CN102147259A - 环形阵列磁导引装置及其导引磁标识别方法 - Google Patents

Abstract

环形阵列磁导引装置及其导引磁标识别方法，属于自动化输送装备领域。本发明的壳体内布置由若干个第一磁检测元件第一磁检测元件组成的环形阵列和若干个第二磁检测元件组成的直线阵列共同组成路径磁标检测部分；壳体的外部布置两个第三磁检测元件构成编码磁标检测部分；壳体上布置若干个第四磁检测元件组成的环境磁场检测部分、温度检测元件，路径磁标检测部分、编码磁标检测部分、环境磁场检测部分、温度检测元件分别与信号处理电路连接。本发明提供了一种信息容量大、识别精度高、计算量小、可靠性好的磁导引装置，以及利用该装置进行编码信息识别、位置姿态偏差计算、路口转向信息识别的方法。

Description

环形阵列磁导引装置及其导引磁标识别方法

 

技术领域

本发明涉及一种可用于智能车辆和自动导引车导引检测的磁导引装置及其导引磁标识别方法，属于自动化输送装备领域。

背景技术

自动导引技术的研究始于20世纪50年代的美国，1954年Barret Electronics公司研制了第一台用于货物输送的自动导引车，随后自动导引车的应用扩展到工业生产领域，1974年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂采用自动导引车作为自动装配线的载运工具。从八十年代开始，美国国防部开始了地面无人作战平台的研究，主要针对适应不同地形的自主导航的智能车辆。

自动导引技术始终是智能车辆和自动导引车领域研究的核心技术，目前比较常用的导引方式有视觉导引、激光导引、电磁导引、光学导引和磁导引等。每种导引方式都有各自的优势和不足，面向不同的应用领域。磁导引方式的基本思想是在运行路径上设置一定宽度和厚度的磁条或者一定直径和高度的磁钉作为导引信号，利用安装在自动导引车上的磁导引装置检测自动导引车与磁导引路径的位置关系，根据偏差调节自动导引车的运行姿态，实现自动导引车对磁导引路径的跟踪行走。磁导引的处理计算较为简单，路径设置具有一定的柔性，技术可靠性较高，应用成本较低。因此，出现了不少针对智能车辆和自动导引车研究磁导引技术的专利和论文。

ZL94232045.X公开的“自动导引车磁导航传感器”，采用两个对称的磁饱和线圈检测磁带磁场。ZL02824893.7公开的“无人驾驶车辆导向系统和方法”，采用两个磁敏电阻作为检测元件，且保持这两个元件的轴线相交于车辆导向点上，装配要求很高。ZL200610019775.9公开的“磁道钉定位导航二维磁传感器”，采用铁芯轴线相互垂直的两个线圈磁检测装置检测磁道钉的磁场信号。ZL200610019983.9公开的“混合型磁道钉定位导航二维磁传感器”，采用轴线相互垂直的线圈磁检测装置和霍尔元件磁检测装置检测磁道钉的磁场信号。ZL200810050826.3公开的“磁导引传感器”，采用直线形平行排列等距离分布的多个磁检测元件检测磁带磁场。上海交通大学博士学位论文“基于磁阻传感器阵列的车辆自主导航系统研究”，采用间距不同的两组磁阻传感器，两端4个传感器之间的间距为15cm，中间9个传感器之间的距离为5cm。

常用的磁检测元件有集成霍尔器件、磁敏电阻和磁敏二极管等，每种磁检测元件的原理不同，但都可将磁场信号转化为电压信号。磁检测元件的输出主要有模拟输出和开关输出，前者输出的电压信号的极性、大小与磁场信号极性、大小有关，后者输出与磁场信号是否存在相关的开关电压信号。对恒定温度，在线性磁检测元件的工作范围内，输出的电压信号可与磁场强度保持一定的线性关系。然而，磁场强度与车体位置姿态偏差大小的关系却十分复杂。

