一種基於導軌定位導引系統及方法與流程

2023-05-29 00:09:06

本發明涉及自動控制領域，特別涉及一種基於導軌定位導引系統及方法，尤其適合於移動路徑相對固定的自主導航設備。

背景技術：

現有基於導軌定位導引方式包括電磁軌道方式、金屬軌道方式和視覺導引方式。電磁軌道方式利用鋪設在地上的電磁軌道來設置行駛路線，被定位導引目標根據其上安置的傳感器檢測電磁軌道的信息進行導引，電磁導引的優點是導引線隱蔽，不易汙染和破損，導引原理簡單可靠，便於通訊和控制，對聲光無幹擾，製造成本低，缺點是路徑難以更改擴充，對複雜路徑難以適應，傳感器長時間使用後會出現溫漂、磁飽和問題，而且有些應用場合對光潔度要求很高，鋪設磁條影響美觀、不便管理。

金屬軌道導引方式是利用鋪設於地上或空中的金屬軌道來設置行駛路線，被定位導引完全按金屬軌道的約束行駛。軌道導引方式的優點是作業站定位簡單、準確；缺點是搬運路徑變化時需要重新鋪設軌道，費事費時，路徑修改靈活性差，適合路徑固定的生產方式，對軌道在作業站點相對作業裝備的位置及方向要求高。

視覺導引以光信號為基礎，利用鋪設於地面的色帶或者導引帶，通過對攝像機或視覺傳感器才入的色帶信號就行處理後後實現被定位導引目標的定位導引，其優點是反應速度快，不易受電磁幹擾和環境影響，適應能力強；缺陷是外界複雜環境對色帶導軌或導引軌道的汙染磨損和意外破壞會導致導引的可靠性降低，甚至導致定位導引無法正常工作。

技術實現要素：

為了解決現有基於導軌定位導引方式擴展性差問題，本發明提出一種基於導軌定位導引系統，包括上位機、定位帶、信標、發射接收器。

上位機通過比較發射接收陣列當前所收到的信標識別號和目的地信標識別號，給出停止狀態下的發射接收器的初始方向、初始速度、規劃路徑上的信標識別號列表；通過信標向移動中的發射接收器發送移動要求，包括路徑、方向和停止位置，並接收發射接收器上傳的發射接收器狀態信息及途經路況信息。

導軌帶由對發射的光學信號反射率有明顯差別的高反射率部分和低反射率部分組成，一種方式是高反射率部分在中間，低反射率部分在兩邊或者沒有低反射率部分；另一種方式是低反射率部分在中間，高反射率部分在兩邊或者沒有高反射率部分。

導軌帶每隔一定距離安裝有信標，被定位導引目標沿導軌帶雙向移動時，信標向外發送信息包括：信標唯一識別號，前一信標唯一識別號、距離、停止許可，下一信標唯一識別號、距離、停止許可，上行轉彎角度，下行轉彎角度，上行最大允許速度，下行最大允許速度；沿導軌帶單向移動時，信標向外發送信息包括：信標識別號，下一信標識別號、距離、停止許可、轉彎角度，最大允許速度；所謂上行是指被定位導引目標實際經過的信標號次序與設定經過的信標的次序相同，次序相反為下行；信標周期性上傳信息給上位機，上傳信息包含自身狀態信息、發射接收器狀態信息及其途經路面狀態信息；兩個相鄰信標之間路徑只有一個被定位導引目標。

發射接收器位於被定位導引目標上，其定位中心線和被定位導引目標定位中心有確切的幾何關係；發射接收器發射光學信號到導軌帶；由於導軌帶各部分反射率不同，發射接收器不同位置的接收器接收到的光學信號強度有差別，從而形成導軌帶中間部分在發射接收器上的投影；比較投影與發射接收器定位中心線，可獲得發射接收器相對位置偏差；發射接收器接收信標發送信息，獲得停止位置、轉彎角度、最大允許速度，比較信標實際經過次序與設定經過次序，獲得移動方向偏差。

