一种自动导引运输车的定位系统和方法与流程

本发明实施例涉及自动定位导航技术领域，尤其涉及一种自动导引运输车的定位系统和方法。

背景技术：

近年来，随着智能物流行业的快速发展，自动导引运输车(automatedguidedvehicle，agv)以其工作效率高、可降低人力成本、工作环境安全等优势，得到了越来越广泛的应用。

研究agv的关键在于如何对其准确定位与导航，对此，传统且低成本的方式是采用磁条，配有二维码、天花板特征等信息，该方法运动路径可控，安全性高，但对路径的局限性较大；也有部分采用陀螺仪和加速计，但该方法只能提供航向角信息，仅可作为辅助导航工具；此外，也有部分采用激光slam的方法，该方法虽然能提供高精度的定位信息，但价格非常昂贵。

因此，随着agv的广泛应用，需要研究一种既能满足准确定位导航又能够降低成本的agv定位导航系统及方法。

技术实现要素：

本发明提供一种自动导引运输车的定位系统和方法，以实现对自动导引运输车的高精度定位与导航。

第一方面，本发明实施例提供了一种自动导引运输车的定位系统，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、光电编码器、超声波探头、摄像头和微控制器；所述加速度计、所述陀螺仪、所述磁力计、所述光电编码器、所述超声波探头和所述摄像头分别与所述微控制器连接；其中：

所述加速度计，用于测量所述自动导引运输车的车体的运动加速度；

所述陀螺仪，用于测量车体的运动角速度；

所述磁力计，用于测量车体四周磁场的分布量；

所述光电编码器，用于测量车体驱动装置的转动信息，并将所述转动信息编码形成对应的光电脉冲信号；

所述超声波探头，用于测量车体底部与地面的相对距离；

所述摄像头，用于获取车体底部的地面图像数据；

所述微控制器，用于处理所述加速度、所述角速度、所述磁场的分布量、所述光电脉冲信号、所述相对距离以及所述地面图像数据获得定位数据。

进一步的，所述光电编码器设于所述自动导引运输车的驱动轮的转动主轴上；

所述超声波探头设于所述车体的底部，且朝向地面；

所述摄像头设于所述车体的底部，且朝向地面。

进一步的，所述加速度计为三轴mems加速度计；

所述陀螺仪为三轴mems陀螺仪；

所述磁力计为三轴mems磁力计；

所述光电编码器，包括增量式编码器、绝对式编码器和混合式绝对值编码器；

所述摄像头为广角摄像头。

第二方面，本发明实施例还提供了一种自动导引运输车，包括第一方面所述的定位导航系统。

第三方面，本发明实施例还提供了一种用于自动导引运输车的定位方法，该方法由第一方面所述的定位系统的微控制器来执行，包括：

接收原始数据，所述原始数据包括加速度、角速度、磁场的分布量、光电脉冲信号、车体底部与地面的相对距离和地面图像数据；

对所述原始数据进行数据标定、融合或相互补偿处理获得定位数据。

本发明实施例提供的自动导引运输车的定位系统和方法，通过使用加速度计、陀螺仪、磁力计、光电编码器、超声波探头以及摄像头，能够全面、多方位地获取与自动导引运输车的当前姿态、位置等相关的数据，克服了传统使用单一传感器方法的不足；同时对获取到的数据进行处理，从而能够更加精确地得到自动导引运输车当前的姿态、位置等信息，实现了对自动导引运输车的高精度定位，同时也有助于自动导引运输车的精确导航。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种自动导引运输车的定位系统的结构示意图；

图2是本发明实施例二中的一种用于自动导引运输车的定位方法的流程图；

图3是本发明实施例三中的一种自动导引运输车的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种自动导引运输车的定位系统的结构示意图。如图1所示，该定位系统包括：加速度计110、陀螺仪120、磁力计130、光电编码器140、超声波探头150、摄像头160和微控制器170。加速度计110、陀螺仪120、磁力计130、光电编码器140、超声波探头150、摄像头160分别与微控制器170连接。

本实施例中，加速度计110、陀螺仪120和磁力计130优选可以通过spi或i2c接口与微控制器170进行连接；光电编码器140优选可以通过io电路与微控制器170进行连接；超声波探头150优选可以通过串行接口电路与微控制器170进行连接；摄像头160优选可以通过usb接口电路与微控制器170进行连接。

其中，加速度计110，用于测量自动导引运输车的车体的运动加速度；陀螺仪120，用于测量车体的运动角速度；磁力计130，用于测量车体周围磁场的分布量；光电编码器140，用于测量车体驱动装置的转动信息，并将所述转动信息编码形成对应的光电脉冲信号；超声波探头150，用于测量车体底部与地面的相对距离；摄像头160，用于获取车体底部的地面图像数据；微控制器170，用于处理加速度、角速度、磁场的分布量、光电脉冲信号、所述相对距离以及所述地面图像数据获得定位数据。

