CN108640040A - 一种智能叉车的位姿调整路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能叉车的位姿调整路径规划方法，具体包括如下步骤：建立环境全局坐标系；并以叉车左、右货叉外顶端间的中点为叉车当前位置点，再判断叉车当前位姿是否符合要求，以及计算叉车尾部到周围物体的距离；根据生活中一般工况下自主驾驶调整车辆位姿的原则，分后退和前进两个步骤实现叉车位姿调整；每个步骤均通过选定合适的控制点，利用B样条曲线来实现路径规划。本发明可以满足对起止点有严格位姿要求的路径规划需求，同时，通过位姿调整保证了智能叉车能够准确堆、取货物，避免在堆放货物时出现位姿偏离问题和在叉取货物时由于位姿的偏离造成托盘不必要的磨损；规划过程更加简洁、快速，且B样条曲线控制点的选择较为精巧。

Description

一种智能叉车的位姿调整路径规划方法

技术领域

本发明涉及智能叉车技术领域，尤其涉及一种智能叉车的位姿调整路径规划方法。

背景技术

为便于管控，减少人员伤亡事故的发生，降低企业经营成本，同时为对接《中国制造2025》国家发展战略规划，叉车技术日新月异，尤其是叉车的智能化；所谓智能叉车，即工作过程中不需要人为操控，能够自主完成堆、取货物，且具有初步人工智能的机动工业车辆。而要实现叉车的自主完成堆、取货物，就涉及到叉车当前位置到目标点间的路径规划问题，目前国内外对智能叉车路径规划的研究中出现较多的是基于磁导引式路径规划和基于激光导引式路径规划，其中，基于磁导引式路径规划通过铺设地磁条来实现对叉车的引导，缺乏灵活性；而基于激光导引式路径规划，由于借助激光传感器来探测环境，使得路径规划更加灵活，但采用不同的路径规划算法以及对不同约束条件的考虑，使得智能叉车实际工作效果不尽相同，尤其是在智能叉车自主完成堆、取货物的过程中，对智能叉车的货叉能否准确插入承载货物托盘的托盘孔以及智能叉车能否将托盘准确堆放于指定位置的要求很高，而目前由于对严格位姿约束的考虑不足，受系统响应速度、车载传感器误差以及路径跟踪所存在的点镇定等问题影响，在堆放货物时存在位姿偏离问题，或者需要依靠货架来矫正放置托盘时的错位，在叉取货物时则由于位姿的偏离使得货叉与托盘孔边沿摩擦较大，造成托盘不必要的磨损。因此，也就需要充分考虑智能叉车位姿调整的问题。

所谓位姿调整路径规划是指当智能叉车到达目标点位置时的车身方向不符合要求，无法准确堆、取货物时，为调整车身位姿，实现准确堆、取货物，依据智能叉车当前位姿信息和原目标点位姿信息而进行的路径规划。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种方便使用的智能叉车的位姿调整路径规划方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种当发现智能叉车到达目标点位置时的车身方向不符合要求，无法准确堆、取货物时，为调整车身位姿，实现准确堆、取货物，依据智能叉车当前位姿信息和原目标点位姿信息而进行的智能叉车的位姿调整路径规划方法。

其中，目标点位置指的是托盘所在位置或指定的堆放位置，并已知目标点位姿信息，即包含全局坐标和方向角；方向角指的是所指方向与全局坐标系横轴正向的夹角，逆时针方向取正值，顺时针方向取负值。

具体的，本发明所提供的一种智能叉车的位姿调整路径规划方法，该方法包括以下几个部分：

步骤S1：建立环境全局坐标系；并以叉车左、右货叉外顶端间的中点为叉车当前位置点，再判断叉车当前位姿是否符合要求，以及计算叉车尾部到周围物体的距离；

步骤S2：根据生活中一般工况下自主驾驶调整车辆位姿的原则，分后退和前进两个步骤实现叉车位姿调整；每个步骤均通过选定合适的控制点，利用B样条曲线来实现路径规划。

作为一种优选的方案，所述步骤S1部分具体包括：

利用导航型激光扫描传感器建立笛卡尔全局坐标系，再通过车身尺寸参数推算出叉车当前位置点的全局坐标，而利用测距型激光扫描传感器获得叉车尾部到周围物体的距离。

进一步地，所述导航型激光扫描传感器安装在叉车顶端中间位置，且到四个轮子的距离相等；传感器坐标轴横轴正向为叉车前进方向，待建立全局坐标系后，此方向与全局坐标系横轴正向的夹角即为车身方向角。

