本發(fā)明涉及移動機器人導航技術領域，具體為一種帶慣性補償的agv激光導航系統。

背景技術：

目前agv自動導航小車已經成為智能制造、先進物流以及數字化工廠中的重要設備，作為方便工廠運輸、提高生產效率具有非常重要的作用。目前常見的agv導航方式有磁條導航和激光導航等，磁條導航agv雖然相對價格便宜，且運行也較為可靠，但是每次運行agv需要鋪設磁條，路徑較長時，鋪設工作量較大，磁條的成本會比較高，同時更換路線后，由于磁條底部粘性變弱，不能重復使用，磁條后期在水、碾壓、磨損等條件下，維護較麻煩?；诩す鈱Ш降腶gv不需要設置固定的軌道，可通過激光雷達構建室內完整的地圖，獲得周圍環(huán)境完整的信息，在移動過程中，通過激光掃描傳感器實時獲取周圍環(huán)境的信息，采用相關導航算法，完成導航任務。但是，由于激光導航技術本身存在的缺陷，或者其不完善的地方，使其在二定情況下，比如在走廊、遇到體積較大的運動物體等，導致其定位不準確，在沒有及時糾正的情況下，會出現脫離設定路線的可能；此外由于目前導航算法的局限性，此類agv面臨連續(xù)運行一段時間累積誤差較大的現象，甚至出現迷航故障等問題停止運行，需維修。隨著工業(yè)4.0和智能制造需求，因此市場上對一種使用更靈活、方便的agv導航系統的研發(fā)是迫在眉睫。

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，企業(yè)對工廠自動化提出了更高的要求。目前國內物流搬運環(huán)節(jié)大部分中agv的運行仍處于有軌導引，以及少部分的非常昂貴的激光無軌導引與施工復雜的慣性導引；但有軌導引方式無法適用運行路徑不固定的要求的問題，而無反射板激光導航無法滿足末端定位高精度的要求，反射板激光導航其對環(huán)境改造較大，不易變換工作場景。因此，對于末端定位精度要求高，運行路徑無固定線路的工作環(huán)境，單純使用無反射板激光導航叉車無法滿足末端定位高精度的要求，單純使用有反射板激光導航方式叉車，雖能滿足其導航路徑靈活與末端定位精度高的特點，但造價太貴，使用環(huán)境改造量大，且對使用環(huán)境要求較高。

技術實現要素：

為了解決現有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供一種適應末端定位精度要求高，運行路徑無固定線路的工作環(huán)境，以及便于企業(yè)日常物料搬運，提高物流搬運效率，降低人力與引入成本的一種帶慣性補償的agv激光導航系統，采用慣性導航補償和激光導航相結合的方式實現系統的導航，其系統具體結構包括慣性補償導航模塊、激光精確導航模塊、底層控制模塊以及可選的人機交互模塊；

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種帶慣性補償的agv激光導航系統，它包括激光導航模塊、慣性補償導航模塊、人機交互模塊以及底層控制模塊。激光導航模塊包括工控機、激光雷達[1]；慣性補償導航模塊包括由加速度計、陀螺儀和磁力計組成的九軸加速度傳感器，stm32核心控制板(1)；人機交互模塊包括集成安卓系統的開發(fā)板、語音交互單元和攝像頭；底層控制模塊包括stm32核心控制板(2)、電機驅動器和編碼器。

所述激光導航模塊用以實現構建環(huán)境二維地圖、導航路徑規(guī)劃以及路徑導航；激光導航模塊實時加載導航地圖，計算agv叉車[3]當前的實時位姿及導航路徑信息，將agv叉車實時位姿及導航路徑信息傳遞給agv叉車主控制器的速度控制模塊，根據agv叉車的速度信息進行閉環(huán)控制，使agv叉車按照既定的速度及路徑運行。

所述慣性補償模塊通過查詢方式獲取九軸加速度傳感器(陀螺儀、加速度計以及磁力計)采集的數據，而且能夠有效濾除陀螺儀采集的數據的固定漂移和隨機誤差，能夠獲得陀螺儀準確的角度數據，同時能夠除去agv打滑以及輪子空轉時造成的電機編碼器數據的計算誤差。該方法解決了單一激光導航精度較低定位不準的問題，可準確推算出所有采樣時刻的位置和姿態(tài)，使導航精度明顯提高。

所述人機交互模塊是agv和用戶建立聯系的主要模塊，在人機交互模塊中不需要處理大量數據，只需要根據用戶需求建立導航需求功能按鈕，采用一鍵式操作，指引agv完成運輸任務，可選的語音交互單元提供了語音指令，使導航系統的實際使用更為便捷。

所述底層控制模塊主要用于執(zhí)行導航命令，是agv的執(zhí)行單元。底層控制模塊中的stm32核心控制板(2)直接與導航模塊的工控機相連，編碼器獲得的電機運行數據直接與導航模塊建立聯系，便于實時調整系統參數提高導航精度。

