TWI582035B - 無人搬運車及其控制方法 - Google Patents

Description

無人搬運車及其控制方法

一種無人搬運車及其控制方法，尤指一種能夠應用於三維空間導引一自動移動載具之方法與裝置。

自動移動載具(Automated Guided Vehicle，AGV)係廣泛地應用於自動化物料傳輸。常見的無軌導引式自動移動載具，其係以至少三設置位置之雷射反光標籤，或者於地底埋設磁柱，或者將二維條碼標籤貼附於地面之方式而達到定位之目的。

如上所述之雷射反光標籤、磁柱或二維條碼標籤，其係用於導引自動移動載具。該些導引方式於實際使用時，皆須預先淨空場地，如兩公尺平方以上的區域淨空或地面需做特殊處理，對於設廠之初未做預先規劃之工廠使用不易。另外，前述之導引方式係被限制於二維度，而無法應用於三維度。故現有的導引方式仍有改善的空間。

本發明之技術手段在於提供一種無人搬運車，其包含有：一車體；以及一定位辨識模組，其係設於該車體，該定位辨識模組具有：一三軸磁性感測單元；以及一邏輯運算處理單元，其係訊號連接該三軸磁性感測單元。

位於無人搬運車行走路線附近設置一磁性指標單元，該三軸磁性感測單元係感測該磁性指標單元之磁場，並產生一磁場資訊，該磁場資訊係傳送給該邏輯運算處理單元。

本發明復提供一種無人搬運車的控制方法，其包含有：一無人搬運車通過一磁性指標單元之一起始端與一結束端，一三軸磁性訊號感測單元感測該磁性指標單元之磁場，並產生一磁場資訊；一邏輯運算處理單元接收來自該三軸磁性訊號感測單元之磁場資訊，以得出該無人搬運車的移動方向之轉向偏移角度、該無人搬運車的行進方向資訊或該無人搬運車與該磁性指標單元之距離；該邏輯運算處理單元依據該無人搬運車的移動方向之轉向偏移角度、該無人搬運車的行進方向資訊或該無人搬運車與該磁性指標單元之距離，以得出一識別資料；以及該邏輯運算處理單元係將該識別資料與一資料庫之原始識別資料進行比對，以判定是否該無人搬運車偏離其行進方向，若該無人搬運車偏離其行進方向，則該邏輯運算處理單元發出一指令給該無人搬運車，以修正該無人搬運車的行進方向；若該無人搬運車未偏離其行進方向，則該邏輯運算處理單元不作動。

