基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法，属于自动化控制领域。该导引装置包括车体两侧倾斜向下的摄像机、车体中心垂直向下的摄像机、车体顶部的惯性测量单元、车体前侧的障碍物传感器、车体底部的射频读卡器以及电连接上述部件的导引控制器。在自动导引车（AGV）运行路径两侧布置有色导引标线，在导引标线上布置位置重合的射频标签和有色定位标识。AGV的导引方法包括在两侧导引标线的中间区域所进行的区域通行导航以及跟随一侧导引标线所进行的路径跟踪导引，具有跨区域的远程运动灵活性和区域内的目标定位精确性。

Navigation device, landmark layout and navigation method based on multi vision and ins

The invention discloses a navigation device, a landmark layout and a navigation method based on multi view vision and inertial navigation, belonging to the field of automatic control. The guiding device comprises a downward camera, on both sides of the car body center vertically downward, the top of the camera body inertial measurement unit, in front of a vehicle body obstacle sensor, the body at the bottom of the RF card reader and electrically connected with the components of guidance controller. A color guided reticle is arranged on both sides of the running path of the automatic guided vehicle (AGV), and the radio frequency label and the colored positioning mark are arranged on the guiding reticle. The guidance method of AGV include guiding lines on both sides of the middle area of regional traffic navigation and path tracking guidance of side marking tracking guidance, target positioning remote motion flexibility and accuracy in cross regional.

【技术实现步骤摘要】
基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法
本专利技术属于自动化控制中的移动机器人导航
，具体指代一种基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法。
技术介绍
自动导引技术的研究始于20世纪50年代的美国，1954年BarretElectronics公司研制了第一台用于货物输送的自动导引车，随后自动导引车的应用扩展到工业生产领域。1974年瑞典的VolvoKalmar轿车装配厂采用自动导引车作为自动装配线的载运工具。从八十年代开始，美国国防部开始了地面无人作战平台的研究，主要针对适应不同地形的自主导航的智能车辆。自动导引技术始终是自动导引车和智能车辆领域研究的核心技术，目前比较常用的导引技术有电磁导引、磁带导引、光学导引、激光导引和惯性导引等。每种导引技术都有各自的优势和不足，面向不同的应用领域：(一)、电磁导引、磁带导引和光学导引：其主要用于固定路径导引方式，需要预先在地面铺设用于指示自动导引车跟踪目标的导引路径，自动导引车通过电磁感应或磁感应或光感应传感器，测量车体相对于导引路径的位置偏差，通过实时消除位置偏差保证车体沿导引路径运行，但在固定路径导引方式下，自动导引车不能显著偏离导引路径，否则会因传感器丢失导引信号而导致路径跟踪失败。(二)、激光导引：其可用于自由路径导引方式，但需要预先在三维空间(如墙壁)布置用于反射激光信号且位置已知的反射信标。自动导引车的顶部安装有激光导航雷达，该雷达在360°全方向上不断发射激光信号，激光信号遇到反射信标后会被反射回该雷达。如果激光导航雷达在同一位置可扫描到三个以上的反射信标，根据三角定位原理可计算出车体在二维平面内的位置坐标，实现自动导引车的自定位。针对目标点的位置坐标，通过路径规划可生成自动导引车的运行轨迹，通过轨迹跟踪控制车体向目标点运行。在自由路径导引方式下，理论上自动导引车不存在固定的运行路径，只要能同时扫描到三个以上的反射信标，车体可位于二维平面内的任意位置。然而，由于普通轮式移动车辆受到非完整约束，自动导引车的运行轨迹还是受到其机动性的限制，并不能处于二维平面内的任意位置。另外，激光导航雷达的关键技术被少数国外公司所垄断，价格昂贵，且其应用环境要求激光信号扫描空间内不能存在太多阻隔信号反射的障碍物。(三)、惯性导引：IMU(惯性测量单元)由多组陀螺仪和加速度计组成，可分别测量AGV车体的转动角加速度和平移加速度，从而估算AGV相对于参考点的位置和姿态。