AGV导航系统及AGV小车的制作方法

本发明属于agv导航技术领域，更具体地，本发明涉及一种agv导航系统及agv小车。

背景技术：

agv导航系统在生成全局路径时，大多是基于场地已存在的障碍物来生成最佳行驶路径，在行驶过程中，在全局路径上出现了新增的障碍物时，只能局部路径规划来进行避障，当前agv多半在ros下采用d*等局部路径规划方法，d*局部路径规划方法采用遍历的方式查找栅格地图上任务起点至任务终点的最优路径，以任务终点为起始点，遍历任务终点所在栅格的周边8个栅格，获取距任务起点最近且没有障碍物的栅格，再以该栅格为起始点，遍历其周边的8个栅格，依次类推，遍历至任务起点所在的栅格，这些局部路径规划方法存在计算复杂且计算量大的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种agv导航系统，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种agv导航系统，所述agv导航系统包括：

全局路径规划单元，与全局路径规划单元连接的局部路径规划单元，与全局路径规划单元及局部路径规划单元连接的路径优化单元，其中，

全局路径规划单元，规划任务起始点至任务终止点的最短路径，即全局路径；

在行驶过程中，若检测到全局路径上存在障碍物，则通过局部路径规划单元规划避开障碍物回到全局路径上的最短路径，即为局部路径；

路径优化单元，对形成的全局路径及局部路径进行平滑处理。

进一步的，局部规划单元包括：依次连接的采样组生成模块、线速度约束模块、角速度约束模块、轨迹评估模块及平滑处理模块，其中，

采样组生成模块：周期性的形成若干初始采样组，基于初始位置生成各初始采样组对应的轨迹；

线速度约束模块；将线速度满足电机性能约束、障碍物距离约束以及局部路径约束的采样组输出至角速度约束模块；

角速度约束模块；将角速度满足局部航向约束、全局航向约束及将平滑约束的采样组输出至轨迹评估模块；

轨迹评估模块：对各采用组所形成的轨迹进行评估，输出评估最佳的轨迹至平滑处理单元；

平滑处理模块：对评估最佳的轨迹进行角速度平滑，形成最优轨迹；

进一步的，线速度约束模块的线速度约束条件具体如下：

电机性能约束：vm∈{v0-va·δt,v0+va·δt}，其中，va表示agv小车所能达到的最大线加速度，v0表示agv小车的当前速度，δt为两次采样的时间间隔；

障碍物距离约束：其中，diast(vm,wm)为采样组(vm,wm)对应轨迹距最近障碍物的距离，va表示agv小车所能达到的最大线加速度，wa表示agv小车所能达到的最大角加速度；

局部路径约束：|v(w)*δt-s|≤δ1，且|v(w)*δt-s|x≤δ2，其中，vt(w)表示agv行驶角速度wm下的线速度vm，s为v(w)对应轨迹在全局路径上的局部终点，|v(w)*δt-s|x表示直线|v(w)*δt-s|在横向轴x上的投影距离。

进一步的，角速度约束模块的角速度约束条件具体如下：

局部航向约束为：其中，θc为采样组对应的航向角，θg为采样组对应轨迹在全局路径上的局部终点航向角，w0为局部航向偏差阈值；

全局航向约束：其中，θc为采样组对应的航向角，θw为当前全局路径上的全局终点航向角，w1为全局航向偏差阈值；

平滑约束：其中，θp为航向偏差阈值。

进一步的，平滑处理模块基于公式(1)评估最佳的轨迹进行平滑处理，公式(1)表示如下：

其中，θc表示采样组对应的航向角，θg为采样组对应轨迹在全局路径上的局部终点航向角，θ表示平滑后采用组对应的航向角。

进一步的，所述轨迹评估模块基于如下方法进行估计评估：

获取轨迹的转角数量nr和转动幅度θr，评估式为μ(nr)和ρ(θr)；

评估agv与全局终点距离，距离评估公式为β(dist)；

最优路径tp为tp＝max{σ1·μ(nr)+σ2·ρ(θr)+σ3·β(dist)}，σ1、σ2及σ3为比重系数。

进一步的，所述agv导航系统还包括：

线速度采样模块，线速度约束模块通过线速度采样模块与角速度约束模块连接，其中，线速度采样模块对线速度约束模块输出的采样组进行采样，将采样的采用组输出至角速度约束模块，线速度采样模块的采样方法具体如下：

