一种AGV小车精准导航的控制装置、系统及方法与流程

本发明涉及agv导航控制技术领域，具体涉及一种agv小车精准导航的控制装置、系统及方法。

背景技术：

目前，市面上流行引导方式有很多种，但并非所有的方法都可以在agv系统中应用，agv小车通常可以采用一下几种引导方式：

(1)电磁引导

在agv小车的行驶路径上埋设金属线，并加载引导频率，其主要优点是引导线隐蔽，不易污染和破损，引导原理简单，便于控制和通信，对声光无干扰，缺点是灵活性差，改变或扩充路径较麻烦，对引导线路附近的铁磁物质有干扰，电线铺设工作量大，维护困难。

(2)直接坐标引导

用定位块将agv小车的行驶区域分成若干坐标小块，通过计数实现引导，其优点是可以实现路径的修改，引导的可靠性好，对环境无特别要求，缺点是地面测量安装复杂，工作量大，引导精度低。

(3)惯性引导

在agv小车上装有陀螺仪，根据陀螺仪的偏差进行导引，其主要优点是技术先进，准确度高，灵活性强，便于组合和兼容，适用领域广，缺点是成本较高，维护保养等后续问题较难解决，地面也需要磁性块作辅助定位。

(4)图像识别引导

对agv小车行驶区域的环境进行图像识别，实现智能行驶，这是一种大有潜力的技术，但仍在研究中。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明主要针对目前agv小车导航方式单一且不精准的问题，提出了一种agv小车精准导航的控制装置、系统及方法，通过激光传感器、编码器、处理模块的组合以及利用智能算法的控制，提高了agv小车激光导航的精准度及智能化，使激光引导技术更可靠更安全性。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

一种agv小车精准导航的控制装置，应用于行驶在具有至少一个反光指引物的应用场合的agv小车，包括：

通信控制模块，分别与激光传感仪器、速度反馈模块、状态逻辑控制器、数据采集模块进行连接，用于对通信状态与工作模式进行检查或纠正，对激光传感仪器进行检测与控制，对运动信息、控制信息与定位信息进行读取、处理与发送；

激光传感仪器，安装于agv小车上使激光照射到应用场合的反光指引物，用于通过发射激光到周边环境进行扫描定位，检测从反光指引物反射回来的激光信号，并通过通信控制模块将检测到的位置信号传送到数据采集模块；

速度反馈模块，用于检测agv小车运动的线性速度、角速度、角度以及方向，并通过通信控制模块将检测到的运动信号传送到数据采集模块；

数据采集模块，用于对位置与运动信号进行接收、帧分析与数据封装并将封装好的导航数据传动到数据解析模块，又用于对数据解析模块与状态逻辑控制模块的命令进行接收、帧分析与数据封装；

数据解析模块，用于对导航数据进行分析与计算，从而得出精准导航信息并将精准导航信息传输到数据交互模块；

状态逻辑控制模块，分别与通信控制模块、数据采集模块、数据解析模块进行通信连接，用于管理系统程序的工作模式，并命令通信控制模块、数据采集模块与数据解析模块进入指定的工作模式；

数据交互模块，用于与外部监控设备进行通信，并将数据解析模块输出的精准导航信息传送至外部监控设备。

进一步地，所述通信控制模块包括cpu控制单元、以太网通信单元、串口通信单元和can总线通信单元；

所述cpu控制单元分别与以太网通信单元、串口通信单元、can总线通信单元、状态逻辑控制模块、数据采集模块、速度反馈模块进行连接，用于读取、处理数据以及发出控制信号；

