CN107272008A - 一种带惯性补偿的agv激光导航*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带惯性补偿的AGV激光导航***。包括激光导航模块、惯性补偿导航模块、人机交互模块以及底层控制模块。激光导航模块包括工控机、激光雷达；惯性补偿导航模块包括由加速度计、陀螺仪和磁力计组成的九轴加速度传感器，STM32核心控制板(1)；人机交互模块包括集成安卓***的开发板、语音交互单元和摄像头；底层控制模块包括STM32核心控制板(2)、电机驱动器和编码器。本发明采用惯性导航补偿和激光导航相结合的方式实现***的导航，提供一种适应末端定位精度要求高，运行路径无固定线路的工作环境，以及便于企业日常物料搬运，提高物流搬运效率，降低人力与引入成本的一种带惯性补偿的AGV激光导航***。

Description

一种带惯性补偿的AGV激光导航***
技术领域
本发明涉及移动机器人导航技术领域，具体为一种带惯性补偿的AGV激光导航***。
背景技术
目前AGV自动导航小车已经成为智能制造、先进物流以及数字化工厂中的重要设备，作为方便工厂运输、提高生产效率具有非常重要的作用。目前常见的AGV导航方式有磁条导航和激光导航等，磁条导航AGV虽然相对价格便宜，且运行也较为可靠，但是每次运行AGV需要铺设磁条，路径较长时，铺设工作量较大，磁条的成本会比较高，同时更换路线后，由于磁条底部粘性变弱，不能重复使用，磁条后期在水、碾压、磨损等条件下，维护较麻烦。基于激光导航的AGV不需要设置固定的轨道，可通过激光雷达构建室内完整的地图，获得周围环境完整的信息，在移动过程中，通过激光扫描传感器实时获取周围环境的信息，采用相关导航算法，完成导航任务。但是，由于激光导航技术本身存在的缺陷，或者其不完善的地方，使其在二定情况下，比如在走廊、遇到体积较大的运动物体等，导致其定位不准确，在没有及时纠正的情况下，会出现脱离设定路线的可能；此外由于目前导航算法的局限性，此类AGV面临连续运行一段时间累积误差较大的现象，甚至出现迷航故障等问题停止运行，需维修。随着工业4.0和智能制造需求，因此市场上对一种使用更灵活、方便的AGV导航***的研发是迫在眉睫。
随着工业自动化的发展，企业对工厂自动化提出了更高的要求。目前国内物流搬运环节大部分中AGV的运行仍处于有轨导引，以及少部分的非常昂贵的激光无轨导引与施工复杂的惯性导引；但有轨导引方式无法适用运行路径不固定的要求的问题，而无反射板激光导航无法满足末端定位高精度的要求，反射板激光导航其对环境改造较大，不易变换工作场景。因此，对于末端定位精度要求高，运行路径无固定线路的工作环境，单纯使用无反射板激光导航叉车无法满足末端定位高精度的要求，单纯使用有反射板激光导航方式叉车，虽能满足其导航路径灵活与末端定位精度高的特点，但造价太贵，使用环境改造量大，且对使用环境要求较高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种适应末端定位精度要求高，运行路径无固定线路的工作环境，以及便于企业日常物料搬运，提高物流搬运效率，降低人力与引入成本的一种带惯性补偿的AGV激光导航***，采用惯性导航补偿和激光导航相结合的方式实现***的导航，其***具体结构包括惯性补偿导航模块、激光精确导航模块、底层控制模块以及可选的人机交互模块；
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种带惯性补偿的AGV激光导航***，它包括激光导航模块、惯性补偿导航模块、人机交互模块以及底层控制模块。激光导航模块包括工控机、激光雷达[1]；惯性补偿导航模块包括由加速度计、陀螺仪和磁力计组成的九轴加速度传感器，STM32核心控制板(1)；人机交互模块包括集成安卓***的开发板、语音交互单元和摄像头；底层控制模块包括STM32核心控制板(2)、电机驱动器和编码器。
所述激光导航模块用以实现构建环境二维地图、导航路径规划以及路径导航；激光导航模块实时加载导航地图，计算AGV叉车[3]当前的实时位姿及导航路径信息，将AGV叉车实时位姿及导航路径信息传递给AGV叉车主控制器的速度控制模块，根据AGV叉车的速度信息进行闭环控制，使AGV叉车按照既定的速度及路径运行。
