CN109885049B - 一种基于航位推算的激光导引agv自动建图和路径匹配方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于航位推算的激光导引AGV自动建图和路径匹配方法，包括：建立AGV工作区域的世界坐标系以及AGV的车体坐标系；通过激光雷达采集附近激光反射物在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息；根据AGV位姿推测模型预测下一时刻的AGV位姿，进而获得下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息；分别将所述第一距离信息和所述第二距离信息以及所述第一角度信息和所述第二角度信息进行对比，根据对比结果完成AGV的自动建图和路径匹配。本发明提出了一种基于坐标系转换的自动建图算法，实现了对反光板坐标的自动测量。另外，针对传统的反光板匹配算法计算量大的问题，提出了一种基于航位推算的快速匹配方法，实现了反光板的快速匹配。
Description
技术领域
本发明涉及AGV带反光板激光定位技术领域，具体涉及了一种基于航位推算的激光导引AGV自动建图和路径匹配方法。
背景技术
导航定位技术是AGV(Automated Guided Vehicle)自动导引运输车的关键技术之一，目前，带反光板的AGV激光定位方法在工业自动化生产中得到了广泛应用，相比于其他定位方式激光定位具有定位精度高、可靠性强等特点，适用于环境复杂的工业场景。
现有的带反光板激光定位算法需要预先给定世界坐标系中各反光板的坐标，再完成AGV的定位。这种方式一方面会因为手工测量反光板坐标所产生的误差导致AGV的定位误差，另一方面在AGV切换工作环境时均需要重新测量反光板的坐标，带来了极大的不便利性，影响了实际生产的工作效率。另外，激光定位在定位前需要首先完成激光板的匹配，即找到某时刻扫描得到的各反光板的距离值和角度值与各反光板在世界坐标系下坐标的正确对应关系。现有多数的反光板匹配方法运算量较大，耗费时间较长。尤其AGV在动态定位的时候由于控制实时性的要求，每个定位周期时间不宜过长，否则会影响AGV控制精确性。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种基于航位推算的激光导引AGV自动建图和路径匹配方法，包括：建立AGV工作区域的世界坐标系以及AGV的车体坐标系；通过激光雷达采集附近激光反射物在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息；根据AGV位姿推测模型预测下一时刻的AGV位姿，进而获得下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息；分别将所述第一距离信息和所述第二距离信息以及所述第一角度信息和所述第二角度信息进行对比，根据对比结果完成AGV的自动建图和路径匹配。
进一步的，在通过激光雷达采集附近激光反射物在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息前，还包括：在AGV场地中布置多个非对称激光反射物，用于辅助AGV定位从而规划AGV的行驶路径；其中，所述激光反射物包括：激光反射板或激光反射柱。
进一步的，所述通过激光雷达采集附近激光反射物在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息均为所述车体坐标系下的坐标；所述根据AGV位姿推测模型预测下一时刻的AGV位姿，进而获得下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息均为所述世界坐标系下的坐标。
进一步的，在所述分别将所述第一距离信息和所述第二距离信息以及所述第一角度信息和所述第二角度信息进行对比前，还包括：建立所述世界坐标系与所述车体坐标系之间的变换关系；根据所述变换关系将所述第一距离信息以及第一角度信息变换到所述世界坐标系下；其中，所述第一距离信息经过所述变换关系的变换后，获得对应激光反射物在世界坐标系下的位置坐标。