所述激光传感仪器与以太网通信单元或串口通信单元或can总线通信单元进行通信连接。

进一步地，所述速度反馈模块包括速度编码器、角速度编码器；

所述速度编码器设于agv小车的行走机构上，用于检测agv小车线性速度及运动方向；

所述角速度编码器设于agv小车的转向机构上，用于检测agv小车转弯的角速度、角度与转向。

进一步地，所述数据交互模块包括wifi通信单元、蓝牙通信单元、无线射频单元；

所述wifi通信单元用于通过wifi通信协议实现不同agv小车之间的通信或实现与外部监控设备进行通信；

所述蓝牙通信单元用于通过蓝牙通信协议实现不同agv小车之间的通信或实现与外部监控设备进行通信；

所述无线射频单元用于通过无线通信协议实现不同agv小车之间的通信或实现与外部监控设备进行通信。

一种agv小车精准导航的控制系统，包括：如上所述的agv小车精准导航的控制装置、上位机、agv小车行走驱动器；

所述agv小车精准导航的控制装置通过数据交互模块与上位机进行通信连接，通过通信控制模块与agv小车行走驱动器进行通信连接；

所述上位机为采用电脑或平板电脑或手机或无线手持控制器或安装于agv小车上的嵌入式控制装置的上位机，用于对所述agv小车精准导航的控制装置进行调度并监控；

所述agv小车行走驱动器安装于agv小车上，用于驱动agv小车行走与转向，根据通信控制模块的运动信号并采用pid算法使agv小车行走与转向稳定。

一种agv小车精准导航的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1，状态逻辑控制模块使系统程序进入导航模式；

步骤s2，在导航模式下，激光传感仪器对应用场合进行激光扫描从而获得位置信号；

步骤s3，速度反馈模块对agv小车的运动状态进行检测从而获得运动信号；

步骤s4，数据采集模块对位置与运动信号进行处理，并将处理后的位置与运动信息传送到数据解析模块；

步骤s5，数据解析模块对位置与运动信息进行分析与计算从而推导出精准导航信息。

进一步地，该agv小车精准导航的控制方法，还包括步骤s6与步骤s7；

步骤s6，数据交互模块将精准导航信息传送到上位机；

步骤s7，上位机根据精准导航信息创建运动地图，规划agv小车的运动轨迹。

进一步地，步骤s4包括以下步骤：

步骤s41，数据采集模块采用限幅滤波法对位置信号进行滤波处理；

步骤s42，数据采集模块对位置信号进行消抖处理，从而获得稳定的位置信号。

进一步地，步骤s5中，所述位置信息的分析与计算过程包括以下步骤：

步骤s511，数据解析模块对激光传感仪器发射激光的时间、角度以及从反光指引物反射回来的距离信息进行分析；

步骤s512，经过数据解析模块计算得到激光传感仪器的激光旋转中心的坐标位置与偏移角度；

所述运动信息的分析与计算过程包括以下步骤：

步骤s521，数据解析模块根据速度编码器的输出量计算出agv的实时速度及运动方向；

步骤s522，获取agv小车在有效时间间隔内的里程信息，计算出程序时间损耗误差；

步骤s523，数据解析模块根据角速度编码器的输出量计算出agv的实时转弯角度、角速度及转向。

进一步地，步骤s5中，精准导航信息的推导过程包括以下步骤：

步骤s531，综合数据解析模块的分析与计算结果；

步骤s532，建立对应的数学模型并采用卡尔曼滤波算法，获得agv的动态位置信息。

本发明可通过激光传感器、编码器、处理模块的组合以及利用智能算法的控制，提高了agv小车激光导航的精准度及智能化，使激光引导技术更可靠更安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明一种agv小车精准导航的控制装置的结构示意图；

图2是本发明一种agv小车精准导航的控制系统的结构示意图；

图3是本发明的通信控制模块的结构示意图；

图4是本发明的速度反馈模块的结构示意图；

图5是本发明的数据交互模块的结构示意图；

图6是本发明一种agv小车精准导航的控制方法的工作流程图；

图7是本发明一种agv小车精准导航的控制方法中步骤s4的工作流程图；

图8是本发明的位置信息的分析与计算过程的工作流程图；

图9是本发明的运动信息的分析与计算过程的工作流程图；

图10是本发明的精准导航信息的推导过程的工作流程图；

图11是本发明的关于惯性导航定位系统航位推算原理的坐标图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅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。

如图1所示，一种agv小车精准导航的控制装置，应用于行驶在具有至少一个反光指引物的应用场合的agv小车，包括通信控制模块、激光传感仪器、速度反馈模块、数据采集模块、数据解析模块与状态逻辑控制模块：

所述通信控制模块分别与激光传感仪器、速度反馈模块、状态逻辑控制器、数据采集模块进行连接，用于对通信状态与工作模式进行检查或纠正，对激光传感仪器进行检测与控制，对运动信息、控制信息与定位信息进行读取、处理与发送；