计算线速度约束单元输出采样组中最大速度与最小速度的速度差值v′；

基于速度差值v′确定采样数量n，基于等分辨率的方法对线速度约束单元输出采样组进行采样；

其中，ε为速度差值阈值，ns为采样组数的设定值，f(*)为取整函数，a为比例因子，n为线速度约束单元的输出采样组数量。

本发明是这样实现的，一种agv小车，所述agv小车上设置有agv导航系统，所述agv导航系统设置有上述系统。

本发明提供的agv导航方法具有如下有益技术效果：在进行局部导航时，采样组采用等分辨率采样、更全面的线速度约束及角速度约束进行处理，极大的降低局部导航的计算量，同时能保证导航精确性，使得算法不严重依赖处理器算力，适用于采用嵌入式处理器，更加符合工业agv运行场景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的agv导航系统的结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图1为本发明实施例提供的agv导航系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。

该agv导航系统主要适用于栅格地图中的agv导航，该agv导航系统包括：全局路径规划单元，与全局路径规划单元连接的局部路径规划单元，与全局路径规划单元及局部路径规划单元连接的路径优化单元，其中，

全局路径规划单元，规划任务起始点至任务终止点的最短路径，即全局路径；在行驶过程中，若检测到全局路径上存在障碍物，则通过局部路径规划单元规划避开障碍物回到全局路径上的最短路径，即为局部路径；路径优化单元，对形成的全局路径及局部路径进行平滑处理，

其中，全局路径规划单元采用最短路径算法来实现任务起始点至任务终止点的最短路径规划，如floyd算法；路径优化单元采用贝塞尔曲线平滑处理全局路径及局部路径，使得行驶平稳流畅。

在本发明实施例中，局部规划单元包括：依次连接的采样组生成模块、线速度约束模块、角速度约束模块、轨迹评估模块及平滑处理模块，其中，

采样组生成模块：周期性的形成若干初始采样组，基于初始位置生成各初始采样组对应的轨迹；线速度约束模块；将线速度满足电机性能约束、障碍物距离约束以及局部路径约束的采样组输出至角速度约束模块；角速度约束模块；将角速度满足局部航向约束、全局航向约束及将平滑约束的采样组输出至轨迹评估模块；轨迹评估模块：对各采用组所形成的轨迹进行评估，输出评估最佳的轨迹至平滑处理单元；平滑处理模块：对评估最佳的轨迹进行角速度平滑，形成最优轨迹；

采样组生成模块：周期性的形成若干初始采样组，基于初始位置生成各初始采样组对应的轨迹；

在局部路径规划之前，首先确定agv的运动学模型为：即将相邻时间内agv运动轨迹看成一段圆弧，更符合工业轮式agv的运动特性，r为瞬心半径，v为线速度，w为角速度。因此通过模型可知：瞬心半径r决定着运动的轨迹，而v和w与r相关。

获取agv当前所在位置(x0，y0)，定义为起始位置，基于固定分辨率周期性的生成若干采样组(vm，wm)，称为初始采样组，并同步生成各采样组对应的轨迹。基于各采样组中的线速度vm及角速度wm，通过速度位移公式即可获取各采样组在当期周期内的行驶轨迹，该轨迹的终点坐标为(xmf，ymf)，其表达式具体如下：

其中，θt0为agv的起始航向角，θt1＝θt0+w·δt，δt为两次采样的时间间隔，即采样周期，vm,wm表示第m个采样组的线速度、角速度；

线速度约束模块：将线速度满足电机性能约束、障碍物距离约束以及局部路径约束的采样组输出至角速度约束模块；

在本发明实施例中，线速度约束模块的线速度约束条件表述如下：

1)电机性能约束：vm∈{v0-va·δt,v0+va·δt}，其中，va表示agv小车所能达到的最大线加速度，v0表示agv小车的当前速度，δt为两次采样的时间间隔；

2)障碍物距离约束：不仅考虑距障碍物的直线距离，还有障碍物的横向距离，距障碍物的直线距离及横向距离都需保持在安全距离内，若此时是一定航向w行驶的，那么速度v与角速度w关系耦合。对于障碍物直线距离，vm的范围应满足：其中，diast(vm,wm)为速度(vm,wm)对应轨迹距最近障碍物的距离，va表示agv小车所能达到的最大线加速度，wa表示agv小车所能达到的最大角加速度，距障碍物的横向距离则很容易获取，基于障碍物直线距离的边与障碍物横向距离的边满足夹角关系。也就是以当前速度行驶，能否在障碍物之前停下；

3)局部路径约束：agv在当前速度下以一定的航向行驶，在采样周期δt内所到达的位置点，应当离全局路径上对应的局部终点的距离在一定范围内，这里的距离包括直线距离及来横向距离，该位置点与全局路径对应局部终点间直线距离小于距离阈值δ1，即|v(w)*δt-s|≤δ1，且|v(w)*δt-s|x≤δ2，其中，vt(w)表示agv行驶角速度wm下的线速度vm，s为v(w)对应轨迹在全局路径上的局部终点，|v(w)*δt-s|x表示直线|v(w)*δt-s|在横向轴x上的投影距离。

