一种基于激光雷达的工厂无人车定位系统
阅读说明：本技术 一种基于激光雷达的工厂无人车定位系统 (Factory unmanned vehicle positioning system based on laser radar ) 是由 赵志国 毛康康 魏晓倩 王瑞 张磊 孙中 徐连高 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于激光雷达的工厂无人车定位系统,包括工厂中用于无人车运行的车间,车间内设置有用于无人车运行的多条无人车通道,所述的无人车可在无人车通道上运行。在车间的顶部安装有多个高度不同的激光雷达,激光雷达通过无线通讯模块与单片机的定位计算模块连接；多个激光雷达分别安装在车间不同方位的四个角落及正中心的位置处；无人车通道的两端分别安装有激光反射镜一,无人车上安装有激光反射镜二；所述的激光雷达向周围发射激光,经激光反射镜一反射到无人车的激光反射镜二上,由无人车的激光反射镜二将激光原路反射回激光雷达上,激光雷达将信号传给定位计算模块,定位计算模块对光强信息进行阈值筛选并计算出小车坐标。(The invention discloses a laser radar-based factory unmanned vehicle positioning system which comprises a workshop for unmanned vehicle operation in a factory, wherein a plurality of unmanned vehicle channels for unmanned vehicle operation are arranged in the workshop, and unmanned vehicles can operate on the unmanned vehicle channels. A plurality of laser radars with different heights are installed at the top of the workshop and are connected with a positioning calculation module of the singlechip through a wireless communication module; the laser radars are respectively arranged at four corners of different directions of the workshop and the position of the center; two ends of the unmanned vehicle channel are respectively provided with a first laser reflector, and the unmanned vehicle is provided with a second laser reflector; the laser radar emits laser to the periphery, the laser is reflected to the laser reflector II of the unmanned vehicle through the laser reflector I, the laser reflector II of the unmanned vehicle reflects the laser original path back to the laser radar, the laser radar transmits signals to the positioning calculation module, and the positioning calculation module performs threshold value screening on light intensity information and calculates trolley coordinates.)
技术领域
本发明涉及激光雷达定位技术领域，具体涉及一一种基于激光雷达的工厂无人车定位系统。
背景技术
随着无人驾驶技术的发展，无人车在许多工厂得以应用，由于工厂环境的特殊性，墙体较厚，且有许多货架遮挡，因此GPS信号定位不准确，若采用摄像头识别定位，将会为无人车带来巨大的数据量，降低无人车的使用效率。车间内的道路相对固定，且无雨雪，采用激光定位具有很大优势。
发明内容