进一步地，所述叉车当前位姿是否符合要求的判断包括叉车当前位置与目标点位置全局坐标值间的对比，以及方向角间的对比。

进一步地，所述测距型激光扫描传感器安装在叉车尾部中间位置，扫描范围根据需要而定，一般设置为0度到180度，极坐标数据结果需要依据所设置的传感器角度分辨率，转化为笛卡尔坐标数据。

作为一种优选的方案，所述步骤S2部分具体包括：

当智能叉车到达目标点位置时的车身方向角不符合要求时，开始后退路径规划；待执行完后退路径后，开始前进路径规划；待执行完前进路径后，判断叉车当前位姿是否符合要求，若不符合则依次重复上述步骤进行调整，直到完成位姿调整为止。

进一步地，由于叉车位姿调整过程为低速行驶，为保证行驶过程车轮转向角转度连续和降低程序计算量，所述B样条曲线一般选择4阶次形式；而n次B样条曲线的基函数如下：

式中k＝0,1,2,···,n。

且B样条曲线的表达式：

式中u∈[0,1]，i＝1,2,···,m；

其中，n表示样条曲线的阶次，m表示曲线由m段样条曲线平滑连接而成，i表示第i段B样条曲线，P_i+k表示第i段B样条曲线的第k个控制点。

进一步地，所述后退路径规划的B样条曲线相关控制点选择，首先选取叉车当前位置点作为第一个控制点，即后退路径起始点；再于叉车当前后退方向上选取一个相距起始点很近的点作为第二个控制点。其次，在叉车当前前进方向与原目标点要求方向夹角的角平分线上，距离叉车一定距离处选取一点作为倒数第一个控制点，即后退路径终止点；再于角平分线上相距终止点很近且靠近起始点一侧选取一点作为倒数第二个控制点。最后，可选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者也可以根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。

进一步地，所述后退路径规划中B样条曲线倒数第一个控制点应选在无障碍区，距离叉车尾部最大距离不宜超过2倍的整体车身长度，而所述无障碍区可通过叉车尾部安装的测距型激光扫描传感器进行测定。

进一步地，所述前进路径规划的B样条曲线相关控制点选择，首先选取叉车当前位置点作为第一个控制点，即前进路径起始点；再于叉车当前前进方向上选取一个相距起始点很近的点作为第二个控制点。其次，选取原目标点作为倒数第一个控制点，即前进路径终止点；再于原目标点要求方向上相距终止点很近且靠近起始点一侧选取一点作为倒数第二个控制点。最后，可选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者也可以根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。

进一步地，所述控制点的选取总数必须大于所选B样条曲线的阶次；通过所选定的B样条曲线阶次计算相应的基函数，再结合选定的控制点以及B样条曲线的表达式，即可获得所规划路径的各段样条曲线的函数。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的智能叉车的位姿调整路径规划方法可以满足对起止点有严格位姿要求的路径规划需求，同时，通过位姿调整保证了智能叉车能够准确堆、取货物，避免在堆放货物时出现位姿偏离问题和在叉取货物时由于位姿的偏离造成托盘不必要的磨损。

(2)本发明所提供的智能叉车的位姿调整路径规划方法将B样条曲线利用于智能叉车位姿调整路径规划，使得规划过程更加简洁、快速，仅需要选择合适的控制点即可。

(3)本发明所提供的智能叉车的位姿调整路径规划方法中B样条曲线控制点的选择较为精巧，能够保证所规划路径起止点位姿均符合要求；特别，在角平分线上选取控制点，使得位姿调整的速度加快，同时由此降低了转向幅度，进而避免了因为大幅度转向而造成叉车轮胎过度磨损。

