一种基于轨迹预测的工厂自动导引车可见光通信链路无缝切换系统及方法

本发明涉及可见光通信与工业智能物流通信，具体地指一种基于轨迹预测的工厂自动导引车可见光通信链路无缝切换系统及方法。

背景技术：

1、随着工业自动化与智能制造技术的快速发展，agv已广泛应用于工厂内部物料运输、仓储调度以及柔性生产线物流系统中。agv集群在运行过程中需要持续与工厂调度系统进行实时通信，以完成路径规划、交通避障、任务调度及状态回传等功能，因此通信系统的稳定性与实时性直接影响工业物流系统的运行效率与安全性。

2、目前，工厂agv通信主要依赖wifi、蓝牙等无线通信方式，但工业场景中大量金属设备、电机及复杂机械结构会产生严重电磁干扰，导致通信链路不稳定、切换时序紊乱、通信波动严重等问题。同时，多agv并发通信时容易出现网络拥塞，影响调度系统的实时性。

3、可见光通信利用led照明设备实现数据传输，具有无电磁干扰、频谱资源丰富、安全性高以及照明通信一体化等优势，逐渐成为工业agv通信的重要研究方向。然而，现有可见光通信系统大多采用固定覆盖与被动切换方式，即当agv当前通信链路质量下降至设定阈值后，系统才开始进行链路切换。由于agv处于连续运动状态，当切换触发时，当前链路往往已经处于弱覆盖区域。

4、此外，工业车间环境中存在大量货架、设备以及遮挡结构，agv运行轨迹复杂，传统基于固定信号门限的切换方式难以适应动态工业场景中的连续通信需求。特别是在agv高速运行或多车交汇区域，频繁链路切换容易造成通信不稳定，影响工业调度系统的可靠运行。

5、因此，如何结合agv运行轨迹与运动状态，提前预测agv未来位置，并在链路质量下降前完成目标链路切换，从而实现工业场景下agv可见光通信的连续稳定传输，成为当前需要解决的重要问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于一方面提供一种基于轨迹预测的工厂自动导引车可见光通信链路无缝切换系统，另一方面提供一种基于轨迹预测的工厂自动导引车可见光通信链路无缝切换方法，该系统和方法能够通过建立agv动态运动模型、可见光通信覆盖模型以及轨迹预测模型，实现agv在工业车间复杂环境中的无缝链路切换与通信连续性保障，可应用于智能制造、柔性仓储、工业物流搬运及无人运输系统等场景。

2、为实现此目的，本发明所设计的一种基于轨迹预测的工厂自动导引车可见光通信链路无缝切换系统，其特征在于，它包括：

3、运动预测模块，用于根据自动导引车当前运动状态建立自动导引车运动状态模型，利用自动导引车运动状态模型对自动导引车的运动轨迹进行预测，得到自动导引车未来时刻的预测位置；

4、可见光通信建模模块，用于根据工厂车间的三维空间数据建立可见光通信信道模型；

5、通信链路切换模块，用于根据自动导引车未来时刻的预测位置和可见光通信光源的信道模型，判断自动导引车是否触发通信链路切换指令，当自动导引车触发通信链路切换指令时，将工厂区域内所有可用可见光通信光源作为候选可见光通信光源，通过预设评估指标对各候选可见光通信光源与自动导引车之间的候选通信链路进行通信质量评估，确定最优目标通信链路；通过预生成并缓存的切换指令，在当前通信链路与最优目标通信链路之间实现切换，确保自动导引车与自动导引车调度中心始终保持通信。

6、进一步的，根据自动导引车当前运动状态建立自动导引车运动状态模型，对自动导引车的运动轨迹进行预测，得到自动导引车未来时刻的预测位置的方法包括：根据自动导引车当前位置、速度及运动方向得到自动导引车状态向量为：；

7、其中，为k时刻自动导引车的状态向量，为k时刻自动导引车当前位置横坐标，为k时刻自动导引车当前位置纵坐标，为k时刻自动导引车在x轴方向上的速度分量，为k时刻自动导引车在y轴方向上的速度分量，基于自动导引车状态向量采用卡尔曼滤波算法对自动导引车运动状态进行实时计算，并依据状态转移模型预测自动导引车未来时刻的位置状态：

8、

9、其中，为k+1时刻自动导引车的状态向量，a为状态转移矩阵，为系统噪声；

10、k时刻与k+1时刻之间的预测时间窗口δt为：

11、其中，为通信传输时延；为链路切换执行时间；

12、得到自动导引车未来位置为：。

13、进一步的，根据工厂车间的三维空间数据建立可见光通信信道模型的方法包括：根据工厂车间的三维空间数据构建工厂空间几何模型，在工厂空间几何模型的基础上，采用朗伯光源模型计算自动导引车接收到的来自可见光通信光源的光功率，得到可见光通信信道模型：

14、；

15、其中，为自动导引车接收到第i个可见光通信光源的光功率，为朗伯阶数，为光电探测器接收面积，为可见光通信光源的光线传播距离，为可见光通信光源的光线辐射角，为可见光通信光源的光线入射角，为可见光通信光源发射功率，为光学滤波器增益，为集中器增益，所述可见光通信光源的光线传播距离、可见光通信光源的光线辐射角和可见光通信光源的光线入射角通过工厂空间几何模型计算得到。

