AGV激光定位导航算法研究及系统计算

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所属分类:AGV设计资料
摘要

AGV(Automated Guided Vehicle)作为新型的物流自动化设备,越来越多的应用到制造业当中。对于AGV来说,一项重要的基本能力是可以实时计算出自身在环境中的位置,由此可以根据作业任务,做出正确的路径选择和对接动作。本文以结构化的室内环境作为应用背景,用二维激光雷达作为导航传感器,对激光导航AGV控制系统、实时定位算法、AGV位姿协方差矩阵状态预测和位姿误差补偿展开研究工作。全文取得了如下研究成果:(1)选择了一套角精度和角分辨率能够满足定位、导航需求的激光扫描设备,并设计了相应的激光导航AGV控制系统和实验车体平台。(2)提出了一种三角定位算法和三边定位算法相结合的位置计算方法,并设计了相应的反光板匹配和质量准则算法。(3)对SLAM算法的模型进行分析,建立了 AGV运动模型和基于激光雷达传感器的观测模型,基于EKF-SLAM对AGV位姿和协方差矩阵进行状态预测,对AGV在两个定位计算点之间运动时可能产生的误差实现了提前进行修正。(4)探讨了激光定位的噪声来源,系统分析了编码器测量精度导致误差的影响,讨论了该误差的统计特性,并利用正态分布逼近该误差的概率密度曲线。建立激光定位噪声模型,推导出激光定位噪声统计特性的自适应估计算法,对AGV激光定位进行位姿误差补偿。

第一章 绪论

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第二章AGV激光定位导航系统构建

2.1激光导航的原理和特点

激光导航技术出现之前,AGV—直采用电磁导航、磁带导航等有线导航方式。有线导航方式的路径柔性差,不适用于复杂路径的状况,并且无法实现精确定位,当AGV需要精确停在某一工位时,需要借助其它方式进行辅助定位。激光导航技术的问世改变了这一状况。激光雷达技术于二十世纪九十年代开始应用于AGV导航系统。典型的激光导航系统需要在AGV行驶路径的周围布置安装位置精确的反射板,通过AGV上的二维激光雷达扫描探测反射板,选择其中至少三个反射板的角度测量数据,采用“三角法”进行定位,如图2-1所示。该方法的基本原理为:已知激光雷达对至少三个反射板的角度测量数据及反射板在环境中的坐标,即可通过几何或代数等数学方法求解AGV在环境中的位姿。

AGV激光定位导航算法研究及系统计算

图2-1 激光 导 航 原 理

与其它铺设导引线的导航方式相比,激光导航具有许多突出的优点:定位度高;地面无需其他定位设施;能够适用于复杂的路径条件及工作环境;能快速变更行驶路径和修改运行参数。因此,该种导航方式是目前国内外许多AGV生产厂家推荐采用的导航方式。为了探测反射板,激光导航器一般安装在AGV的较高位置,反射板的安装高度与之相匹配。激光导航传感器通常具有比较高的角度分辨率,以便在扫描时不会将反射板漏掉;同样,反射板的尺寸也必须满足探测的需要。激光导航对反射板的布局要求也比较高,如反射板不能对称布置,采用平面反射板(另一种为圆柱形反射板)时两块反射板之间的夹角不要超过120°等.

2.2激光导航传感器(激光雷达)选型

激光雷达(Laser Detection and Ranging LADAR),也称激光扫描器(Laser Scanner)是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达测距是激光技术应用最早的一个领域,具有探测距离远,测量精度高,角度分辨率高等特点。激光测距主要有连续波测距和脉冲测距两种方法。连续波测距一般针对合作目标,采用性能良好的反射器,激光器连续输出固定频率的光束,通过调频法或相位法进行测距。脉冲测距也称为飞行时间测距(Time of Flight,TOF),即通过测量从发射激光脉冲到接收反射光的时间间隔,根据光的行程和飞行时间的关系计算距离。脉冲测距方法应用于反射条件变化很大的非合作目标。根据测量目标维数的不同,激光雷达可以分为一维、二维和三维激光雷达三种。一维激光雷达通常称为激光测距仪,只在单一方向上测距。二维激光雷达和三维激光雷达又分别称为二维激光扫描仪和三维激光扫描仪,两者都是激光测距仪借助扫描系统改变激光探测方向获得二维和三维的点云数据,从而实现多维扫描。目前,AGV中所采用的激光雷达多为基于脉冲测距的二维激光雷达。

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