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室外AGV用GPS/DR组合导航系统的研究
作者:新松机器人自动化股份有限公司 曹智荀
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自动搬运车/拖车展厅
AGV/平板搬运车,拖车...
一、 AGV应用概况

AGV(Automated Guided Vehicle)自动导引车,是物料输送的典型高科技产品。它是一种在计算机和局域网控制下,经导航装置引导并沿程序预定路径自动运行,或牵引载货台至指定地点,进而实现物料自动装卸和搬运任务的无人驾驶输送设备。

AGV的引导方式不仅决定由其所组物流系统的柔性,也影响系统运行的可靠性和总体费用。1953年,美国Barrett Electric制造的世界上第一台采用埋线电磁感应式的跟踪路径自动导引车问世。20世纪70年代中期,具有载货功能的AGV在欧洲得到迅速发展和推广应用,并被引入美国用于自动化仓储系统和柔性装配系统的物料运输。一直到20世纪80年代初,埋线电磁感应方式始终是AGV的主要引导技术。随着电子技术的发展,磁引导、激光引导、超声引导、光反射检测、惯性导航、图像识别和坐标识别等新的引导技术得到更广泛研究和发展,AGV的性能进一步提高,能够适应更复杂的工作环境,因而在仓储、汽车制造、港口码头、烟草、医药、食品、化工、危险场所和特种作业得到广泛应用。

目前成熟的引导技术主要有电磁、磁条、激光这几种方式,其中电磁和磁条为固定路径导引方式,主要缺点是路径的更改和扩充不方便。激光属于自由路径导引方式,具备较高的精度和自由度,缺点是成本高,对反光板的位置要求较高。以上几种导航方式的AGV主要应用在室内。

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潍坊柴油发动机AGV输送系统

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奇瑞汽车双举升AGV装配系统

二、室外AGV导航技术

在港口行业,装卸效率的提高意味着集装箱货轮减少巨额停泊费用,装卸周期的缩短将提高单口岸的利用效率。目前,国外已有荷兰鹿特丹港和德国汉堡港等将AGV系统应用到港口运输装卸,综合提高70%的效率。伴随我国港口行业的高速发展,对AGV系统全自动化的运输装卸将产生需求,室外或半室外AGV技术将逐步完善并进入应用阶段。室外AGV的导航技术一直是应用难点,国内一些高校和研究机构在这方面有研究并且取得了一定进展,但还没有真正符合国内港口需求的成熟AGV。当前,适合国外港口的几种AGV导航系统各有优劣。

(1) 激光定位导航法(Laser Navigation):该方法基于三角测量原理,将反射路标布置在可能行经的路径周围,AGV上安装激光发生器,激光发生器在无刷直流电机带动下360度旋转,扫瞄周围的路标,通过计数的方式获得三个及以上路标的角度信息,然后采用匹配算法、定位算法和优化算法得到小车的位姿。该方法精度高,定位精度可达±2mm,柔性好,可靠性高。但易受外界天气(光线)影响,需要安装大量的反射路标,这些原因限制了该方法在港口的应用。

(2) 视觉定位导航法(Machine Vision Navigation):该方法通过视觉图像处理的方法提供导引。视觉导航具有柔性极高,适用于各种不同的场景。定位精度高等优点,是一种非常有潜力的导航方式。在目前阶段由于成本高,系统复杂,受图像传感器的影响较大,尚未在港口应用。

(3) 毫米波雷达法(Millimeter wave Radar,简称MMWR):AGV车上安置毫米波雷达,工作时雷达旋转寻找安装在已知位置的信标,利用信标的相对位置信息确定并不断更新AGV的位姿。该导航方法精度可达±10cm,缺点是价格较贵,也需要安装大量的信标。该系统在英国泰晤士进行了试验。

(4) 惯性导航系统(Inertial Navigation System,简称INS):该系统是一种相对定位法,在车上安装陀螺仪之类的传感器精确获取小车的方向和速度,当起点位置坐标已知时,由传感器数据计算出小车的位置。该系统具有简单灵活、便宜且实时性好等特点,缺点在于由于各种原因形成误差累积,长时间运行可导致精度完全丧失。为提高INS的精度,常用其它方法消除累积误差。基于栅格的自由测距(Free Ranging On Grid,简称FROG)系统采用光导纤维线性网格,将诸如RFID的发射应答器作为网格节点,布置在整个码头行驶路面,节点间隔大约2m。当小车经过应答器时,通过天线获取其发射的信息(该应答器的编号和坐标值等),该信息用于修正来自陀螺仪的数据。FROG系统成功应用于荷兰鹿特丹港,精度误差控制在±3cm的范围内。