附图说明

图1是本发明所提供的智能叉车的位姿调整路径规划方法的使用场景示意图。

图2是本发明所提供的智能叉车的位姿调整路径规划方法的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示，本发明公开了一种智能叉车的位姿调整路径规划方法，该方法包括以下几个部分：

(1)建立环境全局坐标系；并以叉车左、右货叉外顶端间的中点为叉车当前位置点，再判断叉车当前位姿是否符合要求，以及计算叉车尾部到周围物体的距离；

(2)根据生活中一般工况下自主驾驶调整车辆位姿的原则，分后退和前进两个步骤实现叉车位姿调整；每个步骤均通过选定合适的控制点，利用B样条曲线来实现路径规划。

利用SICK—NAV350导航型激光扫描传感器S建立笛卡尔全局坐标系XOY，再通过车身尺寸参数推算出叉车当前位置点D的全局坐标(x_d，y_d，θd)，而利用SICK—LMS111测距型激光扫描传感器S1获得叉车尾部到周围物体的距离。

所述导航型激光扫描传感器S安装在叉车顶端中间位置，且到四个轮子的距离相等，平面投影位置如图1所示；传感器坐标轴横轴x正向为叉车前进方向，待建立全局坐标系XOY后，此x方向与全局坐标系横轴X正向的夹角即为车身方向角θ_d。

所述叉车当前位姿是否符合要求的判断包括叉车当前位置D与目标点位置P全局坐标值(x_d，y_d)、(x_p，y_p)间的对比，以及方向角θ_d、θ_p间的对比。

所述测距型激光扫描传感器S1安装在叉车尾部中间位置，扫描范围设置为0度到180度，所得极坐标数据结果需要依据所设置的传感器角度分辨率，转化为笛卡尔坐标数据以便处理。

当智能叉车到达目标点位置时的车身方向角θ_d不等于θ_p时，开始后退路径规划；待执行完后退路径后，开始前进路径规划；待执行完前进路径后，判断叉车当前位姿是否符合要求，若不符合则依次重复上述步骤进行调整，直到完成位姿调整为止。

进一步地，由于叉车位姿调整过程为低速行驶，为保证行驶过程车轮转向角转度连续和降低程序计算量，所述B样条曲线一般选择4阶次形式；相应基函数如下：

且B样条曲线的表达式：

其中，n表示样条曲线的阶次，m表示曲线由m段样条曲线平滑连接而成，i表示第i段B样条曲线，P_i+k表示第i段B样条曲线的第k个控制点，k＝0,1,2,···,n；u∈[0,1]，i＝1,2,···,m。

述后退路径规划的B样条曲线相关控制点选择，首先选取叉车当前位置点D作为第一个控制点，即后退路径起始点；再于叉车当前后退方向上选取一个相距起始点很近的点D1作为第二个控制点。其次，在叉车当前前进方向与原目标点要求方向夹角的角平分线z上，距离叉车一定距离处选取一点A作为倒数第一个控制点，即后退路径终止点；再于角平分线z上相距终止点A很近且靠近起始点一侧选取一点A1作为倒数第二个控制点。最后，可选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者也可以根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。

所述后退路径规划中B样条曲线倒数第一个控制点A应选在无障碍区，距离叉车尾部最大距离不宜超过2倍的整体车身长度L，而所述无障碍区可通过叉车尾部安装的测距型激光扫描传感器S1进行测定。

所述前进路径规划的B样条曲线相关控制点选择，首先选取叉车当前位置点作为第一个控制点，即前进路径起始点，此时叉车当前位置点D与点A重合；再于叉车当前前进方向上选取一个相距起始点很近且靠近原目标点一侧选取一点,即点A1作为第二个控制点。其次，选取原目标点P作为倒数第一个控制点，即前进路径终止点；再于原目标点P要求方向上相距点P很近且靠近起始点一侧选取一点P1作为倒数第二个控制点。最后，可选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者也可以根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。

