一种激光无人叉车导航参数自动校准系统及方法技术方案

一种激光无人叉车导航参数自动校准系统，实施于激光无人叉车，激光无人叉车包括一驱动前轮、两个运动轴共线的后轮，前轮为驱动转向轮，其中：所述激光无人叉车导航参数自动校准系统包括中央控制器，激光无人叉车驱动前轮上设置有用于测量前轮转动角速度的驱动编码器，激光无人叉车驱动前轮上还设置有用于测量前轮绕垂直于地面的轴线旋转角度的转向编码器，在激光无人叉车的顶部设置有导航用单线激光雷达，激光无人叉车进行导航时，需要单线激光雷达执行建图和定位功能。雷达执行建图和定位功能。雷达执行建图和定位功能。

【技术实现步骤摘要】
一种激光无人叉车导航参数自动校准系统及方法


[0001]本专利技术涉及激光无人叉车导航系统
，尤其涉及一种激光无人叉车导航参数自动校准系统和方法。

技术介绍

[0002]激光无人叉车的自主导航运行需要事先配置好和导航相关的各种参数，这些参数通常分为两类：一类是与激光无人叉车的里程计计算相关的参数如激光无人叉车驱动前轮的轮半径、前轮与激光无人叉车运动参考点的距离即轴距；另一类参数（）描述了激光雷达参考坐标系相对于激光无人叉车运动参考坐标系的X、Y坐标轴方向的距离偏差和绕Z坐标轴方向的角度偏差。
[0003]在实际应用中，基于差速驱动移动底盘的移动机器人对其导航相关参数进行自动校准的方法已被使用，但是针对单舵轮驱动形式的移动机器人如激光无人叉车，在工厂的实际运行使用环境中，对导航相关的参数如驱动前轮的轮半径、驱动前轮的轴距及激光雷达相关的导航位置参数（），同时定期进行自动校准的系统和方法还没有。
[0004]随着移动机器人SLAM导航技术的发展，采用基于工厂的实际环境进行导航的激光无人叉车已逐渐得到大量的应用；因此，针对工业场景应用中的基于工厂实际周围环境导航的激光无人叉车，对其相关导航参数进行自动校准的问题开展研究非常必要。