優(yōu)選的，所述工控機裝載基于linux的標準機器人操作系統ros(robotoperatingsystem)，ros作為目前機器人行業(yè)最熱門的機器人控制系統，保證的系統的穩(wěn)定性。

進一步的，所述工控機分別與stm32核心控制板(1)和stm32核心控制板(2)相連，不需要中間的過度裝置，既保證各個子模塊互不干擾又使得導航系統更加緊湊，導航定位之間的數據傳輸更加快速。

優(yōu)選的，所述帶慣性補償的agv激光導航系統，角度獲取能夠準確得到角度數據，精度為±0.1度，agv定位系統可準確推算出所有采樣時刻的位置和姿態(tài)，精度達到±5mm，導航系統導航精度可達±10mm。

優(yōu)選的，所述九軸加速度傳感器中的加速度計單元能夠有效彌補因agv打滑以及輪子空轉帶來的位移缺失或遺漏問題，精確估計agv運行狀態(tài)中的實際位移。

優(yōu)選的，所述人機交互模塊，提供顯示屏幕，除顯示機器人相關信息外，也可通過相關觸控操作，用于對機器人的直接控制。此外該模塊提供一種基于互聯網的遠程交互方式，可以在手機客戶端進行操作和設置。

進一步的，所述驅動器用以連接stm32核心控制板(2)和電機，將stm32核心控制板(2)控制指令轉換成電機轉速，控制agv行走。

與現有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果如下所述：

本發(fā)明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：可靈活的在工廠內部對物料進行運輸，同時具備激光導航路徑靈活與慣性導航定位精確的優(yōu)點，且對其結構、導航控制算法以及任務調度算法的復雜度要求降低。本發(fā)明成本低廉、控制穩(wěn)定可靠、結構簡單、無全限定路徑要求、導航路徑修改方便、在裝卸區(qū)與供電區(qū)具有較高定位精度。

附圖說明

圖1是帶慣性補償的agv激光導航系統總體框架示意圖。

圖2是帶慣性補償的agv激光導航系統的運行流程示意圖。

圖3是帶慣性補償的agv激光導航系統對應agv小車整體外觀示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

以下將結合附圖，對本發(fā)明的具體實施作詳細說明。

如圖1所示，為本發(fā)明實施方式提供的一種帶慣性補償的agv激光導航系統的系統總體框圖。在本實施方式中，agv導航系統可以實現對周圍環(huán)境信息進行全方位捕捉，建立周圍環(huán)境地圖并識別自身的位置與姿態(tài)，結合自身位姿及已有環(huán)境地圖判斷agv處于安全區(qū)域還是危險區(qū)域，然后采取不同的行進策略。具體地，它包括激光導航模塊、慣性補償導航模塊、人機交互模塊以及底層控制模塊。激光導航模塊包括工控機、激光雷達；慣性補償導航模塊包括由加速度計、陀螺儀和磁力計組成的九軸加速度傳感器，stm32核心控制板(1)；人機交互模塊包括集成安卓系統的開發(fā)板、語音交互單元和攝像頭；底層控制模塊包括stm32核心控制板(2)、電機驅動器和編碼器。

本發(fā)明導航系統中激光雷達傳感器用于發(fā)射距離信息，接收返回的距離信息，并根據返回的距離信息進行計算，并進行地圖構建及輸出agv的初始條件下低精度的位置信息，具體地，激光導航模塊可以通過slam算法來實現定位與地圖構建并根據環(huán)境信息進行先驗條件下的路徑規(guī)劃，同時在agv運行過程中進行障礙物的規(guī)避。慣性補償導航模塊用于agv位姿的高精度估計，以便于判斷agv是否是處于正常工作姿態(tài)。人機交互模塊用于在獲知agv狀態(tài)時，控制agv移動，并提供監(jiān)控服務。底層控制模塊執(zhí)行導航命令。

本發(fā)明圖1中，除必要的激光導航模塊、慣性補償導航模塊、人機交互模塊以及底層控制模塊，還提供了上層附屬的數據處理結構，整個系統分為三層即硬件層、驅動層和操作系統層。硬件層包含本發(fā)明所有主要硬件單元；驅動層提供各個子系統模塊的數據整合策略；操作系統層是集成本發(fā)明系統的最終呈現層，也是用戶使用層。

如圖2所示，是本發(fā)明：一種帶慣性補償的agv激光導航系統的工作流程示意圖，本系統的具體工作流程說明如下：

首先在激光導航系統中由激光雷達構建環(huán)境二維地圖，agv導航系統啟動時，相應慣性導航系統也會跟隨啟動，記錄agv初始姿態(tài)與位置。

通過人機交互模塊控制agv在工作環(huán)境中運行，同時構建周圍環(huán)境地圖，另外由底層控制系統和慣性導航系統跟蹤agv位姿。這一過程要進行激光雷達、編碼器、加速度計、陀螺儀、磁力計的信息采集。激光雷達掃描地圖信息；編碼器實時監(jiān)測電機信息；加速度計給出位移補償信息；陀螺儀實時監(jiān)測agv姿態(tài)轉角；磁力計實時給出agv具體方位。