全局路径是指规划的是任务起始位置至任务终点位置的最短路径，局部终点是全局路径上的点，且是v(w)对应轨迹返回至全局路径上的点，

满足上述约束条件的采样组所形成的轨迹是满足电机硬件性能、不会与障碍物碰撞(安全性好)、与局部路径终点距离短且局部路径横向偏差小(保证不会跑偏)。

在本发明实施例中，该agv系统还包括：

线速度采样模块，线速度约束模块通过线速度采样模块与角速度约束模块连接，其中，线速度采样模块对线速度约束模块输出的采样组进行采样，将采样的采用组输出至角速度约束模块，线速度采样模块的采样方法具体如下：

计算线束速约束模块输出采用组中的最大速度与最小速度的速度差值v′，v′＝|vmax|-vmin|，其中，|vmax|为采样组ⅰ中的最大速度值，|vmin|为采样组ⅰ中的最小速度值；

基于速度差值确定采样组ⅰ的采样数量n，基于等分辨率的方法对采样组ⅰ进行采样组的采样，生成采样组ⅱ；

其中，ε为速度差值阈值，ns为采样组数的设定值，f(*)为取整函数，n为，a为比例因子，n为采样组ⅰ中的采样组数量，在n的数值为12，n的数值为6时，则在采样组ⅰ中每隔一个采样组取样一个，若n的数值为3时，则在采样组ⅰ中每隔4个采样组取样一个。

角速度约束模块：对线速度约束模块或线速度采样模块输出的采用组进行角速度的筛选，将角速度满足局部航向约束、全局航向约束及将平滑约束的采样组输出至轨迹评估模块；

基于航向角来评估角速度，上述全局路径约束、局部路径约束及平滑约束，上述约束模型具体如下：

1)局部航向约束：其中，θc为采样组对应的航向角，θg为采样组对应轨迹在全局路径上的局部终点航向角(或者简称为采样组对应轨迹的局部终点航向角)，本发明中的航向角是指agv的质心速度(矢量)和x轴夹角，w0为局部航向偏差阈值；

2)全局航向约束：其中，θc为采样组对应的航向角，θw为为全局路径上的全局终点航向角，w1为全局航向偏差阈值；

3)平滑约束：其中，θp为航向偏差阈值。

上述局部航向约束、全局航向约束及平滑约束中，若f取值为1，则保留对应采样组中的角速度，若f取值为0，则不保留对应采样组中的角速度。

能满足上述约束条件的采样组，其对应的轨迹没有大角度转动(保证平滑)；保证与局部路径终点朝向偏差小(保证不会跑偏)；保证与全局路径朝向偏差小(保证不会跑偏)。

轨迹评估模块：接收角速度约束模块输出的采样组，对该采样组所形成的轨迹进行评估，获取评估最佳的轨迹。轨迹的评估方法具体如下：

1)由于栅格地图下路径依然会出现折线转角，并且可能出现折现转角数量较多，这样的路径使得agv运行效率低的问题，我们综合考虑路径的运行问题，对轨迹进行评估，考虑两方面因素，轨迹t的转角数量nr和转动幅度θr的评估式为μ(nr)和ρ(θr)，转角数量越多，μ(nr)值越小，转角幅度越大，ρ(θr)值越小；

2)用以实时评估agv与全局终点距离，dist表示机器人在当前轨迹上两点之间的距离，距离评估公式为β(dist)，距离越远，β(dist)值越小。

3)评估最佳的轨迹tp为tp＝max{σ1·μ(nr)+σ2·ρ(θr)+σ3·β(dist)}，σ1、σ2及σ3为比重系数，获取的路径更能满足工业agv应用场景，agv行驶更加稳定。

平滑处理模块：对评估最佳的轨迹进行角速度平滑处理，形成最优轨迹。

平滑处理:其中，θc表示采样组对应的航向角，θg为采样组对应轨迹在全局路径上的局部终点航向角，θ表示平滑后采样组对应的航向角。

相应的，本发明还提供了一种agv小车，该agv小车上设置有agv导航系统，agv导航系统设置有如上所述的系统。

本发明提供的agv导航方法具有如下有益技术效果：在进行局部导航时，采样组采用等分辨率采样、更全面的线速度约束及角速度约束进行处理，极大的降低局部导航的计算量，同时能保证导航精确性，使得算法不严重依赖处理器算力，适用于采用嵌入式处理器，更加符合工业agv运行场景。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。