CN110837257B - 一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统 - Google Patents

Abstract

一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统，属于导航定位技术领域，包括iGPS空间定位子系统、AGV视觉识别子系统、AGV信息感知处理器、AGV运动控制子系统；所述iGPS空间定位子系统，用于获取加工工位处的空间坐标；所述AGV视觉识别子系统，用于获取加工工位以外的AGV路径导引和AGV姿态；所述AGV信息感知处理器，根据所述加工工位处的空间坐标，和，厂房内外的AGV路径导引和AGV姿态，向所述AGV运动控制系统输出控制指令；所述AGV运动控制系统，根据所述AGV信息感知处理器输出的控制指令，控制AGV运动。本发明保证了AGV在大空间范围内连续转运能力，也保证了AGV的高精度装配能力。

Description

一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统

技术领域

本发明涉及一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统及方法，属于导航定位技术领域。

背景技术

现有的AGV(全方位智能移动平台)生产厂家采用的导航方式包括：激光导航、磁导航、惯性导航等。磁导航主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无干扰，制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大。

惯性导航，在AGV上安装陀螺仪，在行驶区域的地面安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号及计算机地面定位块信号的采集来确定自身的位置和方向，从而实现导航。该导航方式通常用于组合应用，适用领域较广，但是导引的精度与可靠性与陀螺仪的制造精度及使用寿命密切相关。

激光导航AGV定位较灵活，地面无需其它辅助定位设施；行驶路径可灵活多变，能够适合多种现场环境，它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导航方式，缺点是需要沿途布置反光板，且定位精度较低，一般不高于±10mm，主要应用于大范围内的连续转运场景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统及方法，采用特定的路径规划和运动控制模型和算法，既可以保证AGV在大空间范围内的连续转运，同时通过在工位处的iGPS系统实现AGV高精度空间定位，定位精度优于±0.5mm，以实现AGV在工位处高精度物料或产品的上下线功能。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统，包括iGPS空间定位子系统、AGV视觉识别子系统、AGV信息感知处理器、AGV运动控制子系统；

所述iGPS空间定位子系统，用于获取加工工位处的空间坐标；

所述AGV视觉识别子系统，用于获取加工工位以外的AGV路径导引和AGV姿态；

所述AGV信息感知处理器，根据所述加工工位处的空间坐标、厂房内外的AGV路径导引和AGV姿态，向所述AGV运动控制系统输出控制指令；

所述AGV运动控制系统，根据所述AGV信息感知处理器输出的控制指令，控制AGV运动。

优选的，所述AGV采用基于麦克纳姆轮运动。

优选的，所述AGV能够采用直行、横行、斜行、旋转中的任意一种或两种组合方式运动。

优选的，所述AGV上设有多个iGPS接收器，用于计算AGV的位置和姿态。

优选的，所述iGPS空间定位子系统布设在加工工位处；AGV上设有iGPS接收器。

优选的，所述AGV路径导引包括二维码码带和二维矩阵码。

一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航方法，包括如下步骤：

1)在AGV上平台安装三个iGPS接收器，分别为第一接收器、第一接收器、第一接收器；在加工工位布设iGPS系统；在AGV上安装视觉导航传感器；

2)在加工工位以外布设AGV路径导引；

3)AGV信息感知处理器接收AGV视觉识别子系统发送的位置与姿态信息，然后计算下一时刻的偏航角度和旋转角度，然后发送给AGV运动控制子系统，AGV运动控制子系统控制AGV实现路径纠偏运行，直到AGV运行至加工工位；

4)AGV信息感知处理器根据三个iGPS接收器的位置信息，计算AGV的坐标和姿态，然后根据目标位置计算AGV的偏航角度和角速度，最后将AGV的偏航角度和角速度发送给AGV运动控制子系统，AGV运动控制子系统控制AGV到达目标位置。

优选的，所述AGV路径导引包括二维码码带和二维矩阵码；其中二维矩阵码布设在加工工位处，二维码码带布设在加工工位以外。

优选的，所述AGV能够采用直行、横行、斜行、旋转中的任意一种或两种组合方式运动。

优选的，所述AGV采用基于麦克纳姆轮运动。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明采用了基于iGPS与基于图像处理的双重导引方式，通过铺设导引线及图像处理实现AGV在大尺度方位的连续导航运行，导引路径更改灵活，部署成本低。通过在加工工位部署iGPS测量场实现AGV的高精度定位，测量场可获取AGV空间位置及姿态信息，测量精度高，以实现AGV的辅助装配。两种方式的结合既保证了AGV在大空间范围内连续转运能力，又保证了AGV的高精度装配能力；

