摘要

针对工作空间测量定位系统(workshop Measurement Positioning System,简称wMPS)应用于自动导引车(Automated Guided Vehicle,简称AGV)的高精度定位导航工程中由于测量环境复杂而出现的一种光电信号接收传感器无法正常接收到光信号的现象,设计了一种由伺服电机驱动的自调向型光电接收传感器。为了使传感器能够始终接收到足够的光信号,设计了一种电机调控程序。只用将wMPS系统测得的车体位姿作为程序输入量,就可以达到实时控制效果。实验表明这种新型传感器能够保证始终接收到来自特定发射站的信号。采用这种新型传感器的AGV定位导航系统的测量范围和测量连续性得到了提升。

0 引言

AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引车)作为一种自动化的智能搬运装卸设备与运载平台，能够沿着特定的路径行驶，进而实现工厂内货物搬运移取自动化［1－2］。其作为当代物流处理自动化的有效手段和关键设备，能够有效提高生产效率，降低劳动强度［3］。随着电子商务行业的迅猛发展，企业对高效、灵活、节能的自动化物流系统的需求越来越强烈。导航技术作为AGV的关键技术之一，其重要性也引起了业界的高度重视［4］。
近些年来国内外学者提出了很多AGV的导航定位方法，如磁条导航、光学导航、激光雷达导航和视觉导航等。磁条导航预先在导航场设置磁带、磁钉等导引装置，并且在AGV上安装对应的感应元件来进行识别和跟踪，从而实现确定路径上的定位和导航［5］。这种方法路径单一，精度较低，灵活性差;光学导航和磁条导航类似，用涂漆或色带代替磁条，AGV上安装的摄像机对地面图像进行处理识别［6］。这种方法灵活性较好，但是对色带的污染和磨损比较敏感，可靠性差，精度较低;激光雷达导航技术比较成熟，重复定位精度最高为±4mm，数据更新率约为8Hz［7］;视觉导航是在AGV行驶过程中用CCD相机进行图像采集，对图像信息的处理实时建图，确定位姿的变化［8］。这种方法适用范围广，路线灵活，但是受限于图像质量和计算速度，实时定位精度和反应速度达不到使用需求。

随着工作空间测量定位系统(workshop Measuring Positioning System，wMPS)即wMPS系统用于AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引车)定位的理论和应用日渐成熟，一种结合模糊控制的AGV定位导航方法将wMPS系统实时测得的车体位姿和目标点之间位置的关系作为控制的输入量，实现了AGV高精度的导航，AGV运动到目标点的定位精度优于2.5mm［9］。wMPS系统是天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室科研团队自主研发，基于光电扫描的大尺寸三维坐标测量系统，具有坐标测量精度高、测量空间大、布局灵活等特点。作为系统测量坐标点所用的传感器，wMPS球型接收器能够固连在AGV车体上，作为坐标测量点。通过这些点之间确定的位置关系拟合出车体位姿信息。

在使用wMPS系统进行AGV定位导航的实验中，为了实现定位过程的连续性，合理的测量场内发射站的布局一直是被讨论的问题，目的是实现车体上每个接收器在测量场内每个位置均能测量出坐标。然而由于接收器的光敏元件并非全向设计，同时只能接收到空间中部分方向入射的光信号。设计一种伺服电机驱动的自调向型接收器，从AGV定位方法的改进和调向方法设计2方面入手实现该新型接收器的跟踪瞄准发射的功能，达到更好的动态定位效果。

1 AGV定位原理优化

当前使用wMPS测量系统进行AGV定位，采用的是多台发射站光信号交汇测量数学模型。为了减少解算出AGV实时坐姿信息所必要的光信号接收数量，本文首先从AGV定位计算原理的优化出发，提出一种伪交会测量定位方法。采用这种方法，接收器只需接收来自一台发射站的信号即可达到同样的定位效果。

1.1 wMPS测量模型及原理

本章首先介绍wMPS测量系统，以方便进一步说明AGV定位原理。wMPS测量系统由激光发射基站(下文简称发射站)、光电接收传感器(下文简称接收器)、信号处理器和计算机等组成，接收器从发射站获取光信号，产生模拟电信号经过信号处理器转化为数字信号，由计算机计算出接收器所在的空间坐标。

图1 wMPS 发射站测量工作原理

如图 1 所示，类似圆柱体组合构造的发射站可以抽象成由 2 个互成一定角度的扫描光平面和一个转轴( z轴) 构成的数学模型。在转轴上选取合适的原点，构造对应的发射站仪器坐标系。发射站坐标系下扫描光平面的参数( 单位法向量) 可以用( aki，bki，cki，dki ) T( i 为光平面序号，k 为发射站序号) 表示。当发射站工作时，转台转子带动 2 个发出扫描光平面的线激光器一同以一定的角速度 ωk 匀速旋转( ωk 一般取值使其每秒 25 －50转) 。与此同时发射基站的转台转子旋转至某一位置作为初始位置时，装配在发射站上的同步光激光器向空间发出同步光信号作为计时起点。图中所示的颜色环形点为接收器。接收器采用计时的方式测量扫描光平面到达测量点时扫描光平面绕旋转轴转过的角度。当转台转至初始位置时，接收器收到同步光信号的时刻记为