所述惯性补偿模块通过查询方式获取九轴加速度传感器(陀螺仪、加速度计以及磁力计)采集的数据，而且能够有效滤除陀螺仪采集的数据的固定漂移和随机误差，能够获得陀螺仪准确的角度数据，同时能够除去AGV打滑以及轮子空转时造成的电机编码器数据的计算误差。该方法解决了单一激光导航精度较低定位不准的问题，可准确推算出所有采样时刻的位置和姿态，使导航精度明显提高。
所述人机交互模块是AGV和用户建立联系的主要模块，在人机交互模块中不需要处理大量数据，只需要根据用户需求建立导航需求功能按钮，采用一键式操作，指引AGV完成运输任务，可选的语音交互单元提供了语音指令，使导航***的实际使用更为便捷。
所述底层控制模块主要用于执行导航命令，是AGV的执行单元。底层控制模块中的STM32核心控制板(2)直接与导航模块的工控机相连，编码器获得的电机运行数据直接与导航模块建立联系，便于实时调整***参数提高导航精度。
优选的，所述工控机装载基于Linux的标准机器人操作***ROS(Robot OperatingSystem)，ROS作为目前机器人行业最热门的机器人控制***，保证的***的稳定性。
进一步的，所述工控机分别与STM32核心控制板(1)和STM32核心控制板(2)相连，不需要中间的过度装置，既保证各个子模块互不干扰又使得导航***更加紧凑，导航定位之间的数据传输更加快速。
优选的，所述带惯性补偿的AGV激光导航***，角度获取能够准确得到角度数据，精度为±0.1度，AGV定位***可准确推算出所有采样时刻的位置和姿态，精度达到±5mm，导航***导航精度可达±10mm。
优选的，所述九轴加速度传感器中的加速度计单元能够有效弥补因AGV打滑以及轮子空转带来的位移缺失或遗漏问题，精确估计AGV运行状态中的实际位移。
优选的，所述人机交互模块，提供显示屏幕，除显示机器人相关信息外，也可通过相关触控操作，用于对机器人的直接控制。此外该模块提供一种基于互联网的远程交互方式，可以在手机客户端进行操作和设置。
进一步的，所述驱动器用以连接STM32核心控制板(2)和电机，将STM32核心控制板(2)控制指令转换成电机转速，控制AGV行走。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下所述：
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：可灵活的在工厂内部对物料进行运输，同时具备激光导航路径灵活与惯性导航定位精确的优点，且对其结构、导航控制算法以及任务调度算法的复杂度要求降低。本发明成本低廉、控制稳定可靠、结构简单、无全限定路径要求、导航路径修改方便、在装卸区与供电区具有较高定位精度。
附图说明
图1是带惯性补偿的AGV激光导航***总体框架示意图。
图2是带惯性补偿的AGV激光导航***的运行流程示意图。
图3是带惯性补偿的AGV激光导航***对应AGV小车整体外观示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
以下将结合附图，对本发明的具体实施作详细说明。
如图1所示，为本发明实施方式提供的一种带惯性补偿的AGV激光导航***的***总体框图。在本实施方式中，AGV导航***可以实现对周围环境信息进行全方位捕捉，建立周围环境地图并识别自身的位置与姿态，结合自身位姿及已有环境地图判断AGV处于安全区域还是危险区域，然后采取不同的行进策略。具体地，它包括激光导航模块、惯性补偿导航模块、人机交互模块以及底层控制模块。激光导航模块包括工控机、激光雷达；惯性补偿导航模块包括由加速度计、陀螺仪和磁力计组成的九轴加速度传感器，STM32核心控制板(1)；人机交互模块包括集成安卓***的开发板、语音交互单元和摄像头；底层控制模块包括STM32核心控制板(2)、电机驱动器和编码器。
本发明导航***中激光雷达传感器用于发射距离信息，接收返回的距离信息，并根据返回的距离信息进行计算，并进行地图构建及输出AGV的初始条件下低精度的位置信息，具体地，激光导航模块可以通过SLAM算法来实现定位与地图构建并根据环境信息进行先验条件下的路径规划，同时在AGV运行过程中进行障碍物的规避。惯性补偿导航模块用于AGV位姿的高精度估计，以便于判断AGV是否是处于正常工作姿态。人机交互模块用于在获知AGV状态时，控制AGV移动，并提供监控服务。底层控制模块执行导航命令。
