基于激光導航AGV定位算法的研究與設計

王如意　鄢圣杰

摘? ?要：為了解決激光導航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，本文結合激光導航全局定位原理和研究的一種有關三邊定位和三角定位算法相結合的方式，設計了相應的反光板匹配和質量準則算法。利用激光雷達發射脈沖可以得到有效反光板的角度和坐標信息，再結合三邊定位、三角定位的幾何算法，最終得出了當前激光導航AGV小車的全局位姿，實現了比較精確的全局定位。

關鍵詞：AGV? 定位導航? 全局位姿? 反光板

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

AGV主要應用于物流系統中，是一種典型的輪式行走機器人，涉及機械控制、光電儀器及計算機等多種學科相關前沿技術，其應用簡單、靈活、安全、可靠;具備自適應強、高度自動化等優點。其中，激光導航方式可以實現較高的定位精度、路徑柔性和智能性，適應了AGV導航技術的發展趨勢[1]，對促進激光導航智能化與自動化技術的研究有重要理論與實際意義。本文通過調研大量國內外AGV文獻資料，以結構化的室內環境作為應用背景，以兩輪差速驅動 AGV為研究對象，用二維激光雷達作為傳感器，研究和設計更適合激光導航的實時定位算法，以實現較為精確的定位。

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，被固定安裝在現場的環境中。并且在地圖絕對坐標系中，有確定的相應坐標和角度信息，以便有效地反射出激光雷達發射出的信號。

當激光雷達工作時，會對周圍的環境發射脈沖激光束，重疊的激光束會經過布置好的反光板，被反射回掃描頭。當激光束照射在反光板上的面積較小時，反射回的光信號強度較弱;面積若較大，則反射回的光信號強度也較強;當整個激光束都照射在反光板上時，光信號強度最強。這些被反射回的激光束經過掃描頭時，又被其內部的電路放大，作為反射回的強度信號，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。根據重心法計算出激光束的反射強度平均值[2]，確定反射板的中心點相對于激光雷達的極坐標位置。

2? 定位算法設計

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，才能根據這些多塊反光板所檢測的角度和位移坐標，結合定位算法進行精確定位，從而實現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，三邊定位算法的優點是位置的精度較高，而三角定位算法的優點是角的精度較高。為保證全局的定位精度，本文采用了兩種算法同時進行，再根據各自的計算結果配合權重得出最終定位結果的方式。

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器人縱軸間的夾角，來實現定位的[3]。

2.1.1 角定位算法中反光板質量準則

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

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境中的反光板是AGV在移動的過程定位精度高的關鍵問題。根據不在同一直線上的3點可以確定一個圓的方法選擇路標，先找出所有符合3點組合的有效路標識別點，再根據給定選點的標準，如式（7），選出最優組合。

Sij表示路標i點與j點之間的距離，機器人R位置、路標i、路標j三者之間的夾角分別為α，β，?。針對α，β，?， Sij 4個路標參數的選取，可按照以下最優路標算法進行：

（1）預估當前AGV所在的位置;

（2）確定AGV視角內的路標，找出全部有效的兩點組合;

（3）根據已知的α，β，?， Sij，計算Cij;

（4）將所有的Cij進行比較，選出下標都不同的兩組數據，使它們的和最小即為所求。

3? 實驗分析

實驗環境選擇在廣州園大智能設備有限公司的AGV實驗車間進行搭建，實驗區域按照一定的規則，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。以便在實驗區域內任意位置能夠偵測到盡可能多的反光板。

在實驗區內選定了M， N兩點，通過強行給定舵輪一個轉向角度，使AGV能沿一條固定曲率的弧線從點M向點N正向前進，再由點N向點M反向后退，各進行1次實驗。實驗結果表明N-M后退時，其位置坐標計算精度同前進方向相似總體較高，坐標軌跡與理論路徑也基本重合，計算誤差也差不多;后退方向受驅動速度影響較小，離群點在整條路徑上隨機分布，姿態角計算結果比較穩定。

4? 結語

本文通過AGV小車上方安裝的激光雷達掃描儀對專用反光板發射脈沖激光束，從而得到反光板相對AGV之間的距離和角度，根據相應的反光板匹配，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，利用設計好的算法，確定了小車當前的全局位姿，實現了比較精確的全局定位，有效解決了特定環境下的定位失效問題。

參考文獻

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

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

[3] 倪振.激光導引四輪差動全方位移動AGV關鍵技術研究[D].重慶大學，2013.

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