基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的AGV定位方法研究

楊惠，周小燕

（蘭州文理學(xué)院傳媒工程學(xué)，甘肅蘭州，730000）

關(guān)鍵字：傳感器；AGV定位；數(shù)據(jù)融合

0 引言

AGV（Automated Guided Vehicles）是一種集環(huán)境感知，路徑規(guī)劃，智能決策等多種技術(shù)的智能工業(yè)用移動(dòng)機(jī)器人[1]，具有承重，自動(dòng)導(dǎo)航，避障等功能，因功能靈活，運(yùn)行穩(wěn)定，高度智能化等優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。

定位導(dǎo)航技術(shù)是AGV實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化的前提條件，傳統(tǒng)的AGV以光學(xué)和電磁導(dǎo)航為代表，這類定位導(dǎo)航智能在預(yù)設(shè)好的路徑上運(yùn)行，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的位姿調(diào)整，無法自適應(yīng)環(huán)境地圖。隨著激光雷達(dá)和攝像頭定位導(dǎo)航技術(shù)[2]的逐步應(yīng)用，使得AGV具備了定位精度高，運(yùn)行智能化等優(yōu)點(diǎn)，但也出現(xiàn)了一些亟待解決的問題，如視覺導(dǎo)航技術(shù)魯棒性不足，激光導(dǎo)航定位精度較低等問題。

為了解決上述問題，提出了基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AGV定位方法，以激光雷達(dá)，攝像頭和IMU傳感器數(shù)據(jù)為輸入，以AGV的位置為輸出，將多傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，訓(xùn)練傳感器數(shù)據(jù)與AGV位置信息的關(guān)系。針對(duì)AGV運(yùn)動(dòng)軌跡連續(xù)的特點(diǎn)，將前序輸入結(jié)果作為后續(xù)計(jì)算的輸入，實(shí)現(xiàn)AGV的持續(xù)定位計(jì)算。

1 多傳感器數(shù)據(jù)融合定位方法

在實(shí)際AGV定位過程中，激光雷達(dá)獲取AGV周圍障礙的距離，然而激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)缺乏對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中傳感數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，導(dǎo)致AGV定位不準(zhǔn)。攝像頭容易受到光線的影響，一般出現(xiàn)劇烈光線變化，如進(jìn)出隧道時(shí)的忽明忽暗[3]。IMU姿態(tài)傳感器獲取的三軸角速度和三軸加速度具有一定的噪聲，需要對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪[4]。為了實(shí)現(xiàn)AGV通過環(huán)境數(shù)據(jù)的感知實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的方式，利用多傳感器數(shù)據(jù)相互校正，提高系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性和精確性。融合攝像頭，激光雷達(dá)，IMU姿態(tài)傳感器的AGV方法如圖1所示。

圖1 多傳感器數(shù)據(jù)融合定位方法結(jié)構(gòu)圖

多傳感器數(shù)據(jù)融合定位方面的數(shù)據(jù)主要包括三部分：

（1）姿態(tài)估計(jì)值的獲取

IMU傳感器獲取到加/角速度數(shù)據(jù)后，通過重力加速度在加速度計(jì)各軸上的分布情況獲取AGV的加速度，通過角速度累積獲得AGV的角速度。由于AGV運(yùn)動(dòng)過程中加速度數(shù)據(jù)受震動(dòng)的干擾[5]，所以其高頻段的數(shù)據(jù)不可靠，但重力加速度在一定海拔范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定，因此低頻數(shù)據(jù)比較可靠。而AGV的角速度是通過累積的方式獲得，所以高頻數(shù)據(jù)較為可靠，而低頻數(shù)據(jù)不可靠。

在利用加速度和角速度獲取AGV姿態(tài)估計(jì)的過程中，通過互補(bǔ)濾波器去除獲取加速度中的高頻噪聲，通過互補(bǔ)濾波器去除獲取角速度中的低頻噪聲，假設(shè)高通濾波器為FH（s），低通濾波器為FL（s），其中FH（s）+FL（s）=1，因此AGV的姿態(tài)測(cè)量值m可表示為

其中e1，e2分別表示高低頻噪聲的測(cè)量誤差。

（2）高精度位姿的獲取

高精度位姿的獲取依賴于攝像頭的標(biāo)志識(shí)別和激光雷達(dá)掃描匹配的結(jié)果[6]。在攝像頭的標(biāo)志識(shí)別中，首先奧將攝像頭中的像素坐標(biāo)xpixyOpixyypixy轉(zhuǎn)換為以攝像頭視野中心為坐標(biāo)系xsignOsignysign的實(shí)際坐標(biāo)。若當(dāng)前攝像頭監(jiān)測(cè)的目標(biāo)像素坐標(biāo)為（xpixy,ypixy,wpixy），其中wpixy為標(biāo)志物的旋轉(zhuǎn)角度，因此轉(zhuǎn)換后的實(shí)際坐標(biāo)為

