基于紅外檢測(cè)與RFID技術(shù)的AGV定位方法研究*

李雙全 曹小華

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

自動(dòng)導(dǎo)引小車(automated guided vehicle, AGV)是一種柔性度很高的自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備[1]，在自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中應(yīng)用的越來越廣泛[2-3]，AGV作為自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中貨物入庫(kù)、分揀、出庫(kù)等操作的載體，同時(shí)系統(tǒng)中存在多AGV協(xié)調(diào)工作 ，這對(duì)AGV的定位精度要求越來越高.目前AGV在倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中應(yīng)用最多的導(dǎo)航方式是磁帶導(dǎo)航[4]和二維碼導(dǎo)航[5]，但是其導(dǎo)航都有不可避免的缺點(diǎn)，磁帶導(dǎo)航路徑固定，柔性較差，二維碼導(dǎo)航需要定期更換二維碼標(biāo)簽，后期維護(hù)成本高.

針對(duì)以上問題，同時(shí)根據(jù)紅外檢測(cè)[6]與RFID技術(shù)[7]的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于紅外檢測(cè)和RFID技術(shù)的AGV定位方法，在AGV運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)表示AGV運(yùn)行路線上一定會(huì)經(jīng)過的路徑點(diǎn))處設(shè)置輔助定位，通過輔助定位來實(shí)現(xiàn)AGV精確定位.

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及位姿解算

研究對(duì)象為兩輪差速驅(qū)動(dòng)的AGV，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型見圖1.O1,O2為AGV小車左右輪連線的中心；vl,vr分別為左右輪的運(yùn)動(dòng)線速度；Dl和Dr分別為左右輪的直徑；Sl,Sr分別為在Δt時(shí)間內(nèi)左右輪實(shí)際運(yùn)動(dòng)的路程；S為在Δt時(shí)間內(nèi)AGV實(shí)際運(yùn)動(dòng)的路程.B為左右輪的間距；Ψ為AGV在Δt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度.AGV在行駛過程中的位姿解算是以運(yùn)動(dòng)控制模型的基礎(chǔ)，其中：位姿為AGV的位置和姿態(tài)角，可表示為P=[XYβ]T，X，Y分別為AGV的中心相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系Y軸和X軸的距離，β為左右輪連線的中垂線與Y軸的夾角.

圖1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

控制器以一定的周期采樣編碼器的脈沖值，獲取周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，此時(shí)可以認(rèn)為在采樣周期內(nèi)，左右輪均以勻速運(yùn)動(dòng)，AGV的旋轉(zhuǎn)中心保持不變，采樣周期用相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻tn及tn+1表示為t=tn+1-tn.在第n個(gè)周期內(nèi)的AGV的位移增量和角度增量為

(1)

假設(shè)初始的位姿坐標(biāo)為P=[X0Y0β0]T，根據(jù)式(1)可以得出任意時(shí)刻AGV的位姿坐標(biāo)與左右輪速度之間的關(guān)系

(2)

左右輪的運(yùn)動(dòng)路程可以直接通過采集編碼器的脈沖變化量得到，左右輪在每個(gè)周期內(nèi)的實(shí)際路程為

(3)

式中：Nl和Nr分別為左右輪編碼器的脈沖變化量，m為輪子每轉(zhuǎn)1圈對(duì)應(yīng)的脈沖變化量.

通過式(1)～(3)，可以得出AGV在任意時(shí)刻的位姿坐標(biāo)與脈沖變化量的關(guān)系.

(4)

式中：Sl,n和Sr,n分別為左右輪在第n個(gè)周期內(nèi)走的實(shí)際路程；Nl,n和Nr,n分別為左、右輪的編碼器在第n個(gè)周期內(nèi)的脈沖變化量.

2 紅外檢測(cè)方案

根據(jù)AGV的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型解算出的位姿，采用化曲為直的思想，采樣編碼器單位周期內(nèi)的脈沖變化量，進(jìn)行累計(jì)相加，此方法只適合短時(shí)間AGV的運(yùn)動(dòng)控制，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成累計(jì)誤差甚至系統(tǒng)出錯(cuò)，故有必要在AGV運(yùn)行節(jié)點(diǎn)處設(shè)置輔助定位.

2.1 紅外檢測(cè)原理

采用反射式紅外傳感器，集發(fā)射端與接收端一體，自主發(fā)射紅外線，利用紅外傳感器在反光率不同的物體表面上，輸出相應(yīng)的高低電平信號(hào)，其電路圖見圖2.電路由發(fā)光二極管，光敏三級(jí)管和若干電阻組成.傳感器的靈敏度可以通過改變R1與R2的值來實(shí)現(xiàn).

