AGV导航定位系统和方法与流程

本发明涉及导航定位技术领域，尤其是涉及agv导航定位系统和方法。

背景技术：

agv(automatedguidedvehicle，自动导引运输车)在自动运行过程中，定位模块起到非常重要的作用。agv不仅可以在室内运行，也可以在室外运行，例如，厂间的转运和露天仓库到室内生产线的搬运等。

当agv在室内运行时，采用二维码导航、磁条导航或激光slam(simultaneouslocalizationandmapping，同步定位与地图构建)等方法进行定位。当采用二维码导航和磁条导航时，由于二维码和磁条容易受到污损或破坏，从而导致定位不准确；当采用激光slam进行定位时，该方法依赖于对特征信息的提取才可以进行定位，由于厂房内环境复杂多变，特征信息也会发生变化，故在多变的区域很容易丢失定位，鲁棒性差。

当agv在室外运行时，采用激光slam、视觉slam或gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)方法进行定位。由于室外环境比较复杂，采集的信息较多，采用上述方法会导致定位不准确，鲁棒性差。

综上，agv在室内或室外运行时，采用的定位方法导致定位不准确，鲁棒性差。另外，当agv从室内运行到室外，或从室外运行到室内时，无法实现室内定位方法和室外定位方法的切换，从而影响agv作业。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供agv导航定位系统和方法，可以实现agv在室内或室外的精确定位，并且实现agv从室内到室外或从室外到室内的定位切换，提高agv作业效率和鲁棒性。

第一方面，本发明实施例提供了agv导航定位系统，所述系统包括激光雷达、中央处理器cpu、全球定位系统gps、轮速传感器和惯性测量单元；

所述激光雷达和所述gps均设置在自动导引运输车agv的顶部，所述激光雷达、所述gps、所述轮速传感器和所述惯性测量单元分别与所述cpu相连接；

所述激光雷达，用于向设置在室内墙面四周的反光柱发射单激光束，并采集所述反光柱的数据信息；

所述gps，用于当所述agv在室外时，采集所述agv在地心坐标系下的位姿；

所述轮速传感器，用于采集所述agv的轮速；

所述惯性测量单元，用于采集所述agv的惯性数据；

所述cpu，用于根据所述反光柱的数据信息和预存的所述反光柱相对导航坐标系的位置，得到所述agv在所述室内的位姿；根据所述agv在所述室内的位姿，将所述agv在所述地心坐标系下的位姿转化为所述agv在所述导航坐标系的位姿；将所述agv在所述导航坐标系的位姿、所述agv的轮速和所述agv的惯性数据通过扩展卡尔曼滤波算法，得到所述agv在所述室外的位姿。

进一步的，所述反光柱的数据信息包括所述反光柱相对所述激光雷达的距离、所述反光柱相对所述激光雷达的角度和反光率；

所述cpu，用于将所述反光柱的数据信息通过反光柱提取算法，得到所述反光柱相对所述agv的车体的位置；根据所述反光柱相对所述agv的车体的位置和预存的所述反光柱相对所述导航坐标系的位置，得到所述agv在所述室内的位姿；

其中，所述agv在所述室内的位姿包括所述agv在所述室内的横坐标、纵坐标和第一航向角。

进一步的，所述cpu，用于根据所述agv在所述室内的位姿和所述agv在所述地心坐标系下的位姿，得到坐标原点；将所述agv在所述地心坐标系下的位姿根据所述坐标原点，得到所述agv在所述导航坐标系的位姿；

其中，所述agv在所述地心坐标系下的位姿包括所述agv在所述地心坐标系下的经度、纬度和第二航向角，所述agv在所述导航坐标系的位姿包括所述agv在所述导航坐标系的横坐标、纵坐标和第三航向角。

进一步的，所述惯性测量单元包括加速度计；

所述加速度计，用于采集所述agv的加速度。

进一步的，所述惯性测量单元还包括陀螺仪；

所述陀螺仪，用于采集所述agv的角速度。

进一步的，所述cpu，用于将所述agv在所述导航坐标系的位姿、所述agv的轮速、所述agv的所述加速度和所述agv的所述角速度通过扩展卡尔曼滤波算法，得到所述agv在所述室外的位姿；

其中，所述agv在所述室外的位姿包括所述agv在所述室外的横坐标、纵坐标和第四航向角。

进一步的，所述地心坐标系包括wgs84坐标系。

第二方面，本发明实施例提供了agv导航定位方法，应用于如上所述的agv导航定位系统，所述agv导航定位系统包括激光雷达、中央处理器cpu、全球定位系统gps、轮速传感器和惯性测量单元；所述方法包括：