在本方案中，攝像頭的定位結(jié)果需要激光雷達(dá)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。假設(shè)激光雷達(dá)獲取的位姿坐標(biāo)向量為Pscan=（xscan,yscan,wscan）。假設(shè)第一個(gè)標(biāo)志處于世界坐標(biāo)原點(diǎn)，且每個(gè)標(biāo)志與世界坐標(biāo)系的x軸同方向，相鄰標(biāo)志之間縱橫坐標(biāo)的間隔為Sy和Sx，則攝像頭視野中標(biāo)志的全局坐標(biāo)系的精確位姿坐標(biāo)為：

其中round（）為四舍五入取整函數(shù)。設(shè)（xms,yms）是經(jīng)過Pscan和Psign聯(lián)合計(jì)算的粗略坐標(biāo)，計(jì)算方法如下：

L是AGV坐標(biāo)在攝像頭坐標(biāo)系上水平的投影距離，θ表示AGV的全局坐標(biāo)系的角度姿態(tài)，因此攝像頭全局地圖的坐標(biāo)為：

因此AGV在全局坐標(biāo)系中的位姿坐標(biāo)為：

（3）AGV位姿動(dòng)態(tài)加權(quán)融合

在動(dòng)態(tài)加權(quán)位姿融合過程中，需要考慮標(biāo)志位姿的可靠程度，從而判斷兩個(gè)位姿的權(quán)重值。為了使定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整上述權(quán)重，在攝像頭捕獲目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)獲取該目標(biāo)的尺寸信息，由于標(biāo)志固定，因此當(dāng)檢測(cè)的標(biāo)志尺寸接近于期望尺寸，則攝像頭的定位輸出區(qū)中就越高。假設(shè)標(biāo)志面積為Ss，期望輸出面積為Sq，則位姿輸出坐標(biāo)為：

如果檢測(cè)的尺寸超出期望尺寸的容忍范圍后，則攝像頭獲取的位姿信息失效，此時(shí)可以采用激光雷達(dá)的定位結(jié)果，有

2 定位效果測(cè)試和分析

由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限，在測(cè)試過程中只提供了圓形，方形，橢圓三種地面標(biāo)志，但結(jié)果足以反映多傳感器數(shù)據(jù)融合AGV定位的實(shí)際效果。在AGV運(yùn)行過程中，引入Pixy攝像頭前后的定位數(shù)據(jù)[7]，同時(shí)用一條曲線擬合動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)作為動(dòng)態(tài)測(cè)量值的期望值[8]，對(duì)比有無攝像頭與期望值的擬合狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 AGV定位效果對(duì)比

從圖2中可以看出，融合了攝像頭數(shù)據(jù)之后的x軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍更小，定位數(shù)據(jù)也相對(duì)穩(wěn)定。為了更清楚的展示在融合攝像頭數(shù)據(jù)后的定位數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)之間的差值，可以通過對(duì)比有無攝像頭x軸位置數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3展示了100組數(shù)據(jù)分為兩部分，前50組為AGV做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的波動(dòng)情況，后50組為靜止?fàn)顟B(tài)是定位數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況。從圖中可以看出，無攝像頭數(shù)據(jù)時(shí)AGV定位的波動(dòng)明顯比有攝像頭時(shí)更明顯。相對(duì)來說，靜態(tài)定位時(shí)融合了攝像頭數(shù)據(jù)的定位非常穩(wěn)定，而無攝像頭數(shù)據(jù)時(shí)定位波動(dòng)性依然很大。

圖3 AGV定位數(shù)據(jù)波動(dòng)情況

3 結(jié)束語

高精度的AGV定位方法是實(shí)現(xiàn)AGV自動(dòng)化智能化的前提條件，針對(duì)當(dāng)前激光雷達(dá)定位不精確的問題，提出了融合激光雷達(dá)，IMU和攝像頭多種傳感器數(shù)據(jù)融合的定位方法，使用激光雷達(dá)的掃描結(jié)果輔助攝像頭標(biāo)識(shí)定位的準(zhǔn)確位姿，然后采用動(dòng)態(tài)加權(quán)的方法融合兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)AGV的高精度定位。