针对上述的技术问题，本技术方案提供了一种基于激光雷达的工厂无人车定位系统，此系统可以在GPS条件差的情况下，给予无人车较为准确的定位；能有效的解决上述问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于激光雷达的工厂无人车定位系统，包括工厂中用于无人车运行的车间，车间内设置有用于无人车运行的多条无人车通道，所述的无人车可在无人车通道上运行；其特征在于：所述车间的顶部安装有多个激光雷达，激光雷达通过无线通讯模块与单片机的定位计算模块连接；所述的多个激光雷达分别安装在车间不同方位的四个角落及正中心的位置处；所述无人车通道的两端分别安装有激光反射镜一，所述的无人车上安装有激光反射镜二；所述的激光雷达向周围发射激光，经激光反射镜一反射到无人车的激光反射镜二上，由无人车的激光反射镜二将激光原路反射回激光雷达上，激光雷达将信号传给定位计算模块，定位计算模块对光强信息进行阈值筛选并计算出小车坐标。
进一步的，所述的激光反射镜一的角度通过直流电机调节，所述的直流电机通过无线通讯模块与单片机连接，通过单片机发射的信号控制直流电机驱动电路，再由直流电机驱动电路控制直流电机的运转。
进一步的，所述的单片机通过无线通讯模块与无人车信号连接。
进一步的，所述的单片机通过蓝牙与无人车连接，根据无人车的行进速度由单片机对直流电机进行PWM调速，直流电机通过减速齿轮调节激光反射镜的角度，保证无人车可以反射激光雷达发出的激光。
进一步的，所述的无人车设置有多辆，每一辆无人车均有自己的编号；不同编号车上安装的激光反射镜二的激光反射强度不同；使得其反射至激光雷达的光强信息不同；激光雷达可以根据接收到不同光强信息的激光来判断无人车的编号。
进一步的，所述的多个激光雷达可设置在高度不同或高度相同的水平面上，所述的激光反射镜一安装在车间的墙面上，并与激光雷达射出的激光相对应的高度位置处；根据无人车上的激光反射镜二将激光反射到激光雷达的距离不同从而算出无人车的坐标，计算公式如下：
其中，Li为第i个激光雷达到小车的距离，Lix为Li在竖直平面的投影，Liy为Li在水平平面的投影，Li1为第i个激光雷达所对应的激光反射镜到地面竖直距离，Li2为第i个激光雷达所对应的激光反射镜到无人车水平距离，Li3为第i个激光雷达到所对应的激光反射镜的水平距离，Li4为第i个激光雷达到所对应的激光反射镜的竖直距离，Li0为第i个激光雷达经过激光反射镜到无人车的距离；
当多个激光雷达检查到无人车的距离，选取方法如下：
当A≥10时，去掉最大值并重新计算A的值，若A的值依然大于10，则去掉最小值并重新计算A的值，当A<10时，选测量结果取中位数作为激光雷达到无人车的距离，并由该激光雷达参与无人车的坐标计算；
再由定位计算模块对激光雷达的光强信号进行阈值筛选，以分布在四周的激光雷达到无人车距离Lj和中心激光雷达到无人车的距离L5对无人车坐标进行求解，公式如下：
其中（x0,y0）为无人车的坐标，(xj,yj)为光强信号最优的激光雷达的坐标，(x5,y5)为中心激光雷达的坐标，L5为中心激光雷达到无人车的距离，Lj为分布在四周的激光雷达到无人车距离。
进一步的，所述的激光反射镜一采用可以反射99%以上激光的激光反射镜，由无人车的激光反射镜所反射的光强信息i远大于其他物体所反射的光强信息，将激光雷达所测图像输入MATLAB并对图像做出处理，确定合适的光强信息i0，在定位计算模块中设置i的值，当光强信息大于或等于i0时保留测量结果，当光强信息小于i0时忽略测量结果。
进一步的，所述的激光反射镜一的背面通过横向齿轮和纵向齿轮与直流电机传动连接，所述的电机与横向齿轮和纵向齿轮之间设置有减速器。
进一步的，所述的激光反射镜一的角度可以通过直流电机的运转而进行调整，激光反射镜一调节角度的计算公式如下：
第i个激光雷达所对应的激光反射镜水平调节角度：
第i个激光雷达所对应的激光反射镜竖直调节角度：
其中，αiy为第i个激光雷达所对应的激光反射镜水平调节角度，αix为第i个激光雷达所对应的激光反射镜竖直调节角度。
由激光反射镜调节角度可以确定直流电机转速，其公式为：
n=i*α
其中，n为直流电机的转速，i为减速齿轮的传动比，α为激光反射镜所需的调节角度。
有益效果
本发明提出的一种基于激光雷达的工厂无人车定位系统，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：
（1）本技术方案通过激光雷达的光强信息将无人车从环境中识别出来，通过激光雷达经激光反射镜反射到无人车激光的路线距离来确定无人车的坐标。工厂存在许多墙体等遮挡物不利于基站的架设，GPS定位效果差，而激光雷达定位对外界网络依赖性小，根据激光的距离及光强信息可以提供高达毫米级的定位，可靠性高，系统稳定，成本低利于批量化生产；因此该系统可以在GPS条件差的情况下，给予无人车较为准确的定位。