16、进一步的，判断自动导引车是否触发通信链路切换指令的方法包括：

17、当满足以下任一判决条件时，判定自动导引车需要执行通信链路切换：

18、或；

19、其中，为编号s的服务可见光通信光源在k+δt时刻的信干噪比，根据自动导引车接收到的来自可见光通信光源的光功率计算得到，为维持稳定通信传输的最低通信信干噪比阈值，为自动导引车在k+δt时刻与当前服务的可见光通信光源之间的水平连线距离，由自动导引车未来时刻的预测位置计算得到，为自动导引车与可见光通信光源能够维持稳定通信传输的最大有效水平连线距离。

20、进一步的，以编号s的可见光通信光源作为服务光源时，对应通信链路的信干噪比计算公式如下：

21、；

22、其中，为自动导引车接收到的来自编号s的服务可见光通信光源的光功率，服务可见光通信光源为对接收功率贡献最大的可见光通信光源；为自动导引车接收机噪声功率；为自动导引车接收到的干扰功率，即非服务可见光通信光源对自动导引车产生的总光功率，根据自动导引车接收到的来自可见光通信光源的光功率计算得到；

23、则编号s的服务可见光通信光源在k+δt时刻的信干噪比为：

24、；

25、其中，为自动导引车接收到的来自编号s的服务可见光通信光源在k+δt时刻的光功率；为k+δt时刻自动导引车接收机噪声功率；为k+δt时刻自动导引车接收到的干扰功率，即非服务可见光通信光源对自动导引车产生的总光功率。

26、进一步的，干扰功率可计算为：

27、；

28、对应的，

29、其中，n为可见光通信光源的个数，为第i个可见光通信光源对自动导引车产生的光功率，为第i个可见光通信光源在k+δt时刻对自动导引车产生的光功率。

30、进一步的，通过预设评估指标对各候选可见光通信光源与自动导引车之间的候选通信链路进行通信质量评估，确定最优目标通信链路的方法包括：

31、根据通信信干噪比和通信链路切换代价构建链路切换综合决策函数：

32、；

33、其中，为链路切换评估值，为候选通信链路的预测信干噪比评价项，为链路切换代价，为候选通信链路的预测信干噪比评价项的权重系数，为链路切换代价的权重系数，选择链路切换评估值最大的目标可见光通信光源与自动导引车建立通信链路。

34、进一步的，通过预生成并缓存的切换指令，在当前通信链路与最优目标通信链路之间实现切换的方法包括：通信控制器根据预测的目标可见光通信光源预先生成通信链路切换指令并进行缓存，当未来某个时刻自动导引车与当前服务的可见光通信光源之间的水平连线距离大于等于自动导引车与可见光通信光源能够维持稳定通信传输的最大有效水平连线距离，或监测到未来某个时刻通信链路信干噪比低于维持稳定通信传输的最低通信信干噪比阈值时，调用所缓存的通信链路切换指令，执行从当前通信链路到目标通信链路的切换操作。

35、更进一步的，一种根据所述系统的基于轨迹预测的工厂自动导引车可见光通信链路无缝切换方法，包括：

36、根据自动导引车当前运动状态建立自动导引车运动状态模型，利用自动导引车运动状态模型对自动导引车的运动轨迹进行预测，得到自动导引车未来时刻的预测位置；

37、根据工厂车间的三维空间数据建立可见光通信信道模型；

38、根据自动导引车未来时刻的预测位置和可见光通信光源的信道模型，判断自动导引车是否触发通信链路切换指令，当自动导引车触发通信链路切换指令时，将工厂区域内所有可用可见光通信光源作为候选可见光通信光源，通过预设评估指标对各候选可见光通信光源与自动导引车之间的候选通信链路进行通信质量评估，确定最优目标通信链路；通过预生成并缓存的切换指令，在当前通信链路与最优目标通信链路之间实现切换，确保自动导引车与自动导引车调度中心始终保持通信。

39、本发明的有益效果：针对现有工业自动导引车可见光通信系统中存在的链路切换时序滞后、信号跟踪精度低、动态运动场景信号抖动明显、传统固定门限切换方式难以适配工业动态场景以及乒乓切换频繁导致链路稳定性差等问题，本发明通过建立自动导引车运动状态模型与可见光通信覆盖模型，利用卡尔曼滤波对自动导引车未来时刻的运动轨迹进行实时预测，并基于预测位置提前计算当前通信链路的信干噪比变化趋势，当预测信干噪比低于预设阈值或预测距离超出有效覆盖半径时，提前触发目标链路预选流程；在此基础上，系统遍历厂区内所有可用可见光通信光源，综合预测信干噪比与链路切换代价等多维指标构建综合决策函数，筛选出最优目标通信链路，并预先生成切换指令缓存至控制器；当自动导引车行驶至预设切换节点或监测到当前链路信干噪比低于预设阈值时，控制器立即调用缓存指令完成通信链路切换，从而有效缩短切换控制时延，避免因自动导引车高速移动导致的切换滞后与通信中断。同时，本发明根据自动导引车运行速度动态调整预测时间窗口，在高速运行时扩大预测范围以提高切换提前量，在低速运行时减小预测窗口以降低计算开销。通过上述轨迹预测与预缓存切换机制的有机结合，本发明能够显著提升信号跟踪精度，抑制信号抖动与乒乓切换现象，降低切换过程中的信号跳变幅度，减少无效往复切换次数，使切换时序偏差大幅缩小，从而在复杂工业场景下实现自动导引车可见光通信链路的预测式无缝切换与连续稳定通信，有效保障工业调度系统的可靠运行。