通过所述激光雷达向设置在室内墙面四周的反光柱发射单激光束，并采集所述反光柱的数据信息；

当所述agv在室外时，通过所述gps采集所述agv在地心坐标系下的位姿；

通过所述轮速传感器采集所述agv的轮速；

通过所述惯性测量单元采集所述agv的惯性数据；

通过所述cpu根据所述反光柱的数据信息和预存的所述反光柱相对导航坐标系的位置，得到所述agv在所述室内的位姿；

根据所述agv在所述室内的位姿，将所述agv在所述地心坐标系下的位姿转化为所述agv在所述导航坐标系的位姿；

将所述agv在所述导航坐标系的位姿、所述agv的轮速和所述agv的惯性数据通过扩展卡尔曼滤波算法，得到所述agv在所述室外的位姿。

第三方面，本发明实施例提供了电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法。

第四方面，本发明实施例提供了具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行如上所述的方法。

本发明实施例提供了agv导航定位系统和方法，包括激光雷达、cpu、gps、轮速传感器和惯性测量单元；激光雷达和均设置在agv的顶部，激光雷达、gps、轮速传感器和惯性测量单元分别与cpu相连接；激光雷达用于向设置在室内墙面四周的反光柱发射单激光束，并采集反光柱的数据信息；gps用于当agv在室外时，采集agv在地心坐标系下的位姿；轮速传感器用于采集agv的轮速；惯性测量单元用于采集agv的惯性数据；cpu用于根据反光柱的数据信息和预存的反光柱相对导航坐标系的位置，得到agv在所述室内的位姿；根据agv在所述室内的位姿，将agv在地心坐标系下的位姿转化为agv在导航坐标系的位姿；将agv在导航坐标系的位姿、agv的轮速和agv的惯性数据通过扩展卡尔曼滤波算法，得到agv在室外的位姿；可以实现agv在室内或室外的精确定位，并且实现agv从室内到室外或从室外到室内的定位切换，提高agv作业效率和鲁棒性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的agv导航定位系统示意图；

图2为本发明实施例一提供的agv导航定位系统在室内与室外切换过程示意图；

图3为本发明实施例一提供的惯性测量单元示意图；

图4为本发明实施例二提供的agv导航定位方法流程图。

图标：

1-激光雷达；2-cpu；3-gps；4-轮速传感器；5-惯性测量单元；51-加速度计；52-陀螺仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。

实施例一：

图1为本发明实施例一提供的agv导航定位系统示意图。

参照图1，该系统包括：激光雷达1、cpu(centralprocessunit，中央处理器)2、gps3、轮速传感器4和惯性测量单元(inertialmeasurementunit，imu)5；

激光雷达1和gps3均设置在agv的顶部，激光雷达1、gps3、轮速传感器4和惯性测量单元5分别与cpu2相连接；cpu2和惯性测量单元5设置在agv内，轮速传感器4设置在agv的车轮上。

激光雷达1用于向设置在室内墙面四周的反光柱发射单激光束，并采集反光柱的数据信息；

gps3用于当agv在室外时，采集agv在地心坐标系下的位姿；

轮速传感器4用于采集agv的轮速；

惯性测量单元5用于采集agv的惯性数据；

cpu2用于根据反光柱的数据信息和预存的反光柱相对导航坐标系的位置，得到agv在室内的位姿；根据agv在室内的位姿，将agv在地心坐标系下的位姿转化为agv在导航坐标系的位姿；将agv在导航坐标系的位姿、agv的轮速和agv的惯性数据通过扩展卡尔曼滤波算法，得到agv在室外的位姿。

本实施例中，在室内采用激光雷达1和反光柱相结合的方法，确定agv在室内的位姿。在室内墙面的四周设置有多个反光柱，多个反光柱相对导航坐标系的位置预先存储在地图文件中。agv的顶部设置有激光雷达1，激光雷达1发射单激光束进行360度扫描，当扫描到反光柱时，采集反光柱的数据信息，并将反光柱的数据信息发送给cpu2。一般，激光雷达1至少采集三个反光柱的数据信息，这样可以确保数据的准确性。cpu2根据反光柱的数据信息和预存的反光柱相对导航坐标系的位置，得到agv在室内的位姿。通过激光雷达1和反光柱相结合的方法，可以实现快速定位，提高鲁棒性。其中，导航坐标系是在地图上预先定义的坐标系。

