基于ArUco和IMU融合的AGV导航系统设计

• 作 者: 李宝祥
• 出 处: 山东科技大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: ArUco IMU AGV 室内定位 导航系统

相比于传统的室内AGV定位导航方式,视觉方法具有信息量大、设备简单、经济实用等优点,但是又面临计算成本高,鲁棒性差等问题。鉴于增强现实库ArUco具有较好的识别精度、速度和鲁棒性,将ArUco引入到AGV的室内定位导航领域并融合IMU辅助,可以有效提升AGV的柔性、稳定性,降低成本。本文的主要工作如下:首先,分析了基于ArUco的室内定位的基本原理。阐述了 ArUco的概念、应用现状和特点,结合EPnP算法分析了利用单个ArUco标记进行单目相机定位的基本原理。针对AGV的运行需求,实现了 ArUco标记地图的构建并利用多个ArUco标记进行定位。该方法通过指定一个世界坐标系,利用最小化重投影误差原理优化全部关键帧,得到了 ArUco点云地图和所有的角点坐标,利用EPnP算法和相机投影模型获得相机的外参数,实现了利用单目相机和ArUco标记的室内位姿估计。同时,从成像模型和原理上分析并指出了ArUco在导航中存在姿态不稳定的缺陷。其次,针对ArUco姿态不稳定的问题,提出了基于ArUco和IMU融合的导航算法。该算法首先建立ArUco标记地图并根据任务需要绘制行进路径;然后通过ArUco标记获得AGV三维坐标,通过IMU获取AGV的姿态;最后根据路径进行示教导航。为了获得IMU的姿态信息,阐述了利用四元数表达姿态的方式,推导了 IMU利用初始数据解算姿态的过程。同时,为解决IMU的数据漂移问题,利用旋转变换前后的重力向量构造误差,采用了向量外积补偿算法获得稳定姿态。为实现相机和IMU姿态统一,首先构建了 AGV室内导航坐标系,分析了 IMU和ArUco标记地图之间的坐标关系,提出并推导了 IMU坐标系到世界坐标系的变换,统一了相机和IMU在世界坐标系下姿态。为实现AGV的示教导航,建立了控制模型,通过测量值和设定值对AGV的线速度和角速度进行比例控制,并总结了算法流程。提出的融合导航算法引入IMU姿态测量,提高了位姿估计的稳定性,克服了在拐角处ArUco位姿估计失败的缺陷,提高了导航系统的鲁棒性。最后,设计实现了基于ArUco和IMU融合的AGV导航系统并进行了实验验证。为测试该导航方法,搭建了 AGV硬件实验平台。为方便系统的部署和调试,利用ROS实现导航系统的模块化设计,并增加了遥控等功能和可视化的人机界面,提升了系统的人机交互能力。为验证导航系统的可靠性,在两种地图环境下,测试了折线和直角转弯两种任务路径,并进行了精度分析。实验结果证明该系统能可靠完成导航任务,精度和鲁棒性较高,具有广阔的应用前景。