10‧‧‧無人搬運車

100‧‧‧車體

20‧‧‧磁性指標單元

200‧‧‧第一磁性元件

201‧‧‧第二磁性元件

30‧‧‧定位辨識模組

300‧‧‧三軸磁性訊號感測單元

301‧‧‧低通濾波器

302‧‧‧接收模組

303‧‧‧記憶體緩衝單元

304‧‧‧邏輯運算處理單元

305‧‧‧資料庫

40‧‧‧牆壁

41‧‧‧地面

L‧‧‧設定距離

A‧‧‧磁力線

B‧‧‧線1

C‧‧‧線2

D‧‧‧線3

E‧‧‧線4

第1圖為本發明之一種無人搬運車之示意圖。

第2圖為本發明之一磁性指標定位與辨識裝置之示意圖。

第3圖為本發明之一種無人搬運運車的控制方法之流程圖。

第4圖為一磁性指標單元之指向偵測方法之示意圖。

第5圖為一磁距反推距離與方向之向量示意圖。

第6圖為另一磁距反推距離與方向之向量示意圖。

第7圖為一無人搬運車通過一磁性指標單元之四種路徑之示意圖。

第8A圖為一線1之時間範圍之示意圖。

第8B圖為線1之投影平面之示意圖。

第8C圖為線1之三維空間之示意圖。

第9A圖為一線2之時間範圍之示意圖。

第9B圖為線2之投影平面之示意圖。

第9C圖為線2之三維空間之示意圖。

第10A圖為一線3之時間範圍之示意圖。

第10B圖為線3之投影平面之示意圖。

第10C圖為線3之三維空間之示意圖。

第11A圖為一線4之時間範圍之示意圖。

第11B圖為線4之投影平面之示意圖。

第11C圖為線4之三維空間之示意圖。

第12A圖為一三軸磁性訊號感測單元通過一磁性指標單元上方之量測結果示意圖。

第12B圖為另一三軸磁性訊號感測單元通過一磁性指標單元上方之量測結果示意圖。

第13A圖為一三軸磁性訊號感測單元之感測訊號與能量分布之示意圖。

第13B圖為另一三軸磁性訊號感測單元之感測訊號與能量分布之示意圖。

第14A圖為一磁力於三維空間之分布示意圖。

第14B圖為一磁力之投影平面之示意圖。

第15圖為多組之第一磁性元件與第二磁性元件之磁場強度與距離測試結果之示意圖。

第16圖為多組磁鐵數目(比值固定為2比1)之磁場強度之比值關係之示意圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容，輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

請配合參考第1圖與第2圖所示，本發明係一無人搬運車10，其具有一車體100與一定位辨識模組30。

無人搬運車10為一自動移動載具。

位於無人搬運車10行走路線附近設置一磁性指標單元20，其具有一第一磁性元件200與一第二磁性元件201，第一磁性元件 200具有至少一磁性件，第二磁性元件201具有至少一磁性件，第一磁性元件200的磁性係異於第二磁性元件201。第一磁性元件200與第二磁性元件201之間具有一設定距離L，該設定距離L之長短係能夠決定磁性指標單元20之磁場強度，若該設定距離L越長時，則磁性指標單元20之磁場越弱。假若該設定距離L越短時，則磁性指標單元20之磁場越強。如第1圖所示，磁性指標單元20係設於一牆壁40或一地面41。磁性件能夠為一磁鐵或一電磁鐵。第一磁性元件200之磁性件的數量係倍數於第二磁性元件201之磁性件的數量。

定位辨識模組30係裝設於無人搬運車10之車體100，定位辨識模組30具有一三軸磁性訊號感測單元300、一低通濾波器301、一接收模組302、一記憶體緩衝單元303、一邏輯運算處理單元304與一資料庫305。

三軸磁性訊號感測單元300係訊號連接低通濾波器301，三軸磁性訊號感測單元300係偵測磁性指標單元20之磁場，並將一磁場資訊傳送給低通濾波器301，低通濾波器301係能夠降低該磁場資訊之雜訊，並提高該磁場訊號之雜訊比。

接收模組302係訊號連接低通濾波器301，並接收來自低通濾波器301之磁場資訊。接收模組302能夠為一類比數位轉換器(A/D converter)或一序列周邊介面(Serial Peripheral Interface Bus，SPI)，接收模組302係將該磁場資訊轉變為一數位化磁場資訊。

記憶緩衝單元303係訊號連接收模組302，並接收來自接收模組302之數位化磁場資訊，並將該數位化磁場資訊暫時儲存。

邏輯運算處理單元304係訊號連接接收模組302與記憶緩衝單元303，邏輯運算處理單元304係接收來自接收模組302之數位化磁場資訊，或者邏輯運算處理單元304係接收來自記憶緩衝單元303之數位化磁場資訊，並依據該數位化磁場資訊，邏輯運算處理單元304得出一識別資料，識別資料係以一比例方式表示。

資料庫305係訊號連接邏輯運算處理單元304，資料庫305具有多個原始識別資料，邏輯運算處理單元304係比對識別資料 與原始識別資料，以決定無人搬運車10之行進方向。

請配合參考第3圖與第1圖所示，本發明係一種無人搬運車10的控制方法，其步驟包含有：

S1，請配合參考第1圖與第2圖所示，一無人搬運車10係通過一磁性指標單元20，第二磁性元件201之位置係能夠被視為一起始端，第一磁性元件200之位置係能夠被視為一結束端，三軸磁性訊號感測單元300由起始端至結束端感測磁性指標單元20之磁場，並產生一磁場資訊。三軸磁性訊號感測單元300係將磁場資訊傳送給低通濾波器301，低通濾波器301係能夠降低該磁場資訊之雜訊，並提高該磁場訊號之雜訊比。接收模組302係接收來自低通濾波器301之磁場資訊，並將該磁場資訊轉變為一數位化磁場資訊。