进一步的，所述根据AGV位姿推测模型预测下一时刻的AGV位姿，进而获得下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息，包括：构建世界坐标系下所述反射物的距离信息和角度信息随车体位姿的变换关系；获得当前时刻所述AGV在世界坐标系下的坐标和车体航向角；根据所述下一时刻的AGV位姿、所述变换关系以及所述当前时刻AGV在世界坐标系下的坐标和车体航向角，获得所述第二距离信息和所述第二角度信息。
进一步的，在所述分别将所述第一距离信息和所述第二距离信息以及所述第一角度信息和所述第二角度信息进行对比前，还包括：将获得的在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息按扫描顺序存入激光反射物实际信息列表中；将获得的所述激光反射物在世界坐标系下的位置坐标按扫描顺序存入激光反射物地图列表；将通过所述AGV位姿推测模型获得的下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息存入激光反射物的期望信息列表。
更进一步的，所述根据对比结果完成AGV的自动建图，包括：将当前时刻激光雷达检测到的各个激光反射物的距离信息及角度信息与所述激光反射物期望信息列表中各元素进行比较；若对应的距离信息或对应的角度信息的两个差值中，至少有一个所述差值大于等于所述设定阈值，则认为发现新的激光反射物；待所有激光反射物匹配成功后，将所述新的激光反射物在世界坐标系下的位置坐标更新入所述激光反射物地图列表；在AGV的行进过程中重复上述过程，从而完成AGV的自动建图。
更进一步的，其特征在于，所述根据对比结果完成路径匹配，包括：若对应的距离信息及角度信息的差值均小于设定阈值，则认为是同一激光反射物；待所有激光反射物匹配成功后，将当前各激光反射物的实际距离信息及角度信息更新至激光反射物实际信息列表；在AGV的行进过程中重复上述过程，从而完成AGV的路径匹配。
更进一步的，所述位姿推测模型包括：
其中，所述W(k+1)为AGV在K+1时刻的位姿，所述Xp(k)和Yp(k)分别为AGV在初始位置的x坐标和Y坐标。所述ψ(k)为AGV初始角度，所述Δx(k)、Δy(k)、Δψ(k)分别为x坐标变化量、y坐标变化量以及角度变化量，Vl(k)、Vr(k)分别为AGV左右轮控制量，Δt为时刻k到时刻k+1的时间间隔。
本发明的优点在于：提出了一种基于坐标系转换的自动建图算法，实现了对激光反射板坐标的自动测量。另外，针对传统的反光板匹配算法计算量大的问题，提出了一种基于航位推算的快速匹配方法，实现了对反光板的快速匹配。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的一种基于航位推算的激光导引AGV自动建图和路径匹配方法的工作流程图。
附图2示出了根据本发明实施方式的AGV在初始位置时检测到周围反光板时的示意图。
附图3示出了根据本发明实施方式的AGV在k到k+1时刻运动关系示意图。
附图4示出了根据本发明实施方式的AGV在检测到新的反光板时的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提出了一种基于坐标系转换的自动建图算法，实现了反光板坐标的自动测量。另外，针对传统的反光板匹配算法计算量大的问题，提出了一种基于航位推算的反光板快速匹配方法，实现了反光板的快速准确匹配。下面将结合具体附图对本发明方法作进一步的说明。
如图1所示，为根据本发明实施方式的一种基于航位推算的激光导引AGV自动建图和路径匹配方法的工作流程图。所述工作流程包括：S1、建立AGV工作区域的世界坐标系以及AGV的车体坐标系；S2、通过激光雷达采集附近激光反射物在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息；S3、根据AGV位姿推测模型预测下一时刻的AGV位姿，进而获得下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息；S4、分别将所述第一距离信息和所述第二距离信息以及所述第一角度信息和所述第二角度信息进行对比，根据对比结果完成AGV的自动建图和路径匹配。
下面将结合一种本发明方法的优选实施方案对本发明进行详细说明：
如图2所示，为根据本发明实施方式的AGV在初始位置时检测到周围反光板时的示意图。在AGV的工作场地中布置有成非对称分布的多个激光反光板L1、L2、L3，在AGV车体中心P点放置有激光雷达传感器。定义所述的世界坐标系为XOY，与车体固连的坐标系为车体坐标系x’py’。反光板Li在世界坐标系下的坐标为(Xi,Yi)，在车体坐标系下的坐标为(xi,yi)。
