基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的AGV機(jī)器人定位技術(shù)研究

雷宇

【摘 要】本文分析了AGV機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的定位誤差的原因，并對(duì)定位誤差進(jìn)行分析。提出了一種基于卡爾曼濾波理論理論的AGV機(jī)器人多傳感器融合算法。

【關(guān)鍵詞】多傳感器數(shù)據(jù)融合；AGV

0 引言

隨著柔性制造系統(tǒng)的普及，智能AGV機(jī)器人作為工件載具，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)、危險(xiǎn)場(chǎng)所以及特種行業(yè)。AGV機(jī)器人自主行駛的先決條件就是有效的定位，而AGV在移動(dòng)過(guò)程中的定位，又是一個(gè)更為困難的問(wèn)題。如果AGV不能準(zhǔn)確的獲取當(dāng)前的位置，無(wú)法和工作環(huán)境位置模型進(jìn)行正確比對(duì)。就不能按照規(guī)劃好的線路行進(jìn)，不能準(zhǔn)確按照方向行走，不能在準(zhǔn)確的位置進(jìn)行轉(zhuǎn)向或做業(yè)。本文通過(guò)多傳感器融合技術(shù)來(lái)幫助AGV定位，從而控制AGV準(zhǔn)確按照軌跡運(yùn)動(dòng)。

1 AGV機(jī)器人定位誤差產(chǎn)生的原因

現(xiàn)在AGV機(jī)器人定位主要依賴(lài)于與車(chē)輪連接的廣電編碼器。一般采用增量式光電編碼器，使用單片機(jī)組成積算器，把機(jī)器人輪上的位移量進(jìn)行積分。但是由于傳動(dòng)、打滑等因素，會(huì)導(dǎo)致累積誤差的出現(xiàn)。這些影響因素有可能是來(lái)自于系統(tǒng)本身特性，也有可能由外部環(huán)境變化而產(chǎn)生的。所以，誤差可以分為系統(tǒng)誤差和非系統(tǒng)誤差兩類(lèi)。

1.1 AGV定位的系統(tǒng)誤差是由傳動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)本身產(chǎn)生的，是固定的。系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，多是由于組成系統(tǒng)的元件本身的誤差積累造成的。如：驅(qū)動(dòng)輪的直徑不可能完全一致；驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周誤差；傳動(dòng)帶本身誤差；驅(qū)動(dòng)輪軸線的跳動(dòng)；光電編碼器本身誤差；積算器采樣誤差等等。系統(tǒng)誤差可以測(cè)量，并且可以進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2 非系統(tǒng)誤差

非系統(tǒng)誤差是由于外部環(huán)境的變化作用于AGV系統(tǒng)的擾動(dòng)。如：由于地面因素造成的輪胎打滑；地面崎嶇不平，造成的位移偏差；AGV轉(zhuǎn)向速度過(guò)快造成的橫向加速度；由于突出障礙物造成AGV輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)受阻等等因素，使編碼器測(cè)量系統(tǒng)積算得到的位置與實(shí)際位置造成偏差。

2 建立AGV運(yùn)動(dòng)模型

由于AGV工作環(huán)境結(jié)構(gòu)布局以及服務(wù)設(shè)備分布布局信息需要。需要建立地理坐標(biāo)系和AGV車(chē)身坐標(biāo)系，來(lái)對(duì)在對(duì)AGV機(jī)器人的環(huán)境信息進(jìn)行描述。

地理坐標(biāo)系：描述AGV機(jī)器人所運(yùn)行的平面環(huán)境的坐標(biāo)系，一般選擇AGV的出發(fā)點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)o，選擇正方向后建立與地圖相似的X，Y軸坐標(biāo)。

AGV車(chē)身坐標(biāo)系：以車(chē)身作為參考物。通常把AGV車(chē)體上某點(diǎn)（如幾何中心）作為原點(diǎn)o'。X'軸一般選擇車(chē)頭指向方向，垂直車(chē)頭方向軸為Y'軸。由于AGV車(chē)體的運(yùn)動(dòng)，所以 AGV車(chē)身坐標(biāo)系是運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，隨著車(chē)身的運(yùn)行做水平平移或者角度旋轉(zhuǎn)。

3 AGV定位誤差模型

由于AGV機(jī)器人的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)原因，以及AGV的積算式定位原理，機(jī)器人的位置和姿態(tài)可以用絕對(duì)坐標(biāo)值以及運(yùn)動(dòng)方向角度組成的向量表示：