S2，邏輯運算處理單元304係接收來自接收模組302之數位化磁場資訊，若邏輯運算處理單元304處於一忙碌狀態，則接收模組302之數位化磁場資訊係由記憶緩衝單元303暫存，以等待邏輯運算處理單元304處理。邏輯運算處理單元304經過運算，以得出無人搬運車10的移動方向之轉向偏移角度、無人搬運車10的行進方向資訊或無人搬運車10與磁性指標單元20之距離。

邏輯運算處理單元304之處理方式能夠為一利用能量強度與距離平方成反比、利用編碼器所提供資訊或利用磁性元件連線的磁距反推距離與方向之方式。

請配合參考第4圖所示，該利用能量強度與距離平方成反比之方式：

依據三角函數可知d3=d1*sin(θ)。d1為路徑1(Path1)之移動距離，即無人搬運車10應由第二磁性元件201至第一磁性元件200之路徑所移動距離。d3為無人搬運車10與第一磁性元件200的垂直距離，即上述之無人搬運車10與磁性指標單元20之距離。θ為d1與d2所形成之夾角，即上述之車無人搬運車10的移動方向之轉向偏移角度。d2為路徑2(Path2)之實際移動距離，即無人搬運車10由第二磁性元件201至第一磁性元件200之路徑所移 動實際距離，其係為上述之無人搬運車10的行進方向資訊。

h2與h3為一能量峰值，h2為三軸磁性訊號感測單元300於路徑1所感測之第一磁性元件200之磁場強度。h3為三軸磁性訊號感測單元300於路徑2所感測之第一磁性元件200之磁場強度。h1為三軸磁性訊號感測單元300於路徑1或路徑2所感測之第二磁性元件201之磁場強度。h2除以h3係與d3的平方成反比。即h2/h3=1/(d3)²。h1、h2與h3亦可被視為上述之數位化磁場資訊。

由h2/h3=1/(d3)²與d3=d1*sin(θ)，而可得知θ值。即無人搬運車10相較於路徑1所偏斜的角度，該θ值係為上述之辨識資料。

請再配合參考第4圖所示，若為該利用無人搬運車之編碼器所提供資訊之方式：

若無人搬運車10能夠提供一距離資料，即無人搬運車10裝設有一輪軸編碼器，輪軸編碼器能夠偵測無人搬運車10所移動之距離。依據三角函數可知d2=d1*cos(θ)，而可得知θ值。

請配合參考第5圖所示，若利用磁性元件連線的磁距反推距離與方向之方式：

請配合參考第5圖所示，原點O係能夠視為磁性指標單元20之位置。r為無人搬運車10與磁性指標單元20之間的距離。B為三軸磁性訊號感測單元300於r所偵測之磁通量。B’為無人搬運車10與磁性指標單元20之間的另一距離r+ndr所偵測之磁通量。n為單位指向向量，dr為無窮小向量(請見微積分)或一編碼器資訊。故可得以下公式：

上述之公式係能夠簡化如下：

上述之公式係為一磁通量差值，該磁通量差值係能夠以一梯度向量表示如下：

並且依據上述之公式，而可得下述之公式：

故由上述之公式得知，若得知空間中之磁通量與其梯度向量矩陣，即可反推其座標，即無人搬運車10之實際所在位置。上述之公式係可進一步使用卡爾曼濾波(Kalman Filter)得出下列公式： x=[p ^T r] ^T x(k+1)=Φx(k)+w(k) y(k)=h(x(k))+v(k)

量測更新： S(k)=H(k)P ^-(k)^-1 H(k) ^T +R K(k)=P ^-(k)H(k) ^T S(k)^-1 P ⁺(k)=(I-K(k)H(k))P ^-(k)