如图3所示，为根据本发明实施方式的AGV在k到k+1时刻运动关系示意图。对AGV车体建立位姿推算模型，设k时刻小车的位姿为X(k)，
设AGV左右轮的轴距为B，在运动至k+1时刻的过程中，设时间间隔为Δt，左右轮速度控制值分别为Vl(k)、Vr(k)，角度变化量为Δψ(k)，则根据运动关系可得小车在k+1时刻的位姿为：
再建立反光板的角度及距离随小车位姿的变化关系，如图2所示，对于激光雷达监测到的第i块反光板Li,获得其在世界坐标系下的坐标为(Xi,Yi)，由几何关系可得在k+1时刻该反光板到P点的理论预测距离及理论预测角度应为
其中，Zi(k+1)为激光反射板的空间特征，Li(k+1)为理论预测距离，αi(k+1)为理论预测角度。
下面开始自动建图，，假设初始位置时小车位于P点如图2所示，首先手动输入此时P点在世界坐标系下的坐标(Xp(k)，Yp(k))与初始的航向角ψ(k)，此时P点的初始位姿
在初始位置接收由激光雷达的返回的激光反射板数据，如图2所示，可得到各反光板的距离信息|PLi||以及角度信息αi，其中，i＝1,2,3。如下式所示，进一步计算可求得各反光板在车体坐标系下的坐标(xi,yi)(i＝1，2，3)；其中，
然后将各反光板在车体坐标系下的坐标转化为世界坐标系下的坐标，过程如下：
由方程组(4)和(5)可以得到各反光板在世界坐标系下的坐标(Xi,Yi)，其中，i＝1,2,3。按激光雷达的扫描顺序，可选的，以所述AGV的行进方向将该组激光反射板的位置坐标数据存入反光板地图列表，同时将扫描得到的各反光板原始距离和角度信息存储在反光板实际信息列表中。
接下来，准备移动AGV到下一个位置，过程如下：首先根据公式(2)的递推关系预测下一时刻的AGV的位姿，并计算下一时刻位姿下反光板地图列表中各反光板距离和角度的理论值，然后将其写入反光板期望信息列表，计算完成后移动AGV。
接下来，到达新位置后，将当前时刻激光雷达检测到的各个激光反射物的距离信息及角度信息与所述激光反射物期望信息列表中各元素进行比较；若对应的距离信息及角度信息的差值均小于设定阈值，则认为是同一激光反射物；待所有激光反射物匹配成功后，将当前各激光反射物的实际距离信息及角度信息更新至激光反射物实际信息列表；从而完成AGV在新位置的定位。
如图4所示，为根据本发明实施方式的AGV在检测到新的反光板时的示意图。所述到达新位置后，(此处在到达新位置后，假设新位置检测到新的反光板，首先应按上一段的方法完成旧反光板的匹配从而实现定位，剩余的没匹配成功的反光板认为是新的激光反射物)若对应的距离信息或对应的角度信息的两个差值中，至少有一个所述差值大于等于所述设定阈值，则认为发现新的激光反射物；待所有激光反射物匹配成功后，将所述新的激光反射物在世界坐标系下的位置坐标更新入所述激光反射物地图列表；其中，将新反光板L4的车体坐标系坐标转换为世界坐标系坐标，如下式所示：
其中，x4和y4为在车体坐标系下激光反射板L4的位置坐标，X4和Y4为在世界坐标系下激光反射板L4的位置坐标，Xp(k)和Yp(k)K时刻AGV的位置坐标。
接下来，给小车规划合理的行驶路径，在AGV的行进过程中重复上述准备移动AGV到下一个位置过程到检测到新的反光板过程，直到所有反光板的世界坐标系下的坐标均存入反光板地图列表，从而完成自动键图和路径匹配过程。
与现有技术相对比，本发明提供的基于反光板的激光导引AGV自动建图方法可以实现对环境反光板坐标的自动建图，减少了手工测量带来的反光板坐标不准确而导致的AGV定位误差。另外，本发明提供的基于距离递推关系的反光板匹配方法较传统的遍历匹配算法及计算量大大降低，提高了定位效率，保证了系统的实时性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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。
Claims (3)
1.一种基于航位推算的激光导引AGV自动建图和路径匹配方法，其特征在于，包括：
建立AGV工作区域的世界坐标系以及AGV的车体坐标系；
通过激光雷达采集附近激光反射物在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息；
