一种工业物联网增强定位下自主移动机群协同控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种工业物联网增强定位下自主移动机群协同控制系统。

背景技术：

随着机器人技术、计算机技术以及先进控制技术向制造领域的渗透，越来越多的工厂进行机器人智能化的改造，形成以自主移动机群代替部分人力密集型工作的阶段。工厂生产车间作业过程复杂多变，包括存在多种型号的零部件和执行机构、包含固液多态的生产物料以及工人、零件、工具、物料到产品的多种生产要素，同时对于制造工厂存在多种技术或者多种设备作业装配的智能化改造。因此为了实现工厂的智能制造，如何在大规模工业传感网感知下进行自主移动机群网络构建、实时定位以及协同控制成为了一个重要的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种工业物联网增强定位下自主移动机群协同控制系统，以实现在大规模工业传感网感知下进行自主移动机群的网络构建、实时定位以及协同控制。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种工业物联网增强定位下自主移动机群协同控制系统，包括控制中心；第一无线收发模块，与控制中心连接；第二无线收发模块，设置于自主移动机上并与第一无线收发模块通信连接；无线传感节点，设置于室内工作环境中并与控制中心连接，基于多个无线传感节点构成无线传感器网络，用于判断自主移动机在室内工作环境中的实时位置；惯性传感器，设置于自主移动机上并与第二无线收发模块连接，并用于自主移动机在工作环境的连续位姿检测；视觉图像传感器，设置于自主移动机上并与第二无线收发模块连接，并用于自主移动机在工作环境对三维构建与预先构建地图库的匹配识别；伺服控制器，设置于自主移动机上并与第二无线收发模块连接，并用于提供自主移动机行走的控制信号。

进一步地，所述无线传感节点包括无线编码产生电路和无线解码产生电路。

进一步地，所述惯性传感器包括三轴线加速度模块和三轴角加速度模块，所述三轴线加速度模块和三轴角加速度模块均与第二无线收发模块连接。

进一步地，所述视觉图像传感器包括CCD摄像机模块和图像采集卡模块，所述CCD摄像机模块、图像采集卡模块和第二无线收发模块依次连接。

进一步地，还包括北斗定位接收器，设置于自主移动机上并与第二无线收发模块连接，并用于发送自主移动机在室外工作环境中的实时位置。

进一步地，所述北斗定位接收器包括有源天线模块和去噪转换模块，所述有源天线模块、去噪转换模块和第二无线收发模块依次连接。

一种工业物联网增强定位下自主移动机群协同控制方法，包括以下步骤，

S1：通过视觉图像传感器对工作环境进行图像采集，在对采集图像进行分割基础上得到图像边界轮廓点的顺序编码，提取图像中特征角点的边缘，通过三维坐标计算对特征点进行三维构建，得到非几何结构在定位空间的坐标；

S2：通过无线传感节点间的无线信号测试集建立信号指纹库，建立不同环境不同距离下无线信号补偿系数来增强无线测距性能，采用三轴线加速度模块和三轴角加速度模块跟无线收发模块相结合来对自主移动机群位置进行航迹推算，避免含噪无线信号对自主移动机群位置输出引入较大的定位误差；

S3：通过无线传感节点、惯性传感器和北斗定位接收器解算出自主移动机群的精确位置和姿态；

S4：基于S3中的位置和姿态参数，再结合控制中心内的模糊控制参数整定的增量式PID算法得到自主移动机群的实时运动轨迹。

进一步地，所述模糊控制参数整定的增量式PID的控制方法包括以下步骤，

第一步：结合自主移动机群的定位场景，设定移动机群初始位置和姿态参数ini(t)；

第二步：输入当前移动机群实时位置和姿态的采样值samp(t)；

第三步：通过基于移动机群设定轨迹值rv(t)，通过公式e(t)＝rv(t)-samp(t)计算出移动机群实时运动位置和姿态偏差值e(t)；

第四步：通过基于模糊控制参数整定u(t)＝f(e(t))计算出移动机群位置和姿态的控制量，并通过存储器保存当前数值；

第五步：判断第四步中保存的数值与第一步中设定的初始参数是否一致，若一致，则移动机群可以移动，若不一致，则移动机群不移动。

采用了上述技术方案，本实用新型具有以下的有益效果：构建了基于无线传感节点、惯性传感器、视觉图像传感器以及北斗定位接收器组成的工业物联网，对自主移动机群实时位姿进行检测，在此基础上设计了自主移动机群轨迹增量式PID控制策略。在工厂内封闭环境，采用含有三轴线加速度计和三轴角加速度的惯性传感器可以准确输出自主移动机群的位置和姿态信息，可以在定位区域通过无线节点自组网的方式构建无线传感器网络，来对定位区域内自主移动机群进行分布式定位；同时在工厂外开阔环境，可以采用北斗定位系统来对自主移动机群进行经纬度和高度检测，同时可以用惯性传感器进行自主移动机群位姿的实时检测，弥补自主移动机群在运动过程中单纯采用北斗定位系统所带来的较大的定位误差。本实用新型将多种传感器用于自主移动机群的定位，满足了在封闭环境和开阔环境的定位需求，克服了单一定位方法在局部定位区域效果不佳的缺陷，具有在整个定位区域精度高、实时性好、稳定性强等优点，具有很好的市场前景和应用价值。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的控制流程图；