本实施例中，加速度计110、陀螺仪120和磁力计130在车体中的安装位置均没有特殊限定，只要不影响其正常工作即可，既可以独立于微控制器安装于车体；又可以与微控制器整合成一个整体后安装于车体，此时，可提高定位系统的各部件的集成度，降低定位系统安装的难度。光电编码器140由于需要获取与车轮有关的转动信息，以方便后续微控制器170计算车体的运动速度、行进距离和转向角，应安装于车体的驱动装置上，优选可以安装于驱动装置内发动机的转动主轴上或驱动轮的转动主轴上。超声波探头150和摄像头160优选可安装于车体的底部，并且都朝向地面设置；在此需要说明的是，超声波探头150和摄像头160在车底的位置应尽量靠近，以保证超声波探头150发出的超声波与地面的交点，可以近似于摄像头160的地面成像范围内的圆心，方便后续数据处理。

本实施例中，通过使用加速度计、陀螺仪、磁力计、光电编码器、超声波探头以及摄像头，能够全面、多方位地获取与自动导引运输车的当前姿态、位置等相关的数据，克服了传统使用单一传感器方法的不足；同时对获取到的数据进行处理，从而能够更加精确地得到自动导引运输车当前的姿态、位置等信息，实现了对自动导引运输车的高精度定位，同时也有助于自动导引运输车的精确导航。

在上述实施例的基础上，进一步的，加速度计110优选可以是三轴mems加速度计；陀螺仪120优选可以是三轴mems陀螺仪；磁力计130优选可以是三轴mems磁力计；光电编码器140优选可以是增量式编码器、绝对式编码器和混合式绝对值编码器等；摄像头160优选可以是广角摄像头。

本实施例中，三轴mems加速度计、三轴mems陀螺仪和三轴mems磁力计均可测量x、y、z三个轴向的数据，以保证所测数据全面准确；广角摄像头可采集到的图像范围广，能够增加所测图像数据的有效性，以提高图像数据的利用率。

示例性的，自动导引运输车的定位系统中的三轴mems加速度计、三轴mems陀螺仪和三轴mems磁力计通过spi接口将测量得到的车体运动加速度、角速度和磁场的分布量发送给该系统的微控制器；安装于车体左右驱动轮主轴上的增量式编码器，将与车体驱动轮的转动信息相关的光电脉冲信号通过io电路发送给微控制器；安装于车底且朝向地面的超声波探头，将测量到的车体底部与地面的相对距离通过串行接口发送给微控制器；安装于车底且朝向地面的摄像头，将车体底部的地面图像数据通过usb接口电路发送给微控制器。该微控制器170在接收到加速度、角速度、磁场的分布量、光电脉冲信号、相对距离和地面图像数据后，对上述数据进行处理，得到自动导引运输车的定位数据。此外，定位系统还包括与微控制器连接的数据输出模块(图未示出)，微控制器通过数据输出模块将上述处理得到的定位数据输出给自动导引运输车的主控系统，以供自动导引运输车的主控系统对自动导引运输车进行实时定位与导航。数据输出模块也可以与加速度计110、陀螺仪120、磁力计130和微控制器170整合成一个整体后安装于自动导引运输车的车体，提高定位系统的各部件的集成度，降低定位系统安装的难度。

实施例二

图2是本发明实施例二提供的一种用于自动导引运输车的定位方法的流程图，该方法可由上述各实施例中的定位系统的微控制器来执行，包括：

步骤210、接收原始数据，原始数据包括加速度、角速度、磁场的分布量、光电脉冲信号、车体底部与地面的相对距离和地面图像数据。

本实施例中，微控制器接收原始数据，该原始数据由上述各实施例中的定位系统中的加速度计、陀螺仪、磁力计、光电编码器、超声波探头和摄像头分别获取并发送。

步骤220、对原始数据进行数据标定、融合或相互补偿处理获得定位数据。

本实施例中，通过微控制器接收由加速度计、陀螺仪、磁力计、光电编码器、超声波探头以及摄像头发送的全面且多方位的、与自动导引运输车的当前姿态、位置等相关的数据，克服了传统使用单一传感器数据的不足；同时对获取到的数据进行数据标定、融合或相互补偿处理，从而能够更加精确地得到自动导引运输车当前的姿态、位置等信息，实现了对自动导引运输车的高精度定位，同时也有助于自动导引运输车的精确导航。