時間更新： P ^-(k)=ΦP ⁺(k)Φ ^T +Q

其中，x、y為狀態與量測向量；k是時間參數；Φ為線性系統矩陣；p為磁矩；r為到原點之距離；P-、P+為狀態誤差共變異 數矩陣(error covariance matrix)；h為量測方程式，H為h之雅可比矩陣(Jacobian matrix)；Q與R為雜訊共變異數矩陣(noise covariance matrix)；w與v為零均值高斯白雜訊(zero mean white Gaussian noise)。

如上所述，請再配合參考第4圖所示，當無人搬運車10通過第二磁性元件201時會感測一第一峰值，即上述之h1，依據幾何關係可得知此時無人搬運車10與第二磁性元件201的距離最短。

如第1圖所示，若將磁性指標單元20設於一地面41，因地面41為一X軸向與一Y軸向，地面41的上方為一Z軸向，並且無人搬運車10通過磁性指標單元20時，請配合參考第6圖所示，無人搬運車10之行進方向f與座標g的方向垂直，故可得向量n，而由三軸磁性訊號感測單元300可得出磁通量B，由卡爾曼濾波器可得Z軸向的磁距p。將前述之B、n與p應用於上述之公式，即可得出位置向量r。

請參閱第7圖所示，若更進一步說明，當一無人搬運車10通過磁性指標單元20之第二磁性元件201與第一磁性元件200時，其係有可能為線1B、線2C、線3D與線4E之四種路徑，第二磁性元件201與第一磁性元件200之間具有磁力線A。

請配合參考第8A圖、第9A圖、第10A圖與第11A圖，當無人搬運車10之路徑為線1B線2C、線3D或線4E時，並且第二磁性元件201的磁極為N極，第一磁性元件200為S極。

於Z軸向，並且無人搬運車10之路徑為線1B線2C、線3D或線4E時，Z軸向的磁距值為先正後負，其係因Z軸向與磁性指標單元20之磁性有關。

於Y軸向，若無人搬運車10通過第二磁性元件201與第一磁性元件200之中心連線，則Y軸向的磁距值為恆正或恆負。假若無人搬運車10未通過該中心連線，則Y軸向的磁距值為一正一負。假若無人搬運車10的行徑路線落在該中心連線，則Y軸向的磁距值為零。故Y軸向的磁距值之大小與無人搬運車10的行進之偏移量係呈一正比關係。

請配合參考第8B、8C圖、第9B、9C圖、第10B、10C圖與第11B、11C圖，而由前述之圖式中之圖形能夠知悉磁性指標單元20係為哪一軸向。並由圖形與偏移量為一正比關係，而從圖形的外積(Cross Product)得知為順時鐘或逆時鐘構圖，以決定無人搬運車10由哪一個方向通過磁性指標單元20。

S3，邏輯運算處理單元304依據無人搬運車10的移動方向之轉向偏移角度、無人搬運車10的行進方向資訊或無人搬運車10與磁性指標單元20之距離，以得出一識別資料，識別資料係以一比例方式表示。

S4，邏輯運算處理單元304係將識別資料與資料庫305之原始識別資料進行比對，以判定是否無人搬運車10偏離其行進方向，若無人搬運車10偏離其行進方向，則邏輯運算處理單元304發出一指令給無人搬運車10，以修正無人搬運車10的行進方向；若無人搬運車10未偏離其行進方向，則邏輯運算處理單元304不作動。

請配合參考第12A圖與第12B圖所示，當一磁性指標單元20設置於一地面，並且起始端具有一單位之N極磁力源，結束端具有2單位之S極磁力源。舉例而言，起始端為第二磁性元件201所處之位置，第二磁性元件201具有一個磁鐵、二個磁鐵、三個磁鐵或N個磁鐵，N為一常數，並且大於等於一。結束端為第一磁性元件200所處之位置，第一磁性元件200具有二個磁鐵、四個磁鐵、六個磁鐵或2N個磁鐵。

如第12A圖所示，於Z軸向具有最大的磁力峰值，其一磁力峰值為60mG(毫高斯)，另一磁力峰值為110mG，故由圖式中可知悉，磁性指標單元20設置於地面，並且第一磁性元件200具有2N個磁鐵，第二磁性元件201具有N個磁鐵。

