一種智能光學導引系統的製作方法
2023-06-14 03:30:46 1
本發明涉及無人駕駛運動小車，運動機器人運行路徑導引領域，尤其涉及倉儲搬運機器人運行路逕自動導引系統。
背景技術：
隨著社會的快速發展，大量貨物品種的陸續推向市場，不管是大型公司的倉庫庫房管理，還是電商平臺的物流倉儲的貨物管理，都面臨貨物出入庫搬運問題。搬運機器人（簡稱AGV，Automated Guideed Vehicle）廣泛運用於工業、交通運輸，倉庫管理等領域，現有市面上的搬運機器人裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路逕行駛。
目前用於AGV導引技術主要有以下幾種方式，這些方式或多或少都存在一些不足。1）直接坐標方式，該方法通過用定位塊將待行駛區域分成若干坐標小區域，通過對小區域的計數實現導引。該導航方式地面測量安裝複雜，工作量大，導引精度及定位精度較低，無法滿足複雜路徑的要求。2）電磁導引方式，該方法是在行駛路徑上埋設金屬線，並在金屬線上加載導引頻率，通過導引頻率的識別來實現AGV的導引。該導航方式的導航路徑難以更改擴展，對複雜路徑的局限性大。3）磁帶或磁釘導引方式，該方法是在路面上貼磁帶或磁釘等磁性元件替代地面下埋設金屬線，通過磁感應信號實現導航。磁帶或磁釘導航方式易受路徑周圍金屬物質的幹擾，而且易受打掃衛生或碰撞帶來的機械損傷。4）慣性導引方式，該方式是在運動小車上安裝陀螺儀，在行駛區域的地面上安裝定位塊，小車可通過對陀螺儀偏差信號（角速度）的計算及地面定位塊信號的採集來確定自身的位置及航行，從而實現導引。該導引方式製造成本較高，導引精度和可靠性與陀螺儀的精度及相關算法密切相關。5）機器視覺導引方式，該方式通過視覺傳感器（CCD）將目標轉換成圖像信號，然後通過對這些信號進行各種運算來提取目標特徵，進而根據判別的結果來控制小車的運動。視覺導引主要有兩個研究方向，一是完全意義上的視覺技術，可模擬人的視覺原理來識別道路；二是通過標識線來進行視覺導引，譬如在灰色地板上將行走路徑鋪設黑色條狀路徑。該導引方式是圖像處理算法較為複雜，地面鋪設的標識線容易磨損從而引起錯誤識別。6）反射式雷射導引方式，該方式通過在小車上安裝雷射掃描雷達，掃描行駛路徑周圍安裝的精確位置的雷射反射板，運動小車通過雷射掃描雷達發射雷射束，同時採集由反射板發射的雷射束，來確定其當前位置並進行導航，該導引方式需要在待行駛路徑周圍預先設置好一系列反光板，成本較高。
上述的多種導引方式均有一個不方便使用的共同點，先規劃好路徑，不便對路徑進行靈活變更，本發明所提的智能光學導引系統，克服上述在固定路徑做相關處理的方法，對路徑沒有任何改造的動作，而且可隨時依據路況靈活調整路徑。
針對AGV小車的導引方案，專利CN1263625C提出一種光學制導式自動導引車導引裝置，該專利結合上面所述的方法4與6，需要預先架設雷射發射板，專利CN103019240B提出利用超聲波傳感器感測預設路徑周圍的距離信息，並預存在資料庫中，為後續小車行進提供路徑修正信息，該方法雖然沒有在預定路徑架設輔助設備，可針對路徑中突然出現的物體，譬如人員走動等，將會產生錯誤的判斷。本發明提出的智能光學導引系統，不需在預設路徑架設輔助設備，而且不易受環境變化幹擾，很容易大力推廣實現。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在於提供一種應用於無人駕駛的運動小車或運動機器人的智能光學導引系統，能解決運動小車或機器人自動運動路徑控制問題，能廣泛應用在大型倉庫AGV小車路徑管理應用領域，餐廳、醫療機構，居家等場所服務型機器人路徑管理應用領域，也可用於玩具車運動控制應用領域。
為了解決運動小車或機器人自動運動路徑控制問題問題，本發明採用如下技術方案：
一種光學導引系統，包括導引光源裝置、被導引裝置及遠程控制終端，其中：
所述導引光源裝置包括多方位運動平臺及導引光源；所述導引光源安置在所述多方位運動平臺上，所述導引光源發出導引光束，所述導引光束照射地面形成光點；