在室外采用gps3、轮速传感器4和惯性测量单元(imu)5相结合的方法，确定agv在室外的位姿。首先通过gps3采集agv在地心坐标系下的位姿(latitude、longitude、heading，纬度、经度、第二航向角)。由于室内采用的是导航坐标系，为了保证agv的作业流畅，需要将agv在地心坐标系下的位姿转化为agv在导航坐标系下的位姿；其中，gps3设置在agv的顶部，一般gps3的个数至少为两个，当gps3的个数为两个时，两个gps3相对设置，这样才可以通过gps3上的天线采集agv在地心坐标系下的位姿；其次，通过轮速传感器4采集agv的轮速，惯性测量单元5采集agv的惯性数据；最后，将agv在导航坐标系的位姿、agv的轮速和agv的惯性数据通过扩展卡尔曼滤波算法，得到agv在室外的位姿。通过上述方法，可以实现agv在室内或室外的精确定位，并且实现agv从室内到室外或从室外到室内的定位切换，提高agv作业效率和鲁棒性。

进一步的，反光柱的数据信息包括反光柱相对激光雷达的距离、反光柱相对激光雷达的角度和反光率；

cpu2用于将反光柱的数据信息通过反光柱提取算法，得到反光柱相对agv的车体的位置；根据反光柱相对agv的车体的位置和预存的反光柱相对导航坐标系的位置，得到agv在室内的位姿；

其中，agv在室内的位姿包括agv在室内的横坐标、纵坐标和第一航向角。

具体地，反光率用于表征反光柱的反光强度，从而将反光柱与墙体区分开。

当激光雷达1在360度扫描过程中，采集到反光柱的数据信息时，将反光柱的数据信息发送给cpu2，cpu2将反光柱的数据信息输入到反光柱提取算法中，得到反光柱相对agv的车体的位置；此时，根据地图文件中预存的反光柱相对导航坐标系的位置，查找到对应的反光柱在地图中的序号。根据反光柱相对agv的车体的位置和预存的反光柱相对导航坐标系的位置，得到agv在室内的位姿。

进一步的，cpu2用于根据agv在室内的位姿和agv在地心坐标系下的位姿，得到坐标原点；将agv在地心坐标系下的位姿根据坐标原点，得到agv在导航坐标系的位姿；

其中，agv在地心坐标系下的位姿包括agv在地心坐标系下的经度、纬度和第二航向角，agv在导航坐标系的位姿包括agv在导航坐标系的横坐标、纵坐标和第三航向角。

参照图2，当室内定位与室外定位进行切换时，需要进行坐标统一，此时就需要将gps3采集的定位数据进行坐标转换，即将agv在地心坐标系下的位姿转换为agv在导航坐标系下的位姿。地心坐标系包括wgs84坐标系。

在室内，导航坐标系的坐标原点为(0，0，0)，通过把gps3采集的定位数据也设置到坐标原点，即可完成坐标统一，从而将gps3采集的定位数据转化到相对于坐标原点的坐标。除了在室内的墙面上设置有多个反光柱以外，在室内通过室外的过渡区域也设置有多个反光柱，这样可以确保在过渡区域中既有agv在室内的位姿，也有gps3采集的定位数据。利用这个过渡区域，实现坐标系的统一，完成室内与室外的坐标切换。

在过渡区域中，agv在室内的位姿为(px,py,theta)，agv在地心坐标系下的位姿为(latitude、longitude、heading)，根据公式(1)，得到坐标原点：

其中，home为坐标原点，px为agv在室内的横坐标，py为agv在室内的纵坐标，theta为第一航向角，earth为地球半径，latitude为agv在地心坐标系下的纬度，latitude为agv在地心坐标系下的经度，heading为第二航向角。

通过在过渡区域中采集多个坐标原点，避免由于定位波动造成坐标原点不精确的问题。例如，采集10个坐标原点，通过求平均值的方式消除误差，参照公式(2)：

home＝{home1+home2+...+home10}/10

其中，home为坐标原点，home1为坐标原点1，home2为坐标原点2，home10为坐标原点10。

进一步的，参照图3，惯性测量单元5包括加速度计51和陀螺仪52；

加速度计51，用于采集agv的加速度。

陀螺仪52，用于采集agv的角速度。

进一步的，cpu2用于将agv在导航坐标系的位姿、agv的轮速、agv的所述加速度和agv的角速度通过扩展卡尔曼滤波算法，得到agv在室外的位姿；

其中，agv在室外的位姿包括agv在室外的横坐标、纵坐标和第四航向角。

具体地，卡尔曼滤波(kf)是一种高效率的递归滤波器(自回归滤波器)，它能够从一系列的不完全包含噪声的测量中，估计动态系统的状态。卡尔曼滤波包括三部分：第一部分为状态预估；第二部分为状态观测；第三部分为通过观测的状态来修正预估的状态。

