一种用于自动导引车_AGV_的超声波导航系统

一种用于自动导引车(AGV)的超声波导航系统

童 峰º 许天增* 许鹭芬*

(东南大学无线电工程系 南京210096)(*厦门大学海洋学系 厦门361005)

¹

摘 要设计了一种用于自动导引车(AGV)的超声波导航系统,介绍了系统的工作原理及结构,并进行了各项导航功能的样车实验。实验数据表明:系统可适应AGV的工作特点,可用于CIMS中固定及自由路径模式的AGV。关键词 CIMS,自动导引车,导航,超声波测距

导航。测量AGV位置的原理为(以基本的2D情况考虑):如图1中以AB中点O作为系统的坐标原点,在A、B点设置超声波接收信标,在机器人C上

计算机集成制造系统(CIMS)的广泛应用是现

代化工业生产一个迅猛的发展趋势。CIMS中物流系统的自动导引车(AGV)是CIMS工程中的重要组成部分。因此,各国进行了大量的研究并已有多种AGV产品在CIMS中投入了应用。

导航就是实时确定运动平台(导弹、飞机、轮船、人造卫星、机器人等)的方位并引导其沿正确路线、方向运动及工作。用于CIMS自动物流系统的AGV,在工作上与通用机器人相比有不同的特点,如工作于室内结构环境、需进行频繁的工作站停靠、停靠时需高精度定位及车体定向以适应机械接口要求等。因此,AGV的导航系统也必须适应其工作特点。

现有的AGV导航方法中应用最广泛的电磁导航(当前90%的AGV采用)的缺点就是无法进行停靠时的定位、定向,需依靠另外的辅助手段进行。超声波探测具有安装使用方便、成本低、抗电磁干扰能力强、不受光线烟雾影响、时间信息直观等特点。本文介绍了在863项目/超声地形障碍检测系统0中高精度超声波测距研究[3]的基础上开发的

一种可完成AGV各项导航功能的超声波导航系统[5]。

进行工作站停靠对AGV车体进行角度测量与

图1 系统方位测量原理

[3,4]

[1,2]

0 引言

设置发射信标,用三点法(trilaration)进行位置测量。可得坐标:

2

D2CB-DCA

yC=

4L

DCA+CCB-2L-2yC

xC=?

2

其中xC的正负模糊可以由信标设置时与AGV的相对位置来消除。

22221 系统导航原理

作者采取的导航方式是信标

¹º

跟踪时,采用工作站上的信标A.、B.、先分别测出车体水平线上两点E(xE,yE)和D(xD,yD)的位置,然后在信标A.、B.构建的坐标系中计算直线段DE的

-512-10-217)资助项目。863计划(863

1973生,博士;研究方向:超声波传感系统,水下声通讯、声信号处理;联系人。

-04-02)(收稿日期:2001

)47)

高技术通讯 2002.08

斜率即可得车体与停靠工作站间的角度A:

arctgA=

yD-yE

xD-xE

能。

-接收模作者采用渡越时间原理(TOF),用发射

-接收模式下超声信号只需式进行超声测距。发射

单程传输,不经过反射,因而工作的稳定性好,测距范围大。

根据信号理论[6],相关处理方法是窄带噪声背景中窄带信号时延估计的最大似然处理方法。它具

有抗噪声性能好,时延估计精度高的优点,也是确知信号条件下的最佳或准最佳接收机相关法。为了提高测距精度及抗干扰性能,作者采用相关法进行距离测量(见图2)。

由于车体测向时AGV是处于工作站停靠模式,此时已先把AGV定位于工作站的中心轴上,这样就可以保证车体测向的最终准确性,从而实现AGV与工作站机械对接,完成工件、货物的装卸工作。

2 高精度超声波测距处理方法

由系统的方位测量原理可知,车体角度测量和方位测量的精度都取决于超声波距离测量。因此,超声波距离测量的精度直接影响系统的导航精度性

图2 相关测距系统接收机框图

相关法对接收信号和标准信号进行相关处理,取相关峰出现时刻为TOF时刻。这里作者采用的标准波形是预先存贮的在一固定距离处的接收波形,因此实际上属于脉间相关。

在发射功率一定因而信噪比一定的情况下,相关法的测距精度取决于系统带宽。而常用的通用气

-16系列)存在介超声换能器(如系统采用的T/R40

带宽窄(3dB带宽3kHz)的问题,造成相关峰不尖锐,

严重限制了相关法测距的精度。为此,作者采用一个用LMS算法训练好的FIR横向滤波器进行换能器的均衡处理[7],如图3所示。这可较好地扩展系统带宽,达到了提高测距精度的目的。

图3 换能器均衡前(A)和均衡后(B)的测距信号接收波形

经500KspsA/D采集,均衡、相关处理后的实时超声测距精度在3m内可达到1mm。系统采用带缓存的PC打印机接口,全部数字处理可在PC或DSP内完成,便于移植到机器人的处理器系统中。

