基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统及导航方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统及导航方法，涉及移动机器人自动导航技术领域。室内AGV自动导航系统包括上位机、下位机、地面监控计算机、驱动模块、激光雷达、惯性测量单元和编码器。上位机通过激光雷达所采集的障碍物位置信息和下位机传递的AGV的加速度信息、AGV的角速度信息、AGV的速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息，按照激光SLAM建图程序来构建二维栅格地图，然后通过无线WIFI接收地面监控计算机分配的任务在已建立的地图上进行全局路径规划。本发明专利技术利用了ROS的分布式框架和开源代码，能够实现AGV室内自主导航。

【技术实现步骤摘要】
基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统及导航方法
本专利技术涉及移动机器人自动导航
，具体涉及一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统及导航方法。
技术介绍
伴随着“中国制造2025”和工业4.0的到来，传统制造业生产方式发生巨大的变革。物流业作为制造业的重要组成部分，其运行效率对制造业有着重要的影响，应用AGV来实现生产和搬运功能的集成化和自动化，能够有效提升物流行业的运行效率，进而促进制造业的发展。自动导航技术是AGV的核心技术之一，也是困扰着AGV应用于工业领域的重要限制因素。目前的AGV自动导航系统往往面临着自主能力差，易受环境影响的难题。而激光SLAM(simultaneouslocalizationandmapping)是一种同时定位和建图的技术，不依赖于环境信息。AGV通过激光SLAM就可以在在未知环境里利用激光雷达采集的障碍物位置信息以及编码器采集的AGV速度信息、AGV行驶里程信息和AGV循转角度信息就可以对进行建图，然后在已建立的地图上进行路径规划，最后通过运动控制就可以实现AGV的自动导航。目前自动导航AGV已成为移动机器人自动导航
的研究热点，并出现了大量设计方案，比如由中国专利技术申请专利《磁导航AGV控制系统》(CN109839906A)可知在地面上铺设磁带就可以实现磁导航AGV的自动导引，但是磁导航AGV只能沿磁带行走；又如中国专利技术申请专利公开说明书CN207742338U于2018年8月17日公开的《激光导航系统》，激光导航AGV在行驶路线上安装位置精确的反射板，激光导航AGV的车载激光传感器会在行走时发出激光束，激光束被多组反射板反射回来，接收器接收反射回来的激光并记录其角度值，通过结合反射板位置分析计算后，可以计算出激光导航AGV的准确坐标。通过以上分析我们可以得出以下几点：1)磁导航AGV自主性差且易受环境影响，磁导航AGV只能沿磁带行走，无法实时更改任务，易受磁性物质干扰。磁带铺设在地面上，也容易受到损毁，需定期维护。2)激光导引AGV同样面临着易受环境影响的缺点，由于激光导引AGV需要安装位置精确的反射板，因此激光导引AGV不适用于狭窄的走廊。并且当环境中的光线比较复杂时也不利于激光导引AGV的定位。3)基于激光SLAM的自动导航AGV首先不依赖于环境信息，能够利用传感器数据构建未知环境的地图，因此并不受未知环境的影响；其次通过局部路径规划可以动态的躲避障碍物。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统及导航方法，即首先建立未知环境的地图，然后在已建立好的地图上实现AGV的自动导航与避障。