如第12B圖所示，於Z軸向具有最大的磁力峰值，其一磁力峰值為90mG，另一磁力峰值為-200mG，磁性指標單元20設置於地面，並且第一磁性元件200具有2N個磁鐵，第二磁性元件201具有N個磁鐵。所以由第8A圖與第8B圖可驗證磁極與磁性強度 之排列組合，以表示磁性指標單元20之編號、方向或位置。

請配合參考第13A圖、第13B圖與第1圖所示，其包含有三軸磁性訊號感測單元300與磁性指標單元20。磁性指標單元20可設於一牆壁40。如第13A圖所示之最高的波峰，三軸磁性訊號感測單元300係能夠感測出磁性指標單元20於Z軸向具有最強的磁場。

請配合參考第14A圖與第14B圖所示，投影平面的圓之面積大小係能夠決定磁力源(磁性指標單元20)與磁力計(三軸磁性訊號感測單元300)的相對關係，其係能夠知悉磁性指標單元20位於一牆壁40或一地面41，如第1圖所示。

請配合參考第15圖所示，若三軸磁性訊號感測單元300與至少一磁鐵之間具有一設定距離。如第15圖所示，三條曲線由上至下排列，其係為四個磁鐵、二個磁鐵與一個磁鐵相對於三軸磁性訊號感測單元300之磁場強度與距離測試結果，由圖式可知悉，當磁鐵之數量越多時，其相對於三軸磁性訊號感測單元300之磁場越強，且能量隨著相對距離做指數遞減。

請配合參考第16圖所示，位於上方的曲線係表示第一磁性元件200具有二個磁鐵，第二磁性元件201具有一個磁鐵。位於下方的曲線係表示第一磁性元件200具有四個磁鐵，第二磁性元件201具有二個磁鐵。

若以比值容忍度於0.2的範圍觀之，則上述之兩個磁鐵與一個磁鐵之組合，於三軸磁性訊號感測單元300超過一預定距離後，即不能估測，舉例而言，該預定距離為35cm，但不限制。

上述之四個磁鐵與兩個磁鐵之組合，於三軸磁性訊號感測單元300超過一預定距離後，即不能估測，舉例而言，該預定距離為40cm，但不限制。如需延長使用距離需增加磁鐵強度。

綜合上述，上述之磁性指標單元20係能夠任意放置於三維空間，如牆壁或地面。故磁性指標單元20能夠克服安裝空間之問題。

另外，磁性指標單元20之設定指向之方向為三維空間，故導引或定位不受限於現有之二維平面的技術，故能夠作為任意方向之導引或定位參考。

再者，磁性指標單元20之識別編碼採用二峰值間之倍率計算，其係為上述之h1、h2或h3。故磁性指標單元20能夠避免所使用之磁性件，如磁鐵，經過一段時間使用後，因磁力衰減而造成無法判讀，其應仍維持於固定倍率。因第一磁性元件200之磁性件的數量係倍數於第二磁性元件201之磁性件的數量，其係較使用絕對磁力強度之耐雜訊能力高，所以能降低誤判。

以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧無人搬運車

100‧‧‧車體

20‧‧‧磁性指標單元

30‧‧‧定位辨識模組

40‧‧‧牆壁

41‧‧‧地面

Claims (18)

