摘 要

近年来，随着我国综合国力越来越强，我国汽车保有量越来越大。随之而来的是停车位建设不能满足要求的问题，停车难问题日益突出。所以提出一种停车场用自动搬运AGV来满足要求。

本论文主要针对AGV环境感知系统中的全局定位系统和近距离环境感知系统进行研究。争对全局定位问题，提出了两种不同方案来进行AGV的全局定位。一种是通过激光雷达检测已布置好的反光柱来定位导航方法，分析了激光雷达测距原理。并提出了一种激光雷达距离匹配算法和多边定位算法。另外一种方案就是将二维码导航定位和编码器与陀螺仪结合定位的方式。针对单目视觉测距的误差较大，提出一种通过双二维码来测算定位的方法，提高二维码定位的精度。还将其与编码器与陀螺仪来进行复合导航，解决AGV运动存在无法扫描到二维码的问题。针对AGV局部障碍物探测问题，提出了一种由若干超声波传感器构成的障碍物精准定位检测系统，通过多个超声波传感器的组合，实现障碍物的探测，并得到障碍物相对AGV的位置关系。针对上述算法，在仿真平台上进行仿真验证。

论文主要针对AGV环境感知系统进行研究。提出较好的全局定位方法和近距离环境感知方法，并通过仿真平台对其进行了验证。

关键词：环境感知；全局定位；激光导航；二维码；超声波传感器

Abstract

In recent years, as China's comprehensive national strength has become stronger and stronger, China's car ownership has increased. Along with this is the problem that the parking space construction cannot meet the requirements, and the difficulty of parking is becoming increasingly prominent. Therefore, a kind of automatic AGV for parking lot is proposed to meet the requirements.

This thesis focuses on the global positioning system and the close-range environment perception system in the AGV environment perception system. For the global positioning problem, two different schemes were proposed for the global positioning of AGV. One is to locate the navigation method by detecting the arranged reflective columns with lidar, and analyzes the principle of lidar ranging. And proposed a lidar range matching algorithm and multilateral positioning algorithm. Another solution is to combine two-dimensional code navigation and positioning with the encoder and gyroscope. Aiming at the larger error of monocular visual distance measurement, a method of measuring and positioning by dual two-dimensional codes is proposed to improve the positioning accuracy of two-dimensional codes. It also uses the encoder and gyroscope to perform compound navigation to solve the problem that the AGV movement cannot be scanned to the two-dimensional code. Aiming at the problem of local obstacle detection in AGV, an accurate obstacle detection system consisting of several ultrasonic sensors is proposed. Through the combination of multiple ultrasonic sensors, obstacle detection is realized and the positional relationship of obstacles relative to AGV is obtained. According to the above algorithm, simulation verification is performed on the simulation platform.

The thesis mainly studies AGV environment perception system. A better global positioning method and a close-range environment perception method are proposed and verified by a simulation platform.

Key Words：Environmental perception；Global positioning；Laser navigation；QR code；

Ultrasonic sensor

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 国内外停车场用自动搬运AGV现状 2

1.2.2停车场用自动搬运AGV定位导航现状 4

1.2.3停车场用自动搬运AGV近距离环境感知系统现状 5

1.3 本论文的主要研究内容 5

第2章 AGV环境感知系统总体方案设计 7

2.1 AGV环境感知系统简介 7

2.2 AGV全局定位方案设计 7

2.3 AGV近距离环境感知系统方案设计 8

2.4 本章小结 8

第3章 AGV全局定位系统 9

3.1 AGV全局定位系统简介 9

3.2 激光雷达定位系统 9

3.2.1 激光雷达定位简述 9

3.2.2 激光导航传感器选型 10

3.2.3 反光柱的布置 11

3.2.4 坐标转换 12

3.2.5 反光柱距离匹配算法 13

3.2.6 定位算法 15

3.3复合导航定位系统 18

3.3.1 复合导航定位系统简介 18

3.3.2 二维码定位 19

3.3.3 陀螺仪与编码器组合定位 28

3.4 AGV全局定位仿真分析 31

3.4.1 激光雷达定位仿真分析 31

3.4.2 陀螺仪与编码器组合定位仿真 32

3.5 本章小结 33

第4章 AGV近距离环境感知系统 34

4.1 AGV近距离环境感知系统简介 34

4.2 超声波传感器测距原理 34

4.3 传感器选型与位置设计 36

4.4 超声波传感器近距离障碍物定位 37

4.4.1 障碍物定位方法 37

4.4.2 模式选择机制 41

4.5 超声波定位误差分析 41

4.6 本章小结 43

第5章 AGV环境感知系统仿真验证 44

5.1 PreScan仿真平台介绍 44

5.2 系统仿真验证 44

5.3 本章小结 47

第6章 总结与展望 48

6.1 全文总结 48

6.2 课题展望 48

参考文献 49

致谢 51

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

近年来，中国国内发展状况良好，我国居民的购买力变强，国内内需增加，大众的消费能力也在稳步上升。同时，政府为了扩大内需，对一系列产品进行了补贴。此时，拥有私家车的家庭也越来越多，甚至一个家庭可能拥有多辆私家车。依据最新的一些相关数据可知，至2019年，汽车的保有量已达到2.6亿辆，其中私家车为1.98亿辆^[1],如图1.1所示。而此时，城市的公共建设却没有同步上升，这也使得居民停车难的问题越来越尖锐，已经到了不得不解决的局面了。

图1.1 中国汽车保有量

为了缓解停车难的问题，一些大型停车场会建设立体停车库如图1.2所示。这类立体停车库相较于一般立体停车库，虽然使用了一样的面积。但因为车辆的放置是有许多层，因此能够增多停车库的车辆承载量。只是考虑到这类构造相对繁杂，修建成本相对高，修理维护麻烦，并且现有的立体车库事故频发，安全性较低，可靠性不高。因此，这几年来，企业大部分不愿意引入这类停车库，造成智能立体车库现阶段普及度相比较低，并且，这类停车库也无法真正的处理或是减轻难停车的难题^[2]。

然而，伴随着如今自动化技术的快速发展，缓解泊车艰难现象又拥有了新的技术手段。当下有一种技术，该技术结合当下停车场现状，还结合机器人技术，提出一种自动泊车机器人的总体设计方案。该停车机器人可以自主运动到车辆泊车处，借助举升设备达到车辆取放。考虑到全部停车流程根本不用人参加，车辆在车位处不用空出使驾驶者打开门下来的区域；再者，由停车机器人实现存取车辆，故可以在比较窄小的区域中实现位置调整，节约了人为停车所必须的调整区域，所以可以极大提高泊车相对密度。与此同时，选用该方法，不需要对停车场实现大的整修，费用投放比较小。所以，其经济收益很高。同时，调动多个自动搬运AGV可以减少泊车选择时间，大大提高效率。停车场用自动搬运AGV可以显著提高停车能力，降低停车压力，改善交通状况^[3]。