基于激光導(dǎo)航AGV定位算法的研究與設(shè)計

王如意　鄢圣杰

摘? ?要：為了解決激光導(dǎo)航AGV因定位計算方法不佳而引起的定位精度誤差、定位計算失效等問題，本文結(jié)合激光導(dǎo)航全局定位原理和研究的一種有關(guān)三邊定位和三角定位算法相結(jié)合的方式，設(shè)計了相應(yīng)的反光板匹配和質(zhì)量準(zhǔn)則算法。利用激光雷達(dá)發(fā)射脈沖可以得到有效反光板的角度和坐標(biāo)信息，再結(jié)合三邊定位、三角定位的幾何算法，最終得出了當(dāng)前激光導(dǎo)航AGV小車的全局位姿，實現(xiàn)了比較精確的全局定位。

關(guān)鍵詞：AGV? 定位導(dǎo)航? 全局位姿? 反光板

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（c）-0096-02

AGV主要應(yīng)用于物流系統(tǒng)中，是一種典型的輪式行走機(jī)器人，涉及機(jī)械控制、光電儀器及計算機(jī)等多種學(xué)科相關(guān)前沿技術(shù)，其應(yīng)用簡單、靈活、安全、可靠;具備自適應(yīng)強(qiáng)、高度自動化等優(yōu)點。其中，激光導(dǎo)航方式可以實現(xiàn)較高的定位精度、路徑柔性和智能性，適應(yīng)了AGV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢[1]，對促進(jìn)激光導(dǎo)航智能化與自動化技術(shù)的研究有重要理論與實際意義。本文通過調(diào)研大量國內(nèi)外AGV文獻(xiàn)資料，以結(jié)構(gòu)化的室內(nèi)環(huán)境作為應(yīng)用背景，以兩輪差速驅(qū)動 AGV為研究對象，用二維激光雷達(dá)作為傳感器，研究和設(shè)計更適合激光導(dǎo)航的實時定位算法，以實現(xiàn)較為精確的定位。

1? 反光板定位原理

反光板為寬度36mm的條狀3m高反射貼膜，工作時，被固定安裝在現(xiàn)場的環(huán)境中。并且在地圖絕對坐標(biāo)系中，有確定的相應(yīng)坐標(biāo)和角度信息，以便有效地反射出激光雷達(dá)發(fā)射出的信號。

當(dāng)激光雷達(dá)工作時，會對周圍的環(huán)境發(fā)射脈沖激光束，重疊的激光束會經(jīng)過布置好的反光板，被反射回掃描頭。當(dāng)激光束照射在反光板上的面積較小時，反射回的光信號強(qiáng)度較弱;面積若較大，則反射回的光信號強(qiáng)度也較強(qiáng);當(dāng)整個激光束都照射在反光板上時，光信號強(qiáng)度最強(qiáng)。這些被反射回的激光束經(jīng)過掃描頭時，又被其內(nèi)部的電路放大，作為反射回的強(qiáng)度信號，便于下一步計算。反光板的寬度固定為36mm，反光板的反射率為90%左右，

通過波峰寬度和反射源的距離可以計算出反射源的寬度，并將反射率相近但寬度相差較大的反射源通過帶通濾波器過濾掉。根據(jù)重心法計算出激光束的反射強(qiáng)度平均值[2]，確定反射板的中心點相對于激光雷達(dá)的極坐標(biāo)位置。

2? 定位算法設(shè)計

一般來說，在AGV小車工作的行程中，需要檢測到不少于三塊的反光板，才能根據(jù)這些多塊反光板所檢測的角度和位移坐標(biāo)，結(jié)合定位算法進(jìn)行精確定位，從而實現(xiàn)AGV的定位。常用的定位算法有兩種，三邊定位和三角定位。其中，三邊定位算法的優(yōu)點是位置的精度較高，而三角定位算法的優(yōu)點是角的精度較高。為保證全局的定位精度，本文采用了兩種算法同時進(jìn)行，再根據(jù)各自的計算結(jié)果配合權(quán)重得出最終定位結(jié)果的方式。