發射接收器光學信號發射方式有兩種：分時掃描方式，發射器按設定順序一次發射信號，所有發射器發射的光學信號相同；同時掃描方式，所有發射器同時發射光學信號，每個發射器發射的信號不同；發射的光學信號是調製後信號。

發射接收器帶方位傳感器、速度傳感器、傾角傳感器。

發射接收器通過信標將自身識別號，經過的前一信標識別號，被定位導引目標狀態信息，經過路況信息發送到上位機。

本發明基於導軌定位導引系統的有益之處為：與電磁導軌和金屬導軌方式相比，本發明的導軌帶可以鋪設於被定位導引目標上方，導軌路徑更改擴充容易，環境適應性強；與視覺導航方式相比，本發明的定位導引由導軌帶和信標雙重保證，上位機可實時更改被定位導引目標路徑，即使部分導軌帶或者信標損毀定位導引也能工作。

本發明的另外一個目的是提供一種基於導軌的定位導引方法，實現移動路徑相對固定的設備的定位導引，包括以下步驟：

A：上位機通過信標給發射接收器發送規劃路徑、方向和停止位置；

B：發射接收器發射到導軌帶上的光學信號，反射後由接收器接收；導軌帶中間部分和兩邊部分反射率不同，發射接收器不同位置的接收器接收到的光學信號強度有差別，形成導軌帶中間部分在發射接收器上的投影；比較投影與發射接收器定位中心線，獲得發射接收器以導軌帶中間部分為參照的相對位置偏差；發射接收器接收信標發送信息，比較信標實際經過次序與設定經過次序，獲得移動方向偏差；通過接收信標發送信息獲得上位機給出的停止位置、轉彎角度、最大允許速度；

C：發射接收器將相對位置偏差信息，移動方向偏差信息，停止位置信息，轉彎角度信息，最大允許速度信息，自身方位、速度、傾角信息輸入被定位導引目標的驅動控制系統，實現發射接收器定位中心線與導軌帶中間部分投影重合，移動方向、轉彎角度、最大速度、停止位置符合上位機要求，實現被定位導引目標按上位機規劃路徑和方向移動、在設定位置停止的目的；

D：發射接收器通過信標向上位機上傳自身識別號，經過的前一信標識別號，被定位導引目標狀態信息，途經路況信息，上位機獲得被定位導引目標當前位置、狀態與途經路況信息。

本發明基於導軌定位導引系統及方法，利用光學信號具有一定的方向性及光強度的特性，通過導軌帶對光學信號反射後投影和信標通訊實現定位導引，發射接收裝置簡單，對複雜環境適應性強。本發明的有益效果是構造簡單，避免導軌和信標複雜硬體設備、複雜算法、導軌部署難度、發射接收裝置複雜硬體設備，發明繼承了現有導軌式定位導引系統和方法的優點，避免了其缺點，實用性好，系統成本低，適用於各種室內室外場景，具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是基於導軌定位導引系統框圖

圖2是基於導軌定位導引方法流程圖

圖中，100，上位機；101，導軌帶；102，信標；1011，導軌帶中間部分；103，發射接收器；1031，發射器；1032，接收器；1033，發射接收器定位中心線；1034，導軌帶中間部分在發射接收器上的投影；104，發射接收器發射的光學信號；105，導軌帶反射的光學信號；106，發射接收器與信標之間通訊，107，上位機與信標之間通訊。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明就行進一步詳細說明，應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

如圖1所示，上位機100通過比較發射接收器103當前收到信息的信標102識別號和目的地信標識別號，給出停止狀態下的發射接收器的初始方向、初始速度、規劃路徑上的信標識別號列表；在發射接收器移動過程中通過與信標通訊107和發射接收器與信標間通訊106實時更新發射接收器移動要求，包括路徑、方向和停止位置，同時通過發射接收器與信標間通訊實時獲得發射接收器狀態及途經路況信息。

