AGV雷射防撞傳感器偏轉角自動標定裝置的製作方法

2023-04-26 16:30:37 1

本實用新型涉及自動化碼頭水平運輸系統中自動搬運貨櫃小車領域，更具體地說，涉及一種AGV雷射防撞傳感器偏轉角自動標定裝置。

背景技術：

貨櫃AGV(Automated Guided Vehicle，即「自動化導引運輸車」) 是自動化碼頭中一個重要組成部分。AGV與貨櫃碼垛吊車交互時，兩者之間不可能總是同步，對此，往往將貨櫃臨時放置在緩衝支架上，使得另外一個設備(AGV或貨櫃碼垛吊車)可以提前完成該任務去執行下一條任務。由於AGV進緩衝支架時，AGV側邊與緩衝支架之間允許預留的縫隙僅僅16cm左右，當AGV車身距離反光板小於7cm時，為了避免AGV與貨櫃緩衝支架發生碰撞，AGV必須停車。考慮AGV進入緩衝支架的過程中， AGV自身可能存在3cm左右的糾偏，AGV車長15m，依靠安裝於AGV車頭的雷射防撞傳感器探測AGV前方側邊的反射板，預估AGV車身跟支架反射板之間的距離，經過計算，要求獲取雷射防撞傳感器的偏轉角精度控制在0.15°以內。

目前，常見的解決辦法是在AGV側邊安裝多個超聲波傳感器來實現防撞。但是，超聲波傳感器也僅僅是探測AGV上安裝有超聲波的位置與貨櫃緩衝支架的單點距離，而無法預估車身其他位置到貨櫃緩衝支架的距離。

對於常見的雷射防撞傳感器的標定方法，可以利用AGV車身或AGV上一些定位基準作為參照物進行標定，但是，由於AGV是大型焊接結構件，要求標定精度誤差控制在0.15°以內，難度非常大。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的上述缺陷，本實用新型的目的是提供一種AGV 雷射防撞傳感器偏轉角自動標定裝置，能夠自動計算雷射防撞傳感器的偏轉角度，控制偏轉角度誤差在0.15度以內，從而減少人力成本，提高精度和效率。

為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案：

AGV雷射防撞傳感器偏轉角自動標定裝置，包括自動化導引運輸車(以下稱AGV車)，以及供AGV車行駛的車道，還包括前部雷射防撞傳感器、後部雷射防撞傳感器、前天線、後天線、磁釘、反光板和處理器，磁釘具有數個，分別設於車道的地面上，每個磁釘內均設有坐標信息的編碼，前部雷射防撞傳感器設於AGV車的前端，用以向外界發射雷射，前天線也設於AGV車的前端，且設於前部雷射防撞傳感器的後方，用以探測磁釘，後部雷射防撞傳感器設於AGV車的後端，用以向外界發射雷射，後天線也設於AGV車的後端，且設於後部雷射防撞傳感器的前方，用以探測磁釘，反光板具有數塊，均通過相應的反光板安裝支座均勻間隔設置於車道的一側邊，處理器分別與前部雷射防撞傳感器、後部雷射防撞傳感器、前天線和後天線數據相連，用以將接收的數據信息進行分析處理，並計算出前部雷射防撞傳感器和後部雷射防撞傳感器的偏轉角標定角度。

所述的雷射照射角度範圍為-5°～185°，照射距離為80m。

所述的前部雷射防撞傳感器、後部雷射防撞傳感器、前天線和後天線均設於AGV車的中心線位置上。

所述的磁釘的坐標誤差為0.5mm以內。

所述的反光板與車道的中心線，以及磁釘的連線均平行設置。

在上述的技術方案中，本實用新型所提供的AGV雷射防撞傳感器偏轉角自動標定裝置及標定方法，通過對反光板進行初步直線擬合的基礎上，採用濾波的方法剔除部分幹擾點後，再次進行直線擬合得到反光板與前、後部雷射防撞傳感器中心線的夾角。然後當AGV車前、後天線同時探測到磁釘時，根據前、後天線相對磁釘的橫向偏差計算AGV車在地面全局坐標系中的姿態角，最後，再結合反光板與前、後部雷射傳感器中心線的夾角，自動計算前、後部雷射防撞傳感器的安裝偏轉角的精確值。實現對雷射防撞傳感器偏轉角的精確自動標定，提高標定精度，減少人力成本，節約時間。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖；

圖2是本實用新型的組成框圖；

圖3是本實用新型自動標定方法的流程示意圖；

圖4是本實用新型計算反光板與雷射中心線夾角的流程示意圖；

圖5是本實用新型反光板幹擾點濾波的流程示意圖；

圖6是本實用新型計算AGV車當前姿態角的流程示意圖；

圖7是本實用新型計算AGV車姿態角的三角關係示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本實用新型的技術方案。