在上述实施例的基础上，进一步的，步骤220具体包括以下步骤：

(1)对加速度、角速度和磁场的分布量进行姿态数据融合，得到车体的姿态数据。

在本实施例中，利用车体的姿态信息可以更加准确地判断车体的运动状态，因此，可以利用姿态数据融合算法对加速度信号、角速度信号和磁场变化信号进行姿态数据融合，以获取姿态数据，其中，所述姿态数据包括车体的俯仰角、偏航角和滚转角。

本实施例中，姿态数据融合算法优选但不限于扩展型卡尔曼滤波器。

(2)利用相对距离对地面图像数据进行标定，得到车体在水平面上的位置变化量。

本实例中，优选可以根据超声波探头测得的其与地面的相对距离，并结合摄像头的视场角，计算出摄像头所能拍摄到的地面的最大距离。利用该距离对摄像头获取到的地面图像数据进行标定，即可得到地面图像数据中每个像素点所对应的实际地面距离，至此，完成对图像数据的标定。

在车体的运动过程中，摄像头会以预先设定的采样频率对地面进行图像采集，优选可以利用图像特征提取，在摄像头获取到的相邻两帧的图像数据中，选取出同一个特征点作为参考点，并确定在相邻两帧图像数据中，目标点相对参考点移动的像素点个数，根据像素点个数和像素点对应的实际地面距离，即可确定车体的位置变化量。

(3)利用光电脉冲信号，得到车体的运动速度、行进距离和转向角。

示例性的，光电编码器安装在车体左右驱动轮上，在车体在运动过程中，安装在左右驱动轮上的光电编码器，分别采集左右驱动轮的转动信息，并将该信息以光电脉冲信号的形式发送给微控制器。微控制器利用该光电脉冲信号计算车体的运动速度、行进距离和转向角，其中，转向角指的是偏航角，即车体在水平面上左右方向上的转角。

本实施例中，车体处于直线运动过程中，利用光电脉冲信号计算得到的数据包括车体的运动速度和行进距离；车体在运动过程中发生角度偏转时，利用光电脉冲信号计算得到的数据包括车体的运动速度、行进距离和转向角。

(4)利用位置变化量与光电脉冲信号进行车体打滑检测，得到车体打滑判断数据。

本实施例中，利用地面图像数据得到的位置变化量，可以确定车体相对地面的位移；利用光电脉冲信号，可以确定车轮的转速，从而确定车轮相对地面转动的距离。车体未发生打滑现象时，利用地面图像数据获得的位置变化量与利用光电脉冲信号获得的行进距离相等。一旦车体发生打滑现象，二者不再相等。

为了判断车体是否处于打滑状态，需要利用位置变化量和光电脉冲信号进行车体打滑检测，具体的，打滑检测包括：若检测到光电脉冲信号变化，位置变化量不变，则确定车体打滑。

本实施例中，当车体发生打滑现象时，摄像头采集到的地面图像数据中，相邻两帧图像中的目标点与参考点之间的像素点个数不变，即由地面图像数据获得的车体的位置变化量是0；而驱动轮则会由于驱动装置的驱动作用，一直处于转动状态，光电编码器持续发送光电脉冲信号，由光电脉冲信号获得的车体的行进距离不为0，显然，在这种情况下，光电脉冲信号可信度较低。因此，通过对比光电脉冲信号和位置变化量，即可判断车体是否处于打滑状态，当检测到光电脉冲信号变化，而位置变化量不变时，确定车体处于打滑状态；当检测到光电脉冲信号变化，而位置变化量也变化时，确定车体未处于打滑状态。

(5)利用车体打滑判断数据对光电脉冲信号和姿态数据进行相互补偿处理，得到经过补偿后的光电脉冲信号和姿态数据。

本实施例中，优选的，根据车体打滑判断数据，对光电脉冲信号和姿态数据进行相互补偿处理的方法是：分别为光电脉冲信号和姿态数据设定一个由车体打滑判断数据动态调整的可信度系数。具体的，当确定车体未处于打滑状态时，光电脉冲信号和姿态数据的可行度系数都比较高，优选可以设定为0.90-1.00之间的数值；当确定车体处于打滑状态时，光电脉冲信号的可信度系数较低，优选可以设定为0.00-0.10之间的数值，姿态数据的可信度系数比较高，优选可以设定为0.90-1.00之间的数值。

(6)对经过动态调整后的光电脉冲信号和姿态数据进行航向角融合，得到车体的航向角。

本实施例中，光电脉冲信号的可信度系数即车体的运动速度、行进距离和转向角的可信度系数，因此，将可信度系数与由光电脉冲信号获得的车体的运动速度、行进距离和转向角相匹配，得到具有可信度系数的运动速度、行进距离和转向角相匹配。