由于该方法需对上述加速度进行两次积分，其定位误差随着AGV运行距离的增加而不断增大，因此，一般利用其他绝对定位方法(如GPS或定位磁钉)，每隔一定预设距离消除一次累计定位误差。然而，采用GPS的绝对定位精度不高，而采用定位磁钉的绝对定位则将AGV限制于事先确定的固定运行路径上，导航灵活性较差。综合所述，目前广泛应用的自动导引技术难以在定位精度、导引灵活性、运行可靠性和设备成本等多种指标之间取得较好的协调匹配，因此，融合多种导引技术的组合导引方法还需进一步研究。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于多目视觉和惯导的导引装置、地标布局及导引方法，以解决现有技术中各种导引技术均存在不足，出现导航灵活性差、定位精度不高、运行可靠性差等问题。为达到上述目的，本专利技术的一种基于多目视觉和惯导的导引装置，包括：倾斜向下安装于车体两侧的侧向摄像机、垂直向下安装于车体中心的中心摄像机、安装于车体底部的射频读卡器、安装于车体顶部的惯性测量单元、安装于车体前侧的障碍物传感器、以及与上述各部件的信号输出端进行电连接的导引控制器；所述侧向摄像机用于识别并测量车体两侧较远位置处的导引标线和定位标识；所述中心摄像机用于识别并测量车体正下方位置处的导引标线和定位标识；所述射频读卡器用于识别导引标线上的射频标签；所述惯性测量单元用于测量车体运动的角加速度、角速度、线加速度和线速度；所述障碍物传感器用于测量障碍物的距离点云数据；所述导引控制器内存储有AGV运行环境的数字地图，通过采集上述各部件的输出信息，计算AGV的位置和姿态、障碍物的轮廓和距离、以及AGV导航的运行路径和定位目标点信息。优选地，所述侧向摄像机安装于车体左右两侧，并与水平地面成一定倾角，其视野下侧边界与车体侧向边界平行，且上述两边界间的距离S通过改变侧向摄像机的安装高度和倾角来调节；当导引标线和定位标识位于上述视野上侧边界和下侧边界之间时，侧向摄像机采集导引标线和定位标识的有效图像，并输出给导引控制器，用于测量车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL。优选地，所述中心摄像机垂直向下安装于车体中心，所述射频读卡器安装于车体底部、处于车体纵向中心线上、且位于中心摄像机的前方；所述中心摄像机的视野左侧、右侧边界与车体侧向边界平行，所述视野左侧、右侧边界的视野宽度WV通过改变中心摄像机的安装高度来调节；当导引标线和定位标识位于上述视野左侧边界和右侧边界之间时，中心摄像机采集导引标线和定位标识的有效图像，并输出给导引控制器，用于测量车体中心到导引标线的横向距离偏差ed2、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL；射频读卡器读取导引标线上射频标签内的编码信息，并输出给导引控制器，用于计算AGV位于电子地图上的全局位置和绝对姿态角优选地，所述惯性测量单元固定安装于车体顶部，随AGV共同运动时测量车体运动的角加速度α、角速度ω、线加速度a和线速度v，并输出给导引控制器，用于估算车体相对于上一个全局位置的当前全局位置相对于上一个绝对姿态角的当前绝对姿态角优选地，所述障碍物传感器安装于车体前侧，测量AGV前进方向上障碍物的距离点云数据，并输出给导引控制器，用于计算障碍物轮廓相对于AGV的径向距离和方位角再根据侧向摄像机测量的车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1，计算障碍物轮廓边界与两侧导引标线之间的通行区域宽度BP。本专利技术还提供了一种基于多目视觉和惯导的地标布局方法，包括步骤如下：在AGV运行区域两侧边界布置导引标线，所述导引标线作为限定AGV运行区域的边界线，即AGV只能在两侧导引标线的中间区域进行导航运动；所述导引标线还作为描述AGV跟踪目标路径的指引线，即AGV能够跟踪导引标线所描述的目标路径进行导引运动；两条导引标线及其中间所围区域定义为区域运行道路，根据道路宽度、AGV宽度及安全距离设置若干运行车道，每个区域运行道路至少包含一条运行车道；仅有一条运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为单向运行道路，多台AGV在单向运行道路上串行同向按序行驶；包含两条及以上运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为双向运行道路，多台AGV在双向运行道路上分别占据不同运行车道，既能够并行同向超车行驶，也能够并行反向会车行驶；当两条区域运行道路交叉时，一条区域运行道路一侧的导引标线与另一条区域运行道路相邻侧的导引标线通过圆弧标线过渡连接。优选地，在AGV运行路径上定义多个离散的路径节点，所述路径节点包括工位节点和里程节点，工位节点表示AGV进行装卸操作的移载位置，里程节点表示运行路径上的参考点在电子地图的绝对位置和方向角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，包括：倾斜向下安装于车体两侧的侧向摄像机、垂直向下安装于车体中心的中心摄像机、安装于车体底部的射频读卡器、安装于车体顶部的惯性测量单元、安装于车体前侧的障碍物传感器、以及与上述各部件的信号输出端进行电连接的导引控制器；所述侧向摄像机用于识别并测量车体两侧较远位置处的导引标线和定位标识；所述中心摄像机用于识别并测量车体正下方位置处的导引标线和定位标识；所述射频读卡器用于识别导引标线上的射频标签；所述惯性测量单元用于测量车体运动的角加速度、角速度、线加速度和线速度；所述障碍物传感器用于测量障碍物的距离点云数据；所述导引控制器内存储有AGV运行环境的数字地图，通过采集上述各部件的输出信息，计算AGV的位置和姿态、障碍物的轮廓和距离、以及AGV导航的运行路径和定位目