根据AGV位姿推测模型预测下一时刻的AGV位姿，进而获得下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息；其中，所述根据AGV位姿推测模型预测下一时刻的AGV位姿，进而获得下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息，包括：
构建世界坐标系下所述反射物的距离信息和角度信息随车体位姿的变换关系；
获得当前时刻所述AGV在世界坐标系下的坐标和车体航向角；
根据所述下一时刻的AGV位姿、所述变换关系以及所述当前时刻AGV在世界坐标系下的坐标和车体航向角，获得所述第二距离信息和所述第二角度信息；
所述位姿推测模型包括：
其中，所述W(k+1)为AGV在K+1时刻的位姿，所述Xp(k)和Yp(k)分别为AGV在初始位置的x坐标和y坐标；所述ψ(k)为AGV初始角度，所述Δx(k)、Δy(k)、Δψ(k)分别为x坐标变化量、y坐标变化量以及角度变化量，Vl(k)、Vr(k)分别为AGV左右轮控制量，Δt为时刻k到时刻k+1的时间间隔，B为AGV左右轮的轴距；
AVG移动到下一位置，通过激光雷达采集该时刻激光反射物在所述车体坐标系下的第三距离信息和第三角度信息；
分别将所述第三距离信息和所述第二距离信息以及所述第三角度信息和所述第二角度信息进行对比，根据对比结果完成AGV的自动建图和路径匹配；
其中，所述分别将所述第三距离信息和所述第二距离信息以及所述第三角度信息和所述第二角度信息进行对比，根据对比结果完成AGV的自动建图，包括：
将所述第三距离信息和所述第二距离信息以及所述第三角度信息和所述第二角度信息进行对比；
若对应的距离信息或对应的角度信息的两个差值中，至少有一个所述差值大于等于预先设定阈值，则认为发现新的激光反射物；
待所有激光反射物匹配成功后，将所述新的激光反射物在世界坐标系下的位置坐标更新入激光反射物地图列表；
在AGV的行进过程中重复上述过程，从而完成AGV的自动建图；
其中，所述分别将所述第三距离信息和所述第二距离信息以及所述第三角度信息和所述第二角度信息进行对比，根据对比结果完成AGV的路径匹配，包括：
将所述第三距离信息和所述第二距离信息以及所述第三角度信息和所述第二角度信息进行对比；
若对应的距离信息及角度信息的差值均小于设定阈值，则认为是同一激光反射物；
待所有激光反射物匹配成功后，将当前各激光反射物的实际距离信息及角度信息更新至激光反射物实际信息列表；
在AGV的行进过程中重复上述过程，从而完成AGV的路径匹配；其中，在所述分别将所述第三距离信息和所述第二距离信息以及所述第三角度信息和所述第二角度信息进行对比前，还包括：
建立所述世界坐标系与所述车体坐标系之间的变换关系；
根据所述变换关系将所述第一距离信息以及第一角度信息变换到所述世界坐标系下；其中，
所述第一距离信息经过所述变换关系的变换后，获得对应激光反射物在世界坐标系下的位置坐标；
其中，在所述分别将所述第三距离信息和所述第二距离信息以及所述第三角度信息和所述第二角度信息进行对比前，还包括：
将获得的在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息按扫描顺序存入激光反射物实际信息列表中；
将获得的所述激光反射物在世界坐标系下的位置坐标按扫描顺序存入激光反射物地图列表；
将通过所述AGV位姿推测模型获得的下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息存入激光反射物的期望信息列表；
其中，所述激光反射物包括：激光反射板或激光反射柱。
2.根据权利要求1所述的激光导引AGV自动建图和路径匹配方法，其特征在于，在通过激光雷达采集附近激光反射物在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息前，还包括：
在AGV场地中布置多个非对称激光反射物，用于辅助AGV定位从而规划AGV的行驶路径；其中，
所述激光反射物包括：激光反射板或激光反射柱。
3.根据权利要求1所述的激光导引AGV自动建图和路径匹配方法，其特征在于，
所述通过激光雷达采集附近激光反射物在所述车体坐标系下的第一距离信息和第一角度信息均为所述车体坐标系下的坐标；
所述根据AGV位姿推测模型预测下一时刻的AGV位姿，进而获得下一时刻激光反射物的第二距离信息和第二角度信息均为所述世界坐标系下的坐标。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210604 |