卡尔曼滤波(kf)适用于线性系统，在卡尔曼滤波(kf)的基础上，出现了ekf(extendedkalmanfilter，扩展卡尔曼滤波)算法和ukf(unscentedkalmanfilter，无迹卡尔曼滤波)算法等，ekf算法的核心是将非线性系统线性化后，再做卡尔曼滤波(kf)处理。

判断惯性测量单元(imu)5采集的惯性数据是否更新，通过在单位时间内采集的加速度和角速度进行判断。例如，在10ms时，采集到加速度和角速度，而在20ms时，没有采集到加速度和角速度，则证明惯性测量单元(imu)5没有更新。

在对惯性数据修正的过程中，ekf算法估计的状态量为[px,py,pz,vx,vy,vz,q0,q1,q2,q3,acc_bias,gyro_bias]，通过预估量和观测量误差，经过滤波方程的计算，得到状态的修正量。其中，与惯性测量单元(imu)5相关的是惯性数据，惯性数据包括加速度和角速度。在对加速度(acc_bias)和角速度(gyro_bias)修正后，让预估量在下个周期能更准确预估出状态。

本发明实施例提供了agv导航定位系统，包括激光雷达、cpu、gps、轮速传感器和惯性测量单元；激光雷达和均设置在agv的顶部，激光雷达、gps、轮速传感器和惯性测量单元分别与cpu相连接；激光雷达用于向设置在室内墙面四周的反光柱发射单激光束，并采集反光柱的数据信息；gps用于当agv在室外时，采集agv在地心坐标系下的位姿；轮速传感器用于采集agv的轮速；惯性测量单元用于采集agv的惯性数据；cpu用于根据反光柱的数据信息和预存的反光柱相对导航坐标系的位置，得到agv在所述室内的位姿；根据agv在所述室内的位姿，将agv在地心坐标系下的位姿转化为agv在导航坐标系的位姿；将agv在导航坐标系的位姿、agv的轮速和agv的惯性数据通过扩展卡尔曼滤波算法，得到agv在室外的位姿；可以实现agv在室内或室外的精确定位，并且实现agv从室内到室外或从室外到室内的定位切换，提高agv作业效率和鲁棒性。

实施例二：

图4为本发明实施例二提供的agv导航定位方法流程图。

参照图4，应用于如上所述的agv导航定位系统，agv导航定位系统包括激光雷达、cpu、gps、轮速传感器和惯性测量单元；该方法包括以下步骤：

步骤s101，通过激光雷达向设置在室内墙面四周的反光柱发射单激光束，并采集反光柱的数据信息；

步骤s102，当agv在室外时，通过gps采集agv在地心坐标系下的位姿；

步骤s103，通过轮速传感器采集agv的轮速；

步骤s104，通过惯性测量单元采集agv的惯性数据；

步骤s105，通过cpu根据反光柱的数据信息和预存的反光柱相对导航坐标系的位置，得到agv在室内的位姿；

步骤s106，根据agv在室内的位姿，将agv在地心坐标系下的位姿转化为agv在导航坐标系的位姿；

步骤s107，将agv在导航坐标系的位姿、agv的轮速和agv的惯性数据通过扩展卡尔曼滤波算法，得到agv在室外的位姿。

本发明实施例提供了agv导航定位方法，包括：通过激光雷达向设置在室内墙面四周的反光柱发射单激光束，并采集反光柱的数据信息；当agv在室外时，通过gps采集agv在地心坐标系下的位姿；通过轮速传感器采集agv的轮速；通过惯性测量单元采集agv的惯性数据；通过cpu根据反光柱的数据信息和预存的反光柱相对导航坐标系的位置，得到agv在室内的位姿；根据agv在室内的位姿，将agv在地心坐标系下的位姿转化为agv在导航坐标系的位姿；将agv在导航坐标系的位姿、agv的轮速和agv的惯性数据通过扩展卡尔曼滤波算法，得到agv在室外的位姿，可以实现agv在室内或室外的精确定位，并且实现agv从室内到室外或从室外到室内的定位切换，提高agv作业效率和鲁棒性。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的agv导航定位方法的步骤。

本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，计算机可读介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的agv导航定位方法的步骤。

本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。