(2)本发明将麦克纳姆轮AGV的全向运动以及高精度运动特性与iGPS导航以及图像导引相结合，采用特定的路径规划和运动控制模型和算法，使AGV的在加工定位精度优于±0.5mm，转运路径的定位精度优于±2mm,为AGV的无人自主转运及辅助装配创造了条件，增加了产品的附加价值；

(3)本发明采用了基于图像导引获取AGV的位置姿态信息，通过特定算法，依据AGV与目标路径的差值，自动合理计算系统运行参数，实现AGV的实时纠偏，系统鲁棒性好。

附图说明

图1为本发明所述的控制系统框图；

图2为本发明所述的基于iGPS及视觉识别的AGV工作流程图；

图3为本发明所述的iGPS接收器位置安装示意图；

图4为本发明所述的AGV视觉识别传感器安装位置示意图；

图5为本发明所述的AGV视觉识别的四种位姿示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统，包括iGPS空间定位子系统、AGV视觉识别子系统、AGV信息感知处理器、AGV运动控制子系统；

所述iGPS空间定位子系统，用于获取加工工位处的空间坐标；

所述AGV视觉识别子系统，用于获取加工工位以外的AGV路径导引和AGV姿态；

所述AGV信息感知处理器，根据所述加工工位处的空间坐标、厂房内外的AGV路径导引和AGV姿态，向所述AGV运动控制系统输出控制指令；

所述AGV运动控制系统，根据所述AGV信息感知处理器输出的控制指令，控制AGV运动。

所述AGV采用基于麦克纳姆轮运动。所述AGV能够采用直行、横行、斜行、旋转中的任意一种或两种组合方式运动。

所述AGV上设有多个iGPS接收器，用于计算AGV的位置和姿态。

所述iGPS空间定位子系统布设在加工工位处；AGV上设有iGPS接收器。

所述AGV路径导引包括二维码码带和二维矩阵码。

实施例2：

一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航方法，采用实施例1所述的定位导航系统，包括如下步骤：

1)在AGV上平台安装三个iGPS接收器，分别为第一接收器、第一接收器、第一接收器；在加工工位布设iGPS系统；在AGV上安装视觉导航传感器；

2)在加工工位以外布设AGV路径导引；

3)AGV信息感知处理器接收AGV视觉识别子系统发送的位置与姿态信息，然后计算下一时刻的偏航角度和旋转角度，然后发送给AGV运动控制子系统，AGV运动控制子系统控制AGV实现路径纠偏运行，直到AGV运行至加工工位；

4)AGV信息感知处理器根据三个iGPS接收器的位置信息，计算AGV的坐标和姿态，然后根据目标位置计算AGV的偏航角度和角速度，最后将AGV的偏航角度和角速度发送给AGV运动控制子系统，AGV运动控制子系统控制AGV到达目标位置。

所述AGV路径导引包括二维码码带和二维矩阵码；其中二维矩阵码布设在加工工位处，二维码码带布设在加工工位以外。

所述AGV能够采用直行、横行、斜行、旋转中的任意一种或两种组合方式运动。所述AGV采用基于麦克纳姆轮运动。

实施例3：

一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统，如图1所示，包括iGPS空间定位子系统、AGV视觉识别子系统、AGV信息感知处理器、AGV运动控制子系统；

iGPS空间定位子系统：用于加工工位处的AGV物料及产品的空间坐标的测量。

AGV视觉识别子系统：用于厂房范围内的AGV的路径导引与姿态测量。

AGV信息感知处理器：接收加工工位处iGPS空间定位子系统的3个接收器的位置信息，并解算在的AGV坐标信息及姿态信息；用于接收视觉导航控制器反馈的AGV相对于导引路径的位置及姿态信息；建立空间模型；输出AGV导航控制指令；

AGV运动控制子系统实现AGV运动控制。

实施例4：

基于实施例1或3的一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统，给出了一种基于iGPS与视觉识别的AGV定位导航方法，如图2所示，步骤如下：