初始工作由激光導航系統主要完成，激光雷達實時掃描數據與環(huán)境二維地圖匹配獲取agv小車大概位姿，然后以agv小車當前位姿為圓心，某一半徑做圓，確定agv小車在環(huán)境二維地圖中所在區(qū)域范圍；用一定數量帶概率表示agv可能位姿的粒子在求得的agv小車區(qū)域搜索agv的精確位姿，具體是先把粒子隨機分布在區(qū)域范圍，將激光掃描數據在每個粒子位置與地圖進行匹配，并用一個函數進行評估匹配度，更新粒子攜帶的概率，將概率最小的粒子舍棄，在概率最大的粒子附近增加一個粒子，如此迭代，直到所有粒子所在區(qū)域趨于穩(wěn)定，即區(qū)域中心恒定且區(qū)域半徑小于或等于設定誤差值，區(qū)域中心即為當前時刻agv小車的位姿。

將所建地圖導入agv小車導航地圖數據庫，并輸出地圖信息到人機交互可視界面中，將編碼器、加速度計、陀螺儀、磁力計采集的信息進行融合處理，輸出agv位姿信息。

以上信息的實時傳輸，根據相關slam算法，導航系統即可構建環(huán)境基本信息。

agv實際工作時，系統進入正式導航中的路徑規(guī)劃階段，導航路徑規(guī)劃按如下步驟進行：

導入環(huán)境二維地圖，給出agv目標站點，系統會結合地圖信息初步描繪agv小車行走的全局路徑，并根據所確定的初步導航路徑的特征，還有agv小車的基礎運動方式，提取初步導航路徑上的主要關鍵點，用于后續(xù)路徑控制。

agv底層控制模塊接受導航系統指令開始運行，同時進行相關傳感器的實時數據采集。

采集陀螺儀數據，數據處理單元中的陀螺儀數據采集模塊通過實時發(fā)送查詢協議到陀螺儀，獲取陀螺儀測量的原始數據，數據處理單元中的固定漂移處理模塊將陀螺儀采集的原始數據，通過離線數據分析得到期望做補償常量，使得數據成標準高斯分布，然后進行卡爾曼濾波處理，去除固定漂移的數據進行卡爾曼濾波，使數據變得平滑，將卡爾曼濾波后的數據進行積分得到角度信息。

磁力計校準，根據磁力采集的agv方位校準agv當前運行方向和實際軌跡方向的偏差角度，如果偏差角度較小，則將陀螺儀采集角度積分初始點校準為校準角度，否則不校準；如果偏差角度太大，則認為agv脫軌運行，進行陀螺儀的二次檢測，最后將實際數據輸入到里程計中。

編碼器采集單元根據外部中斷計數編碼器的脈沖，結合電機的極對數得到輪子的轉動周數，根據輪子直徑和減速比可以計算出里程，此時由于不同環(huán)境可能造成agv車輪打滑或者空轉，造成編碼器采集信息并不是agv實際位移的現象。此時需要慣性導航系統進行實時位移補償，由加速度計模塊實時采集的agv車體實際加速度變化，并通過積分運算結合編碼器數據估計agv實際位移，輸入到里程計中，該過程是實時性的，因此即使在agv運行過程中由于激光導航系統的不足，在環(huán)境構建方面造成了很大誤差，也能有慣性補償導航系統補償過來，完成agv的精確定位與軌跡規(guī)劃。

航跡推算，根據輸入里程計中的數據推算出所有采樣時刻的位置和姿態(tài)，形成航跡，完成agv軌跡規(guī)劃。

將里程計求得的當前時刻agv小車位姿傳給agv底層控制系統中的stm32底層控制板(2)，其輸入為所求當前agv小車位姿及導航路徑信息，輸出為agv小車當前時刻速度信息，速度信息包含agv坐標系下x軸方向、y軸方向速度及繞z軸旋轉角速度。stm32底層控制板(2)將所求速度信息傳給電機驅動器，控制agv按給定速度及導航路徑向目標點運行，通過agv小車實際運行，系統會實時校正采集點數據，使agv其沿著初步導航路徑進行運動。

重復[0035]-[0040]步驟，直至agv小車完成給定行走路線。

agv小車根據當前位置與指定位置的距離關系，確定下一步的控制指令，控制agv小車往指定位置行進，agv到達指定位置后卸下物料。

通過人機交互界面可以實時觀察agv的運行姿態(tài)，以及當前環(huán)境地圖的變化，并記錄agv在相鄰兩個關鍵點之間的運行方式及狀況，運行完畢后，根據其運行狀況修正采集點的數據。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。