2008年第28卷第4期《宇航计测技术》的“基于磁检测的自动导引车导引新方法”，采用一个单轴磁阻传感器HMC1021和一个双轴磁阻传感器HMC1022组成一种三轴磁检测装置，HMC1021的敏感轴线垂直于HMC1022的两个敏感轴线所构成的平面，由HMC1021检测AGV高度方向（Z轴）的磁场信号，由HMC1022检测车体前进方向（Y轴）和水平方向（X轴）的磁场信号。该论文分别对车体的水平偏移和角度偏转状态进行了实验研究，三轴磁场强度的变化与横向位置偏差、姿态角偏差的关系十分复杂，不仅是非线性的，而且是非单调的。在车体同时存在水平偏移和角度偏转的情况下，仅根据磁场强度计算的横向位置偏差和姿态角偏差的可信度不高。因此，大部分文献还是根据磁检测元件检测的磁场强度判断导引路径的位置，进而计算车体与导引路径的横向位置偏差。

上海交通大学博士学位论文“基于磁阻传感器阵列的车辆自主导航系统研究”，针对变间距直线阵列的磁阻传感器，提出一种改进的序列阈值算法，通过设定阈值来细分区间，计算输出结果次大的与最大的两相邻传感器测量到的竖直方向磁场强度之比，将传感器比值与阈值进行比较，确定磁钉与磁阻传感器阵列的位置关系，从而实现车辆横向位置偏差的测量。然而，该方法的阈值不容易确定，且与磁检测装置的配置有关。为此，该论文又提出一种序列磁场比值算法。首先利用序列算法来对各传感器的输出进行排序，找出输出值最大及次大的传感器，根据磁钉与传感器阵列的相对位置关系，可以确定磁钉是位于这两传感器之间，然后计算这两传感器竖直方向与水平方向的磁场乘积比值，建立比值与横向位置偏差的函数关系，从而提高横向位置偏差的测量精度。可见，该论文将磁场强度和传感器阵列位置结合起来，但只是针对横向距离偏差，而没有考虑姿态角偏差。

2009年第30卷第4期《仪器仪表学报》的“护士助手机器人磁导航方法研究”，将16个线性霍尔器件UGN3503U以1.7cm间距交叉排列在长32.2cm的磁尺上，并将两个磁尺固定在机器人底盘的前后两端，通过前后磁尺检测机器人轴线偏离导引路径的偏移量L1和L2，再结合两磁尺间距L，则可计算机器人中心的横向位置偏差和姿态角偏差。然而，该方法仅限于直线路径的偏差计算。

现有磁导引装置主要采用四类布局方式：（1）采用两个磁检测元件，或者对称安装，或者使两者轴线相交于车辆导向点，或者垂直安装。（2）采用单轴磁检测元件和双轴磁检测元件垂直安装，构成三轴磁检测装置。（3）采用多个磁检测元件沿单根直线平行排列。（4）采用多个磁检测元件沿多根直线平行排列。对于布局方式（1）和（3），现有的磁导引方法主要研究横向位置偏差的计算。对于布局方式（2）和（4），现有的磁导引方法主要研究横向位置偏差和姿态角偏差的计算。然而这些位置姿态偏差的计算只是针对直线路径模型，没有考虑实际中应用广泛的弧形路径模型。而且，更没有考虑实际中的单分支、多分支路口的转向磁标。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，针对不同形状、形式、类型的路径磁标、转向磁标、编码磁标，提供一种信息容量大、识别精度高、计算量小、可靠性好的磁导引装置，以及利用该装置进行编码信息识别、位置姿态偏差计算、路口转向信息识别的方法。

一种环形阵列磁导引装置，包括壳体，壳体内布置由若干个第一磁检测元件C1~Cn组成的环形阵列，每个第一磁检测元件的检测区域中心与圆心的连线之间的夹角相等，沿环形阵列的水平直径方向布置由若干个第二磁检测元件L1~Lm组成的直线阵列，第一磁检测元件组成的环形阵列和第二磁检测元件组成的直线阵列共同组成路径磁标检测部分；壳体的外部布置两个第三磁检测元件B1、B2，与第二磁检测元件组成的直线阵列位于同一水平线上，构成编码磁标检测部分；壳体上布置若干个第四磁检测元件E1~Et组成的环境磁场检测部分、温度检测元件，路径磁标检测部分、编码磁标检测部分、环境磁场检测部分、温度检测元件分别与信号处理电路连接。