所述被導引裝置包括光學探測單元及可電機驅動的運動物體，所述光學探測單元用來探測所述導引光源照射地面的反射光斑；
所述遠程控制終端包括通訊傳輸系統，所述遠程控制終端具有路徑調配功能。
所述光學導引系統，採用的通訊技術包含有線總線通訊技術及無線組網通訊技術，所述有線總線通訊技術包含RS485/422總線和Can總線，所述無線組網通訊技術包含Wifi、BLE、Zigbee、Antplus和Lora。
所述光學導引系統，採用的光源是LED光源、LD光源、或是以上兩種多波長光源組合的可進行混光調配的能顯示多種顏色的混光光源。
所述光學導引系統，採用四象限位移傳感器或CCD成像器件。
所述多方位運動平臺至少包含一軸可電動控制運動的平臺，所採用的運動平臺是X軸，Y軸，Z軸或任意組合的運動臺。
所述多方位運動平臺支持有線通訊方式或無線通訊方式，通過所述遠程控制終端發送運動指令並執行相應運動動作。
本發明提供一種智能光學導引系統，包括用於導引的發光單元、安裝在運動小車或機器人上用於探測發光單元特定波長反射光的探測信號處理單元、可多方位運動平臺單元、控制單元：
所述用於導引的發光單元，可以採用雷射（LD）光源，也可採用LED光源，也可採用其他燈泡式光源，用於導引的發光單元採用光束準直技術，依據實際應用場合調整光束形狀及尺寸大小。
所述探測信號處理單元採用視覺傳感器（譬如CCD）或四象限光電探測傳感器，在傳感器前端安裝與發光單元一致的濾波片，通過判斷反射光點運動方向，實時調整運動小車或機器人的運動路徑。
所述可多方位運動平臺單元至少包含一個電動控制運動平臺，導引光源安裝在該平臺上。
所述控制單元，包括手持終端對定位系統的控制或PC計算機端對定位系統的控制，通過有線或無線通訊方式，實現對多方位運動平臺的任意控制，確保導引光源能準確引導小車或機器人的運動路徑。
本發明提供的智能光學導引裝置還包括如下技術特徵：
所述智能光學導引系統發光光源可以是持續發光或以特定頻率發光，在需要控制的運動小車或機器人數量不多的情況，譬如在探測器視場中只有一個反射光點情形，可採用持續發光方式；若需要導引物體較多，安裝在運動小車或機器人探測器視場存在多個反射光點情形，需要通過發光的不同頻率予以區分。
所述發光光源的光點圖案可以是點光源，十字圖案光源，圓形或方形等圖案光源。
所述多方位運動平臺具有坐標原點定位修正功能，能確保運動平臺經過多次運動後，能及時返回原點進行坐標修正。
所述多方位運動平臺可通過手持終端採用有線或無線通訊方式進行遠程控制，其中有線方式可採用RS485/RS422總線方式,Can總線等方式進行組網通訊；無線方式可採用Zigbee, Antplus, BLE, LORA,Wifi等方式進行組網通訊。
所述智能光學定位系統的手持終端可用於手動調試導引光源，並對運動小車或機器人進行導引測試。
本發明提出的智能光學導引系統，充分結合了物聯網節點組網技術、多軸運動控制技術、光學準直定位技術，光點追蹤技術開創性地解決了無人駕駛運動小車或機器人運動路徑導引問題。
與現有AGV小車導引系統採取的RFID或雷射雷達技術相比，本發明的有益技術效果是：1、極大減少類似目前磁條導引方式的對路面的路徑鋪設的改造；2、不必擔心對地面做衛生而影響導引信息採集；3、非常方便後續設備維護，只需確保導引光源及光學探測單元正常工作，路徑擴容很容易調試及實現。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面對所需的附圖做簡單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明提供的一種智能光學導引系統示意圖；
圖2是本發明所提出的導引裝置及被導引裝置的結構示意框圖；
圖3是本發明在庫房或車間AGV小車導引的示意圖；
圖4是本發明應用在單主幹道導引路線示意圖；
圖5是本發明應用在多主幹道導引路線示意圖；
具體實施方式
下面結合附圖及最佳實施例，對本發明做進一步詳細說明。
本發明所提出的智能光學導引系統，主要用於無人駕駛運動小車，運動機器人運行路徑導引領域，尤其涉及倉儲搬運機器人運行路逕自動導引系統。