2.1 三角定位算法原理

三角定位算法是通過測量反光板與機(jī)器人縱軸間的夾角，來實現(xiàn)定位的[3]。

2.1.1 角定位算法中反光板質(zhì)量準(zhǔn)則

為了滿足角定位算法的計算需求，設(shè)計了相鄰路標(biāo)間的夾角最好相等，作為反光板質(zhì)量角度準(zhǔn)則。選擇n個路標(biāo)，可設(shè)相鄰兩個路標(biāo)間所夾的角分別為：yi（1≤yi≤n），式 （6）作為角度判斷依據(jù)。

其中，ε越小越好。

圍的反光板不會總是均勻分布的，AGV也不會總是在反光板的中心。因此，如何合理選取周圍環(huán)境中的反光板是AGV在移動的過程定位精度高的關(guān)鍵問題。根據(jù)不在同一直線上的3點可以確定一個圓的方法選擇路標(biāo)，先找出所有符合3點組合的有效路標(biāo)識別點，再根據(jù)給定選點的標(biāo)準(zhǔn)，如式（7），選出最優(yōu)組合。

Sij表示路標(biāo)i點與j點之間的距離，機(jī)器人R位置、路標(biāo)i、路標(biāo)j三者之間的夾角分別為α，β，?。針對α，β，?， Sij 4個路標(biāo)參數(shù)的選取，可按照以下最優(yōu)路標(biāo)算法進(jìn)行：

（1）預(yù)估當(dāng)前AGV所在的位置;

（2）確定AGV視角內(nèi)的路標(biāo)，找出全部有效的兩點組合;

（3）根據(jù)已知的α，β，?， Sij，計算Cij;

（4）將所有的Cij進(jìn)行比較，選出下標(biāo)都不同的兩組數(shù)據(jù)，使它們的和最小即為所求。

3? 實驗分析

實驗環(huán)境選擇在廣州園大智能設(shè)備有限公司的AGV實驗車間進(jìn)行搭建，實驗區(qū)域按照一定的規(guī)則，通過支架固定、粘貼等方式，安裝了16塊反光板。為保證實驗效果，選擇的反光板采用了寬36mm、長1500mm的規(guī)格，按照同一高度，不同的位置、朝向角度豎直安裝。以便在實驗區(qū)域內(nèi)任意位置能夠偵測到盡可能多的反光板。

在實驗區(qū)內(nèi)選定了M， N兩點，通過強(qiáng)行給定舵輪一個轉(zhuǎn)向角度，使AGV能沿一條固定曲率的弧線從點M向點N正向前進(jìn)，再由點N向點M反向后退，各進(jìn)行1次實驗。實驗結(jié)果表明N-M后退時，其位置坐標(biāo)計算精度同前進(jìn)方向相似總體較高，坐標(biāo)軌跡與理論路徑也基本重合，計算誤差也差不多;后退方向受驅(qū)動速度影響較小，離群點在整條路徑上隨機(jī)分布，姿態(tài)角計算結(jié)果比較穩(wěn)定。

4? 結(jié)語

本文通過AGV小車上方安裝的激光雷達(dá)掃描儀對專用反光板發(fā)射脈沖激光束，從而得到反光板相對AGV之間的距離和角度，根據(jù)相應(yīng)的反光板匹配，可以獲得有效的反光板列表信息。通過這些有效的反光板信息，利用設(shè)計好的算法，確定了小車當(dāng)前的全局位姿，實現(xiàn)了比較精確的全局定位，有效解決了特定環(huán)境下的定位失效問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 翟俊杰.AGV激光定位傳感器系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].武漢理工大學(xué)，2006.

[2] 李昊.激光導(dǎo)航AGV在特征地圖中的全局定位方法研究? 學(xué)位論文[D].南京航空航天大學(xué)，2017.

[3] 倪振.激光導(dǎo)引四輪差動全方位移動AGV關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶大學(xué)，2013.

[4] M. Csorba. Simultaneous Localization and Map Building [D] .University of Oxford，1997.