本实施例中，航向角等同于车体的转向角、偏航角，将具有可信度系数的转向角与具有可信度系数的偏航角进行航向角融合，得到车体的航向角，其中，航向角融合算法，优选但不限于互补型卡尔曼滤波器。

(7)对位置变化量和航向角进行位置融合，得到车体的位置变化数据。

本实施例中，对位置变化量和航向角结合行进速度进行位置融合，其中，位置融合算法，优选可以是互补型卡尔曼滤波器，其中，互补的参数为位置变化量和航向角结合具有可信度系数的行进速度得到的位移。对位置变化量和航向角并结合行进速度进行位置融合后，可得到车体的位置变化数据。

经过上述数据标定、融合或相互补偿处理后，最终可获得自动导引运输车的定位数据，包括：车体的加速度、运动速度、车体打滑判断数据、航向角和位置变化数据，其中，运动速度为具有可信度系数的运动速度。

实施例三

图3是本发明实施例三提供的一种自动导引运输车的结构示意图。如图3所示，自动导引运输车300包括实施例一中的定位系统310。

本实施例中，定位系统310通过数据输出模块与主控系统连接，优选可以采用无线连接的方式，主控系统接收定位系统310发送的定位数据，并结合预设的导航路线，可以对车体进行精确定位和辅助导航。

此外，所述自动导引运输车还包括存储器320，用于存储定位系统在工作过程中获取到的各类数据。

示例性的，自动导引运输车工作于室内环境，在运动过程中，其定位系统中的加速度计、陀螺仪、磁力计、光电编码器、超声波探头和摄像头分别获取车体的加速度、角速度、磁场的分布量、与驱动轮的转速相关的光电脉冲信号、与地面的相对距离和地面图像数据，并发送给微控制器和存储器。

微控制器利用上述各实施例中的定位方法对接收到的各数据进行处理，具体的：

由加速度、角速度和磁场的分布量获取车体的姿态数据，包括车体的俯仰角、偏航角和滚转角，由于车体主要用于货物的装载和运输，一般不会发生上下颠簸和侧翻，其对应的俯仰角和滚转角会比较小，因此，所获取的姿态数据中，起主导作用的姿态角是偏航角。

得到车体的姿态数据后，为了实现对车体的精确定位，还需要获取车体的位置变化数据，该位置变化数据由与地面的相对距离和地面图像数据共同确定。利用与地面的相对距离和摄像头自身的视场角，对地面图像数据进行标定，得到每个像素点所对应的地面的实际距离，这样，通过对比相邻两帧图像数据中目标点相对参考点移动的像素点个数，就可以得到车体的位置变化量。

一般，如果不考虑其他因素，在获取到上述车体的姿态数据和位置变化量数据之后，即可完成车体的定位。但是，在车体行进过程中，往往会由于各种原因出现打滑的现象，又由于车体处于自动导引状态，当发生打滑现象时，无法及时得都处理。

基于此，在定位系统中设置光电编码器，该光电编码器安装于左右驱动轮的转动主轴上，获取与左右驱动轮转动信息相关的光电脉冲信号。并由此获得车体的运动速度、行进距离和转向角。

车体在正常运动过程中，光电脉冲信号发生变化的同时位置变化量也在发生变化，一旦车体发生打滑，则位置变化量不再发生改变，但在此过程中，光电脉冲信号仍然在发生变化，此时，该信号的可信度比较低。

在车体处于打滑状态时，需要对车体的姿态数据和位置变化数据进行补偿校正，以得到更加精准的定位数据。

根据打滑判断数据对当判断车体处于打滑状态时，分别为光电脉冲信号和姿态数据设定一个由车体打滑判断数据动态调整的可信度系数，当打滑时，光电脉冲信号的可信度系数比较低，可以设为0.05，姿态数据的可信度系数比较高，可设为0.95，利用互补型卡尔曼滤波器对由具有可信度系数光电脉冲信号获得的转向角和姿态数据中的偏航角进行航向角融合，得到经过补偿校正后的相对准确的航向角数据。

由于光电脉冲信号具有可信度系数，则由此获得的行进速度也具有可信度系数。利用互补型卡尔曼滤波器对位置变化量和航向角结合行进速度所得到的位移进行位置融合，得到经过补偿校正后的相对准确的位置变化数据。

微控制器将经过处理后的数据通过数据输出模块发送给自动导引运输车的主控系统和存储器，所发送的定位数据包括车体的加速度、运动速度、车体打滑判断数据、航向角和位置变化数据，其中，运动速度为具有可信度系数的运动速度。

主控系统利用定位数据可以实现车体的精确定位与打滑故障报警，并且在车体行进过程中，主控系统也可利用定位数据对车体进行辅助导航。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。