(5) 差分全球定位系统(Diferential Global Position System):由于普通用户只能使用GPS提供的标准定位服务(SPS),即使终止选择可用性(SA)技术,SPS精度在水平面上可达到±10m (95%的置信度),离AGV定位的精度要求3cm一10cm仍相差甚远。采用差分GPS可以消除系统中共有的卫星误差、星历误差、电离层误差和对流层误差等,进而提高定位精度。伪距差分GPS是目前应用最广泛的一种差分方法。随着定位算法的进一步提高,某些DGPS的定位精度可以达到±2cm。DGPS具有安装简便,应用于不同的港口几乎无需改动,且无需路标等优点,是适合港口AGV应用的导航系统之一。

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GPS实时差分定位系统的组成

三、 GPS/DR导航系统简介

GPS(Global Positioning System)全球定位系统,是通过导航卫星实现定位的无线导航系统,它由空间、地面监控和用户接收机三大部分组成,可实现全能性(海洋、陆地、航空、航天)、全球性、全天候、连续性和实时性导航、定位功能,能够提供精密的位置与速度信息。GPS实时差分定位是指在一个已知点架设GPS基准站接收机和数据电台,连续跟踪所有可见卫星,并通过数据电台向移动站发送差分改正数据。移动站接收机通过移动站数据电台接收基准站发射来的差分改正数据,并在移动站接收机内部进行处理,从而实时得到移动站的高精度位置。这种方法理论上可将定位精度提高到2cm。

GPS导航存在许多缺陷。对卫星信号的阻挡、干扰、信号多路径等因素,会使GPS接收机输出的定位数据不可靠。桥梁、坑道、水下、林区、建筑密集区将在一定程度上限制GPS应用。高速动态环境中,GPS接收机会失锁不工作,或者定位误差过大而不能使用。数据输出频率低是GPS动态应用的另一个主要问题,不同于惯性导航,GPS是纯粹的几何定位方法,无法测量重力矢量,也不能直接测定航行姿态信息。

AGV采用GPS导航技术, 必须得到连续可靠的定位信息,这需要其它辅助手段。一种组合的GPS/DR导航系统的概念得以提出。DR(Dead Reckoning)系统即航位推算系统,是典型的独立定位技术,在短时间内能够保持较高的精度,一般由低成本的陀螺仪和车辆里程仪(轮速仪)构成。它通过测量车辆航向角和速度或位置信息,推算出车辆相对于起始点的当前位置。DR系统可实现连续、自主式定位,受外界影响小,但它仅能确定相对位置,并且定位误差随着时间积累。因此,GPS和DR存在很强的互补关系。一方面,GPS提供的绝对位置信息可以为DR提供推算定位的初始值并进行误差校正;另一方面,DR的推算结果可用于补偿部分GPS定位中的随机误差和断续点,从而平滑定位轨迹。单独的DR系统和GPS系统均不能提供精确、连续、可靠的定位导航信息,通过二者的结合,则可以综合利用两种定位技术的优点,获得比单独任何一种导航系统都要高的导航精度和可靠性。随着GPS接收机导航精度的提高和成本的降低,与低价位的里程计构成的DR系统相组合的导航系统具有低成本优势。GPS与里程计组合的导航数据融合处理系统的实现主要包含硬件设备部分和软件算法部分。

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四、 AGV用GPS/DR导航系统的硬件实现

基于CAN总线和DSP处理技术的AGV新型控制系统,已经在国产AGV的设计中得到全面应用,并在降低成本、增强可靠性、减少维护上取得良好的经济效益。CAN现场总线技术,全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网,是国际上应用最广泛的现场总线之一,是一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有高的位速率,高抗电磁干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。因此,用在AGV的数据传输中,能够高速实时采集里程计的数据。

AGV里程计主要由非转向车轮上的编码器实现功能的。光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移——数字变换,从50年代开始应用于机床和计算仪器,因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点,在国内外受到重视和推广。增量式编码器转轴旋转时,有相应的脉冲输出,其计数起点任意设定,可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲,脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辩率时,可利用 90 度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或更换高分辩率编码器。AGV上测量位移的编码器,与车轮存在固定的减速比,通过编码器输出的A、B 两路脉冲信号,可以计算出AGV的运行方向、运行速度和运动距离。

现在,GPS导航定位技术日趋成熟,定位精度和可靠性都有很大的提高,采用NOVATEL公司OEMV-1系列产品,主要由OEMV-1接收机、GPS701天线和RG400-5M TNC-TNC传输电缆组成,动态定位精度能达到1.8m,数据更新率为20Hz。

