室外AGV用GPS/DR组合导航系统
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摘要 GPS和DR系统相结合，可以获得较高的导航精度和可靠性。通过AGV用GPS/DR导航系统的研究和探索，必将推进室外agv技术的发展。
自动导引车AGV是一种在计算机和局域网控制下，经导航装置引导并沿程序预定路径自动运行，或牵引载货台至指定地点，进而实现物料自动装卸和搬运的无人驾驶输送设备。
AGV的引导方式不仅决定了由其组成的物流系统的柔性，也影响系统运行的可靠性和总体费用。1953年，美国Barrett Electric制造的世界第一台采用埋线电磁感应式的跟踪路径自动导引车问世。20世纪70年代中期，具有载货功能的AGV在欧洲得到迅速发展及推广应用，并引入美国用于自动化仓储系统和柔性装配系统的物料运输。直到20世纪80年代初，埋线电磁感应方式始终是AGV的主要引导技术。随着电子技术的发展，磁引导、激光引导、超声引导、光反射检测、惯性导航、图像识别和坐标识别等新的引导技术得到更广泛研究和发展，AGV的性能进一步提高，能够适应更复杂的工作环境，因而广泛应用于仓储、汽车制造、港口码头、烟草、医药、食品、化工、危险场所和特种作业等领域。
目前，成熟的引导技术主要有电磁、磁条、激光等方式。其中，电磁和磁条为固定路径导引方式，主要缺点是路径的更改和扩充不方便；激光属于自由路径导引方式，具备较高的精度和自由度，缺点是成本高，对反光板的位置要求较高。以上几种导航方式的AGV主要应用于室内。在港口、码头等室外场所，AGV的应用也越来越广泛。
室外AGV导航技术
在港口行业，装卸效率的提高意味着降低巨额的集装箱货轮停泊费用，装卸周期的缩短也将提高口岸的利用效率。目前，荷兰鹿特丹港和德国汉堡港等已将AGV系统应用到港口运输装卸，综合提高效率达70％。近年来我国港口行业高速发展，也将对AGV系统全自动化运输装卸产生需求，室外或半室外AGV技术将逐步完善并进入应用阶段。
目前，室外AGV的导航技术一直是应用难点，虽然国内一些高校和研究机构取得了一定研究进展，但还没有真正符合国内港口需求的成熟AGV。
几种室外AGV导航系统各有优劣：
1 激光定位导航法
激光定位导航法(Laser Navigation)基于三角测量原理，将反射路标布置在可能行经的路径周围，AGV上安装激光发生器，激光发生器在无刷直流电机带动下360。旋转，扫描周围的路标，通过计数的方式获得3个及以上路标的角度信息，然后采用匹配算法、定位算法和优化算法得到小车的位姿。该方法精度高，定位精度可达±2mm，柔性好，可靠性高。但易受外界天气(光线)影响，需要安装大量的反射路标，因此限制了该方法在港口的应用。
2 视觉定位导航法
视觉定位导航法(Machine VisionNavigation)通过视觉图像处理的方法提供导引。视觉导航具有柔性极高、适用于各种不同场景、定位精度高等优点，是一种非常有潜力的导航方式。但在目前阶段，该系统成本高，系统复杂，受图像传感器的影响较大，尚未在港口应用。
3 毫米波雷达法
毫米波雷达法(Millimeter Wave Radar，简称MMWR)在AGV车上安置毫米波雷达，工作时雷达旋转寻找安装在已知位置的信标，利用信标的相对位置信息确定并不断更新AGV的位姿。该方法导航精度可达±0.1m，缺点是价格较贵，还需安装大量信标。目前，该系统在英国泰晤士进行了试验。
4 惯性导航系统
