基于SICK激光扫描器的反射板布置和测量方法.doc

基于SICK激光扫描器的反射板布置和测量基于SICK激光扫描器的反射板布置和测量方法张玮 蔡颖杰 摘要：介绍了SICK激光扫描器的工作以及定位原理，并详细阐述了在激光导引AGV系统中反射板布置和测量的方法。关键词：AGV；激光扫描器；反射板1 SICK激光扫描器工作原理SICK NAV200激光扫描定位系统是一个利用激光来测量距离的装置，它可以在二维平面内进行360度旋转扫描，通过RS232串口与车载计算机连接，它可以对激光扫描器采集到的数据进行连续不断的计算，并把计算好的位置信息传送给车载控制器。1.1 定位原理在本项目中，采用了SICK公司生产的NAV200激光扫描器。NAV200不同于传统的激光扫描器，只采用“三角法”原理来定位；NAV200采用了三角测量和距离测量相结合的方法来确定位置，因此，NAV200的定位精度误差可以达到小于1。三角法测距原理是基于光学三角测量原理而设计的。发射器发射测量光脉冲到被检测物体表面，在物体表面反射后，被光接收器接收，根据三角反射原理，被检测物体到传感器的不同距离决定了其在光接收器上的不同位yxayx置，从而达到距离测量的目的。再加上NAV200对距离的直接测量值，二者相结合计算出精确的位置。NAV200对采集到的数据进行计算，能够输出当前坐标（x，y，a），a指扫描器的x轴与全局坐标系中的X轴之间的夹角。1.2 反射板的测量原理NAV200对反射板的测量采用了高精度的飞行时间法（time-of-flight），这种测距原理能够在长量程内（最远1100m）达到级的测量重复精度。飞行时间法是通过测量“发射光脉冲”从发出到从物体反射回来之间的时间差来测量距离的方法。激光扫描器向空间发射激光脉冲信号，并接收由反射板反射回来的信号，然后测量发射和接收脉冲的时间差，就可以得到反射板的距离。为了提高测量精度，可以对多次测量值取平均值。重叠的激光束进行多次测量 多次测量得到的幅度值 计算出角度的平均值2 反射板布置工艺AGV导航系统是整个AGV项目的基础，反射板布置的好坏，直接影响到激光导引AGV的导航精度和站台定位精度。因此，合理地安装和布置反射板，是保证激光导引AGV系统能够正常运行的一个重要前提。2.1 确定坐标系在布置反射板之前，首先要确定一个全局坐标系的原点和X，Y轴。通常情况下，建议把AGV的所有行走路线都包含在全局坐标系的第一象限中，这样所有的位置坐标值都是正数，在数据的处理时比较方便。确定坐标系之前，要测量实际站台位置与平面布置图的整体偏差。这是很关键的一步，如果不经过测量就将平面布置图的X轴,Y轴作为整体坐标系的基准，那么，AGV小车在进站台的时候，车身可能会与站台形成一个夹角，从而导致AGV装卸货失败。从上图，可以看出，AGV所有站台X轴与整体平面图X轴之间存在一个夹角。此时，我们应该保证AGV在进入站台时车体的X轴相对于站台X轴是平行的。所以，在测量反射板的时候，应该把站台的X轴，和Y轴作为整体坐标系的基准，将坐标系的原点定在左下红圈处。2.2 划分“导航区”确定好全局坐标系后，根据AGV需要完成的作业任务，对指定区域中AGV的所有行走路线进行规划，然后再把AGV的行走区域划分成若干“导航区”。所谓导航区，就是把一个系统中的完整区域按照一定的规则划分成一个一个的小区域，每个小区域就称为一个导航区。例如，一些相对独立的物理区域就应该划分为不同的导航区。NAV200最多可以存储40个导航区，每导航区可以包括332块反射板。在一个系统中的所有导航区都使用同一个坐标系，即全局坐标系。在划分导航区的时候要注意，导航区与导航区之间应尽量避免互相耦合，即扫描器能够探测到一导航区里尽可能多的反射板，而尽可能少地探测到其它导航区的反射板。然而，个别反射板可以在多个导航区中定义，即导航区与导航区之间是可以重叠的，这样可以使AGV在导航区与导航区之间进行平滑过渡。