請結合圖1和圖2所示，本實用新型所提供的AGV雷射防撞傳感器偏轉角自動標定裝置，包括自動化導引運輸車(以下稱AGV車3)，以及供AGV車3行駛的車道10，還包括前部雷射防撞傳感器5、後部雷射防撞傳感器1、前天線4、後天線2、磁釘6、反光板7和處理器9，磁釘6具有數個，預先按照一定的規則分別埋設在車道10的地面上，並針對每個磁釘 6預先寫入包含坐標信息的編碼，前部雷射防撞傳感器5設於AGV車3的前端，用以向外界發射雷射，每隔0.25°發射一束雷射，前天線4也設於 AGV車3的前端，且設於前部雷射防撞傳感器5的後方，用以探測磁釘，獲取探測到的磁釘6在前天線4的坐標系中的坐標，並獲取該磁釘6在地面全局坐標系中坐標，後部雷射防撞傳感器1設於AGV車3的後端，用以向外界發射雷射，每隔0.25°發射一束雷射，待前部雷射防撞傳感器5標定完成後，將AGV車3掉頭，再對後部雷射防撞傳感器1進行標定，後天線2也設於AGV車3的後端，且設於後部雷射防撞傳感器1的前方，用以探測磁釘，獲取探測到的磁釘6在後天線2的坐標系中的坐標，並獲取該磁釘6在地面全局坐標系中坐標，反光板7具有數塊，均通過反光板安裝支座8均勻間隔設置於車道10的一側邊，同時確保與車道10的中心線平行，控制角度誤差在0.1°以內，反光板7與磁釘6的連線也平行設置，且間距控制在AGV車3一半的基礎上再加0.15m以外的位置，處理器9分別與前部雷射防撞傳感器5、後部雷射防撞傳感器1、前天線4和後天線2 數據相連，用以將接收的數據信息進行分析處理，並計算出前部雷射防撞傳感器5和後部雷射防撞傳感器1的偏轉角標定角度。

較佳的，所述的雷射照射角度範圍為-5°～185°，照射距離為80m。

較佳的，所述的前部雷射防撞傳感器5、後部雷射防撞傳感器1、前天線4和後天線2均設於AGV車3的中心線位置上。

較佳的，所述的磁釘6的誤差控制在0.5mm以內。

請結合圖3所示，在使用本實用新型所提供的AGV雷射防撞傳感器偏轉角自動標定裝置時，包括以下步驟：

S1.根據雷射的數據計算反光板與雷射中心線的夾角，前部雷射防撞傳感器將按照-5°到185°範圍內，每隔0.25°發出一束雷射，當每束雷射遇到反光板時，返回反光板與雷射發射中心的距離，同時記錄該角度，處理器根據反光板返回的雷射束的距離和角度信息，初步擬合出反光板在雷射直角坐標系中的直線方程，根據反光板反射回來的雷射數據到初步擬合直線的距離關係，剔除部分幹擾點，然後對剩餘的數據點，再次進行直線擬合，根據直線擬合的斜率，計算反光板與雷射中心線之間的夾角；

S2.根據前、後天線相對於磁釘的橫向偏差計算AGV的姿態角，AGV 車上的前、後天線同時探測到有效磁釘時，前、後天線將返回探測到磁釘在天線坐標系中的坐標位置，從而處理器可以計算出前、後天線中心點相對於磁釘連線的橫向偏移量，根據前、後天線中心點之間的距離，通過三角關係，處理器計算出AGV車相對於磁釘連線的夾角，即姿態角；

S3.計算雷射相對於AGV的安裝偏轉角，由於反光板安裝時，與磁釘連線平行設置，將反光板與雷射中心線的夾角減去AGV車的姿態角，最終求得雷射相對於AGV車的安裝偏轉角γ。

請結合圖4所示，所述的步驟S1中，前部雷射防撞傳感器具體標定如下(後部雷射防撞傳感器的具體標定，將AGV車掉頭，利用同樣的方法進行標定)：

S11.確定反光板的雷射有效角度照射範圍，假設前部雷射防撞傳感器中心點到反光板的距離為Dy，反光板最遠端點到AGV車頭的距離為Dx，於是，可以求出前部雷射防撞傳感器允許探測到反光板的有效角度θ為：

本實施例中，反光板安裝在AGV車的左側，而前部雷射防撞傳感器是以右側為零度，垂直向前為90°，所以，反光板的有效探測角度範圍θ′滿足：

θ′∈[180°-θ，180°]

S12.每隔一固定角度獲取反光板到雷射中心的距離和角度，根據反光板的雷射有效角度探測範圍，每個0.25°發射一束雷射到反光板，每束雷射照射到反光板後將返回前部雷射防撞傳感器，前部雷射防撞傳感器記錄下這些距離和角度信息，這些距離信息用ri表示，對應的角度信息用θi表示；

S13.將反光板各個位置到雷射中心的距離轉換成雷射坐標系中的坐標，假設前部雷射防撞傳感器90°向外發射的方向為雷射直角坐標系的x軸正方向，180°向外的方向為雷射直角坐標系的y軸正方向，則上述S12中的距離ri和角度θi的極坐標系可以轉換成直角坐標系中對應的坐標(xi,yi)，即：