A=XY？茲

對(duì)于AGV機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)誤差來(lái)源于地理坐標(biāo)系與車(chē)體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系之差。

？駐A=？駐X-？駐X'？駐Y-？駐Y'？駐？茲-？駐a？茲'

由于車(chē)體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系一般是使用AGVA機(jī)器人左右輪廣電編碼器進(jìn)行累計(jì)得到，包含運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也是由左右輪差動(dòng)得到。因此可以從一個(gè)出發(fā)點(diǎn)位置開(kāi)始，并將運(yùn)動(dòng)進(jìn)行積分予以估計(jì)。行走距離的增量，可以依靠固定采樣間隙？駐t 的離散系統(tǒng)。

設(shè)？駐l為AGV機(jī)器人移動(dòng)量，也就是左右輪移動(dòng)平均量。則更新后的位置A'。

A'=x'y'？茲'+？駐l cos（？茲+？駐？茲/2）？駐l sin（？茲+？駐？茲/2） ？駐？茲

4 AGV機(jī)器人位置計(jì)算用傳感器選擇

AGV機(jī)器人的定位問(wèn)題是非常重要的。AGV機(jī)器人移動(dòng)中的定位不僅僅關(guān)于到AGV機(jī)器人的線路規(guī)劃，還直接決定了后續(xù)的做業(yè)，以及多臺(tái)AGV之間的調(diào)度問(wèn)題。因此選擇傳感器要考慮AGV移動(dòng)中的定位和定位精度，特別是高速直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎是造成的偏差。

因此，我們出于技術(shù)成熟、模塊尺寸、與原有設(shè)備匹配情況、成本等多方面考慮后，計(jì)劃增加一些傳感器以提高AGV精度。為了解決AGV機(jī)器人在直線加速、減速造成的累積誤差，增加了加速度傳感器，用于修正因加速度造成的累積誤差。為了解決機(jī)器人在轉(zhuǎn)向的時(shí)候產(chǎn)生的角度偏差，增加了電子陀螺儀模塊和電子羅盤(pán)模塊，用于修正角度積累誤差。為了避免電子羅盤(pán)在復(fù)雜的工業(yè)電磁環(huán)境下失效，同時(shí)使用電子陀螺儀和電子羅盤(pán)，利用陀螺儀慣性定位，提高定位精度。由于多種傳感器的采用，AGV機(jī)器人的定位將面臨著一個(gè)傳感器信息融合的問(wèn)題，因此需要采用傳感器融合算法，使用多傳感器來(lái)提高定位精度。

多傳感器信息融合的本質(zhì)是對(duì)多源不確定信息的分析和綜合，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。我們需要處理的光電編碼器，實(shí)時(shí)電子羅盤(pán)、陀螺儀、加速度計(jì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和其他傳感器數(shù)據(jù)的快速處理數(shù)據(jù)，盡量簡(jiǎn)化計(jì)算，和盡量少占用MCUDE的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。處于以上考慮，卡爾曼濾波理論適用AGV機(jī)器人多傳感器融合應(yīng)用環(huán)境。

卡爾曼濾波器廣泛應(yīng)用于傳感器融合技術(shù)，是一種被證實(shí)的有效的手段。卡爾曼濾波器用于AGV機(jī)器人定位問(wèn)題語(yǔ)句作為傳感器融合問(wèn)題的定位要求。卡爾曼濾波器的感知更新是一個(gè)多階段的過(guò)程。該機(jī)器人的總傳感器輸入不被處理成一個(gè)單一的整體，但被處理到所提取的特征集，每個(gè)功能都涉及到的環(huán)境。給定一組可能的特征，卡爾曼濾波器可以馬上做完全相同的概率更新處理所有的單模式和高斯的信任狀態(tài)。

5 AGV的多傳感器融合算法

傳感器、光電編碼器和陀螺儀的組合是一種獨(dú)立于推算導(dǎo)航系統(tǒng)（DS），精度高，在短時(shí)間內(nèi)，其有效性不受外部因素的影響。但是航跡推算是基于相對(duì)位置的累積，隨著累積、積算過(guò)程的增加，誤差也被累積、增加。

電子羅盤(pán)是依賴(lài)于磁場(chǎng)特性的傳感器，在沒(méi)有電磁干擾下，它具有極高的精度，可以準(zhǔn)確測(cè)量AGV的運(yùn)動(dòng)方向。但是在AGV的運(yùn)行環(huán)境中，復(fù)雜的電磁干擾是普遍存在的。包括電焊、電動(dòng)機(jī)等。