导航区的重叠导航区与导航区的重叠区域至少需要2块反射板，如图所示，左180一块，右180一块，但不要对称布置。在实际工程中，一般采用4块共用的反射板。注意，要相同类型的反射板才能共用。例如Layer1采用了平面型反射板，Layer2采用了圆柱型反射板，则这两个导航区之间就没有共用的反射板。另外，同样是圆柱型反射板，如果半径不相同，也不能共用反射板。2.3 布置反射板在规划好的导航区中预置反射板，每导航区可以包括332块反射板。反射板要安装在明显的位置上，各反射板之间的距离应50，且邻近的反射板边缘角距应大于1。布置反射板时，应该仔细观察AGV行驶区域的环境，找出适合布置反射板的位置。一般来说，在充电站附近，装卸货站台附近，以及水泥立柱上，都是我们要考虑布置反射板的位置；而在玻璃窗，不锈钢柱子，以及距离AGV行驶路径太近的地方，都要避免布置反射板，而且要用不反光的材料将玻璃及不锈钢柱子遮挡住。在反光板的布置过程中，还要考虑一下其他情况，比如，开关门窗是否会挡住反射板，货物堆放的高度对反射板的影响等等。反射板的安装高度要根据AGV车上的NAV200的实际安装高度来确定。一般情况下，取反射板的中心高度与NAV200扫描器的高度等高。在AGV行使过程中，每一导航区的反射板并非能够同时完全探测到，有些反射板可能被行人或障碍物暂时遮挡，因此在布置反射板时应注意，在NAV200的探测范围内时刻保证有515块反射板。NAV200具有一定的抗干扰功能，不是由系统内定义过的反射板产生的反射光将被当作允许误差来处理。但尽管如此，在实际应用中我们发现，当环境中的干扰光线比较恶劣时，例如有阳光进入的窗户附近，不锈钢、铝合金等会反光的物体，或房间内光线忽明忽暗等，都容易造成NAV200找不到反射板。因此，建议不要把反射板安装在有阳光进入的门窗附近，房间内的照度应保持相对稳定，会反光的物体应加以覆盖。下面介绍一些反射板布置的基本原则：1. 在同一导航区中的反射板应遵循不对称原则进行布置。（如图）不对称布置对称布置2. 沿途反射板的安装位置取决于对某些特殊点定位精度的要求，靠近扫描器的反射板测量精度较高，计算的结果也较准确。有关技术参数如下：扫描反射板距离3m5m10m20m30m定位精度4mm8mm12mm15mm25mm角度精度0.10.10.10.10.1测量区域360；1.2030mNAV200的有效探测范围为1.2m28.5m，当反射板的距离大于30m后，探测精度降低。通常情况下，NAV200能够同时探测到近处和远处的多块反射板，这时可以通过软件编程来选择在扫描范围内离NAV200最近的N块反射板进行计算，从而提高计算结果的精度。N值一般在515之间，通常情况下选择最近的5块就可以了。3. 在站台和道路的转弯处要求的定位精度较高，因此在这些地方安装反射板时应注意，反射板到NAV200的直线距离要在8.5m以内（如图），并保证在此范围内至少有4块反射板被探测到。另外，如果采用平面反射板，则两块反射板之间的夹角不要超过120。我们可以通过软件编程来设定NAV200的扫描范围，例如：0.5m扫描半径8.5m。4. 根据现场实践经验，采用平面式反射板需要的反射板数量较多，而采用圆柱形反射板，由于激光扫描器的探测角度大大增加，因此需要的反射板数量较少。尤其在狭窄的巷道里，由于平面式反射板受到探测角度的局限，需要安装数量较多的反射板，很容易形成相似性，造成导航丢失，而采用圆柱形反射板的导航效果更好。2.4 反射板的尺寸由图可知，反射板的宽度（直径）d（单位）与扫描半径R（单位m）的关系是：平面式反射板宽度：；圆柱式反射板直径：。无论是平面式反射板，还是圆柱式反射板，它们的长度都应50。在此值得注意的是，平面式反射板和圆柱式反射板不能在同一导航区中混合使用；圆柱式反射板在同一导航区中的直径必须相同。3 反射板测量方法3.1 准备测量反射板要仔细的测量NAV200激光扫描器在AGV小车上的安装位置，尽量保证NAV200激光扫描器在安装的时候与AGV车体不要有角度偏差。