圖2 電路圖設(shè)計(jì)

2.2 紅外檢測(cè)模型的建立

設(shè)計(jì)一種檢測(cè)裝置機(jī)構(gòu)和黑帶樣式，各排傳感器呈中心對(duì)稱，設(shè)計(jì)平面圖見圖3.各排傳感器組A,B,C,D，每排共17個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，依次標(biāo)號(hào)1～17，檢測(cè)點(diǎn)的間距da=6 mm.為了減小檢測(cè)點(diǎn)的間距，每排的檢測(cè)點(diǎn)分兩排上下交錯(cuò)排布，將理論上檢測(cè)點(diǎn)的間距減小為da=3 mm.AB排、CD排傳感器的間距為L(zhǎng)=160 mm,黑帶長(zhǎng)為250 mm，黑帶寬為33 mm,橫向、縱向檢測(cè)范圍約±40 mm，航向角最大檢測(cè)范圍可達(dá)±20°.檢測(cè)點(diǎn)距地面垂直高度10 cm，Oa為檢測(cè)裝置的中心，Ob為地面上十字黑帶中心點(diǎn).

圖3 檢測(cè)裝置圖

根據(jù)各排傳感器輸出的高低電平信號(hào)，組合成二進(jìn)制數(shù)，每組二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一段偏移距離，由于檢測(cè)點(diǎn)之間有一定的間距，傳感器偏移距離可能會(huì)有最大3 mm偏移誤差，為了減小最大誤差，以兩檢測(cè)點(diǎn)連線的中心點(diǎn)作為偏移的參考點(diǎn)，這時(shí)候可以將最大偏移誤差減小到1.5 mm,根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)所測(cè)，每排傳感器檢測(cè)情況對(duì)應(yīng)偏移距離見表1.

表1 二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)偏移距離情況

當(dāng)AGV在運(yùn)行到十字黑帶上，會(huì)存在邊界問題，檢測(cè)點(diǎn)正好在十字黑帶的邊界處，會(huì)出現(xiàn)臨界狀態(tài)，傳感器會(huì)呈現(xiàn)高低電平交替變化情況，此時(shí)利用控制算法來解決邊緣分布問題.控制器采樣三組傳感器的數(shù)據(jù)，由于采樣時(shí)間特別短，可以認(rèn)為三組數(shù)據(jù)是在同一地點(diǎn)檢測(cè)的.判斷三組數(shù)據(jù)是否相同，如果不相同，說明檢測(cè)點(diǎn)正處于邊界處，按交替變化檢測(cè)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)來確定傳感器的偏移距離.如果相同，說明檢測(cè)點(diǎn)不在邊界處，數(shù)據(jù)按上表處理.

根據(jù)A，B排傳感器測(cè)出的電平信號(hào)，參考表1，可以確定偏移距離X1和X2.X1和X2有正負(fù)，當(dāng)傳感器左偏，為負(fù)，傳感器右偏，為正.偏航角規(guī)定，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù).由圖3可知，利用三角形相似原理，可解算出AGV的橫向偏移距離ΔX1和偏航角θ1為

(5)

(6)

同理，根據(jù)C,D排傳感器檢測(cè)情況可以解算出AGV的縱向偏移距離ΔX2和偏航角θ2.由于紅外檢測(cè)解算出是以車頭朝向?yàn)?°參考的偏移距離和偏航角.而在實(shí)際情況中，車頭朝向是變化的，已知規(guī)劃的路徑是沿著絕對(duì)坐標(biāo)系X,Y軸方向直線行駛，故，車頭朝向角度只有四種情況：0°，±90°，180°，根據(jù)式(5)～(6)及車頭朝向αk可確定AGV中心Oa相對(duì)中心點(diǎn)Ob的坐標(biāo)[ΔxΔyΔθ]T.

(7)

式中：Δx、Δy、Δθ分別為X方向偏差、Y方向偏差，以及偏航角.

3 基于RFID全局定位

將RFID標(biāo)簽與十字黑帶結(jié)合起來.使用RFID電子標(biāo)簽構(gòu)建全局地圖，通過識(shí)別RFID標(biāo)簽確定AGV在全局坐標(biāo)系下的大致坐標(biāo).在此基礎(chǔ)上結(jié)合紅外檢測(cè)，可以確定AGV在全局坐標(biāo)系下的位置與航向角，定位裝置結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 定位裝置結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)AGV節(jié)點(diǎn)定位分以下三個(gè)步驟進(jìn)行.