本发明路径磁标检测部分、编码磁标检测部分、环境磁场检测部分、温度检测元件的信号输出端分别连接运算放大器Op1 ~Ops，运算放大器Op1 ~Ops的信号输出连接到多路模数转换器AD1~ADr和微控制器的模数转换器引脚，多路模数转换器AD1~ADr的信号输出连接到微控制器的通信接口；根据温度检测元件的电压值计算环境温度值，根据当前环境温度选择相应的电压－磁场强度的计算关系，计算每个磁检测元件检测的磁场强度，根据第四磁检测元件E1~Et检测的磁场强度计算环境磁场强度，从第一磁检测元件C1~Cn、第二磁检测元件L1~Lm、第三磁检测元件B1、B2检测的磁场强度中减去环境磁场强度，得到实际磁场强度，再根据磁场强度－距离的计算关系计算磁检测元件检测到的磁信号与其之间的距离范围，即导引磁标与磁检测元件阵列形状的交点范围。

本发明通过其中一个第三磁检测元件B1检测作为编码磁标有效识别信号的单根磁条，在有效识别信号存在的时间内，通过另一个第三磁检测元件B2检测作为编码信号的若干个磁块，根据磁块的信号类型和排序方式进行信息编码，描述路径磁标的路径信息、转向磁标的路口信息、工位磁标的工位信息、运行磁标的运行信息。

本发明根据磁标的路径形状信息，通过第一磁检测元件C1~Cn检测直线路径磁标与其环形阵列相交的两个交点范围Ld1和Ld2，通过第二磁检测元件L1~Lm检测直线路径磁标与其直线阵列相交的另一个交点范围Ld3，由Ld1、Ld2、Ld3三个交点范围拟合直线路径，计算磁导引装置相对于直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差。

本发明根据磁标的路径形状信息，通过第一磁检测元件C1~Cn检测弧形路径磁标与其环形阵列相交的两个交点范围Cd1和Cd2，通过第二磁检测元件L1~Lm检测弧形路径磁标与其直线阵列相交的另一个交点范围Cd3，由Cd1、Cd2、Cd3三个交点范围拟合弧形路径，计算弧形路径的半径R和圆弧方向，计算磁导引装置相对于弧形路径的横向位置偏差和姿态角偏差。

本发明根据磁标的路口形状信息，通过第一磁检测元件C1~Cn的下半部分检测垂直直线路径磁标与其环形阵列下半圆周的交点范围Ld4，通过第二磁检测元件L1~Lm检测垂直直线路径磁标与其直线阵列的交点范围Ld5，由Ld4和Ld5两个交点范围拟合垂直直线路径，计算磁导引装置相对于垂直直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差；

通过第一列磁检测元件C1~Cn的上半部分检测水平直线路径磁标与其环形阵列上半圆周的交点范围Ld6，由交点范围Ld6拟合正交于垂直直线路径的水平直线路径，识别单分支直角转向磁标的转向方向，计算水平直线路径在垂直方向上的位置；当水平直线路径接近环形阵列的水平直径方向时，第二磁检测元件L1~Lm的左侧或右侧部分的多个元件将同时检测到磁信号，以此作为单分支直角转向磁标在磁导引装置检测区域中心的定位信号。

本发明根据磁标的路口形状信息和分支信息，通过第一磁检测元件C1~Cn的下半部分检测垂直直线路径磁标与其环形阵列下半圆周的交点范围Ld4，通过第二磁检测元件L1~Lm检测垂直直线路径磁标与其直线阵列的交点范围Ld5，通过第一磁检测元件C1~Cn的上半部分检测水平直线路径磁标与其环形阵列上半圆周的交点范围Ld6和Ld7，再检测垂直直线路径磁标与其上半圆周的交点范围Ld8；如果交点范围Ld8存在，则说明多分支直角转向磁标存在向前直线分支，由Ld4、 Ld5和Ld8三个交点范围拟合垂直直线路径；如果交点范围Ld8不存在，则说明多分支直角转向磁标不存在向前直线分支，由Ld4和Ld5两个交点范围拟合垂直直线路径，计算磁导引装置相对于该垂直直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差；由Ld6和Ld7两个交点范围拟合正交于垂直直线路径的水平直线路径，识别多分支直角转向磁标的左、右转向方向，计算水平直线路径在垂直方向上的位置。当水平直线路径接近环形阵列的水平直径方向时，第二磁检测元件L1~Lm的多个元件将同时检测到磁信号，以此作为多分支直角转向磁标在磁导引装置检测区域中心的定位信号。

