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原文传递无人叉车系统关键技术研究

论文题名：	无人叉车系统关键技术研究
关键词：	无人叉车;托盘位姿估计;路径规划;路径跟踪
摘要：	为了构建现代工厂智慧物流系统，提高物料搬运效率，无人叉车系统获得了人们越来越多的关注。但是在实际环境中，由于人工作业、设备精度等因素影响，托盘摆放的位置和姿态存在不可避免的不确定性。如何实现无人叉车与具有位姿不确定性托盘的精准对接成为了制约无人叉车发展的瓶颈问题。本文以无人叉车自主拾取具有位姿不确定性的托盘为研究任务，对托盘位姿估计算法、托盘拾取路径规划算法、无人叉车路径跟踪算法、无人叉车软硬件系统等都进行了研究，形成了一种有效、安全、精准的托盘拾取解决方案。　　首先，本文基于单目相机和2D激光雷达组建了托盘检测系统，并提出了一种基于SSD（SingleShotMultiboxDetector）算法与点云处理算法协同的托盘位姿估计方法，实现了托盘位姿估计。实验结果显示本文提出的托盘位姿估计算法检测精度为±2cm，角度精度为±2°，单次检测耗时小于50毫秒。　　其次，为了拾取具有位姿不确定性的托盘，需要重新规划路径，本文提出了基于贝塞尔曲线的托盘拾取路径规划算法。仿真结果显示本文提出的托盘拾取路径规划算法能在不同的起点和终点条件下规划出符合要求的平滑路径。　　然后，本文推导建立了无人叉车运动学模型，根据纯跟踪算法、前轮反馈控制和模型预测控制三种算法设计了三种适用于无人叉车的路径跟踪控制器。仿真结果显示模型预测控制器相比其他两种算法具有更高的跟踪精度。　　接着，通过对电动叉车进行智能化改造搭建了无人叉车系统。设计了无人叉车控制系统硬件结构和软件框架，实现叉车定位、移动、托盘识别等功能，为自动拾取托盘提供了硬件基础和实验平台。　　最后，本文进行了托盘拾取综合实验。叉车在工厂内的全局定位通过2D激光SLAM算法实现。当叉车沿着预设路径运行到目标托盘附近时，装载于叉车上的托盘检测系统识别出目标托盘的相对位姿，并通过二维坐标变换计算得到目标托盘的全局位姿。车载控制系统调用托盘拾取路径规划算法生成拾取路径，叉车沿着该路径完成托盘拾取任务。综合实验结果显示本文设计的无人叉车系统能顺利实现“托盘位姿估计-路径规划-路径跟踪-托盘拾取”整个作业流程，验证了本文提出的托盘位姿估计、托盘拾取路径规划、模型预测路径跟踪等算法的有效性。
作者：	王超
专业：	控制工程
导师：	卢建刚;王志坚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022