1)在AGV上平台安装三个iGPS接收器，分别为第一接收器、第二接收器、第三接收器，具体安装示意图如图3所示。

2)在加工工位部署iGPS系统。

3)在xoy平面直角坐标系内建立iGPS测量场。

4)在AGV的车体正中心安装视觉导航传感器，完成AGV视觉传感器与车体中心装配误差的标定及补偿，并在传感器中进行配置保存，具体安装示意图如图4所示。

5)在厂房范围内AGV运行路径部署用于导引的二维码码带，加工工位部署二维矩阵码。

6)AGV信息感知处理器接收视觉传感器发送的位置与姿态信息，其中位置信息(x_v,y_v),姿态信息为Φ_v。

7)根据(x_v,y_v)、Φ_v，计算AGV下一时刻的调整偏航角度γ_v及AGV旋转角度ω_v，并发送给AGV运行控制系统，控制AGV实现路径纠偏运行。具示意图如图5所示

具体内容如下：

定义AGV偏航方向调整参数disratio，定义AGV旋转方向调整参数aglratio。disratio及aglratio在AGV出厂时进行设定，当AGV距离与规划路径偏差为disratio时，则AGV前进方向速度与调整偏差速度相同。Aglratio表示控制AGV角度偏差调整时候的比例参数。

当AGV位于导引路径的右侧，前进方向为y轴正方向时，偏航角γ_v为

γ_v＝arctan(|x_v|/disratio)

当AGV位于导引路径的左侧，前进方向为y轴正方向时，偏航角γ_v为

γ_v＝360-arctan(|x_v|/disratio)

当AGV位于导引路径的右侧，前进方向为x轴正方向时，偏航角γ_v为

γ_v＝arctan(|y_v|/disratio)

当AGV位于导引路径的左侧，前进方向为x轴正方向时，偏航角γ_v为

γ_v＝360-arctan(|y_v|/disratio)

前进方向为y轴正方向时，当Φ_v大于0时,则AGV旋转角度ω_v为

ω_v＝Φ_v*aglratio

前进方向为y轴正方向时，当Φ_v小于0时,则AGV旋转角度ω为

ω_v＝-Φ_v*aglratio

前进方向为x轴正方向时，当Φ_v大于90时,则AGV旋转角度ω为

ω_v＝Φv*aglratio

前进方向为x轴正方向时，当Φv小于90时,则AGV旋转角度ω为

ω_v＝-Φv*aglratio

8)通过视觉导引和纠偏算法控制AGV运行至部署iGPS测量场的加工工位。

9)到达加工工位后AGV会获取控制器接收3个iGPS接收器的位置信息：其中第一接收器的位置坐标为(x₁，y₁)，第二接收器的位置坐标为(x₂，y₂)，第三接收器的位置坐标为(x₃，y₃)。

10)计算AGV的中心点O(x_o，y_o)坐标及姿态信息。

11)计算AGV在iGPS场下的姿态角。

设定平台位姿角为Φ_i，即与Y轴正方向逆时针夹角Φ_i。设则AGV四种不同的位姿时姿态角Φ_i的计算方法如图5所示，具体内容如下，当x₁-x₃≥0，y₁-y₃≤0时，Φ_i＝180-α；

当x₁-x₃≥0，y₁-y₃>0时，Φi＝α；

当x₁-x₃<0，y₁-y₃≥0时，Φ_i＝360-α；

当x₁-x₃<0，y₁-y₃<0时，Φ_i＝180+α；

12)根据AGV中心坐标、姿态角以及目标位置计算AGV偏航角度及角速度。设定最终定位目标点坐标是B_aim(x_aim,y_aim)，目标角度是ε，设定角γ为目标位置B_aim与Y轴正方向逆时针夹角。

当x₀-x_aim≥0，y₀-y_aim≤0时，γ＝θ；

当x₀-x_aim≥0，y₀-y_aim>0时，γ＝180°-θ；

当x₀-x_aim<0，y₀-y_aim≥0时，γ＝180°+θ；

当x₀-x_aim<0，y₀-y_aim<0时，γ＝360°-θ；

计算得出AGV由点A运行至点B_aim的偏航角度γ_i应为

γ_i＝360-γ

旋转角度ω_i为

ω_i＝ε-Φ_i

13)将偏航角度和旋转角度发送给AGV运行控制系统，实现AGV的运行及高精度定位。

本文采用基于麦克纳姆轮为全方位移动平台作为执行装备，采用直行、横行、斜行、旋转以及两种运动的复合运动，从而实现平台的流畅、精确的导航控制。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统，其特征在于，包括iGPS空间定位子系统、AGV视觉识别子系统、AGV信息感知处理器、AGV运动控制子系统；

