一種改進的室內(nèi)激光導(dǎo)航AGV定位方法*

姜 偉

(遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

0 引言

隨著我國傳統(tǒng)工業(yè)升級轉(zhuǎn)型的逐步推進以及5G技術(shù)的快速發(fā)展，智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐步成為我國工業(yè)發(fā)展的重要支撐，互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟發(fā)展對工業(yè)產(chǎn)品運輸存放及物流運輸效率提出了更高的要求。對物流系統(tǒng)以及企業(yè)而言，人工搬運分揀存在費時費力、危險度高、企業(yè)勞動成本高等諸多弊端，因此智能化物流系統(tǒng)逐漸受到重視。其中AGV作為一種高度自動化及智能化的物流設(shè)備，在實際工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在物資搬運、智能分揀等方面具備優(yōu)越性。利用AGV調(diào)度控制系統(tǒng)能夠有效提高產(chǎn)品配送效率及工作人員工作效率，降低半成品占用產(chǎn)線空間[1-3]。

定位技術(shù)是激光導(dǎo)引AGV 進行自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，在AGV系統(tǒng)中至關(guān)重要。近年來，諸多學(xué)者致力于AGV系統(tǒng)的研究，史恩秀等從提升AGV定位精確度的角度出發(fā)提出了一種AGV自動運輸物料的精確定位系統(tǒng)，從而提高機器人取件時的作業(yè)精度[4]。曹有輝等針對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中局部極小值問題，提出了一種改進粒子群優(yōu)化算法，收斂速度快，提升AGV全局路徑規(guī)劃能力[5]。武星等針對AGV路徑導(dǎo)引的精確性問題，提出了一種基于雙視野窗口的精確路徑跟蹤和魯棒特征識別方法[6]。姜興宇等研究了適用于某藥品倉庫的堆垛機與AGV集成系統(tǒng)作業(yè)調(diào)度問題，顯著提升了藥品倉庫物流系統(tǒng)的倉儲效率[7]。唐先軍等分析了傳統(tǒng)物流搬運車與AGV之間的區(qū)別并總結(jié)了AGV在倉儲業(yè)中的應(yīng)用，闡述了其廣闊的應(yīng)用前景[8]。

目前，常用AGV導(dǎo)航技術(shù)有電磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和激光導(dǎo)航等。電磁導(dǎo)航方法簡單，但需要在地面下預(yù)埋磁導(dǎo)航條，便攜性較低；視覺導(dǎo)航利用鋪設(shè)在地面的色帶計算位姿信息，但色帶容易受到環(huán)境污染以及遭到破壞；激光導(dǎo)航通過在現(xiàn)場設(shè)置反光板獲取位姿信息，定位精度高，并且可以進行實時調(diào)整，準確性、穩(wěn)定性較高，因此得到了廣泛的應(yīng)用[9-10]。

考慮到實際作業(yè)環(huán)境和多任務(wù)協(xié)同作業(yè)需求，本文提出了一種改進的室內(nèi)激光導(dǎo)航AGV定位方法，在三邊測量法的基礎(chǔ)上，利用激光測距儀測距，通過改進的循環(huán)三邊組合法進行定位計算。經(jīng)過實驗驗證了本文激光導(dǎo)航AGV定位方法的有效性、可靠性和實用性。

1 激光導(dǎo)航系統(tǒng)

激光導(dǎo)航方法采用有反光板的導(dǎo)航方式，反光板由圓柱形反光膜構(gòu)成，安裝在專用型材支架或墻面上。本文涉及的激光導(dǎo)航系統(tǒng)本體采用SICK NAV350激光掃描器，其探測角度為360°、旋轉(zhuǎn)頻率為8 Hz、保護等級為IP65級別、工作溫度為0～50 ℃。

1.1 AGV軟硬件系統(tǒng)

本文采用的AGV系新松機器人某AGV系統(tǒng)，如圖1所示，其硬件系統(tǒng)主要倉體包括驅(qū)動倉、電池倉和兩個電氣倉，車輪包括驅(qū)動輪、穩(wěn)定輪和承載輪，提升機構(gòu)包括提升門架、貨叉和起重缸。其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 AGV系統(tǒng)總成

表1 AGV技術(shù)參數(shù)表

AGV軟件系統(tǒng)由調(diào)度系統(tǒng)、自動充電系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)構(gòu)成。AGV調(diào)度系統(tǒng)(控制臺)作為中央管理器，負責(zé)對整個AGV系統(tǒng)進行管理、調(diào)度和維護；AGV自動充電系統(tǒng)保證AGV數(shù)小時內(nèi)連續(xù)運行和使用的可靠性；安全系統(tǒng)解決部件或邏輯類故障以及保證工作過程的無碰撞；AGV通信系統(tǒng)把證AGV控制臺與AGV間的通訊。各功能模塊性能穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了AGV控制器的通用性及模塊化，便于對AGV進行擴展和靈活配置。

1.2 AGV定位基本原理

激光測距一般可分為相位式激光測距和脈沖激光測距，考慮到AGV導(dǎo)航要求，本系統(tǒng)采用相位式激光測距方法，其原理是對激光束進行幅度調(diào)制，根據(jù)波長和相位延遲計算距離，其測量量程可以達到3 km，分辨率達到毫米級別。

如圖2所示，將激光掃描器安裝在AGV上部，激光掃描器隨AGV的運行發(fā)出旋轉(zhuǎn)的激光束，激光束經(jīng)多組全向反光板反射回來，觸發(fā)控制器記錄旋轉(zhuǎn)激光束遇到反光板時的角度，測定AGV在空間坐標中的位置。在環(huán)境周圍設(shè)置反光板，位置坐標分別為(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)和(X4,Y4)，AGV和反光板的距離分別為d1、d2、d3和d4，理想狀態(tài)下任意三個圓的交點則是AGV的位置，如圖3所示。