本发明图1中，除必要的激光导航模块、惯性补偿导航模块、人机交互模块以及底层控制模块，还提供了上层附属的数据处理结构，整个***分为三层即硬件层、驱动层和操作***层。硬件层包含本发明所有主要硬件单元；驱动层提供各个子***模块的数据整合策略；操作***层是集成本发明***的最终呈现层，也是用户使用层。
如图2所示，是本发明：一种带惯性补偿的AGV激光导航***的工作流程示意图，本***的具体工作流程说明如下：
首先在激光导航***中由激光雷达构建环境二维地图，AGV导航***启动时，相应惯性导航***也会跟随启动，记录AGV初始姿态与位置。
通过人机交互模块控制AGV在工作环境中运行，同时构建周围环境地图，另外由底层控制***和惯性导航***跟踪AGV位姿。这一过程要进行激光雷达、编码器、加速度计、陀螺仪、磁力计的信息采集。激光雷达扫描地图信息；编码器实时监测电机信息；加速度计给出位移补偿信息；陀螺仪实时监测AGV姿态转角；磁力计实时给出AGV具体方位。
初始工作由激光导航***主要完成，激光雷达实时扫描数据与环境二维地图匹配获取AGV小车大概位姿，然后以AGV小车当前位姿为圆心，某一半径做圆，确定AGV小车在环境二维地图中所在区域范围；用一定数量带概率表示AGV可能位姿的粒子在求得的AGV小车区域搜索AGV的精确位姿，具体是先把粒子随机分布在区域范围，将激光扫描数据在每个粒子位置与地图进行匹配，并用一个函数进行评估匹配度，更新粒子携带的概率，将概率最小的粒子舍弃，在概率最大的粒子附近增加一个粒子，如此迭代，直到所有粒子所在区域趋于稳定，即区域中心恒定且区域半径小于或等于设定误差值，区域中心即为当前时刻AGV小车的位姿。
将所建地图导入AGV小车导航地图数据库，并输出地图信息到人机交互可视界面中，将编码器、加速度计、陀螺仪、磁力计采集的信息进行融合处理，输出AGV位姿信息。
以上信息的实时传输，根据相关SLAM算法，导航***即可构建环境基本信息。
AGV实际工作时，***进入正式导航中的路径规划阶段，导航路径规划按如下步骤进行：
导入环境二维地图，给出AGV目标站点，***会结合地图信息初步描绘AGV小车行走的全局路径，并根据所确定的初步导航路径的特征，还有AGV小车的基础运动方式，提取初步导航路径上的主要关键点，用于后续路径控制。
AGV底层控制模块接受导航***指令开始运行，同时进行相关传感器的实时数据采集。
采集陀螺仪数据，数据处理单元中的陀螺仪数据采集模块通过实时发送查询协议到陀螺仪，获取陀螺仪测量的原始数据，数据处理单元中的固定漂移处理模块将陀螺仪采集的原始数据，通过离线数据分析得到期望做补偿常量，使得数据成标准高斯分布，然后进行卡尔曼滤波处理，去除固定漂移的数据进行卡尔曼滤波，使数据变得平滑，将卡尔曼滤波后的数据进行积分得到角度信息。
磁力计校准，根据磁力采集的AGV方位校准AGV当前运行方向和实际轨迹方向的偏差角度，如果偏差角度较小，则将陀螺仪采集角度积分初始点校准为校准角度，否则不校准；如果偏差角度太大，则认为AGV脱轨运行，进行陀螺仪的二次检测，最后将实际数据输入到里程计中。
编码器采集单元根据外部中断计数编码器的脉冲，结合电机的极对数得到轮子的转动周数，根据轮子直径和减速比可以计算出里程，此时由于不同环境可能造成AGV车轮打滑或者空转，造成编码器采集信息并不是AGV实际位移的现象。此时需要惯性导航***进行实时位移补偿，由加速度计模块实时采集的AGV车体实际加速度变化，并通过积分运算结合编码器数据估计AGV实际位移，输入到里程计中，该过程是实时性的，因此即使在AGV运行过程中由于激光导航***的不足，在环境构建方面造成了很大误差，也能有惯性补偿导航***补偿过来，完成AGV的精确定位与轨迹规划。
航迹推算，根据输入里程计中的数据推算出所有采样时刻的位置和姿态，形成航迹，完成AGV轨迹规划。
将里程计求得的当前时刻AGV小车位姿传给AGV底层控制***中的STM32底层控制板(2)，其输入为所求当前AGV小车位姿及导航路径信息，输出为AGV小车当前时刻速度信息，速度信息包含AGV坐标系下X轴方向、Y轴方向速度及绕Z轴旋转角速度。STM32底层控制板(2)将所求速度信息传给电机驱动器，控制AGV按给定速度及导航路径向目标点运行，通过AGV小车实际运行，***会实时校正采集点数据，使AGV其沿着初步导航路径进行运动。