步驟1規(guī)劃全局坐標(biāo)系，規(guī)定初始AGV車頭的朝向沿著Y軸正方向αk=0°，并在AGV運(yùn)行路線的節(jié)點(diǎn)處鋪設(shè)十字黑帶和RFID標(biāo)簽.

步驟2AGV開始工作，當(dāng)AGV行駛到節(jié)點(diǎn)附近時(shí)，RFID閱讀器識(shí)別到RFID標(biāo)簽，記錄全局坐標(biāo)信息(XkYk)(其中：下標(biāo)k為經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)數(shù))，根據(jù)此節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(XkYk)和上一節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(Xk-1Yk-1)可確定此時(shí)AGV車頭朝向角度αk.

步驟3當(dāng)RFID閱讀器識(shí)別到RFID標(biāo)簽后，紅外傳感器開始檢測(cè)，檢測(cè)信息見式(7)，此時(shí)可以得出AGV在整個(gè)全局地圖下的位姿坐標(biāo)信息.

(8)

4 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證紅外檢測(cè)和RFID定位的性能，實(shí)驗(yàn)以圖5a)的自主研發(fā)的AGV為測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行定位誤差實(shí)驗(yàn)和回字型路線實(shí)驗(yàn).以起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以1 m的距離間隔貼上十字型黑帶和RFID標(biāo)簽，其坐標(biāo)分別為(X1Y1),(X2Y2),…,(XnYn)，單位為m，場(chǎng)景布置見圖5b).

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.1 定位誤差實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該定位方法的精度，進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，讓AGV以0.2 m/s的速度從起點(diǎn)(0 0)向(0 1)定位點(diǎn)運(yùn)行，重復(fù)?？?00次，測(cè)試AGV在兩節(jié)點(diǎn)的定位誤差，見圖6.

圖6 檢測(cè)誤差

根據(jù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)可以得出，該定位方法的橫向、縱向位置誤差均不超過5 mm，航向角誤差不超過0.8°.

4.2 回字型路線實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該定位方法的可行性、穩(wěn)定性以及誤差是否在AGV控制系統(tǒng)中可允許的范圍內(nèi)，讓AGV以0.2 m/s的速度循環(huán)走回字型路線，采集不同的傳感器信息來解算AGV位姿信息，通過數(shù)據(jù)分析和對(duì)比AGV的軌跡曲線.

為了增強(qiáng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)效果，該實(shí)驗(yàn)引入了技術(shù)已成熟的產(chǎn)品，由速感科技公司生產(chǎn)的Q300控制器搭配倍加福R2000系列的激光雷達(dá)，根據(jù)反射板的位置，自主建圖，可以直接輸出AGV的位置數(shù)據(jù)和航向角信息，且不會(huì)有任何累計(jì)誤差[8].經(jīng)測(cè)試其位置誤差不超過5 mm，角度誤差不超過0.5°.將激光雷達(dá)傳感器位姿信息作為AGV運(yùn)動(dòng)控制的參考依據(jù),見圖5b).同時(shí)通過控制器采樣單獨(dú)編碼器和編碼器與輔助定位結(jié)合解算出的位姿信息，本實(shí)驗(yàn)中采樣了AGV運(yùn)行過程中第一圈和第三圈的姿態(tài)信息，圖7為單獨(dú)激光導(dǎo)航、單獨(dú)編碼器和編碼器結(jié)合輔助定位的平面軌跡曲線圖.

圖7 AGV軌跡曲線

由圖7可知，AGV在第1圈時(shí)，三者的軌跡曲線比較接近.隨著AGV的運(yùn)行，在第3圈時(shí)，單獨(dú)編碼器導(dǎo)航的軌跡曲線已偏離了規(guī)劃路線.然而，編碼器結(jié)合了輔助定位之后，其第3圈與第1圈軌跡曲線變化不明顯，通過分析，說明編碼器結(jié)合輔助定位后已經(jīng)消除了AGV運(yùn)行過程產(chǎn)生的誤差.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

文中將紅外檢測(cè)與RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，克服了磁帶導(dǎo)航與二維碼導(dǎo)航的缺點(diǎn)，通過模擬AGV在倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境中運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：AGV在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，隨著AGV長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，累計(jì)誤差越來越大.通過在AGV運(yùn)行節(jié)點(diǎn)處設(shè)置輔助定位，能夠有效的消除AGV產(chǎn)生的誤差，從而實(shí)現(xiàn)AGV精確定位.該定位方法的橫向和縱向位置誤差均不超過5 mm,航向角誤差不超過0.8°，能夠滿足AGV自主導(dǎo)航.