本发明根据磁标的路口形状信息和分支信息，通过第一磁检测元件C1~Cn的下半部分检测直线路径磁标与其环形阵列下半圆周的交点范围Ld4，通过第二磁检测元件L1~Lm检测直线路径磁标与其直线阵列的交点范围Ld5，通过第一磁检测元件C1~Cn的上半部分检测直线路径磁标与其环形阵列上半圆周的交点范围Ld8；如果交点范围Ld8存在，则说明多分支圆弧转向磁标14存在向前直线分支，由Ld4、 Ld5和Ld8三个交点范围拟合直线路径；如果交点范围Ld8不存在，则说明多分支圆弧转向磁标不存在向前直线分支，由Ld4和Ld5两个交点范围拟合直线路径；计算磁导引装置相对于该直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差；

通过第一磁检测元件C1~Cn的左半部分检测左弧形路径磁标与其环形阵列左半圆周的交点范围Cd4，通过第二磁检测元件L1~Lm的左侧部分检测左弧形路径磁标与其直线阵列的交点范围Cd5，通过第一磁检测元件C1~Cn的右半部分检测右弧形路径磁标与环形阵列其右半圆周的交点范围Cd6，通过第二磁检测元件L1~Lm的右侧部分检测右弧形路径磁标与其直线阵列的交点范围Cd7；由Cd4和Cd5两个交点范围拟合相切于直线路径的左弧形路径，计算左弧形路径的半径R1和圆弧方向，计算磁导引装置相对于左弧形路径的横向位置偏差和姿态角偏差；由Cd6和Cd7两个交点范围拟合相切于直线路径的右弧形路径，计算右弧形路径的半径R2和圆弧方向，计算磁导引装置相对于右弧形路径的横向位置偏差和姿态角偏差。

本发明根据磁标的路口形状信息和分支信息，并综合利用识别多分支直角转向磁标13的方法与识别多分支圆弧转向磁标14的方法，识别同时包含直角转向分支和圆弧转向分支的多分支综合转向磁标15；拟合垂直直线路径，计算磁导引装置相对于垂直直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差；拟合水平直线路径，识别多分支综合转向磁标的左、右直角转向方向，计算水平直线路径在垂直方向上的位置；拟合左、右弧形路径，识别多分支综合转向磁标的左、右圆弧转向方向，计算左弧形路径的半径R1、右弧形路径的半径R2和圆弧方向，计算磁导引装置相对于左弧形路径的横向位置偏差、右弧形路径的横向位置偏差、左姿态角偏差、右姿态角偏差。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

本发明装置采用一组磁检测元件沿圆周方向均匀排列，再采用另一组磁检测元件沿圆周的水平直径方向在圆周内平行排列，还有两个磁检测元件沿圆周的水平直径方向分布在圆周外的左、右两侧，将磁场信号检测和传感器阵列位置计算相结合。本发明不仅公开了一种可靠性高和信息容量大的编码磁标识别方法，还提出了一种识别精度高的直线路径识别方法和一种计算弧形路径的曲线形态、位置姿态偏差的识别方法，而且提出了一种可同时识别直角转向信息和圆弧转向信息的转向磁标识别方法。