S14.對反光板的數據進行初步直線擬合，假設反光板的在防撞雷射直角坐標系下的直線方程用y＝k1x+b1表示，其中，k1表示斜率，b1表示截距，這兩個參數是待確定的。對於雷射探測到的反光板的N組有效角度範圍內的數據(xi,yi)(其中，i＝1,2,……，N，下同)，利用最小二乘法對數據把數據擬合為直線。

用最小二乘法估計參數時，要求觀測值yi的偏差的加權平方和為最小。對於等精度觀測值的線性擬合，即：使下式的值最小即可：

對上式中的k1和b1分別求偏導得：

整理後，得到：

解上述方程，得到：

(其中，i＝1，2，……，N)

於是，可求得反光板在防撞雷射直角坐標系中初步擬合的直線方程 y＝k1x+b1中的斜率k1和截距b1的最佳估計值

S15.對初步擬合的反光板的幹擾數據點進行過濾，保留有效點，首先將計算被擬合的數據點到初步擬合直線的距離；然後，計算這些距離的標準偏差；最後，將距離大於兩倍標準偏差的數據點剔除，保留距離小於兩倍標準偏差的數據點。

S16.對幹擾剔除後的反光板的有效數據點進行重新直線擬合，根據類似於S14的方法，對剔除幹擾後的有效數據點(xj,yj)(其中，j＝1，2，……， M)進行直線擬合，可求得反光板在防撞雷射傳感器直角坐標系中擬合的直線方程y＝k2x+b2中的斜率k2和截距b2的最佳估計值和

(其中，j＝1，2，……，M)

S17.獲取反光板與雷射中心線的夾角，假設反射板與防撞雷射中心線 (即x軸)夾角用α表示，於是，有：

請結合圖5所示，對初步擬合的反光板的幹擾數據點進行過濾，保留有效點，具體如下：

S151.計算被擬合點到初步擬合直線的距離，計算反光板上若干數據點在防撞雷射坐標系中的坐標(xi,yi)到初步擬合直線的距離di。

S152.計算距離的標準偏差，被擬合點(xi,yi)到初步擬合直線的距離di的均值和標準偏差σd，於是有：

S153.距離不大於兩倍標準偏差，根據距離di與其兩倍的標準偏差σd比較，剔除「幹擾」點，保留集中點。

S154.該點為有效點，予以保留，當di≤2σd時，保留第i個點的數據，其中i＝1，2，……，N

S155.該點為幹擾點，予以剔除，當di＞2σd時，刪除第i個點的數據，其中i＝1，2，……，N

假設刪除部分幹擾點後，剩餘有效數據點的總數用M表示。

請結合圖6所示，計算AGV車當前姿態角具體如下：

S21.AGV車上的前、後天線同時探測到有效磁釘，AGV車上的前、後天線都經過預先埋設在地面裡並寫入準確坐標信息的磁釘時，前、後天線都會發送一個探測到有效磁釘的標識，啟動AGV車在地面全局坐標系中姿態角的計算。

S22.獲取前、天線探測到的磁釘在前天線坐標系中的坐標，結合圖7 計算AGV車姿態角的三角關係示意圖，假設前天線中心點為前天線坐標系的坐標原點，朝AGV車體外側為前天線坐標系的x軸正方形，根據笛卡爾坐標系的原則，得到前天線坐標系的y軸正方向。前天線探測到有效磁釘時，前天線可以獲取到磁釘在天線坐標系中的坐標，在前天線坐標系中，根據磁釘中心點的坐標，利用直角三角形的關係，可以輕易求出磁釘A的中心到前天線中心點OF的距離和夾角∠AOFB的大小。

S23.獲取後天線探測到的磁釘在後天線坐標系中的坐標，還是結合圖 7計算AGV車姿態角的三角關係示意圖，假設後天線中心點為後天線坐標系的坐標原點，朝AGV車體外側為後天線坐標系的x軸正方形，根據笛卡爾坐標系的原則，得到後天線坐標系的y軸正方向。後天線探測到有效磁釘時，後天線可以獲取到磁釘在天線坐標系中的坐標，在後天線坐標系中，根據磁釘中心點的坐標，利用直角三角形的關係，可以輕易求出磁釘C的中心到後天線中心點OR的距離和夾角∠CORB的大小。

S24.根據前、後天線坐標原點分別相對於前、後天線探測到磁釘的橫向偏差，計算AGV車的姿態角，結合圖7計算AGV車姿態角的三角關係示意圖，根據三角形的正弦定理有：

由於∠OFBA＝∠ORBC，且為前、後天線探測到的磁釘的距離，為已知量。所以，可以求得：

∠OFBA即為AGV與磁釘中心線的夾角，記為β。

綜上所述，本實用新型可以根據安裝於AGV車前方的雷射防撞傳感器探測到貨櫃緩衝支架側邊雷射反光板的數據和AGV車當前的位置和姿態，自動計算雷射防撞傳感器的偏轉角度，控制偏轉角度誤差在0.15度以內。從而減少人力成本，提高精度和效率。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型，而並非用作為對本實用新型的限定，只要在本實用新型的實質精神範圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本實用新型的權利要求書範圍內。