圖1示出了本發明提供的一種智能光學導引系統示意圖。1為被導引小車或機器人，2為反射光點探測單元，3為安置在運動電控平臺上的導引光源，4為導引光束，5為反射光束，6為導引光束照射地面的光點，7為光點探測單元探測區域。當光點探測單元在探測區域7內探測到導引光束照射地面的光點時，將進入跟蹤尋的狀態，通過四項限位移傳感器或CCD成像探測器件，判定光點移動方向，並通過PID算法調整小車運動軌跡，實現對光點的實時跟蹤。
圖2給出導引裝置及被導引裝置的結構示意框圖。被導引裝置（小車或機器人）包含有光點探測及信號處理單元，微處理器（MCU）單元，轉向控制及小車驅動控制單元，通訊傳輸單元。導引裝置包含有導引光源及指示光源控制單元，微處理器（MCU）單元，多軸運動平臺控制單元，通訊傳輸單元。
其中光點探測單元實現對探測區域內光點的實時跟蹤探測，導引光束可採用持續發光或脈衝發光方式，若被導引裝置較少，在探測區域內只有一個導引光點時，可採用持續發光方式進行導引，若被導引裝置較多，有可能在相同探測區域出現多個光點時，需要採用不同頻率的光點進行區分，導引光源在選擇特定頻率進行導引時，會通過通訊傳輸單元告知被導引裝置，使用的導引光脈衝頻率是多少，被導引裝置將使用對應頻率實現同步檢測，這樣將可避免其他頻率導引光脈衝的幹擾。微處理器單元依據當前時刻探測到的光點位置與上一時刻探測到的光點位置偏差，採用PID算法進行計算，產生驅動小車轉向及運動電機的驅動信號，實現實時跟蹤的目的。
為避免導引光源數量增多引起的光束雜亂狀況，導引光源可採用近紅外波長是905nm的近紅外光源，人眼將看不到導引光源的存在，為增加人眼辨識導引光源是否處於工作狀態，可增加不同顏色可見指示光源進行標識，譬如讓導引光源的指示光源與被導引裝置的指示光源顯示相同顏色。多軸運動平臺控制單元會通過導引光束將被導引裝置導引至其正下方所處位置，當完成自己所處節點的導引工作後，會通過通訊控制單元告知遠程控制終端，遠程控制終端會自動分配下一個導引光源進行接力導引，確保被導引裝置運動至目的地。
圖3所示是在庫房或車間AGV小車導引的示意圖，其中101表示要前往指定工作檯的去程AGV小車，102表示返程的AGV小車，圖中可看到為避免去程與返程小車的相碰，在行進的主幹道上採取雙車道辦法，採用光學導引方式的優點是小車行進的路線是可以隨時進行調整，而不必如磁條軌道那樣固定路徑。
圖4是本發明應用在單主幹道導引路線示意圖，圖中實線箭頭表示去程線路，等間隔虛線箭頭表示返程線路。圖中圓圈所示的301,302…309共九個節點表示9個導引光源，主幹道L1上有A,D,E三個導引光源節點，單主幹道方式主要用在被導引裝置數量不多的應用場合。不妨以被導引裝置需要從節點E運行到節點B為例，首先是導引節點A的導引光源工作，導引小車先運行到節點A，當小車被導引至節點A正下方後，節點A告知遠程控制系統已完成去程導引，系統會自動安排節點B開始進行接力導引，返程時，先由節點A導引小車沿虛線箭頭路線由B抵達A位置，然後節點A告知遠程控制系統已完成返程導引，系統會自動安排節點E開始進行返程接力導引。這種單主幹道導引方式主要應用在被導引裝置數量較少的狀況，圖4所示的節點A在不同時刻分別可完成EA，DA，BA，CA四條線路的導引，針對被導引裝置較多的狀況，可通過在主幹道增加導引光源節點方式來實現。
圖5是本發明應用在多主幹道導引路線示意圖，相比圖4單主幹道導引方式，圖5所示的多主幹道方式在主幹道時增加了311，312，321，322，331，332六個導引光源節點，與單主幹道方式下的節點A的導引方式差異在於，單主幹道方式下，導引節點A在同一時刻只能導引EA，DA，BA，CA四條線路中的一條路徑，而多主幹道方式下，導引節點A處有3個導引光源（305，321，322），因而在同一時刻可導引EA，DA，BA，CA四條線路中的任意三條路徑，這樣在被導引裝置較多的狀況下會顯著提升系統導引效率。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進，均應包含在本發明的保護範圍之內。