導軌帶101由對光學信號反射率有明顯差別的高反射率部分和低反射率部分組成，一種方式是高反射率部分在中間1011，低反射率部分在兩邊或者沒有低反射率部分；另一種方式是低反射率部分在中間，高反射率部分在兩邊或者沒有高反射率部分；採用哪種方式取決於應用場景：在沒有導軌帶情況下，發射的光學信號，接收器接收到光學信號強度高於設定值的場景為高反射率場景，導軌帶中間是低反射率部分；在沒有導軌帶情況下，發射的光學信號，接收器接收到光學信號強度低於設定值的場景為低反射率場景，導軌帶中間是高反射率部分。

導軌帶每隔一定距離安裝有信標，被定位導引目標沿導軌帶雙向移動時，信標向外發送信息包括：信標唯一識別號，前一信標唯一識別號、距離、停止許可，下一信標唯一識別號、距離、停止許可，上行轉彎角度，下行轉彎角度，上行最大允許速度，下行最大允許速度；沿導軌帶單向移動時，信標向外發送信息包括：信標識別號，下一信標識別號、距離、停止許可、轉彎角度，最大允許速度；所述上行是指信標實際經過次序與設定經過次序相同，次序相反為下行；信標周期性上傳信息給上位機；兩個相鄰信標之間路徑只有一個被定位導引目標。

發射接收器位於被定位導引目標上，其定位中心線1033和被定位導引目標定位中心有確切的幾何關係；發射接收器發射光學信號104到導軌帶；由於導軌帶各部分反射率不同，發射接收器不同位置的接收器接收到的光學信號105強度有差別，從而形成導軌帶中間部分在發射接收器上的投影1034；比較投影與發射接收器定位中心線，可獲得發射接收器相對位置偏差；發射接收器接收信標發送信息，獲得停止位置、轉彎角度、最大允許速度，比較信標實際經過次序與設定經過次序，獲得移動方向偏差。

發射接收器光學信號發射方式有兩種：分時掃描方式，發射器按設定順序依次發射光學信號，所有發射器發射的光學信號相同；同時掃描方式，所有發射器同時發射光學信號，每個發射器發射的信號不同；發射的光學信號是調製後信號。

發射接收器帶方位傳感器、速度傳感器、傾角傳感器；發射接收器通過信標將自身識別號，經過的前一信標識別號，被定位導引目標狀態信息，經過路況信息發送到上位機。

發射接收器將相對位置偏差信息，移動方向偏差信息，停止位置信息，轉彎角度信息，最大允許速度信息，自身方位、速度、傾角信息輸入被定位導引目標的驅動控制系統，實現發射接收器定位中心線與導軌帶中間部分投影重合，移動方向、轉彎角度、最大速度、停止位置符合上位機要求，實現被定位導引目標按上位機規劃路徑和方向移動、在設定位置停止的目的。

如圖2所示，本發明基於導軌定位導引方法包含以下步驟：

S100：上位機通過信標給發射接收器發送規劃路徑、方向、停止位置和最大允許速度；

S101：發射接收器發射到導軌帶上的光學信號，反射後由接收器接收；導軌帶中間部分和兩邊部分反射率不同，發射接收器不同位置的接收器接收到的光學信號強度有差別，形成導軌帶中間部分在發射接收器上的投影；比較投影與發射接收器定位中心線，獲得發射接收器以導軌帶中間部分為參照的相對位置偏差；發射接收器接收信標發送信息，比較信標實際經過次序與設定經過次序，獲得移動方向偏差；通過接收信標發送信息獲得上位機給出的停止位置、轉彎角度、最大允許速度；

S102：發射接收器將相對位置偏差信息，移動方向偏差信息，停止位置信息，轉彎角度信息，最大允許速度信息，自身方位、速度、傾角信息輸入被定位導引目標的驅動控制系統，實現發射接收器定位中心線與導軌帶中間部分投影重合，移動方向、轉彎角度、最大速度、停止位置符合上位機要求，實現被定位導引目標按上位機規劃路徑和方向移動、在設定位置停止的目的；

S103：發射接收器通過信標向上位機上傳自身識別號，經過的前一信標識別號，被定位導引目標狀態信息，途經路況信息，上位機獲得被定位導引目標當前位置、狀態與途經路況信息。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進，均應包含在本發明的保護範圍之內。