所述激光传感仪器安装于agv小车上使激光照射到应用场合的反光指引物，用于通过发射激光到周边环境进行扫描定位，检测从反光指引物反射回来的激光信号，并通过通信控制模块将检测到的位置信号传送到数据采集模块；

所述速度反馈模块用于检测agv小车运动的线性速度、角速度、角度以及方向，并通过通信控制模块将检测到的运动信号传送到数据采集模块；

所述数据采集模块用于对位置与运动信号进行接收、帧分析与数据封装并将封装好的导航数据传动到数据解析模块，又用于对数据解析模块与状态逻辑控制模块的命令进行接收、帧分析与数据封装；

所述数据解析模块用于对导航数据进行分析与计算，从而得出精准导航信息并将精准导航信息传输到数据交互模块；

所述状态逻辑控制模块分别与通信控制模块、数据采集模块、数据解析模块进行通信连接，用于管理系统程序的工作模式，并命令通信控制模块、数据采集模块与数据解析模块进入指定的工作模式；

所述状态逻辑控制模块负责管理系统程序的工作模式，该工作模式包括导航模式、初始化模式、待机模式；

在初始化模式下，执行一种agv小车的状态初始化以及设备自检的工作流程，状态逻辑控制模块在agv小车上电初期，读取通信控制模块的参数，对agv小车的主控设备以及外围设备按照一定的时序进行初始化工作，设定agv小车的初始状态参数和设备运行方式等，初始化完成后，对重要模块进行一一自检，利用通讯或者io反馈的方式查看所有模块是否工作正常，在初始化模式下，发现重要模块初始化设置失败或者自检未通过时，发送报警信息，并拒绝进入正常的导航模式，待维护人员解决问题消除报警后方可正常运行；

在待机模式下，执行一种agv小车低功耗的运行准备的工作流程，由于agv小车一般使用蓄电池，电量控制保证续航也是一项重要的机能，在agv到达一定时间上电后但是未进行生产作业时，状态逻辑控制模块可控制agv小车进入待机模式，agv小车进入待机模式时会关闭高耗电设备，使agv小车进入节能模式，并且agv小车可由按钮或者外部通信唤醒，接收到外界命令后，进行正常生产作业，在导航模式下，执行一种agv小车精准导航的控制方法的工作流程；

所述数据交互模块用于与外部监控设备进行通信，并将数据解析模块输出的精准导航信息传送至外部监控设备。

如图3所示，通信控制模块包括cpu控制单元、以太网通信单元、串口通信单元和can总线通信单元；

所述cpu控制单元分别与以太网通信单元、串口通信单元、can总线通信单元、状态逻辑控制模块、数据采集模块、速度反馈模块进行连接，用于读取、处理数据以及发出控制信号；

