一种激光导航agv的全局定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于AGV技术领域，尤其涉及一种激光导航AGV的全局定位方法。
【背景技术】
[0002] 根据以往的研宄，在利用特征地图对AGV进行定位时需要进行数据关联，在此基 础上建立观测与地图中路标之间的对应关系。在现有的数据关联方法中，最近邻域法是一 种比较典型的独立相容方法。最近邻域法计算简单、速度快，但是它忽略了地图中路标间的 相关性，不能保证得到一致的假设，更重要的是，它是一种局部关联方法，需要给定误差较 小的初始值，误差较大的初始值极易导致错误的假设。
[0003] 考虑最近邻域法忽略了地图中路标间的相关性，有研宄者采用更加严格的联合相 容检验，提出联合相容分支定界算法。联合相容分支定界算法利用了地图中路标间的相关 性，主要依赖于路标间的相对误差而不是绝对误差。联合相容分支定界算法的可靠性要好 于最近邻域法。但是，由于数据关联的本质是产生一个观测与地图中路标之间的唯一匹配 假设，这要求地图中满足一定数量的路标所构成的所有子地图具有唯一性。然而，这种唯一 性并不一定总能得到满足，这时也需要给定AGV -个适当精度的初始位姿。
[0004] 在基于特征地图的AGV定位中，通常采用扩展卡尔曼滤波方法实现AGV定位。扩展 卡尔曼滤波方法也需要给定一个相对精确的初始位姿，初始位姿不精确，会导致扩展卡尔 曼滤波定位也不精确甚至导致定位任务失败。由于AGV在环境中的启动位置并不确定，除 了 AGV自身携带的传感器，没有其它任何可以用于确定AGV初始位姿的定位系统，除非AGV 每次都在一个位置已知的地点启动，这给AGV的应用带来极大的不便。
【发明内容】
[0005] 针对于上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光导航AGV的全局定 位方法，以解决现有技术的特征地图中AGV初始位姿未知情况下的全局定位问题。
[0006] 为达到上述目的，本发明的一种激光导航AGV的全局定位方法，所述的AGV的全局 定位包括AGV在环境地图中方向和位置的确定；其中，首先，通过读取安装在AGV本体上的 罗盘数据来确定方向信息；其次，利用激光雷达探测到的路标信息，并采用Markov方法来 确定位置信息。
[0007] 优选地，采用Markov方法来确定位置信息时，首先将AGV的连续位置空间离散化， 具体为：定义AGV在环境中的坐标为（X，y)，定义AGV在地图中需要进行全局定位的矩形区 域为[X min，Xmax;Ymin，Ymax]，其中，X min和Xmax为X方向的最小值和最大值，Ymin和Ymax为y方 向的最小值和最大值；
[0008] 将矩形区域[Xmin，Xmax;Y min，YmaJ以分辨率[ResX，ResY]离散化为一个个小的矩形 单元，其中，ResX和ResY分别为X和y方向离散化的分辨率，通常设定ResX = ResY，一个 矩形单元称之为一个栅格，用;^表示，其中，k为时间，其初值为零，i为栅格索引，为栅格 赋予一个信度，表示为，整个矩形区域的栅格构成一幅信度图像。
[0009] 优选地，上述的Markov方法包括时间更新和观测更新两个阶段。
[0010] 优选地，上述的Markov方法的时间更新是给出一种基于频域处理的时间更新计 算方法，具体过程为：
[0011] a.通过傅里叶变换将信度图像从空域变换到频域，变换公式为：
【主权项】
1. 一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，所述的AGV的全局定位包括AGV在 环境地图中方向和位置的确定；首先，通过读取安装在AGV本体上的罗盘数据来确定方向 信息；其次，利用激光雷达探测到的路标信息，并采用Markov方法来确定位置信息。
2. 如权利要求1所述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，采用Markov 方法来确定位置信息时，首先将AGV的连续位置空间离散化，具体为：定义AGV在环境中的 坐标为（X，y)，定义AGV在地图中需要进行全局定位的矩形区域为[X min，Xmax;Y min，Ymax]，其 中，Xmil^P X _为χ方向的最小值和最大值，Y min和Y _为y方向的最小值和最大值； 将矩形区域[Xmin，Xmax;Ymin，Ymax]以分辨率[Re SX，ResY]离散化为一个个小的矩形单元， 其中，ResX和ResY分别为X和y方向离散化的分辨率，通常设定ResX = ResY，一个矩形单 元称之为一个栅格，用表示，其中，k为时间，其初值为零，i为栅格索引，为栅格名^赋予 一个信度，表示为整个矩形区域的栅格构成一幅信度图像。