附图说明

图1是本发明装置的俯视结构示意图。

图2是本发明装置的正视结构示意图。

图3是本发明装置的信号处理电路示意图。

图4是本发明装置识别编码磁标的检测方法示意图。

图5是本发明装置计算直线路径磁标位置姿态偏差的示意图。

图6是本发明装置计算弧形路径磁标位置姿态偏差的示意图。

图7是本发明装置识别单分支直角转向磁标的检测方法示意图。

图8是本发明装置识别多分支直角转向磁标的检测方法示意图。

图9是本发明装置识别多分支圆弧转向磁标的检测方法示意图。

图10是本发明装置识别多分支综合转向磁标的检测方法示意图。

图中标号名称：C1~Cn为组成环形阵列的磁检测元件，L1~Lm为组成直线阵列的磁检测元件，B1、B2为针对编码磁标的磁检测元件，E1~Et为针对环境磁场的磁检测元件，T为温度检测元件，1为信号处理电路，2为磁导引装置的底面，3为环形阵列的圆周，C为每个磁检测元件的检测区域中心，O为环形阵列的圆心，4为环形阵列的半径方向，θ为相邻磁检测元件之间的圆心夹角，5为环形阵列的水平直径方向，6为环形阵列的垂直直径方向，7为磁导引装置的侧壁，8为信号处理电路的通信接口，9为导引磁信号与磁检测元件之间的距离范围，10为直线路径磁标，11为弧形路径磁标，12为单分支直角转向磁标，13为多分支直角转向磁标，14为多分支圆弧转向磁标，15为多分支综合转向磁标，16为编码磁标，17为编码磁标的有效识别信号，18为编码磁标的编码信号，Ld1、Ld2、Ld3为直线路径磁标与磁检测元件环形阵列、直线阵列的交点范围，19为磁导引装置相对于直线路径的横向位置偏差，20为磁导引装置相对于直线路径的姿态角偏差，Cd1、Cd2、Cd3为弧形路径磁标与磁检测元件环形阵列、直线阵列的交点范围，R为弧形路径的半径，21为磁导引装置相对于弧形路径的横向位置偏差，22为磁导引装置相对于弧形路径的姿态角偏差，Ld4、Ld5、Ld8为直角转向磁标的垂直直线路径与磁检测元件环形阵列、直线阵列的交点范围，Ld6、Ld7为直角转向磁标的水平直线路径与磁检测元件环形阵列的交点范围，23为直角转向磁标在磁导引装置检测区域中心的定位信号，Cd4、Cd5为左弧形路径磁标与磁检测元件环形阵列、直线阵列的交点范围，R1为左弧形路径的半径，24为磁导引装置相对于左弧形路径的横向位置偏差，25为磁导引装置相对于左弧形路径的姿态角偏差，Cd6、Cd7为右弧形路径磁标与磁检测元件环形阵列、直线阵列的交点范围，R2为右弧形路径的半径，26为磁导引装置相对于右弧形路径的横向位置偏差，27为磁导引装置相对于右弧形路径的姿态角偏差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

参照图1，本发明的环形阵列磁导引装置采用多个磁检测元件组成环形阵列、直线阵列、直线外延端点三个磁检测区域。其中，第一磁检测元件C1~Cn安装在磁导引装置的底面2上，本实施例中n=16，沿直径为D的圆周3方向均匀分布，每个磁检测元件的检测区域中心C与圆心O的连线处于圆周的半径方向4，且相邻连线之间的夹角θ相等。第二磁检测元件L1~Lm安装在磁导引装置的底面2，本实施例中m=6，沿圆周的水平直径方向5平行排列，等距离分布在圆周3内，圆心位置无磁检测元件，在圆心两侧的磁检测元件沿垂直直径方向6对称。第三磁检测元件B1和B2安装在磁导引装置的底面2，沿圆周的水平直径方向分布在圆周外的左、右两端点。第一磁检测元件C1~Cn、第二磁检测元件L1~Lm和第三磁检测元件B1、B2的敏感轴线与磁导引装置的底面垂直。

参照图2，本发明的环形阵列磁导引装置除了包含第一磁检测元件C1~Cn、第二磁检测元件L1~Lm和第三磁检测元件B1、B2多个检测导引磁标的磁检测元件外，还包含均匀分布在磁导引装置的四周侧壁7上的第四磁检测元件E1~Et和温度检测元件T，E1~Et用于检测磁导引装置所处空间的环境磁场强度，T用于检测磁导引装置所处空间的环境温度。此外，磁导引装置的中部还安装有处理磁检测元件和温度检测元件输出信号的信号处理电路1，信号处理电路1中包含可与外部控制装置进行信号传输的通信接口8。

参照图3，本发明的信号处理电路1包含多个运算放大器Op1 ~Ops、多路模数转换器AD1~ADr、微控制器MCU和其他辅助电路。磁检测元件C1~Cn、L1~Lm、B1和B2、E1~Et以及温度检测元件T的信号输出连接到各自的运算放大器Op1 ~Ops，运算放大器Op1~Ops的信号输出连接到多路模数转换器AD1~ADr和微控制器MCU的模数转换器引脚，多路模数转换器AD1~ADr的信号输出连接到微控制器MCU的通信接口，微控制器MCU可通过模拟输出接口、串行通信接口和总线通信接口等连接外部控制装置。微控制器MCU的程序中包含电压－温度的计算关系、不同温度下电压－磁场强度的计算关系、磁场强度－距离的计算关系。根据温度检测元件T的电压值计算环境温度值。根据当前环境温度选择相应的电压－磁场强度的计算关系，计算每个磁检测元件检测的磁场强度。根据磁检测元件E1~Et检测的磁场强度计算环境磁场强度。从磁检测元件C1~Cn、L1~Lm、B1和B2检测的磁场强度中减去环境磁场强度，得到实际磁场强度。