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统，包括激光雷达、惯性测量单元、编码器、驱动模块、下位机、上位机和监控终端；所述激光雷达与上位机通过串口单向连接，激光雷达采集障碍物位置信息，并将障碍物位置信息传递给上位机；所述惯性测量单元与下位机通过IIC接口单向连接，惯性测量单元采集AGV加速度信息和AGV角速度信息，并将AGV加速度信息和AGV角速度信息传递给下位机；所述编码器与下位机通过GPI0接口单向连接，编码器采集AGV线速度信息、AGV行驶里程信息和AGV循转角度信息，并将AGV线速度信息、AGV行驶里程信息和AGV循转角度信息传递给下位机；所述下位机与上位机通过串口双向连接，所述下位机通过IO线与驱动模块单向连接，所述上位机与监控终端通过无线WIFI实现通讯连接；所述下位机将接收到的AGV加速度信息、AGV角速度信息、AGV线速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息传递给上位机，并接收上位机发布的全局路径R，下位机再将驱动指令发送给驱动模块，驱动模块控制AGV按照全局路径R行驶；所述上位机接收监控终端发布的导航目标点；上位机接收激光雷达传递的障碍物位置信息、下位机传递的AGV加速度信息、AGV角速度信息、AGV线速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息，按照激光SLAM建图程序来构建二维栅格地图和在已构建的地图上进行路径规划产生全局路径R，并将全局路径R传递给下位机，所述激光SLAM建图程序是指搭载激光雷达、编码器和惯性测量单元传感器，在没有环境先验信息的情况下，在运动的过程中搭建二维栅格地图，同时估计自己的运动；所述监控终端负责向上位机发布导航目标点；所述驱动模块包括驱动电路、左轮驱动电机和右轮驱动电机，驱动电路接受下位机发送的驱动指令后，按照驱动指令控制左轮驱动电机和右轮驱动电机，实现AGV的行驶。优选地，所述上位机为工控机，操作系统为Linux和ROS，包含建图、自动导航及信息传输功能；所述下位机为嵌入式开发板。优选地，所述监控终端为PC机、笔记本、工控机和平板电脑中的一种或多种，监控终端的操作系统为Linux和ROS，包括在线显示地图和AGV导航目标点指定。优选地，所述障碍物位置信息中的障碍物包括动态障碍物和静态障碍物，静态障碍物包括墙面、办公设施、仪器设备，公共设施，动态障碍物包括人、动物和移动的物体；所述障碍物位置信息是指障碍物相对于AGV的距离信息和方位信息。优选地，所述室内AGV自动导航系统中还包括一个供电模块，用于给上位机、下位机、驱动模块、和编码器、惯性测量单元和激光雷达供电。本专利技术还提供了一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航方法，包括以下步骤：步骤1，静态二维栅格地图的构建；步骤1.1，记AGV所在的给定环境为E，E＝W×H，其中W为给定环境E的长度，H为给定环境E的宽度，记AGV在给定环境E中的起始位姿为点O，在给定环境E中启动AGV，并在人为指引下AGV从点O开始运动；步骤1.2，实时信息的获取，包括上位机通过激光雷达获取障碍物位置信息，下位机通过惯性测量单元采集AGV加速度信息和AGV角速度信息、通过编码器采集AGV线速度信息、AGV行驶距离信息和AGV循转角度信息；下位机将获取的AGV加速度信息、AGV角速度信息、AGV线速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息通过串口传递给上位机；步骤1.3，根据步骤1.2获取的实时信息，上位机利用激光SLAM算法在给定环境E中构建栅格边长为L的静态二维栅格地图M1；在静态二维栅格地图M1上以点O为原点建立平面地图坐标系，平面地图坐标系纵轴正方向为AGV车头所指的方向，纵轴正方向顺时针旋转90°为横轴正方向；所述静态二维栅格地图M1是一张由黑色栅格和白色栅格组成的地图，以相应的颜色表示每个栅格的占用状态，白色表示栅格为空闲状态，黑色表示栅格为被占用状态；步骤1.4，以每个栅格的对角线相交点在平面地图坐标系上的坐标来表示栅格在平面地图坐标系上的坐标，确定步骤1.3获取的静态二维栅格地图M1上每个白色栅格在平面地图坐标系上的坐标，并将二维栅格地图M1上每个黑色栅格在平面地图坐标系上的坐标设置为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统，其特征在于，包括激光雷达(10)、惯性测量单元(20)、编码器(30)、驱动模块(40)、下位机(50)、上位机(60)和监控终端(70)；/n所述激光雷达(10)与上位机(60)通过串口单向连接，激光雷达(10)采集障碍物位置信息，并将障碍物位置信息传递给上位机(60)；/n所述惯性测量单元(20)与下位机(50)通过IIC接口单向连接，惯性测量单元(20)采集AGV加速度信息和AGV角速度信息，并将AGV加速度信息和AGV角速度信息传递给下位机(50)；/n所述编码器(30)与下位机(50)通过GPI0接口单向连接，编码器(30)采集AGV线速度信息、AGV行驶里程信息和AGV循转角度信息，并将AGV线速度信息、AGV行驶里程信息和AGV循转角度信息传递给下位机(50)；/n所述下位机(50)与上位机(60)通过串口双向连接，所述下位机(50)通过IO线与驱动模块(40)单向连接，所述上位机(60)与监控终端(70)通过无线WIFI实现通讯连接；/n所述下位机(50)将接收到的AGV加速度信息、AGV角速度信息、AGV线速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息传递给上位机(60)，并接收上位机(60)发布的全局路径R，下位机(50)再将驱动指令发送给驱动模块(40)，驱动模块(40)控制AGV按照全局路径R行驶；/n所述上位机(60)接收监控终端(70)发布的导航目标点；上位机(60)接收激光雷达(10)传递的障碍物位置信息、下位机(50)传递的AGV加速度信息、AGV角速度信息、AGV线速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息，按照激光SLAM建图程序来构建二维栅格地图和在已构建的地图上进行路径规划产生全局路径R，并将全局路径R传递给下位机(50)，所述激光SLAM建图程序是指搭载激光雷达、编码器和惯性测量单元传感器，在没有环境先验信息的情况下，在运动的过程中搭建二维栅格地图，同时估计自己的运动；/n所述监控终端(70)负责向上位机(60)发布导航目标点；/n所述驱动模块(40)包括驱动电路、左轮驱动电机和右轮驱动电机，驱动电路接受下位机(50)发送的驱动指令后，按照驱动指令控制左轮驱动电机和右轮驱动电机，实现AGV的行驶。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统，其特征在于，包括激光雷达(10)、惯性测量单元(20)、编码器(30)、驱动模块(40)、下位机(50)、上位机(60)和监控终端(70)；
所述激光雷达(10)与上位机(60)通过串口单向连接，激光雷达(10)采集障碍物位置信息，并将障碍物位置信息传递给上位机(60)；
所述惯性测量单元(20)与下位机(50)通过IIC接口单向连接，惯性测量单元(20)采集AGV加速度信息和AGV角速度信息，并将AGV加速度信息和AGV角速度信息传递给下位机(50)；
所述编码器(30)与下位机(50)通过GPI0接口单向连接，编码器(30)采集AGV线速度信息、AGV行驶里程信息和AGV循转角度信息，并将AGV线速度信息、AGV行驶里程信息和AGV循转角度信息传递给下位机(50)；
所述下位机(50)与上位机(60)通过串口双向连接，所述下位机(50)通过IO线与驱动模块(40)单向连接，所述上位机(60)与监控终端(70)通过无线WIFI实现通讯连接；
所述下位机(50)将接收到的AGV加速度信息、AGV角速度信息、AGV线速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息传递给上位机(60)，并接收上位机(60)发布的全局路径R，下位机(50)再将驱动指令发送给驱动模块(40)，驱动模块(40)控制AGV按照全局路径R行驶；
所述上位机(60)接收监控终端(70)发布的导航目标点；上位机(60)接收激光雷达(10)传递的障碍物位置信息、下位机(50)传递的AGV加速度信息、AGV角速度信息、AGV线速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息，按照激光SLAM建图程序来构建二维栅格地图和在已构建的地图上进行路径规划产生全局路径R，并将全局路径R传递给下位机(50)，所述激光SLAM建图程序是指搭载激光雷达、编码器和惯性测量单元传感器，在没有环境先验信息的情况下，在运动的过程中搭建二维栅格地图，同时估计自己的运动；
所述监控终端(70)负责向上位机(60)发布导航目标点；
所述驱动模块(40)包括驱动电路、左轮驱动电机和右轮驱动电机，驱动电路接受下位机(50)发送的驱动指令后，按照驱动指令控制左轮驱动电机和右轮驱动电机，实现AGV的行驶。