重复[0035]-[0040]步骤，直至AGV小车完成给定行走路线。
AGV小车根据当前位置与指定位置的距离关系，确定下一步的控制指令，控制AGV小车往指定位置行进，AGV到达指定位置后卸下物料。
通过人机交互界面可以实时观察AGV的运行姿态，以及当前环境地图的变化，并记录AGV在相邻两个关键点之间的运行方式及状况，运行完毕后，根据其运行状况修正采集点的数据。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种带惯性补偿的AGV激光导航***，其特征在于，包括激光导航模块、惯性补偿导航模块、人机交互模块以及底层控制模块。激光导航模块包括工控机、激光雷达；惯性补偿导航模块包括由加速度计、陀螺仪和磁力计组成的九轴加速度传感器，STM32核心控制板(1)；人机交互模块包括集成安卓***的开发板、语音交互单元和摄像头；底层控制模块包括STM32核心控制板(2)、电机驱动器和编码器。
2.根据权利要求1所述的激光导航模块用以实现构建环境二维地图、导航路径规划以及路径导航；激光导航模块实时加载导航地图，计算AGV叉车当前的实时位姿及导航路径信息，将AGV叉车实时位姿及导航路径信息传递给AGV叉车主控制器的速度控制模块，根据AGV叉车的速度信息进行闭环控制，使AGV叉车按照既定的速度及路径运行。所述的惯性补偿模块通过查询方式获取九轴加速度传感器(陀螺仪、加速度计以及磁力计)采集的数据，而且能够有效滤除陀螺仪采集的数据的固定漂移和随机误差，能够获得陀螺仪准确的角度数据，同时能够除去AGV打滑以及轮子空转时造成的电机编码器数据的计算误差。所述的人机交互模块是AGV和用户建立联系的主要模块，在人机交互模块中不需要处理大量数据，只需要根据用户需求建立导航需求功能按钮，采用一键式操作，指引AGV完成运输任务，可选的语音交互单元提供了语音指令，使导航***的实际使用更为便捷。所述的底层控制模块主要用于执行导航命令，是AGV的执行单元。底层控制模块中的STM32核心控制板(2)直接与导航模块的工控机相连，编码器获得的电机运行数据直接与导航模块建立联系，便于实时调整***参数提高导航精度。
3.一种带惯性补偿的AGV激光导航***，其特征在于，包含如下步骤：
1)在激光导航***中由激光雷达构建环境二维地图，AGV导航***启动时，相应惯性导航***也会跟随启动，记录AGV初始姿态与位置，通过人机交互模块控制AGV在工作环境中运行，同时构建周围环境地图，另外由底层控制***和惯性导航***跟踪AGV位姿；
2)导入环境二维地图，给出AGV目标站点，***会结合地图信息初步描绘AGV小车行走的全局路径，并根据所确定的初步导航路径的特征，还有AGV小车的基础运动方式，提取初步导航路径上的主要关键点，用于后续路径控制；
3)AGV底层控制模块接受导航***指令开始运行，同时进行相关传感器的实时数据采集，采集陀螺仪数据，数据处理单元中的陀螺仪数据采集模块通过实时发送查询协议到陀螺仪，获取陀螺仪测量的原始数据，数据处理单元中的固定漂移处理模块将陀螺仪采集的原始数据，通过离线数据分析得到期望做补偿常量，使得数据成标准高斯分布，然后进行卡尔曼滤波处理，去除固定漂移的数据进行卡尔曼滤波，使数据变得平滑，将卡尔曼滤波后的数据进行积分得到角度信息；
4)磁力计校准，根据磁力采集的AGV方位校准AGV当前运行方向和实际轨迹方向的偏差角度，如果偏差角度较小，则将陀螺仪采集角度积分初始点校准为校准角度，否则不校准；如果偏差角度太大，则认为AGV脱轨运行，进行陀螺仪的二次检测，最后将实际数据输入到里程计中；
5)将里程计求得的当前时刻AGV小车位姿传给AGV底层控制***中的STM32底层控制板(2)，其输入为所求当前AGV小车位姿及导航路径信息，输出为AGV小车当前时刻速度信息，速度信息包含AGV坐标系下X轴方向、Y轴方向速度及绕Z轴旋转角速度。STM32底层控制板(2)将所求速度信息传给电机驱动器，控制AGV按给定速度及导航路径向目标点运行，通过AGV小车实际运行，***会实时校正采集点数据，使AGV其沿着初步导航路径进行运动。完成初步导航路径运动后重复1)到4)步骤，直至AGV小车完成给定行走路线。
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