5.1 機(jī)器人角度預(yù)測(cè)

使用AGV機(jī)器人在時(shí)刻k和因?yàn)榭刂戚斎雞（k）產(chǎn)生的移動(dòng)，預(yù)測(cè)AGV機(jī)器人在時(shí)刻k+1的角度。

？撞■（k+1|k）=■■（k|k）■■f T+■■f ？撞■（k）■uf T

獲得從時(shí)刻k+1取到陀螺儀傳感器測(cè)量Z（k+1）。在使用陀螺儀模塊構(gòu)成的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，該值為陀螺儀模塊的輸出角度測(cè)量值？駐？茲gyro■。為了匹配，我們要在把觀測(cè)和預(yù)測(cè)放在同一個(gè)框架{S}內(nèi)。我們把地理坐標(biāo)系變換為傳感器框架{S}。

5.2 測(cè)量預(yù)測(cè)（下轉(zhuǎn)第172頁(yè)）

（上接第180頁(yè)）我們利用所預(yù)測(cè)的機(jī)器人坐標(biāo)位置和地理坐標(biāo)產(chǎn)生的預(yù)測(cè)特征的觀測(cè)為Z，預(yù)測(cè)的特征轉(zhuǎn)換到傳感器框架內(nèi)的機(jī)器人位置表達(dá)式為：

■（k+1）=h（Z■（k+1|k）■）

5.3 匹配

匹配步驟其實(shí)具有辨識(shí)的作用，在形式上，匹配過(guò)程的目的，就是產(chǎn)生一個(gè)從觀測(cè)Z（k+1）到目標(biāo) Z 的分配。相應(yīng)于觀測(cè)所找到的測(cè)量預(yù)測(cè)，我們計(jì)算修正v（k+1）。修正是預(yù)測(cè)和觀測(cè)之間差別的度量：

？撞■（k+1）=■h·？撞■（k+1|K）·■h■+？撞■（k+1）

5.4 估計(jì)

下面根據(jù)角度預(yù)測(cè)和在時(shí)刻 k+1的所有觀測(cè)，我們計(jì)算機(jī)器人位置的最佳估計(jì)■（k+1|k+1）?？柭娇梢员粚?xiě)成為：

■（k+1|k+1）=■（k+1|k）■+K（k+1）·v（k+1）

對(duì)AGV機(jī)器人多傳感器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所示，AGV機(jī)器人整體狀態(tài)的最優(yōu)為：

■■（k+1）=？茁■■■（k+1）+？茁■■■（k+1） ？茁■+？茁■=1P■■（k+1）=P■■（k+1）+P■■（k+1）

結(jié)合卡爾曼濾波器的信息分配系數(shù)？茁■，？茁■，對(duì)應(yīng)于當(dāng)?shù)氐倪^(guò)濾器和主過(guò)濾器，決定聯(lián)合卡爾曼濾波器的性能。根據(jù)對(duì)？茁■，？茁■自動(dòng)調(diào)整的具體情況，對(duì)？茁■，？茁■大小設(shè)定，然后將聯(lián)合卡爾曼濾波組成為一個(gè)具有自適應(yīng)特性的聯(lián)合卡爾曼濾波器。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該參數(shù)在一定程度上能夠反映電子羅盤(pán)的定位精度為基礎(chǔ)，自動(dòng)調(diào)整兩個(gè)參數(shù)大小，方向可以使機(jī)器人定位達(dá)到較好的效果。

6 結(jié)論

AGV機(jī)器人工作的首要問(wèn)題就是定位和路徑規(guī)劃問(wèn)題，特別是在大航程、復(fù)雜環(huán)境下的定位和路徑規(guī)劃更是具有一定的難度。本文著眼于現(xiàn)在AGV機(jī)器人技術(shù)，分析了AGV機(jī)器人定位誤差產(chǎn)生的原因，建立了AGV機(jī)器人器里程誤差的模型。然后提出了AGV機(jī)器人上的多傳感器設(shè)計(jì)方案。提出了AGV機(jī)器人的自適應(yīng)聯(lián)合 Kalman 濾波器算法。并對(duì)做了算法的匹配、驗(yàn)證等工作，證明多傳感器融合技術(shù)應(yīng)用于AGV機(jī)器人，可有效提高定位精度。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]