技术实现思路

[0005]为了解决现有的激光无人叉车导航相关参数采用手动或半自动方式校准而不是在激光无人叉车实际运行过程中自动进行校准的问题，本专利技术提供了一种激光无人叉车在生产实际运行过程中导航参数自动校准的系统和方法。
[0006]一种激光无人叉车导航参数自动校准系统，实施于激光无人叉车，激光无人叉车包括一驱动前轮、两个运动轴共线的后轮，前轮为驱动转向轮，其中：所述激光无人叉车导航参数自动校准系统包括中央控制器，激光无人叉车前轮上设置有用于测量前轮转动角速度的驱动编码器，激光无人叉车前轮上还设置有用于测量前轮绕垂直于地面的轴线旋转角度的转向编码器，在激光无人叉车的顶部设置有导航用单线激光雷达，激光无人叉车进行导航时，需要单线激光雷达执行建图和定位功能；所述驱动编码器的采集信号输出端与用于驱动前轮的电机驱动器的驱动编码器信号输入端相连，再由驱动前轮的电机驱动器的CAN接口通过CAN总线将前轮绕中心旋转的角速度值发送给中央控制器；所述转向编码器的采集信号输出端通过CAN总线将所检测到的前轮绕垂直于地面的轴线所旋转角度的数值发送给中央控制器，单线激光雷达的信号输出端通过以太网接口连接所述中央控制器的雷达信号输入端。
[0007]本专利技术还提供了一种激光无人叉车导航参数自动校准的方法，其中：包括如下步骤：
1）、预先输入激光无人叉车用导航参数初始值：激光无人叉车前轮的轮半径、前轮的中心与激光无人叉车的运动参考点之间的距离即轴距、导航传感器单线激光雷达坐标系与激光无人叉车的运动参考点坐标系之间的相对位姿，激光无人叉车的运动参考点指的是两个运动轴共线的从动后轮轴的中心位置；2）、激光无人叉车正常运行时，当经过预先设定的路段时，由中央控制器根据激光无人叉车的位置自动启动激光无人叉车的导航参数自动校准系统，并自动将激光无人叉车实时运行时的前轮绕轮中心旋转的角速度值、前轮绕垂直于地面轴线的旋转角度及单线激光雷达的实时扫描数据等相关测量数据存储记录为数据文件，所存储记录的数据文件采用二进制文件的格式，采用直接读取所测量的数据在内存中的存储地址中所存储的相应二进制数值，并存储记录下来；3）、激光无人叉车导航参数的最优化非线性求解过程，在相邻两帧激光扫描点云时间戳时间之间将通过激光雷达的帧间匹配方法所得出的激光雷达在全局参考坐标系下的位姿偏差做为第一位姿偏差，在相同的时间段内将由激光无人叉车的运动学模型所计算得出的激光雷达在全局参考坐标系下的位姿偏差做为第二位姿偏差，最后将第一位姿偏差与第二位姿偏差作差，称为它们之间的位姿偏差残差。此位姿偏差残差最小化问题可以通过非线性最小二乘优化方法求解，这里采用高斯牛顿迭代的非线性优化方法求解。在求取偏差残差最小值的优化迭代过程中，可在预先所输入的激光无人叉车导航参数初始值的基础上，最终得出经过优化校正后的激光无人叉车导航参数的准确数值。
[0008]进一步的，所述的激光无人叉车导航参数自动校准的方法，其中：所述的步骤3）具体步骤如下：3
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1）、单线激光雷达360度扫描检测周围环境，当激光雷达按照所设定的扫描频率工作时，则激光雷达每隔一个扫描周期扫描一圈，将所扫描的一圈360度环境点云数据做为完整的一帧数据；当激光无人叉车运行在预先设定的导航参数自动校准路线上时，激光无人叉车的运动速度为400mm/s左右，则在激光雷达获得扫描完整一帧数据期间，激光无人叉车的激光雷达发生了相应的位姿变化，在该扫描周期运行期间，根据激光无人叉车实际运行时的时间戳和对应的位姿，对当前时刻扫描的激光点云使用激光雷达运动畸变去除的方法，由此可得到经过处理后的激光雷达扫描完整一帧360度的二维激光点云数据；以此类推，在每隔相邻的扫描周期内，就分别得到经过去运动畸变校正后的一系列完整激光点云数据；3
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2）、经过去运动畸变校正处理后的激光点云数据，采用公开的激光点云的帧间匹配方法即PL
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ICP方法，计算出每两帧相邻完整激光扫描点云时间戳时间之间，激光雷达在全局参考坐标系下的实际位姿偏差，记为；其中表示第i时刻激光雷达在全局参考坐标系下两帧激光点云时间戳时间之间的位姿偏差，表示激光雷达位姿偏差在全局参考坐标系下x方向的偏差，表示激光雷达位姿偏差在全局参考坐标系下y方向的偏差，表示激光雷达位姿偏差在全局参考坐标系下绕z方向的角度偏差；3
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3）、根据激光无人叉车的运动学模型，计算激光无人叉车的运动参考点在相邻两帧激光扫描点云时间戳时间之间，在全局坐标系下的位姿偏差：
根据激光无人叉车的运动特点，前轮是驱动转向轮，两个后轮是运动轴共线的固定的从动轮，在一极小时间段内，激光无人叉车的运动参考点由点—坐标为行驶到点—坐标为，其中表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻的位姿，表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻的位姿，根据激光无人叉车的运动学模型，则可以得到激光无人叉车的运动参考点由点运动到点的位姿，如式（1）所示：（1）式（1）中表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻全局坐标系下x方向的位置，表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻全局坐标系下y方向的位置，表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻全局坐标系下的方向角度；表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻全局坐标系下x方向的位置，表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻全局坐标系下y方向的位置，表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻全局坐标系下的方向角度；