钉地图储存在控制器内。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述磁钉车道为单列磁钉组成的线状道路，或者由磁钉组成的网格状平面空间。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述执行器包括转向***、制动***和动力***，其中：
所述转向***与制动***将控制器输出的模拟信号转化为相对应的方向盘角度与制动力，从而实现控制器对车辆的方向控制与制动控制；所述控制器输出模拟信号给动力***控制车体输出的动力，并结合里程计返回的速度信号实现速度闭环控制。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述控制器根据磁尺测量的磁钉横向偏差信息与通过控制器解算的车***姿，判断车体与磁钉的相对位置，再根据磁钉的坐标信息反推出车体的坐标，实现定位的更新。
9.根据权利要求8所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述控制器根据计算出的车体坐标与位姿，判断车体与车道中心的横向偏差与航向偏差，并根据横向偏差与航向偏差控制转向***进行修正使车体运行在车道中心；当控制器检测到磁钉极性发生变化时，则控制器进行磁钉计数的校验，避免小概率下的误检磁钉而引起的定位误差。
10.根据权利要求8所述的一种基于磁钉地图导航的自动导引车，其特征在于，所述控制器在没有收到磁尺给出的磁钉信息时，通过惯性导航模块给出的角速度与里程计给出的里程，结合车辆运动学模型进行车***姿的航位推算；当收到磁尺给出的磁钉信息时，结合航位推算的车***姿与根据磁钉信息提供的车***置测量值进行卡尔曼滤波，计算出准确的车体坐标与位姿。
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