1. 一種無人搬運車，其包含有：一車體；以及一定位辨識模組，其係設於該車體，該定位辨識模組具有：一三軸磁性感測單元；一邏輯運算處理單元，其係訊號連接該三軸磁性感測單元；以及一低通濾波器，其係訊號連接該三軸磁性訊號感測單元與該邏輯運算處理單元；其中，該三軸磁性感測單元係感測一磁性指標單元之磁場，並產生一磁場資訊，該磁場資訊係為一圖形，該圖形係知悉該磁性指標單元係為哪一軸向，並由該圖形與偏移量為一正比關係，而從該圖形的外積得知為順時鐘或逆時鐘構圖，以決定該無人搬運車由哪一個方向通過該磁性指標單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無人搬運車，其中，該磁場資訊係傳送給該邏輯運算處理單元，以使該邏輯運算處理單元產生一識別資料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無人搬運車，其中該磁性指標單元具有具有一第一磁性元件與一第二磁性元件，該第一磁性元件與該第二磁性元件之間具有一設定距離。
4. 如申請專利範圍第3項所述之無人搬運車，其中該第一磁性元件具有至少一磁性件，該第二磁性元件具有至少一磁性件。
5. 如申請專利範圍第3項所述之無人搬運車，其中該第一磁性元件之磁性件的數量係倍數於該第二磁性元件之磁性件的數量。
6. 如申請專利範圍第3項所述之無人搬運車，其中該磁性件為一磁鐵或一電磁鐵。
7. 如申請專利範圍第1項所述之無人搬運車，其中該低通濾波器係接收該三軸磁性訊號感測單元之磁場訊號，並降低該磁場資訊之雜訊，以提高該磁場訊號之雜訊比。
8. 如申請專利範圍第1項所述之無人搬運車，其中該定位辨識模組更具有一接收模組，該接收模組係訊號連接該低通濾波器與該該邏輯運算處理單元。
9. 如申請專利範圍第8項所述之無人搬運車，其中該接收模組係接收該低通濾波器之磁場資訊，以將該磁場資訊轉變為一數位化磁場資訊。
10. 如申請專利範圍第8項所述之無人搬運車，其中該接收模組為一類比數位轉換器或一序列周邊介面。
11. 如申請專利範圍第8項所述之無人搬運車，其中該定位辨識模組更具有一記憶緩衝單元，該記憶緩衝單元係訊號連該接收模組與該邏輯運算處理單元。
12. 如申請專利範圍第11項所述之無人搬運車，其中該記憶緩衝單元係接收該接收模組之數位化磁場資訊，並將該數位化磁場資訊暫時儲存。
13. 如申請專利範圍第11項所述之無人搬運車，其該定位辨識模組更具有一資料庫，該資料庫係訊號連接該邏輯運算處理單元。
14. 如申請專利範圍第13項所述之無人搬運車，其中該資料庫具有多個原始識別資料，該邏輯運算處理單元係比對該識別資料與該原始識別資料，以決定該無人搬運車之行進方向。
15. 如申請專利範圍第1項所述之無人搬運車，其中該無人搬運車為一自動移動載具。
16. 一種無人搬運車的控制方法，其包含有：一無人搬運車通過一磁性指標單元之一起始端與一結束端，一三軸磁性訊號感測單元感測該磁性指標單元之磁場，並產生一磁場資訊，該磁場資訊係為一圖形，該圖形係知悉該磁性指標單元係為哪一軸向，並由該圖形與偏移量為一正比關係，而從該圖形的外積得知為順時鐘或逆時鐘構圖，以決定該無人搬運車由哪一個方向通過該磁性指標單元，該磁場資訊係傳送給一接收模組，該接收模組係將該磁場資訊轉變為一數位化磁場資訊；一邏輯運算處理單元接收來自該接收模組之該數位化磁 場資訊，以得出該無人搬運車的移動方向之轉向偏移角度、該無人搬運車的行進方向資訊或該無人搬運車與該磁性指標單元之距離；該邏輯運算處理單元依據該無人搬運車的移動方向之轉向偏移角度、該無人搬運車的行進方向資訊或該無人搬運車與該磁性指標單元之距離，以得出一識別資料；以及該邏輯運算處理單元係將該識別資料與一資料庫之原始識別資料進行比對，以決定該無人搬運車之行進方向。
17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該磁性指標單元具有一第一磁性元件與一第二磁性元件，該第一磁性元件與該第二磁性元件之間具有一設定距離，該第一磁性元件之位置係為該結束端，該第二磁性元件之位置係為該起始端。
18. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該邏輯運算處理單元係以一利用能量強度與距離平方成反比、一利用無人搬運車之編碼器所提供資訊或一利用磁性元件連線的磁距反推距離與方向之方式，以得出該無人搬運車的移動方向之轉向偏移角度、該無人搬運車的行進方向資訊或該無人搬運車與該磁性指標單元之距離。