惯性导航系统(Inertial Navigation System，简称INS)是一种相对定位法，在车上安装陀螺仪之类的传感器精确获取小车的方向和速度，当起点位置坐标已知时，由传感器数据计算出小车的位置。该系统具有简单灵活、成本低且实时性好等特点，缺点是由于各种原因造成误差累积，长时间运行可导致精度完全丧失。为提高INS的精度，常用其他方法消除累积误差。例如，基于栅格的自由测距(Free Ranging OnGrid，简称FROG)系统采用光导纤维线性网格，将诸如RFID的发射应答器作为网格节点，布置在整个码头行驶路面。当小车经过应答器时，通过天线获取其发射的信息(该应答器的编号和坐标值等)，该信息用于修正来自陀螺仪的数据。FROG系统已成功应用于荷兰鹿特丹港，精度误差控制在±0.03m以内。
5 全球定位系统
全球定位系统(Global Position System)是通过导航卫星实现定位的无线导航系统，由空间、地面监控和用户接收机三大部分组成，可实现全能性(海洋、陆地、航空、航天)、全球性、全天候、连续性和实时性导航与定位功能，能够提供精密的位置与速度信息。由于普通用户只能使用GPS提供的标准定位服务(SPS)，即使终止选择可用性(SA)技术，SPS精度在水平面上为±10m(95％的置信度)，离AGV定位的精度要求0.03-0.1m仍相差甚远。采用GPS实时差分可以消除系统中固有的卫星误差、星历误差、电离层误差和对流层误差等，进而提高定位精度。
这种方法可将定位精度提高到±0.02m。GPS实时差分方式具有安装简便、应用于不同的港口几乎无需改动、且无需路标等优点，是适合港口AGV应用的导航系统之一。
GPS/DR导航系统简介
GPS实时差分定位分为伪距差分和载波相位差分。伪距差分也称DGPS，精度为亚米级到米级。载波相位差分也称RTK，精度可达到0.02m。
当然，采用GPS导航也存在许多缺陷。例如，对卫星信号的阻挡、干扰、信号多路径等因素，会使GPS接收机输出的定位数据不可靠；桥梁、坑道、水下、林区、建筑密集区将在一定程度上限制GPS应用；高速动态环境中，GPS接收机会失锁不工作，或者定位误差过大而不能使用。数据输出频率低是GPS动态应用的另一个主要问题。不同于惯性导航，GPS是纯粹的几何定位方法，无法测量重力矢量，也不能直接测定航行姿态信息。
AGV采用GPS导航技术，必须得到连续可靠的定位信息，这需要其他辅助手段。因此，一种组合的GPS/DR导航系统的概念得以提出。
DR(Dead Reckoning)系统即航位推算系统，是典型的独立定位技术，在短时间内能够保持较高的精度，一般由低成本的陀螺仪和车辆里程仪(轮速仪)构成，通过测量车辆航向角和速度或位置信息，推算出车辆相对于起始点的当前位置。DR系统可实现连续、自主式定位，受外界影响小，但它仅能确定相对位置，并且定位误差随着时间积累。因此，GPS和DR存在很强的互补关系。一方面，GPS提供的绝对
位置信息可以为DR提供推算定位的初始值并进行误差校正；另一方面，DR的推算结果可用于补偿部分GPS定位中的随机误差和断续点，从而平滑定位轨迹。单独的DR系统和GPS系统均不能提供精确、连续、可靠的定位导航信息，通过二者的结合，则可以综合利用两种定位技术的优点，获得比单独任何一种导航系统都要高的导航精度和可靠性。随着GPS接收机导航精度的提高和成本的降低，与低价位的里程计构成的DR系统相组合的导航系统具有低成本优势。
AGV用GPS/DR导航系统的实现
1 硬件方面
基于CAN总线和DSP处理技术的AGV新型控制系统，已经在国产AGV的设计中得到全面应用，并在降低成本、增强可靠性、减少维护上取得良好的经济效益。CAN现场总线技术即控制器局域网，用在AGV的数据传输中，能够高速实时采集里程计的数据。
AGV里程计主要由车轮上的编码器实现功能。AGV上测量位移的编码器，与车轮存在固定的减速比，通过编码器输出的A、B两路脉冲信号，可以计算出AGV的运行方向、运行速度和运动距离。