所述激光传感仪器与以太网通信单元或串口通信单元或can总线通信单元进行通信连接；

所述以太网通信单元包括多个通信端口，可以与激光传感仪器等仪器进行连接；

所述串口通信单元包括多个通信端口，可以与激光传感仪器等仪器进行连接；

所述can总线通信单元包括多个通信端口，可以与激光传感仪器等仪器进行连接。

如图4所示，速度反馈模块包括速度编码器、角速度编码器；

所述速度编码器设于agv小车的行走机构上，用于检测agv小车线性速度及运动方向；

所述角速度编码器设于agv小车的转向机构上，用于检测agv小车转弯的角速度、角度与转向。

如图5所示，所述数据交互模块包括wifi通信单元、蓝牙通信单元、无线射频单元；

所述wifi通信单元用于通过wifi通信协议实现不同agv小车之间的通信或实现与外部监控设备进行通信；

所述蓝牙通信单元用于通过蓝牙通信协议实现不同agv小车之间的通信或实现与外部监控设备进行通信；

所述无线射频单元用于通过无线通信协议实现不同agv小车之间的通信或实现与外部监控设备进行通信。

如图2所示，一种agv小车精准导航的控制系统，包括：如上所述的agv小车精准导航的控制装置、上位机、agv小车行走驱动器；

所述agv小车精准导航的控制装置通过数据交互模块与上位机进行通信连接，通过通信控制模块与agv小车行走驱动器进行通信连接；

所述上位机为采用电脑或平板电脑或手机或无线手持控制器或安装于agv小车上的嵌入式控制装置的上位机，用于对所述agv小车精准导航的控制装置进行调度并监控；

操作者利用手机或平板电脑的app控制功能，实现简易控制，以及实现基本快捷操作(包括启动、停止、左右转动等快捷操作)；

所述agv小车行走驱动器安装于agv小车上，用于驱动agv小车行走与转向，根据通信控制模块的运动信号并采用pid算法使agv小车行走与转向稳定；

所述agv小车行走驱动器驱动agv小车的转向舵机以及行走电机。

如图6所示，一种agv小车精准导航的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1，状态逻辑控制模块使系统程序进入导航模式；

步骤s2，在导航模式下，激光传感仪器对应用场合进行激光扫描从而获得位置信号；

步骤s3，速度反馈模块对agv小车的运动状态进行检测从而获得运动信号；

步骤s4，数据采集模块对位置与运动信号进行处理，并将处理后的位置与运动信息传送到数据解析模块；

步骤s5，数据解析模块对位置与运动信息进行分析与计算从而推导出精准导航信息；

步骤s6，数据交互模块将精准导航信息传送到上位机；

步骤s7，上位机根据精准导航信息创建运动地图，规划agv小车的运动轨迹。

如图7所示，步骤s4包括以下步骤：

步骤s41，数据采集模块采用限幅滤波法对位置信号进行滤波处理；

步骤s42，数据采集模块对位置信号进行消抖处理，从而获得稳定的位置信号。

步骤s5中，如图7所示，所述位置信息的分析与计算过程包括以下步骤：

步骤s511，数据解析模块对激光传感仪器发射激光的时间、角度以及从反光指引物反射回来的距离信息进行分析；

步骤s512，经过数据解析模块计算得到激光传感仪器的激光旋转中心的坐标位置与偏移角度。

步骤s5中，如图9所示，所述运动信息的分析与计算过程包括以下步骤：

步骤s521，数据解析模块根据速度编码器的输出量计算出agv的实时速度及运动方向；

步骤s522，获取agv小车在有效时间间隔内的里程信息，计算出程序时间损耗误差；

步骤s523，数据解析模块根据角速度编码器的输出量计算出agv的实时转弯角度、角速度及转向；

步骤s5中，如图10所示，精准导航信息的推导过程包括以下步骤：

步骤s531，综合数据解析模块的分析与计算结果；

步骤s532，建立对应的数学模型并采用卡尔曼滤波算法，获得agv的动态位置信息；

采用卡尔曼滤波算法，可以消除时间误差、惯性误差、测量误差等等问题，卡尔曼滤波是一种建立在时域空间内的线性最小方差估计算法，具有时域状态递推的特性，适用于对多维随机过程(平稳、非平稳)进行状态估计或者轨迹预判，本发明以随机线性离散卡尔曼滤波为理论基础，与实际物理运动模型结合优化，实现了agv的实时精确的运动位姿定位；

精准导航信息的推导采用动态跟踪定位技术，即采用激光导航与惯性导航相结合的方式，基于卡尔曼滤波算法，综合考虑时间误差、机械误差、测量误差等因素研究开发的一种动态跟踪定位技术；

惯性导航定位系统航位推算原理如图11所示，已知初始点a的定位坐标(x0，y0)、导航测量角θ0及光电式旋转编码器测量里程s0可以计算出系统下一时刻在b点的坐标估计值。其中，s0＝ks1，s1为根据agv驱动舵轮直径计算的周长(即编码器旋转一周的行走里程)，k为旋转光电位移传感器的采样脉冲计数(车轮每旋转一周进行一次脉冲采样)，s0则为算法计算的有效时间周期内，agv的实际行驶里程。θ1表示agv与笛卡尔积参考坐标系(y轴方向)的夹角大小，此值由激光测距采集数据以及角度编码器采样综合计算获得，因此，在已知agv初始位置(x0，y0)的前提下，由所述计算方法可以求解得到agv在x、y轴方向的行驶位移。

本发明可通过激光传感器、编码器、处理模块的组合以及利用智能算法控制，提高了agv小车激光导航的精准度及智能化，使激光引导技术更可靠更安全性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。