OEMV-1接收机提供三个COM端口、两个CAN口和一个USB口进行通信,其中某些数据交换端口公用。COM1、COM2和COM3串行通信的默认设置为9600bps,无奇偶校验位,1位起始位,8位数据位,1位停止位,无握手信号,无应答,推荐速度为57600bps;CAN口最高通讯速度为500kb/s;USB口按照USB1.1,最高速度为5Mb/s。AGV车载计算机采用标准串口与OEMV-1接收机进行数据传输。

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AGV用GPS/DR导航系统的硬件原理

五、 AGV用GPS/DR导航系统的软件实现

GPS与里程计的导航数据融合处理系统的核心是软件的数据处理算法。OEMV-1接收机可以实时输出所在位置、速度和时刻。为了配合GPS/DR数据融合算法,提高系统的实时性,应该使用尽量多的GPS原始导航数据,所以将OEMV-1接收机的数据更新率设为20Hz,对位置信息输出采用事件触发方式。同时,为了有更高的数据传输效率,通过对接收机输入命令,设置为二进制方式通迅。OEMV-1接收机的通迅格式有三种:ASCII格式、简化ASCII格式和二进制格式,每种格式都由信息头块、数据块和数据校验块组成。其中二进制格式的信息结构如下。

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软件的数据处理系统主要分成三个部分:GPS导航数据预处理,编码器构成的里程计数据预处理和数据融合处理。

(1) GPS导航数据的处理主要是将GPS在WGS-84坐标系下的导航数据转换到现场坐标系。其中涉及到数据可靠性的判断,定位数据和速度数据的定位转换,坐标转换等。GPS导航数据的处理流程如下。

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GPS导航数据的处理流程

(2) 编码器构成的里程计数据预处理是将两个非转向车轮上的编码器输出的旋转角度经处理后,与前一采样时刻的位姿数据及其方差累加,得到当前的位姿数据及其方差。两个编码器构成里程计的误差,不仅包含编码器的线数引入的精度误差,而且包含车轮滚动过程中因偶然因素引入的编码器旋转误差。当编码器线数达到1024时,编码器精度误差远小于旋转误差。

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编码器构成的里程计数据处理流程

(3) 数据融合处理是指,将GPS和编码器各自得到的车体位姿及其方差数据进行融合,得到可靠性高的,满足一定精度的稳定的位姿数据。在融合处理算法中,依据编码器得到的位姿数据在短距离范围内有较高可靠性的特点,应用马氏距离判断GPS的导航定位数据和方向角的可靠性,对GPS导航数据进行取舍。取舍后的GPS导航数与由编码器得到位姿数据按照各自方差按比例融合。得到满足要求的AGV位姿数据。

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数据融合处理

六、 系统目标

GPS与里程计组合导航数据融合处理系统,总的目标是实现在一定环境条件下,为AGV系统提供准确、稳定、可靠的定位导航数据。在实验阶段,鉴于单机与加基站有相一致的地方,因而先用单机GPS接收机做实验,达到预期指标后再根据产品应用的需要加建基站。GPS与里程计组合导航的AGV主要应用在室外大范围区域,所以导航数据融合处理系统的具体应用目标为:

(1) 应用环境

室外环境,通行路面宽度不小于3m,运动范围区域坡度较小;通行道路两侧5m以内的建筑物高度低于15m;道路正上方可以有不连续的垂直遮挡,连续遮挡长度不大于5m 。

(2) AGV导航准确度

采用不做差分的单机GPS接收机OEMV-1,其动态导航精确度为1.8m,数据更新率20Hz,在里程计精确度小于5% 的前提下,提供导航位置准确度优于1.8m,平面姿态角准确度优于0.02。

(3) AGV导航稳定性

能够在上述应用环境下,稳定、不间断的输出符合导航准确度目标的导航位置数据和姿态数据。

(4) AGV导航可靠性

系统输出的每组数据,在符合导航准确度目标范围内,可靠度达95% 以上,系统准确度控制在2σ以内。

(5) 系统扩展性

系统设计保留了GPS接收机增加基站,以提高导航准确度的空间;保留了增加数据输出频率的空间;保留了可更换为其它航位推算系统的空间。

增加基站后的移动GPS接收机输出的导航定位数据精度能够达到20cm,GPS与里程计组合导航数据融合处理系统输出的导航定位数据精度优于20cm。

七、 参考文献
1、 纪寿文、李克强,智能化的物流搬运机器人-AGV, 中国物流与采购,2004.2
2、 储江伟、郭克友、王荣本、李 斌、冯炎,自动导向车导向技术分析与评价,物料搬运网,2004.4
刘志平、翟俊杰、陶德馨,自动化集装箱码头中的AGV技术,物流技术,2006.7(end)
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