图3为本实用新型的中模糊控制参数整定的增量式PID的控制流程图；

附图中，1为无线传感节点，11为无线编码产生电路，12为无线编码接收电路，2为惯性传感器，21为三轴线加速度模块，22为三轴角加速度模块，3为视觉图像传感器，31为CCD摄像机，32为图像采集卡，4为北斗定位接收器，41为有源天线，42为去噪转换电路，5为伺服控制器，6为电池单元，7为存储模块，8为通讯接口，9为I/O接口，10为控制中心，13为第一无线收发模块，14为第二无线收发模块。

具体实施方式

见图1至图3，一种工业物联网增强定位下自主移动机群协同控制系统，其中，自主移动机群是由多个自主移动机构成的，该控制系统包括控制中心10、第一无线收发模块13、第二无线收发模块14、伺服控制器5、无线传感节点1、惯性传感器2、视觉图像传感器3以及北斗定位接收器4。

无线传感节点1用于自主移动机群在封闭定位区域的无累积位置输出，而惯性传感器2用于自主移动机群在封闭环境和开阔环境的连续位姿检测，视觉图像传感器3用于自主移动机群在封闭环境和开阔环境对三维构建与预先构建地图库的匹配识别，北斗定位接收器4用于自主移动机群在开阔环境的分布式位置输出，伺服控制器用于提供自主移动机行走的控制信号。

第一无线收发模块13与控制中心10连接，第二无线收发模块14设置于自主移动机群的机身上并与第一无线收发模块13通信连接；无线传感节点1、惯性传感器2、视觉图像传感器3以及北斗定位接收器4，构成用于自主移动机群定位的工业物联网，惯性传感器2、视觉图像传感器3以及北斗定位接收器4和伺服控制器5均与第二无线收发模块相连，所述无线传感节点1基于传感网络通信性能在封闭式工作环境进行部署，并与控制中心10连接；所述惯性传感器2、视觉图像传感器3、北斗定位接收器4和伺服控制器5被安装在自主移动机群机身。其中，无线传感节点1、惯性传感器2和视觉图像传感器3主要用于封闭式工作环境自主移动机群的定位，例如室内、工厂内等，而惯性传感器2、视觉图像传感器3和北斗定位接收器4主要用于开阔式工作环境自主移动机群的定位，例如室外、工厂外等。所有传感器将分布在工作区间内的分散的自主移动机群位姿参数通过第二无线收发模块14和第一无线收发模块13传递给控制中心10，通过控制中心10对接收到的参数进行解算，对自主移动机群实时运动过程中的轨迹进行规划和优化，然后根据上述信息，控制中心10通过第一无线收发模块13和第二无线收发模块14来控制伺服控制器5，从而达到自主移动机群的启动和停止。

其中，在无线传感节点1中含有无线编码产生电路11和无线解码接收电路12，在惯性传感器2中含有三轴线加速度模块21和三轴角加速度模块22，三轴线加速度模块21和三轴角加速度模块22均与第二无线收发模块14连接，在视觉图像传感器3中含有CCD摄像机31和图像采集卡32，CCD摄像机模块31、图像采集卡模块32和第二无线收发模块14依次连接；在北斗定位接收器4中含有有源天线41和去噪转换电路42，有源天线模块41、去噪转换模块42和第二无线收发模块14依次连接。每个自主移动机上均连接有电池单元6，而控制中心10上还连接有存储模块7、通讯接口8以及I/O接口9等外设单元。

以工厂中应用的机群为例，自主移动机群由于作业任务在工厂内和工厂外按照规划的轨迹进行运动，在自主移动机群机身安装惯性传感器2、视觉图像传感器3以及北斗定位接收器4，同时部署一定数量的无线传感节点1通过自组织方式形成无线传感网。在工厂内封闭环境，采用无线传感节点1、惯性传感器2和视觉图像传感器3进行自主移动机群的定位；而在工厂外开阔环境，采用惯性传感器2、视觉图像传感器3和北斗定位接收器4对自主移动机群进行定位。因此，在视觉图像三维环境建模的基础上，通过无线信号、惯性参量以及北斗经纬高度信息得到自主移动机群在工厂内外实时的位置和姿态参数。