GPS导航定位技术日趋成熟，定位精度和可靠性都有很大提高。由于要将AGV导航系统的成本控制在数万元，因此采用NOVATEL公司的OEMV一1系列产品，其单点动态定位精度能达到1.8m，数据更新率为50Hz。如果采用伪距差分方法，动态定位精度可以达到0.45m。
2 软件方面
GPS与里程计的导航数据融合处理系统的核心是软件的数据处理算法。OEMV－1接收机可以实时输出所在位置、速度和时刻。为了配合GPS/DR数据融合算法，提高系统的实时性，应使用尽量多的GPS原始导航数据，因此将OEMV－1接收机的数据更新率设为20Hz，对位置信息输出采用事件触发方式。同时，为了有更高的数据传输效率，通过对接收机输入命令，设置为二进制方式通讯。
软件的数据处理系统主要分为三部分：GPS导航数据预处理、编码器构成的里程计数据预处理、数据融合处理。
(1)GPS导航数据处理：将GPS在WGS-84坐标系下的导航数据转换到现场坐标系。其中涉及数据可靠性的判断、定位数据和速度数据的定位转换、坐标转换等。GPS导航数据的处理流程如图1所示。
(2)编码器构成的里程计数据预处理：车轮上的编码器输出的旋转角度经处理后，与前一采样时刻的位姿数据及其方差累加，得到当前的位姿数据及其方差。两个编码器构成里程计的误差，不仅包含编码器的线数引入的精度误差，而且包含车轮滚动过程中因偶然因素引入的编码器旋转误差。
(3)数据融合处理：将GPS和编码器各自得到的车姿及其方差数据进行融合，得到可靠性高、满足一定精度的稳定的位姿数据。在融合处理算法中，依据编码器得到的位姿数据在短距离范围内有较高可靠性的特点，应用马氏距离判断GPS的导航定位数据和方向角的可靠性，对GPS导航数据进行取舍。取舍后的GPS导航数与由编码器得到位姿数据按照各自方差按比例融合，得到满足要求的AGV位姿数据。系统目标
GPS与里程计组合导航数据融合处理系统的总体目标是：实现在一定环境条件下，为AGV系统提供准确、稳定、可靠的定位导航数据。在实验阶段，鉴于单机与加基站有相一致的步骤，因而先用单机GPS接收机做实验，达到预期指标后再根据产品应用的需要加建基站。
GPS与里程计组合导航的AGV主要应用在室外大范围区域，所以导航数据融合处理系统的具体应用目标为：
1 应用环境
室外环境，通行路面宽度不小于3m，运动范围区域坡度较小；通行道路两侧5m以内的建筑物高度低于15m；道路正上方可以有不连续的垂直遮挡，连续遮挡长度不大于5m。
2 AGV导航准确度
采用不做差分的单机GPS接收机OEMV－1，其单点动态导航精确度为1.8m，数据更新率50Hz，在里程计误差小于5％的前提下，提供导航位置准确度优于1.8m，平面姿态角准确度优于0.02(即1.15。)。
采用伪距差分方法，增加基站后的移动GPS接收机输出的导航定位数据精度能够达到0.45m，GPS与里程计组合导航数据融合处理系统输出的导航定位数据精度优于0.2m。
3 AGV导航稳定性
能够在上述应用环境下，稳定、不间断地输出符合导航准确度目标的导航位置数据和姿态数据。
4 AGV导航可靠性
系统输出的每组数据，在符合导航准确度目标范围内，可靠度达95％以上，系统准确度控制在2σ以内。
5 系统扩展性
系统设计保留了GPS接收机增加基站，以提高导航准确度的空间；保留了增加数据输出频率的空间；保留了可更换为其他航位推算系统的空间。
目前，还没有采用GPS导航技术的AGV应用范例。GPS导航定位设备的价格逐年下降，渐显室外AGV采用GPS导航技术的优势。AGV用GPS/DR导航系统的研究和探索，为其实际应用提供了可行性支持和大量真实可靠的数据，必将推进室外AGV技术的发展。