3. 如权利要求1所述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，所述Markov 方法包括时间更新和观测更新两个阶段。
4. 如权利要求3所述的一种激光导航的AGV全局定位方法，其特征在于，所述的时间更 新阶段采用一种基于频域处理的时间更新方法，该方法通过傅里叶变换将信度图像从空域 变换到频域，利用空域图像和频域图像之间的关系实现信度图像的非整数倍栅格平移和对 信度图像的模糊化操作，然后通过傅里叶逆变换将信度图像从频域变换回空域。
5. 如权利要求4所述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，所述空域图像 和频域图像之间的关系为： f [x - x0, y - y0) F ^u,v)e^z;T{uXt>>M+'rillN^ 其中，f为空域图像；F为频域图像；M和N分别为X和y方向的栅格数；u和V分别为 X和y方向的位置量；x〇和y 〇分别为信度图像根据AGV运动量需要在空域中的X和y方向 的平移量。
6. 如权利要求4所述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，所述的对信度 图像的模糊化操作为： F(u, v) · H(u, v) 其中，F为利用傅里叶变换的周期性将低频部分移至图像中心后的频域图像； //k V；) = ，其中，Dtl为人为设置的滤波参数。
7. 如权利要求3所述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，所述的观测更 新阶段采用一种基于高斯核平滑的观测更新方法，该方法通过高斯核函数对提取的路标进 行连续化，对连续化后的虚拟环境轮廓进行等角度间隔离散化，最后建立观测似然模型计 算观测似然。
8. 如权利要求7所述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，所述对提取的 路标进行连续化，具体过程为： a.定义AGV在某一时刻观测到η个路标，则该η个路标在激光雷达极坐标系下的位置 分别为（ρ ^ θ J，（ρ 2，θ 2)，......，（ρη，θη)，将M见为自变量，P视为因变量，则任意 一个路标可以表示为函数Pi= P J ((θ-θ^，其中δ函数为：
将所有观测到的路标所对应的函数求和，得到一个非光滑、非连续的路标位置函数：
b.对非光滑、非连续的路标位置函数进行连续化，用高斯核函数取代上式中的 p i δ ( Θ - Θ J，得到连续的路标位置函数为：
式中，exp为高斯核函数；〇i是核的带宽，此处，〇 i取为λ/ρ i; λ为大于零的常数， λ越大，所得路标位置函数越平滑。
9. 如权利要求7所述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，所述对连续化 后的路标位置函数进行等角度间隔离散化，具体方法为： 将自变量Θ e (9min，θ_)以等角度Δ Θ分成τ段，其中，0min和Θ _分别为Θ的 最小值和最大值，由此可得离散化的路标位置函数：
10. 如权利要求7所述的一种激光导航AGV的全局定位方法，其特征在于，所述观测似 然的计算方法为：
其中，为AGV最远能探测到的路标的距离；P 2为AGV实际观测平滑后的观测值； P A AGV在之,处的观测平滑后的观测值。
【专利摘要】本发明公开了一种激光导航AGV的全局定位方法，所述的AGV的全局定位包括AGV在环境地图中方向和位置的确定；其中，首先，通过读取安装在AGV本体上的罗盘数据来确定方向信息；其次，利用激光雷达探测到的路标信息，并采用Markov方法来确定位置信息；所述Markov方法包括时间更新和观测更新两个阶段。本发明有效地解决了AGV初始位姿精确定位问题，使得AGV不需要每次都在一个已知的位置地点启动，去除了给AGV的应用带来这种极大的不便，即AGV即使任意位置启动，也能给定AGV一个相对精确的初始位姿。
【IPC分类】G01C21-20, G01C21-00
【公开号】CN104729500
【申请号】CN201510082486
【发明人】楼佩煌, 钱晓明, 满增光, 张 浩, 李斌
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年2月15日