圖2 激光導(dǎo)航系統(tǒng)

圖3 AGV定位原理

假設(shè)AGV周圍有n個反射板，激光掃描探測器的半徑為dn，得到線性化方程：

A·X=b

(1)

(2)

(3)

采用最小二乘法求解上述方程，可以得到AGV系統(tǒng)位置坐標：

X=(AT·A)-1·AT·b

(4)

1.3 AGV循環(huán)三邊組合測量方法

傳統(tǒng)定位方法需要大量方程組和三角函數(shù)運算，耗時較高。同時，在實際應(yīng)用中，由于距離的測量會產(chǎn)生誤差，多圓可能無法相交于一點，導(dǎo)致方程組無解。本文提出一種通過確定權(quán)重函數(shù)和權(quán)重因子的方法減少計算量的循環(huán)三邊組合測量法，將無解情況轉(zhuǎn)為在圓相交區(qū)域求得一個估計點。在AGV行駛時，任意三個反射板的位置坐標即可確定一個估計點。如圖4所示，定義估計點坐標為(IXk,IYk)(k= 1, …,m)，根據(jù)SLS(Standard Lwast-Squares)算法計算可得：

[IXkIYk]T=(MTM)-1MTL

(5)

(6)

(7)

圖4 估計點計算示意圖

對于ΔABC，tanA，tanB，tanC分別表示三角形每個角度的正切值，A，B，C是三角形三個頂點，a，b，c是對應(yīng)的三條邊。根據(jù)下述公式計算正規(guī)化權(quán)值：

(8)

b，c采用相同方法計算，隨后利用三角余弦定理計算三個角的弧度值，根據(jù)式(9)確定最小弧度值，根據(jù)式(10)計算角度權(quán)值函數(shù)：

α=min{Ad,Bd,Cd}

(9)

W(α)=α(0≤α≤π/3)

(10)

2 AGV定位優(yōu)化算法

循環(huán)三邊組合測量法具有較高的定位精度和好的魯棒性，但是計算復(fù)雜性偏高，特別是當(dāng)未知節(jié)點的可偵測節(jié)點數(shù)目較大時更是如此。為降低定位算法的計算復(fù)雜度，對循環(huán)三邊組合測量法進行優(yōu)化。

2.1 改進的循環(huán)三邊組合測量方法

(11)

其中，Ki，Kj，Kk為三條邊的斜率。由上式可見，優(yōu)化后的算法采用與循環(huán)三邊組合測量法不同的角度權(quán)值函數(shù)，因此在計算權(quán)重值時可直接利用節(jié)點坐標進行計算，不需要進行三角函數(shù)運算。

2.2 AGV位置坐標求解步驟

利用改進的循環(huán)三邊組合測量法計算AGV位置步驟如下：

(2)權(quán)重值正規(guī)化

(12)

(3)根據(jù)SLS算法計算m個頂點坐標(IXk,IYk)(k= 1, …,m)；

(4)計算權(quán)重中心，求得AGV位置。

(13)

3 應(yīng)用驗證

通過將本文提出的室內(nèi)激光導(dǎo)航AGV定位方法集成到某齒輪箱自動拆裝生產(chǎn)線，進行應(yīng)用驗證。實驗環(huán)境如圖5所示，圖中長方形線框部分表示AGV本體，橢圓形線圈部分表示在環(huán)境周圍設(shè)置的四個反光板，利用前述AGV循環(huán)三邊組合測量原理，確定AGV的位置。

圖5 激光導(dǎo)航AGV實驗環(huán)境

本文在圖5環(huán)境中選取7個測試點通過式(14)計算誤差值，每個測試點均進行20次采樣并取平均值作為最終測試位置。

(14)

表2 測試結(jié)果 (cm)

齒輪箱自動拆裝生產(chǎn)線布局如圖6所示。AGV首先運行至自動化立體倉庫處提取物料，隨后按照指定路徑行駛至轉(zhuǎn)接臺，并完成與復(fù)合型機器人的取放貨交接操作，隨后將托盤再運送至自動化立體倉庫處。運行結(jié)果如圖7所示。

齒輪箱自動拆裝生產(chǎn)線的順利運行，表明AGV系統(tǒng)能夠與上位機總控系統(tǒng)進行信息通訊，生成AGV運行任務(wù)。AGV系統(tǒng)接受任務(wù)指令后可以按照預(yù)定路線行駛，完成特定取放托盤操作，實現(xiàn)預(yù)期目標，完成了對產(chǎn)品的智能化裝卸及運輸，驗證了本文提出的激光導(dǎo)航AGV定位算法的有效性和實用性。

圖6 齒輪箱自動拆裝生產(chǎn)線布局

(a) AGV從自動化立體倉庫取托盤

(b) AGV運送托盤

(c) AGV將托盤放置轉(zhuǎn)接臺

4 結(jié)論

本文提出了一種兼顧計算效率和定位精度的室內(nèi)激光導(dǎo)航AGV定位方法。以三邊組合測量法為基礎(chǔ)，利用反光板的位置坐標進行定位，避免大量三角函數(shù)計算，同時通過權(quán)重函數(shù)和權(quán)重因子，進一步提高計算效率。實驗表明優(yōu)化后的定位算法精度在5 mm以內(nèi)，可以完成對AGV的引導(dǎo)，實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化裝卸和運輸，該定位算法可用于激光導(dǎo)航AGV系統(tǒng)的優(yōu)化。