所述iGPS空间定位子系统，用于获取加工工位处的空间坐标；

所述AGV视觉识别子系统，用于获取加工工位以外的AGV路径导引和AGV姿态；

所述AGV信息感知处理器，根据所述加工工位处的空间坐标、厂房内外的AGV路径导引和AGV姿态，向所述AGV运动控制系统输出控制指令；

所述AGV运动控制系统，根据所述AGV信息感知处理器输出的控制指令，控制AGV运动；

该AGV复合定位导航系统采用如下定位导航方式：

1)在AGV上平台安装三个iGPS接收器，分别为第一接收器、第二接收器、第三接收器；

2)在加工工位部署iGPS空间定位子系统；

3)在xoy平面直角坐标系内建立iGPS测量场；

4)在AGV的车体正中心安装视觉导航传感器，完成AGV视觉传感器与车体中心装配误差的标定及补偿，并在传感器中进行配置保存；

5)在厂房范围内AGV运行路径部署用于导引的二维码码带，加工工位部署二维矩阵码；

6)AGV信息感知处理器接收视觉传感器发送的位置与姿态信息，其中位置信息(x_v,y_v),姿态信息为Φ_v；

7)根据(x_v,y_v)、Φ_v，计算AGV下一时刻的调整偏航角度γ_v及AGV旋转角度ω_v，并发送给AGV运行控制系统，控制AGV实现路径纠偏运行；

定义AGV偏航方向调整参数disratio，定义AGV旋转方向调整参数aglratio；当AGV距离与规划路径偏差为disratio时，则AGV前进方向速度与调整偏差速度相同；Aglratio表示控制AGV角度偏差调整时候的比例参数；

当AGV位于导引路径的右侧，前进方向为y轴正方向时，偏航角γ_v为

γ_v＝arctan(|x_v|/disratio)

当AGV位于导引路径的左侧，前进方向为y轴正方向时，偏航角γ_v为

γ_v＝360-arctan(|x_v|/disratio)

当AGV位于导引路径的右侧，前进方向为x轴正方向时，偏航角γ_v为

γ_v＝arctan(|y_v|/disratio)

当AGV位于导引路径的左侧，前进方向为x轴正方向时，偏航角γ_v为

γ_v＝360-arctan(|y_v|/disratio)

前进方向为y轴正方向时，当Φ_v大于0时,则AGV旋转角度ω_v为

ω_v＝Φ_v*aglratio

前进方向为y轴正方向时，当Φ_v小于0时,则AGV旋转角度ω_v为

ω_v＝-Φ_v*aglratio

前进方向为x轴正方向时，当Φ_v大于90时,则AGV旋转角度ω_v为

ω_v＝Φv*aglratio

前进方向为x轴正方向时，当Φv小于90时,则AGV旋转角度ω_v为

ω_v＝-Φv*aglratio

根据AGV中心坐标、姿态角以及目标位置计算AGV偏航角度及旋转角度的方法为：

设定最终定位目标点坐标是B_aim(x_aim,y_aim)，目标角度是ε，设定角γ为目标位置B_aim与Y轴正方向逆时针夹角；

当x₀-x_aim≥0，y₀-y_aim≤0时，γ＝θ；

当x₀-x_aim≥0，y₀-y_aim>0时，γ＝180°-θ；

当x₀-x_aim<0，y₀-y_aim≥0时，γ＝180°+θ；

当x₀-x_aim<0，y₀-y_aim<0时，γ＝360°-θ；

计算得出AGV由点A运行至点B_aim的偏航角度γ_i应为

γ_i＝360-γ

旋转角度ω_i为

ω_i＝ε-Φ_i

Φi为平台位姿角。

2.根据权利要求1所述的一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统，其特征在于，所述AGV采用基于麦克纳姆轮运动。

3.根据权利要求2所述的一种基于iGPS与视觉的AGV复合定位导航系统，其特征在于，所述AGV能够采用直行、横行、斜行、旋转中的任意一种或两种组合方式运动。