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GPS/DR技術(shù)在AGV導(dǎo)航中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)
1 硬件方面
基于CAN總線和DSP處理技術(shù)的AGV新型控制系統(tǒng)，已經(jīng)在國產(chǎn)AGV的設(shè)計(jì)中得到全面應(yīng)用，并在降低成本、增強(qiáng)可靠性、減少維護(hù)上取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。CAN現(xiàn)場總線技術(shù)即控制器局域網(wǎng)，用在AGV的數(shù)據(jù)傳輸中，能夠高速實(shí)時(shí)采集里程計(jì)的數(shù)據(jù)。
AGV里程計(jì)主要由車輪上的編碼器實(shí)現(xiàn)功能。AGV上測量位移的編碼器，與車輪存在固定的減速比，通過編碼器輸出的A、B兩路脈沖信號，可以計(jì)算出AGV的運(yùn)行方向、運(yùn)行速度和運(yùn)動(dòng)距離。
GPS導(dǎo)航定位技術(shù)日趨成熟，定位精度和可靠性都有很大提高。由于要將AGV導(dǎo)航系統(tǒng)的成本控制在數(shù)萬元，因此采用NOVATEL公司的OEMV一1系列產(chǎn)品，其單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位精度能達(dá)到1.8m，數(shù)據(jù)更新率為50Hz。如果采用偽距差分方法，動(dòng)態(tài)定位精度可以達(dá)到0.45m。
2 軟件方面
GPS與里程計(jì)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合處理系統(tǒng)的核心是軟件的數(shù)據(jù)處理算法。OEMV－1接收機(jī)可以實(shí)時(shí)輸出所在位置、速度和時(shí)刻。為了配合GPS/DR數(shù)據(jù)融合算法，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，應(yīng)使用盡量多的GPS原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)，因此將OEMV－1接收機(jī)的數(shù)據(jù)更新率設(shè)為20Hz，對位置信息輸出采用事件觸發(fā)方式。同時(shí)，為了有更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，通過對接收機(jī)輸入命令，設(shè)置為二進(jìn)制方式通訊。
軟件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要分為三部分：GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)預(yù)處理、編碼器構(gòu)成的里程計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)融合處理。
(1)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理：將GPS在WGS-84坐標(biāo)系下的導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場坐標(biāo)系。其中涉及數(shù)據(jù)可靠性的判斷、定位數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)的定位轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理流程如圖1所示。
(2)編碼器構(gòu)成的里程計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)處理：車輪上的編碼器輸出的旋轉(zhuǎn)角度經(jīng)處理后，與前一采樣時(shí)刻的位姿數(shù)據(jù)及其方差累加，得到當(dāng)前的位姿數(shù)據(jù)及其方差。兩個(gè)編碼器構(gòu)成里程計(jì)的誤差，不僅包含編碼器的線數(shù)引入的精度誤差，而且包含車輪滾動(dòng)過程中因偶然因素引入的編碼器旋轉(zhuǎn)誤差。
(3)數(shù)據(jù)融合處理：將GPS和編碼器各自得到的車體位姿及其方差數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到可靠性高、滿足一定精度的穩(wěn)定的位姿數(shù)據(jù)。在融合處理算法中，依據(jù)編碼器得到的位姿數(shù)據(jù)在短距離范圍內(nèi)有較高可靠性的特點(diǎn)，應(yīng)用馬氏距離判斷GPS的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)和方向角的可靠性，對GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍。取舍后的GPS導(dǎo)航數(shù)與由編碼器得到位姿數(shù)據(jù)按照各自方差按比例融合，得到滿足要求的AGV位姿數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)目標(biāo)
GPS與里程計(jì)組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合處理系統(tǒng)的總體目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)在一定環(huán)境條件下，為AGV系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)階段，鑒于單機(jī)與加基站有相一致的步驟，因而先用單機(jī)GPS接收機(jī)做實(shí)驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)后再根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用的需要加建基站。
GPS與里程計(jì)組合導(dǎo)航的AGV主要應(yīng)用于在室外大范圍區(qū)域，所以導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合處理系統(tǒng)的具體應(yīng)用目標(biāo)為：
1.應(yīng)用環(huán)境
室外環(huán)境，通行路面寬度不小于3m，運(yùn)動(dòng)范圍區(qū)域坡度較?。煌ㄐ械览韮蓚?cè)5m以內(nèi)的建筑物高度低于15m；道路正上方可以有不連續(xù)的垂直遮擋，連續(xù)遮擋長度不大于5m。
2.AGV導(dǎo)航準(zhǔn)確度
采用不做差分的單機(jī)GPS接收機(jī)OEMV-1，其單點(diǎn)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航精確度為1.8m，數(shù)據(jù)更新率50Hz，在里程計(jì)誤差小于5%的前提下，提供導(dǎo)航位置準(zhǔn)確度低于1.8m，平面姿態(tài)角準(zhǔn)確度低于0.02（即1.15°）。
采用偽距差分辦法，增加基站侯的移動(dòng)GPS接收機(jī)輸出的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)精度能夠達(dá)到0.45m，GPS與里程計(jì)組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合處理系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)精度低于0.2m。
3.AGV系統(tǒng)穩(wěn)定性
能夠在上述應(yīng)用環(huán)境下，穩(wěn)定、不間斷地輸出符合導(dǎo)航準(zhǔn)確度目標(biāo)的導(dǎo)航位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。
4.AGV導(dǎo)航可靠性
系統(tǒng)輸出的每組數(shù)據(jù)，在符合導(dǎo)航準(zhǔn)確度目標(biāo)范圍內(nèi)，可靠度達(dá)95%以上，系統(tǒng)準(zhǔn)確度在2σ以內(nèi)。
5.系統(tǒng)擴(kuò)展性
系統(tǒng)設(shè)計(jì)保留了GPS接收機(jī)增加基站，以提高導(dǎo)航準(zhǔn)確度的空間；保留了增加數(shù)據(jù)輸出頻率的空間；保留了可更換為其他航位推算系統(tǒng)的空間。
目前，還沒有采用GPS導(dǎo)航技術(shù)的AGV應(yīng)用范例。GPS導(dǎo)航定位設(shè)備的價(jià)格逐年下降，漸顯室外AGV采用GPS導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢（詳見安徽宇鋒智能網(wǎng)站室外AGV）。AGV用GPS/DR導(dǎo)航系統(tǒng)的研究和探索，為其實(shí)際應(yīng)用提供了可行性支持和大量真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，必將推進(jìn)室外AGV技術(shù)的發(fā)展。
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