表示激光无人叉车驱动前轮的半径，b表示激光无人叉车前轮中心到激光无人叉车运动参考点的距离，表示激光无人叉车前轮的转动角速度，表示激光无人叉车驱动前轮与车体中心轴线的夹角；进行激光无人叉车的运动参考点在相邻两帧激光扫描点云时间戳时间之间位姿偏差的计算：由于根据式（1）所计算得出的激光无人叉车运动参考点的实时位姿所对应的时间戳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光无人叉车导航参数自动校准系统，实施于激光无人叉车，激光无人叉车包括一驱动前轮、两个运动轴共线的后轮，前轮为驱动转向轮，其特征在于：所述激光无人叉车导航参数自动校准系统包括中央控制器，激光无人叉车前轮上设置有用于测量前轮转动角速度的驱动编码器，激光无人叉车前轮上还设置有用于测量前轮绕垂直于地面的轴线旋转角度的转向编码器，在激光无人叉车的顶部设置有导航用单线激光雷达，激光无人叉车进行导航时，需要单线激光雷达执行建图和定位功能；所述驱动编码器的采集信号输出端与用于驱动前轮的电机驱动器的驱动编码器信号输入端相连，再由驱动前轮的电机驱动器的CAN接口通过CAN总线将前轮绕中心旋转的角速度值发送给中央控制器；所述转向编码器的采集信号输出端通过CAN总线将所检测到的前轮绕垂直于地面的轴线所旋转角度的数值发送给中央控制器，单线激光雷达的信号输出端通过以太网接口连接所述中央控制器的雷达信号输入端。2.一种激光无人叉车导航参数自动校准的方法，其特征在于：包括如下步骤：1）、预先输入激光无人叉车用导航参数初始值：激光无人叉车前轮的轮半径、前轮的中心与激光无人叉车的运动参考点之间的距离即轴距、导航传感器单线激光雷达坐标系与激光无人叉车的运动参考点坐标系之间的相对位姿，激光无人叉车的运动参考点指的是两个运动轴共线的后轮的运动轴所在直线的中心位置；2）、激光无人叉车正常运行时，当经过预先设定的路段时，由中央控制器根据激光无人叉车的位置自动启动激光无人叉车的导航参数自动校准系统，并自动将激光无人叉车实时运行时的前轮绕轮中心旋转的角速度值、前轮绕垂直于地面轴线的旋转角度及单线激光雷达的实时扫描数据等相关测量数据存储记录为数据文件，所存储记录的数据文件采用二进制文件的格式，既直接读取所测量的数据在内存中的存储地址中所存储的相应二进制数值，并存储记录下来；3）、在连续的两帧激光雷达扫描帧时间内，中央控制器根据激光雷达扫描数据计算出激光雷达在全局参考坐标系下相邻两个激光扫描帧时间之间的位姿偏差；再根据激光无人叉车的运动学模型、实时记录的前轮绕轮中心旋转的角速度、前轮绕垂直于地面轴线的旋转角度及激光雷达参考坐标系与激光无人叉车的运动参考坐标系之间的相对位置参数，也计算出激光雷达在全局参考坐标系下相邻两个激光扫描帧时间之间的位姿偏差，对针对这两种方法所分别计算出的激光雷达的位姿求取偏差，再对这个偏差采用高斯牛顿迭代的非线性优化方法求取最小值；在求取偏差最小值的优化迭代过程中，可在预先所输入的激光无人叉车导航参数初始值的基础上，最终得出经过优化校正后的激光无人叉车导航参数的准确数值。3.如权利要求2所述的激光无人叉车导航参数自动校准的方法，其特征在于：所述的步骤3）具体步骤如下：3
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1）、单线激光雷达360度扫描检测周围环境，当激光雷达按照所设定的扫描频率工作时，则激光雷达每隔一个扫描周期扫描一圈，将所扫描的一圈360度环境点云数据做为完整的一帧数据；当激光无人叉车运行在预先设定的导航参数自动校准路线上时，激光无人叉车的运动速度为400mm/s左右，则在激光雷达获得扫描完整一帧数据期间，激光无人叉车的激光雷达发生了相应的位姿变化，在该扫描周期运行期间，根据激光无人叉车实际运行时的时间戳和对应的位姿，对当前时刻扫描的激光点云使用激光雷达运动畸变去除的方法，
由此可得到经过处理后的激光雷达扫描完整一帧360度的二维激光点云数据；以此类推，在每隔相邻的扫描周期内，就分别得到经过去运动畸变校正后的一系列完整激光点云数据；3
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2）、经过去运动畸变校正处理后的激光点云数据，采用公开的激光点云的帧间匹配方法即PL
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ICP方法，计算出每两帧相邻完整激光扫描点云时间戳时间之间，激光雷达在全局参考坐标系下的实际位姿偏差，记为；其中表示第i时刻激光雷达在全局参考坐标系下两帧激光点云时间戳之间的位姿偏差，表示激光雷达位姿偏差在全局参考坐标系x方向的偏差，表示激光雷达位姿偏差在全局参考坐标系y方向的偏差，表示激光雷达位姿偏差在全局参考坐标系z方向的角度偏差；3
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3）、根据激光无人叉车的运动学模型，计算激光无人叉车的运动参考点在相邻两帧激光扫描点云时间戳时间之间，在全局坐标系下的位姿偏差：激光无人叉车的前轮是驱动转向轮，两个后轮是同轴固定的从动轮，在一极小时间段内，激光无人叉车的运动参考点由点—坐标为行驶到点—坐标为，其中表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻的位姿，表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻的位姿，根据激光无人叉车的运动学模型，则可以得到激光无人叉车的运动参考点由点运动到点的位姿，如式（1）所示：（1）式（1）中表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻全局坐标系下x方向的位置，表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻y方向的位置，表示激光无人叉车的运动参考点在第时刻的方向角度；表示激光无人叉车的运动参考点...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，邓智恒，徐斌，张胜，耿牛牛，刘媛媛，徐京邦，康照奇，
申请(专利权)人：机科发展科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：