2.根据权利要求1所述的一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统，其特征在于，所述上位机(60)为工控机，操作系统为Linux和ROS，包含建图、自动导航及信息传输功能；所述下位机(50)为嵌入式开发板。


3.根据权利要求1所述的一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统，其特征在于，所述监控终端(70)为PC机、笔记本、工控机和平板电脑中的一种或多种，监控终端(70)的操作系统为Linux和ROS，包括在线显示地图和AGV导航目标点指定。


4.根据权利要求1所述的一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统，其特征在于，所述障碍物位置信息中的障碍物包括动态障碍物和静态障碍物，静态障碍物包括墙面、办公设施、仪器设备，公共设施，动态障碍物包括人、动物和移动的物体；所述障碍物位置信息是指障碍物相对于AGV的距离信息和方位信息。


5.根据权利要求1所述的基于激光SLAM的室内AGV自动导航系统，其特征在于，所述室内AGV自动导航系统中还包括一个供电模块，用于给上位机(60)、下位机(50)、驱动模块(40)、和编码器(30)、惯性测量单元(20)和激光雷达(10)供电。


6.根据权利要求1所述的一种基于激光SLAM的室内AGV自动导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，静态二维栅格地图的构建；
步骤1.1，记AGV所在的给定环境为E，E＝W×H，其中W为给定环境E的长度，H为给定环境E的宽度，记AGV在给定环境E中的起始位姿为点O，在给定环境E中启动AGV，并在人为指引下AGV从点O开始运动；
步骤1.2，实时信息的获取，包括上位机(60)通过激光雷达(10)获取障碍物位置信息，下位机(50)通过惯性测量单元(20)采集AGV加速度信息和AGV角速度信息、通过编码器(30)采集AGV线速度信息、AGV行驶距离信息和AGV循转角度信息；下位机(50)将获取的AGV加速度信息、AGV角速度信息、AGV线速度信息、AGV循转角度信息和AGV行驶里程信息通过串口传递给上位机(60)；
步骤1.3，根据步骤1.2获取的实时信息，上位机(60)利用激光SLAM算法在给定环境E中构建栅格边长为L的静态二维栅格地图M1；
在静态二维栅格地图M1上以点O为原点建立平面地图坐标系，平面地图坐标系纵轴正方向为AGV车头所指的方向，纵轴正方向顺时针旋转90°为横轴正方向；所述静态二维栅格地图M1是一张由黑色栅格和白色栅格组成的地图，以相应的颜色表示每个栅格的占用状态，白色表示栅格为空闲状态，黑色表示栅格为被占用状态；
步骤1.4，以每个栅格的对角线相交点在平面地图坐标系上的坐标来表示栅格在平面地图坐标系上的坐标，确定步骤1.3获取的静态二维栅格地图M1上每个白色栅格在平面地图坐标系上的坐标，并将二维栅格地图M1上每个黑色栅格在平面地图坐标系上的坐标设置为固定值(W1，H1)，其中，W1＞W，H1＞H：将含有栅格坐标的静态二维栅格地图记为静态二维栅格地图M2；
步骤1.5，上位机(60)保存步骤1.4所获取的静态二维栅格地图M2，并通过无线WIFI将静态二维栅格地图M2传递给监控终端(70)；
步骤2，监控终端(70)向上位机(60)发布导航目标点并将导航目标点记为点S；
步骤3，上位机(60)接收导航目标点S，记AGV当前位置为点G，并以点G为起点、点S为终点在静态二维栅格地图M2上采用A*算法规划出一条安全无碰撞的全局路径R；
设AGV轮廓为正方形，边长为L1，L1≤L，且AGV只能沿着栅格的边界横向移动或者纵向移动；
设静态二维栅格地图M2中的每一个栅格为一个路点，将点G所在栅格设置为起始路点Pinit，将步骤3所述的点S所在栅格设置为目标路点Pgoal；
设从起始路点Pinit到达目标路点Pgoal需要循环的次数为N，并产生N个当前路点，将N次循环中的任意一次循环记为循...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔慧芳，孙纪兴，胡杰，房亮，赵志慧，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34