基于惯导和视觉定位的AGV仓储机器人

朱士光+张帆+张聪

摘 要：采用惯性导航和视觉导航组成的组合导航模式，惯性导航，应用惯性元件（加速度计）来测量机器人自身的加速度，经过积分运算得到速度和位置，从而达到对机器人导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在机器人体内，工作时不依赖外界信息，抗干扰能力很强，是一种自主式导航系统；视觉导航是在地面上利用颜色反差较大的色带对 AGV 小车的行驶路径进行规划，AGV 上安装的摄图传感器将不断拍摄的图片传送给中央控制单元，通过与存储图片进行对比，输出偏移量信号给驱动控制系统，从而纠正 AGV 的行驶路径，实现 AGV 的导航。 而惯性导航是利用陀螺仪等传感器实时获取车辆的运行状态，结合图像信息，实时做出判别和命令，以达到无人运输的目的。

关键词：惯性导航；角速度计；加速度传感器；陀螺仪；视觉导航

中图分类号：V249 文献标志码：A

0 引言

随着仓储物流的日益发展以及劳动力成本的不断提高，智能化、自动化生产已成为不可阻挡的发展趋势。因此，越来越多的企业开始着手研究和应用AGV。目前，国内外AGV应用的导航系统原理主要有电磁导航、磁带导航、激光导航和二维码导航。电磁导航出现时间较长，应用比较广泛，但是在应用过程中改变或扩充新路径比较烦琐。磁带导航技术工作原理与电磁导航相似，缺点也很明显，磁带维护频率较高，而且损坏严重的磁带要及时更换。激光导航相比其他导航方式则比较先进，AGV小车定位也更加精确，行驶路径可以随意改变。但由于其控制比较困难，而且激光技术安装昂贵致使成本过高。二维码导航技术出现较晚，视觉机器人就是基于视觉识别二维码和惯性导航的一种智能仓储机器人，将其作业范围做成一个相当于圍棋棋盘的地图，机器人就可以到达范围内的所有点。 本文设计的惯性导航是利用陀螺仪等传感器实时获取车辆的姿态，结合图像信息，实时做出判别和命令，以达到无人运输的目的。

1 设计方案

1.1 惯性导航系统 INS（ Inertia Navigation System，以下简称惯导）

惯导是一种应用惯性传感器测量载体的比例及角速度信息，并根据给定的初始条件实时推算速度、位置、姿势等参数的自主式导航系统。惯性导航的基本原理是根据某已知点测得的运载体航向角和速度来推算预测点的位置，从而可以测出物体的运动轨迹和当前位置。利用陀螺仪构建导航坐标系，使惯导中的加速度计测量轴相对稳定在该坐标系中，进而测量出物体的姿态角和航向状态；利用加速度计来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。

1.2 加速度计

加速度传感器是一种利用重力加速度与倾斜角度的关系，测量运动设备倾斜角度的元件。由于运动加速度的存在，测量的倾角值误差很大。利用陀螺仪和磁传感器对误差进行补偿。磁传感器是一种利用地磁场效应测量物体方位角的元件，系统电流的导磁性以及导磁材料的存在都会对测量结果产生较大影响。可以用增加加速度传感器（倾角传感器）和陀螺仪的方法进行补偿。通过分析重力加速度测量值，可以计算出机器人相对于水平面的倾斜角度。然后根据动态模拟即可得到机器人运行的轨迹，从而对其进行智能控制。

本文采取的方法就是利用加速度传感器检测AGV机器人体内的交流信号和运行时产生的某种规律性振动，而加速度传感器可以测量振动的过零点，从而计算得到机器人所运行的路程。通过检测机器人设备的振动幅度，就可以控制摄像头快门的合适时间，从而保证拍摄照片的清晰度，AGV模块组成如图1所示。

1.3 角速度传感器-陀螺仪

将角速度传感器-陀螺仪安装在机器人的四轴上，从而可以实时测量机器人不同位置倾斜的角度。陀螺仪输出的是角速度信号不会受机器人振动的干扰，因此噪声可以忽略。通过对角速度积分处理，获取机器人四轴的倾斜角度，从而进一步平滑信号，使得角度信号更加稳定。通过分析陀螺仪输出的信号获取控制机器人四轴所需的角速度和速度信息。上述获取角度的方法需要经过积分运算，由于角度是对角速度的一次积分，即使角速度信号存在微小的误差，积分后误差将被放大，随着时间累积，电路将到达饱和状态，无法获取精确地角度信息。

1.4 角度积分漂移校正

角度漂移积分校正是一种消除上述误差的有效方法。加速度计获取的角度信息不能直接使用，通过与陀螺仪获取的角度信息进行对比，得到一个两者的比较误差。然后将这个误差按照一定比例放大，使之与陀螺仪输出的角度信号叠加，然后进行积分计算。由于加速度计获取的角度信息基本没有积累误差，所以最终输出角度 0 是比较准确的。可以在采集信号的过程中加以控制：控制电路和程序运行的开始保持机器人四轴在水平状态，这样一开始就使得输出角度 0 与 0g 相等。此后，加速度计的作用只是消除积分的偏移，从而使输出角度不会出现较大误差。

1.5 视觉部分（摄像头）

本机器人根据地上的黑线循迹，从而进行位置移动，所以选取摄像头作为传感元件，后期会考虑成本问题以及实际需要改变传感器类型。如今市面上有比较适合本项目的使用 OV7725 芯片制作而成的鹰眼摄像头，使用鹰眼摄像头，主要原因在于 OV7725 信噪比更高，速度更快，稳定性更好和微光灵敏度更好，鹰眼有两三个突出优点：一是高达 150Hz 的帧频率，为机器人的高速运行提供支持；二是硬件二值化，减小了 MCU 的运算压力；三是采用 BGA 封装，电气特性好，高速，高频信号完整性好，适合多层板，焊点机械强度高。

2 系统实现

根据上述原理设计的智能AGV仓储机器人经过试验测试可靠性很高，而且效率与传统AGV小车类似，但是其成本和后期维护要远远低于传统AGV仓储机器人。通过实物仿真证明，本文所述的通过新型组合方式的新型AGV导航小车，可以在物流仓储、工业制造等领域实现无人化智能自动化操作，从而大大降低企业用工成本。

结语

随着仓储物流系统、柔性制造系统和工厂自动化等迅速发展，AGV的应用范围不断扩展，对AGV的引导技术、轨迹规划算法和跟踪控制等相关技术也得到广泛关注。目前大多数AGV已经商业化，他们大都采用激光导航和磁导航，二维码扫描方式，虽然这些导航技术已经成熟，但其成本高，难以维护和改造，因此新的导航技术越来越受到人们关注。本文所设计成果旨在为市场提供一种通过新型组合导航方式导航的新型 AGV 导航小车，可以应用在物流运输、工业制造等领域，推动相关领域生产力的进步。

参考文献

[1]陈继伟.惯性导航系统及其应用[J].商情，2016（6）：89-91.

[2]车菲.惯性导航AGV在电子行业的应用[J].物流技术与应用，2013（3）：118-121.

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