为了补偿由于温度引起的测距误差,系统采用了温度实时校正的措施。)48)3 换能器反射器及同步信号设计

-16通用气介超声换能器。作者采用的是T/R40

该换能器的指向性较强,-6dB角为25b,这影响到导航应用时自由路径工作模式AGV的工作区域的

童 峰等:一种用于自动导引车(AGV)的超声波导航系统

设计。因此,作者设计了如图4所示的圆锥状反射器用于形成全方向性的超声波发射。

无线发射模块发射一同步无线脉冲,接收端以接收到的无线脉冲作为记时起点,无须用信号线传输同步信号,方便了AGV的运动。

4 系统导航实验结果

在实验室对超声波导航系统实验样车进行了各项导航实验,实验结果[5,7]如下。

图4 换能器反射器示意图

工作站停靠车体偏角测量结果见表1。路径跟踪结果见图5和图6。系统导航性能为:

此外,系统采用无线同步脉冲作为TOF的计时起点,即在发射换能器发射超声波测距脉冲的同时

10.330.160.150.440.190.070.420.280.210.170.430.020.240.020.430.110.270.140.350.430.00.31150

mu次连续测量角度结果

实际偏角标准方差样本数(个)

- - - -- - - --

表1 室内安静空气中车体角度测量实验(L=450mm)(单位:b)

23456-9.12-3.1 16.61 0.27 23.14-8.89-3.28 15.23-0.6 23.66-9.73-3.38 14.8 0.02 22.55-8.92-3.29 15.22 0.42 22.62-8.97-3.08 17.21 0.21 23.55-8.91-3.37 15.3 0.25 23.77-8.92-2.79 15.18-0.5 23.64-8.92-3.62 16.13 0.04 23.94-8.48-3.28 16.56-0.51 24.81-8.86-3.18 14.85-0.43 23.48-9.42-1.34 15.64-0.25 22.38-9.19-3.5 16.81 1.16 22.59-9.15-3.09 15.23 0.27 22.41-9.13-3.08 16.02-0.6 23.39-9.56-3.61 16.04-0.41 23.33-8.69-3.42 15.35-0.85 24.35-8.98-3.4 15.66-0.39 22.17-9.3-2.99 15.73-0.66 22.81-8.81-3.21 16.07-0.31 22.17-8.77-3.27 16.09-0.6 23.67-9.1-3.1 15.6-0.2 23.0 0.31 0.48 0.65 0.57 0.63 150 150 150 150 150

---------------------

717.217.8917.216.7916.811817.3816.9817.2218.2216.9617.2517.617.7317.3416.9617.7117.917.4417.1917.20.37150

---------------------

829.8531.132.0731.7130.2232.1531.1831.3930.1831.2130.7630.7830.2131.2530.7931.4831.4531.3530.8630.7831.20.53150

图5 室内安静空气中导航结果)))固定路径模式(L=750mm)(单位:mm)

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图6 室内安静空气中导航结果)))自由路径模式(L=750mm)(单位:mm)

(1)5m范围内轴线导航精度为:垂直轴线?1cm轴线?2cm;10m范围内轴线导航精度为:垂直轴线?5cm轴线?3cm;25m2范围内自由导航精度为:横向?5cm 纵向?3cm。

(2)1m2范围内停车控制精度为:横向?3mm 纵向?2mm;车体偏角测量精度为:?1b。

(3)利用发射的导航超声波可进行避障:具有对AGV正前方?30b距离内障碍物的探测能力。

固定路径导引、自由路径导引、工作站高精度停靠定位定向、避障等AGV导航任务。实验室条件下各项精度达到或优于现有的AGV产品导航指标,说明该导航方案可适应于CIMS中AGV的要求。同时,系统也可用于仓储、清扫、导游、保安等场合的移动机器人导航。

参考文献:

[1]刘飞等编著.CIMS制造自动化.北京:机械工业出版社,

1998

[2]张晓萍,冯径,汪芸.现代生产物流及仿真.北京:清华大

学出版社,1998

[3]钟道昌等.测控技术,1999,(4):39[4]景旭文等.电子技术应用,1994,(6):7

[5]童峰,许天增.一种移动机器人超声导航传感器.见:

中国2000年机器人学大会报告,长沙,2000

[6]鞠德航,林可详,陈捷.信号检测理论导论.北京:科学出

版社,1977.107

[7]童峰.自动导引车(AGV)超声导引系统研究:[学位论

文].厦门:厦门大学,2000

5 讨论

-接收模式的TOF测距原理及由于采用了发射

换能器均衡提高精度处理,系统达到了较高的工作稳定性和超声波测距精度。因为位置测量采用了三

点式工作原理,导航精度受到了待测点位置和发射信标间距等因素的影响,使用时可根据待测点运动情况合理设置发射信标间距和设置接收信标。

样车的导航实验表明:超声波导航系统可完成

TongFeng,XuTianzeng*,XuLufeng*

(RadioEng.Dept.,SoutheastUniversity,Nanjing210096)(*OceanographyDept.ofXiamenUniversity,Xiamen361005)

Abstract

Thedesign,workprincepleandsystemconstructionofaultrasonicnavigationsystemofmobilerobotarepresent.PracticalnavigationexperimentonademoAGVshowsthatitcanmeettheneedofAGV.

Keywords:CIMS,AGV,Navigation,Ultrasonicranging

AnUltrasonicNavigationSystemUsedforAutomaticGuidedVehicle

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