附图说明
图1是本发明中实施例1的车间布局示意图。
图2是本发明中设备的连接示意框图。
图3是本发明的系统工作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。
实施例1：
如图1-3所示，一种基于激光雷达的工厂无人车定位系统，包括工厂中用于无人车运行的车间，车间内设置有用于无人车运行的多条无人车通道，所述的无人车可在无人车通道上运行。
位于车间的顶部安装有5个激光雷达，5个激光雷达分别安装在车间不同方位的四个角落，以及正中心的位置处；如图1中所示的a.b.c.d.e五个激光雷达。这5个激光雷达设置在高度不同的水平面上，避免相互影响。
5个激光雷达分别通过各自的无线通讯模块与单片机的定位计算模块连接；所述定位计算模块的前端设置有信号接收器，用于接收激光雷达发射出的信号。
位于无人车通道的两端分别安装有激光反射镜一，激光反射镜一均安装在车间的墙面上。所述的无人车上安装有激光反射镜二。
所述的激光雷达向周围发射激光，经激光反射镜一反射到无人车的激光反射镜二上，由无人车的激光反射镜二将激光原路反射回激光雷达上，激光雷达将信号传给定位计算模块，定位计算模块对光强信息进行阈值筛选并计算出小车坐标。
激光雷达在安装完成后，激光雷达可以转动，使得每个激光雷达只负责一面墙，如图1中所示，例如激光雷达a 在激光反射镜a1与激光反射镜a3之间扫描，当激光雷达a扫描到小车在a1后，激光雷达固定向a1不动，再由激光反射镜a1调整角度跟随小车。
所述的激光反射镜一的角度通过直流电机调节，所述的激光反射镜一的背面通过横向齿轮和纵向齿轮与直流电机传动连接，所述的电机与横向齿轮和纵向齿轮之间设置有减速器。所述的直流电机通过无线通讯模块与单片机连接，通过单片机发射的信号控制直流电机驱动电路，再由直流电机驱动电路控制直流电机的运转。
无人车设置有多辆，每一辆无人车均有自己的编号；不同编号车上安装的激光反射镜二的激光反射强度不同；使得其反射至激光雷达的光强信息不同；激光雷达可以根据接收到不同光强信息的激光来判断无人车的编号。
所述的单片机通过无线通讯模块与无人车信号连接。单片机通过蓝牙与无人车连接，单片机根据无人车的行进速度由单片机对直流电机进行PWM调速，直流电机通过减速齿轮调节激光反射镜的角度，保证无人车可以反射激光雷达发出的激光。
所述的激光反射镜一安装在车间的墙面上，并与激光雷达射出的激光相对应的高度位置处；根据无人车上的激光反射镜二将激光反射到激光雷达的距离不同从而算出无人车的坐标，计算公式如下：
其中，Li为第i个激光雷达到小车的距离，Lix为Li在竖直平面的投影，Liy为Li在水平平面的投影，Li1为第i个激光雷达所对应的激光反射镜到地面竖直距离，Li2为第i个激光雷达所对应的激光反射镜到无人车水平距离，Li3为第i个激光雷达到所对应的激光反射镜的水平距离，Li4为第i个激光雷达到所对应的激光反射镜的竖直距离，Li0为第i个激光雷达经过激光反射镜到无人车的距离；
当多个激光雷达检查到无人车的距离，选取方法如下：
当A≥10时，去掉最大值并重新计算A的值，若A的值依然大于10，则去掉最小值并重新计算A的值，当A<10时，选测量结果取中位数作为激光雷达到无人车的距离，并由该激光雷达参与无人车的坐标计算；
再由定位计算模块对激光雷达的光强信号进行阈值筛选，以分布在四周的激光雷达到无人车距离Lj和中心激光雷达到无人车的距离L5对无人车坐标进行求解，公式如下：
其中（x0,y0）为无人车的坐标，(xj,yj)为光强信号最优的激光雷达的坐标，(x5,y5)为中心激光雷达的坐标，L5为中心激光雷达到无人车的距离，Lj为分布在四周的激光雷达到无人车距离。
激光反射镜一采用可以反射99%以上激光的激光反射镜，由无人车的激光反射镜所反射的光强信息i远大于其他物体所反射的光强信息，将激光雷达所测图像输入MATLAB并对图像做出处理，确定合适的光强信息i0，在定位计算模块中设置i的值，当光强信息大于或等于i0时保留测量结果，当光强信息小于i0时忽略测量结果。
激光反射镜一的角度可以通过直流电机的运转而进行调整，激光反射镜一调节角度的计算公式如下：
第i个激光雷达所对应的激光反射镜水平调节角度：
第i个激光雷达所对应的激光反射镜竖直调节角度：
其中，αiy为第i个激光雷达所对应的激光反射镜水平调节角度，αix为第i个激光雷达所对应的激光反射镜竖直调节角度。
由激光反射镜调节角度可以确定直流电机转速，其公式为：
n=i*α
其中，n为直流电机的转速，i为减速齿轮的传动比，α为激光反射镜所需的调节角度。
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