再用水平尺测量并将NAV200激光扫描器调到与地面水平位置。在地面上画出一条与基准平行或者垂直的基准线，尽量将AGV小车的车身与基准线平行，然后再进行反射板的测量。3.1 人工测量法对于比较简单的环境，反射板的布置也不复杂（如图），就可采用人工测量法，直接测量反射板的位置，然后通过文本编辑工具（*.txt）把各块反射板的位置坐标安照规定格式编辑成*.ref文件，即把编辑好的文件后缀名改为ref即可。简单环境反射板文件的格式如下：NAV Reflector data定义文件类型C NAV 4.9.4-3 16.05.2001 以C开头的行为注释CC SICK AGC GermanyC NAV Data: NAV.REFC NAVCC Layer Reflectors Radius mm 导航区序号，反射板数量，反射板半径0 6 0C E Nr. X m Y m 导航区序号，反射板序号，（x，y）坐标值C -0 0 0.440 3.9670 1 0.744 6.9200 2 1.277 5.3150 3 1.972 2.4840 4 2.194 1.3950 5 2.924 0.068需要注意的是，反射板的半径单位为，（x，y）坐标值的单位为m。平面式反射板的半径设为0。3.2 自动测量法NAV200具有自学习功能，它可以根据扫描器当前的坐标测量出周围的反射板坐标，并保存在NAV200中。a. 在计算机上安装NAV200Setup.EXE文件，NAV200的通讯电缆与计算机的串口连接好，NAV200接通24V电源。b. 运行NAV200Setup.EXE。在离线状态，可以打开反射板文件，编辑或保存反射板数据。还可以选择Options Settings，进行RS-232端口设置，例如选择COM1，而串口的传输参数是不能更改的。然后选择COMMUNICATION OPEN SERIAL INTERFACE TO NAV，在软件的底部的状态栏可以看到如下图所示：c. 反射板数据关于分层和反射板的坐标数据可以通过3种途径获得：l 在NAV200 Setup软件中查看，但这些数据是零时的，关闭软件后数据可能丢失，除非这些数据已经保存过，或者下传到NAV200。l 用记事本打开已经保存的.ref文件，可以对反射板数据进行查看，编辑，修改。l 读取NAV200的内存数据。软件中的数据与NAV200内存中的数据一致。软件中的数据与项目文件中的数据不一致，待项目存盘后数据会被重新确认。软件中的数据与NAV200中的数据不一致，可以通过上传或下载数据使二者保持一致。d. 测量方法一：人工测量第一步：在CAD图中确定坐标系原点，通常情况下使所有反射板均位于第一象限，这样坐标值都是正值，便于计算。当然也可以根据实际情况而定，以便于测量反射板为好，但是要确保AGV的行驶路径都处于第一象限。第二步：使用测量工具，例如钢卷尺，全站仪等，测量每一块反射板的相对位置。平面式反射板，测量时取反射板的中心线为测量点，圆柱形反射板，测量时取反射板的圆心为测量点。第三步：把所有反射板的相对位置对应地表示到CAD图上，在以确定的坐标系中读取反射板坐标，然后用记事本按照规定格式编辑坐标值，注意分层，并保存为.ref文件。第四步：把编辑好的.ref文件下载到NAV200。方法二：自动测量第一步：同方法一。第二步：把AGV开到一个视线比较好的位置，用Mapping模式自动测量视野内反射板值。第三步：检查所测量到的反射板数量及位置是否正确，剔除假反射板。第四步：如果一次测量没有测完全部的反射板，手动AGV小车朝没有测量到的反射板区域行驶一段距离，再用Mapping模式增加新的反射板。第五步：把测量好的反光板数据下载到NAV200。 4 结束在激光导引AGV系统中，反射板布置与测量是整个项目的基础，直接关系到该项目中AGV的定位精度与AGV车身姿态。本文详细阐述了基于SICK激光扫描头