采用视觉图像传感器3得到被测对象的图像参数，在对图像进行预处理结合对角点特性的提取，得到图像的几何结构和深度信息实现对工厂内外场景的三维建模；在此基础上，采用惯性传感器2中的三轴线加速度模块21和三轴角加速度模块22来对自主移动机群的线加速度和角加速度进行测量，通过积分运算得到自主移动机群的位置和姿态参数；无线传感节点进行无线传感网络构建，通过工厂内无线节点和工厂外无线节点间含噪信号解算得到自主移动机群的分布式位置；在工厂内采用惯性传感器2和无线传感节点1获得运动参数在控制中心10中进行解算，得到自主移动机群在工厂内的实时位置和姿态；在工厂外北斗定位接收器4和卫星信号间的通讯解算得到自主移动机群的实时经度、纬度和高度参数，通过坐标转换结合其由惯性传感器2获得位姿参数，在工厂外采用北斗定位接收器4和惯性传感器2获得运动参数在控制中心10中进行解算，得到自主移动机群在工厂外的实时位置和姿态。

一种工业物联网增强定位下自主移动机群协同控制方法，包括以下步骤，

S1：通过视觉图像传感器对工作环境进行图像采集，在对采集图像进行分割基础上得到图像边界轮廓点的顺序编码，提取图像中特征角点的边缘，通过三维坐标计算对特征点进行三维构建，得到非几何结构在定位空间的坐标；

S2：通过无线传感节点1间的无线信号测试集建立信号指纹库，建立不同环境不同距离下无线信号补偿系数来增强无线测距性能，采用三轴线加速度模块和三轴角加速度模块跟无线收发模块相结合来对自主移动机群位置进行航迹推算，避免含噪无线信号对自主移动机群位置输出引入较大的定位误差；

S3：通过无线传感节点1、惯性传感器2和北斗定位接收器3解算出自主移动机群的精确位置和姿态；

S4：基于S3中的位置和姿态参数，再结合控制中心10内的模糊控制参数整定的增量式PID算法得到自主移动机群的实时运动轨迹。

进一步地，所述增量式PID的控制方法包括以下步骤，

第一步：结合自主移动机群的定位场景，设定移动机群初始位置和姿态参数ini(t)；

第二步：输入当前移动机群实时位置和姿态的采样值samp(t)；

第三步：通过基于移动机群设定轨迹值rv(t)，通过公式e(t)＝rv(t)-samp(t)计算出移动机群实时运动位置和姿态偏差值e(t)；

第四步：通过基于模糊控制参数整定u(t)＝f(e(t))计算出移动机群位置和姿态的控制量，并通过存储器保存当前数值；

第五步：判断第四步中保存的数值与第一步中设定的初始参数是否一致，若一致，则移动机群可以移动，若不一致，则移动机群不移动。

对于步骤S1，当自主移动机群运动在工厂内或者工厂外，由于自主移动机群作业环境存在的设备、建筑以及其它动静态目标容易对定位造成干扰从而影响定位精度，因此通过安装在自主移动机群机身的视觉图像传感器2进行图像采集，可以对其运动区域内环境精确建模。

对于步骤S2，当自主移动机群运动在工厂内时，基于无线传感节点1间的无线信号测试集建立信号指纹库，建立不同环境不同距离下无线信号补偿系数来增强无线测距性能，当自主移动机群运行在无线信号部署密集或者信号特性明显的区域时，可以通过节点间无线信号实现大区域内的定位输出；当自主移动机群运行在无线节点部署稀疏或者信号受到遮蔽的区域时，基于自主移动机群最新的历史无线定位数据，采用三轴线加速度模块和三轴角加速度模块跟无线收发模块相结合来对自主移动机群位置进行航迹推算，避免含噪无线信号对自主移动机群位置输出引入较大的定位误差。

对于步骤S3，当自主移动机群运动在工厂外时，通过北斗定位接收器4和太空卫星之间的信号传播时间，与光速相乘得到卫星和接收器之间的距离，结合导航电文中推算出卫星发射电位时所处的位置，在卫星星载时钟同步的基础上建立解算方程得到自主移动机群在地球坐标系中经度纬度和高度值。由于卫星信号受到大气层电离层的干扰使得光速发生变化会导致北斗定位系统精度需要增强，利用搭载在自主移动机群机身的惯性传感器2，独立解算出自主移动机群在工厂外运动的实时位置和姿态，与北斗定位系统经过周期性校正得到更精确的位姿参数。

对于步骤S4，步骤S3中的位姿参数即为自主移动机群的位置和姿态参数，将数据输入到模糊-PID控制器中，同时对位置和姿态进行一次微分得到线速度和角速度参数，然后将得到的线速度和角速度参数输入到模糊-PID控制器，采用模糊控制策略获得比例积分和微分系数，利用增量式PID控制得到期望的位置和姿态校正参数，最终实现对自主移动机群运动轨迹的实时控制。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。