所述控制点的选取总数必须大于所选B样条曲线的阶次；通过所选定的B样条曲线阶次计算相应的基函数，再结合选定的控制点以及B样条曲线的表达式，即可获得所规划路径的各段样条曲线的函数表达式，进而传输给路径跟踪程序执行

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能叉车的位姿调整路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：建立环境全局坐标系；并以叉车左、右货叉外顶端间的中点为叉车当前位置点，再判断叉车当前位姿是否符合要求，以及计算叉车尾部到周围物体的距离；

所述步骤S1具体包括：利用导航型激光扫描传感器建立笛卡尔全局坐标系，再根据车身尺寸参数推算出叉车当前位置点的全局坐标，并利用测距型激光扫描传感器获得叉车尾部到周围物体的距离；

步骤S2：根据一般工况下自主驾驶调整车辆位姿的原则，分后退和前进两个步骤实现叉车位姿调整；每个步骤均通过选定合适的控制点，并利用B样条曲线来实现路径规划；

所述步骤S2具体包括：当智能叉车到达目标点位置时的车身方向角不符合要求时，开始后退路径规划；待执行完后退路径后，开始前进路径规划；待执行完前进路径后，判断叉车当前位姿是否符合要求，若不符合依次重复则上述步骤进行调整，直到完成位姿调整为止。

2.根据权利要求1所述的智能叉车的位姿调整路径规划方法，其特征在于，所述导航型激光扫描传感器安装在叉车顶端中间位置，且到四个轮子的距离相等；传感器坐标轴横轴正向为叉车前进方向，待建立全局坐标系后，此方向与全局坐标系横轴正向的夹角即为车身方向角。

3.根据权利要求1所述的智能叉车的位姿调整路径规划方法，其特征在于，所述叉车当前位姿是否符合要求的判断包括：叉车当前位置与目标点位置全局坐标值间的对比，以及方向角间的对比；所述测距型激光扫描传感器安装在叉车尾部中间位置，扫描范围根据需要而定，一般设置为0度到180度，极坐标数据结果需要依据所设置的传感器角度分辨率，转化为笛卡尔坐标数据。

4.根据权利要求1所述的智能叉车的位姿调整路径规划方法，其特征在于，所述B样条曲线一般选择4阶次形式。

5.根据权利要求1所述的智能叉车的位姿调整路径规划方法，其特征在于，所述后退路径规划的B样条曲线相关控制点选择：首先选取叉车当前位置点作为第一个控制点，即后退路径起始点；再于叉车当前后退方向上选取一个靠近起始点的点作为第二个控制点；其次，在叉车当前前进方向与原目标点要求方向夹角的角平分线上，距离叉车一定距离处选取一点作为倒数第一个控制点，即后退路径终止点；再于角平分线上靠近终止点且靠近起始点一侧选取一点作为倒数第二个控制点；最后，选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。

6.根据权利要求1所述的智能叉车的位姿调整路径规划方法，其特征在于，所述后退路径规划中B样条曲线倒数第一个控制点应选在无障碍区，距离叉车尾部最大距离不超过两倍的整体车身长度，而所述无障碍区可通过叉车尾部安装的测距型激光扫描传感器进行测定。

7.根据权利要求1所述的智能叉车的位姿调整路径规划方法，其特征在于，所述前进路径规划的B样条曲线相关控制点选择：首先选取叉车当前位置点作为第一个控制点，即前进路径起始点；再于叉车当前前进方向上选取一个靠近起始点的点作为第二个控制点；其次，选取原目标点作为倒数第一个控制点，即前进路径终止点；再于原目标点要求方向上靠近终止点且靠近起始点一侧选取一点作为倒数第二个控制点；最后，选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。

8.根据权利要求1所述的智能叉车的位姿调整路径规划方法，其特征在于，所述控制点的选取总数必须大于所选B样条曲线的阶次；通过所选定的B样条曲线阶次计算相应的基函数，再结合选定的控制点以及B样条曲线的表达式，即可获得所规划路径的各段样条曲线的函数。