标点信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，包括：倾斜向下安装于车体两侧的侧向摄像机、垂直向下安装于车体中心的中心摄像机、安装于车体底部的射频读卡器、安装于车体顶部的惯性测量单元、安装于车体前侧的障碍物传感器、以及与上述各部件的信号输出端进行电连接的导引控制器；所述侧向摄像机用于识别并测量车体两侧较远位置处的导引标线和定位标识；所述中心摄像机用于识别并测量车体正下方位置处的导引标线和定位标识；所述射频读卡器用于识别导引标线上的射频标签；所述惯性测量单元用于测量车体运动的角加速度、角速度、线加速度和线速度；所述障碍物传感器用于测量障碍物的距离点云数据；所述导引控制器内存储有AGV运行环境的数字地图，通过采集上述各部件的输出信息，计算AGV的位置和姿态、障碍物的轮廓和距离、以及AGV导航的运行路径和定位目标点信息。2.根据权利要求1所述的基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，所述侧向摄像机安装于车体左右两侧，并与水平地面成一定倾角，其视野下侧边界与车体侧向边界平行，且上述两边界间的距离S通过改变侧向摄像机的安装高度和倾角来调节；当导引标线和定位标识位于上述视野上侧边界和下侧边界之间时，侧向摄像机采集导引标线和定位标识的有效图像，并输出给导引控制器，用于测量车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL。3.根据权利要求1所述的基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，所述中心摄像机垂直向下安装于车体中心，所述射频读卡器安装于车体底部、处于车体纵向中心线上、且位于中心摄像机的前方；所述中心摄像机的视野左侧、右侧边界与车体侧向边界平行，所述视野左侧、右侧边界的视野宽度WV通过改变中心摄像机的安装高度来调节；当导引标线和定位标识位于上述视野左侧边界和右侧边界之间时，中心摄像机采集导引标线和定位标识的有效图像，并输出给导引控制器，用于测量车体中心到导引标线的横向距离偏差ed2、AGV车体与导引标线的姿态角偏差eθ、AGV中心相对于定位标识的纵向距离偏差eL；射频读卡器读取导引标线上射频标签内的编码信息，并输出给导引控制器，用于计算AGV位于电子地图上的全局位置和绝对姿态角4.根据权利要求1所述的基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，所述惯性测量单元固定安装于车体顶部，随AGV共同运动时测量车体运动的角加速度α、角速度ω、线加速度a和线速度v，并输出给导引控制器，用于估算车体相对于上一个全局位置的当前全局位置相对于上一个绝对姿态角的当前绝对姿态角5.根据权利要求1所述的基于多目视觉和惯导的导引装置，其特征在于，所述障碍物传感器安装于车体前侧，测量AGV前进方向上障碍物的距离点云数据，并输出给导引控制器，用于计算障碍物轮廓相对于AGV的径向距离和方位角再根据侧向摄像机测量的车体侧向边界到导引标线的横向距离偏差ed1，计算障碍物轮廓边界与两侧导引标线之间的通行区域宽度BP。6.一种基于多目视觉和惯导的地标布局方法，其特征在于，包括步骤如下：在AGV运行区域两侧边界布置导引标线，所述导引标线作为限定AGV运行区域的边界线，即AGV只能在两侧导引标线的中间区域进行导航运动；所述导引标线还作为描述AGV跟踪目标路径的指引线，即AGV能够跟踪导引标线所描述的目标路径进行导引运动；两条导引标线及其中间所围区域定义为区域运行道路，根据道路宽度、AGV宽度及安全距离设置若干运行车道，每个区域运行道路至少包含一条运行车道；仅有一条运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为单向运行道路，多台AGV在单向运行道路上串行同向按序行驶；包含两条及以上运行车道的区域运行道路在数字地图上设置为双向运行道路，多台AGV在双向运行道路上分别占据不同运行车道，既能够并行同向超车行驶，也能够并行反向会车行驶；当两条区域运行道路交叉时，一条区域运行道路一侧的导引标线与另一条区域运行道路相邻侧的导引标线通过圆弧标线过渡连接。7.根据权利要求6所述的基于多目视觉和惯导的地标布局方法，其特征在于，在AGV运行路径上定义多个离散的路径节点，所述路径节点包括工位节点和里程节点，工位节点表示AGV进行装卸操作的移载位置，里程节点表示运行路径上的参考点在电子地图的绝对位置和方向角，路径节点之间的距离根据地图构建需求灵活设置；路径节点通过在导引标线上布置位置重合的定位标识和射频标签来表示，射频标签位于导引标线上方的中心线上，记录节点类型TP、节点编号NP、全局位置绝对方向角绝对方向角的测量基准线与导引标线的切线平行；定位标识位于射频标签上方且两者的中心位置重合、测量基准线平行，通过摄像机测量AGV相对于定位标识的横向距离偏差ed1或ed2、姿态角偏差eθ和纵向距离偏差eL。8.一种基于多目视觉和惯导的导引方法，其特征在于，包括步骤如下：在两侧导引标线的中间区域所进行的区域通行导航以及跟随一侧导引标线所进行的路径跟踪导引；所述路径跟踪导引是AGV通过车体中心垂直向下安装的中心摄像机和车体底部前方的射频读卡器，近距离跟随导引标线、测量定位标识和识别射频标签进行路径跟踪控制、目标定位控制和全局位姿估计；所述路径跟踪控制是在AGV运行过程中，通过不断消除车体中心到导引标线的横向距离偏差ed2和AGV车体与导引...

【专利技术属性】
技术研发人员：武星，楼佩煌，张颖，张建鹏，钱晓明，金鹏，陈华，何珍，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32