参照图4，编码磁标16由单根磁条17和多个磁块18构成。磁条17和磁块18具有足够的宽度，当车体通过磁导引装置跟踪路径磁标10从而保持正常的行驶精度时，磁导引装置左端的磁检测元件B1能可靠地检测到左侧的磁条17，右端的磁检测元件B2能可靠地检测到右侧的磁块18。当磁检测元件B1检测到左侧的磁条17时，该时间段作为磁导引装置对编码磁标进行识别的有效时间，在此时间内，磁检测元件B2对磁块18的信号类型进行检测，并按检测顺序进行编码。假定对上表面为N极的磁块编码为1，对上表面为S极的磁块编码为0，则图4中编码磁标16的二进制信息为1010。可用这类二进制信息表示路径磁标的路径信息、转向磁标的路口信息、工位磁标的工位信息、运行磁标的运行信息，并根据所需表达的编码信息的复杂程度，通过增加磁块18的个数增加编码信息的二进制位数，如采用8位二进制数表示编码信息，最高2位表示路径磁标、转向磁标、工位磁标和运行磁标中的一大类，低6位表示具体的描述信息，对路径磁标，有路径类型（直线和曲线）、路径编号等，可在实际应用中具体设计。

参照图5，本发明包含16个环形阵列磁检测元件C1~C16，6个直线阵列磁检测元件L1~L6。假定直线阵列中磁检测元件L4的磁场强度最大，L3的磁场强度次大，则可判断直线路径磁标10与直线阵列的交点范围Ld3为线段OP3，传统的磁导引装置和序列磁场算法都是通过缩小交点范围Ld3以提高对直线路径的横向位置偏差的识别精度。本发明装置的特色在于增加了环形阵列磁检测元件C1~ C16，假定环形阵列上半圆周中磁检测元件C1的磁场强度最大，C16的磁场强度次大，下半圆周中磁检测元件C9的磁场强度最大，C8的磁场强度次大，则可判断直线路径磁标10与环形阵列上半圆周的交点范围Ld1为线段P1P2，与下半圆周的交点范围Ld2为线段P4P5。由于直线路径磁标10同时通过交点范围Ld1、Ld2、Ld3，则四边形OP3P2P1为路径磁标在上半圆周的可能区域，四边形OP3P5P4为路径磁标在下半圆周的可能区域。先绘制四边形OP3P2P1关于水平直径方向5的对称区域与四边形OP3P5P4的交集区域OP3P5，再绘制四边形OP3P5P4关于水平直径方向5的对称区域与四边形OP3P2P1的交集区域OP3P2，则两个交集区域之和（即四边形OP5P3P2）为直线路径磁标10的可能区域。考虑到直线路径磁标10必须通过可能区域的两个端点，则必须经过端点P2和P5，如图5中的带状填充路径所示。该直线路径与水平直径方向5的交点到圆心O的距离为横向位置偏差19，该直线路径与垂直直径方向6的夹角为姿态角偏差20。通过上述的直线路径拟合过程，在Ld1、Ld2、Ld3三个交点范围不完全共线的情况下，可在很大程度上缩小直线路径磁标的可能区域，提高对直线路径磁标的定位精度，从而提高磁导引装置相对于直线路径的横向位置偏差19和姿态角偏差20的计算精度。

参照图6，本发明识别弧形路径磁标11的计算过程如下。假定直线阵列中磁检测元件L4的磁场强度最大，L3的磁场强度次大，则可判断弧形路径磁标11与直线阵列的交点范围Cd3为线段OP3。假定环形阵列上半圆周中磁检测元件C16的磁场强度最大，C15的磁场强度次大，下半圆周中磁检测元件C8的磁场强度最大，C9的磁场强度次大，则可判断弧形路径磁标11与环形阵列上半圆周的交点范围Cd1为线段P1P2，与下半圆周的交点范围Cd2为线段P4P5。由于弧形路径磁标11同时通过交点范围Cd1、Cd2、Cd3，则由这三个交点范围拟合弧形路径，如图6中的带状填充路径所示。假定该弧形路径的圆心为O1，半径为R，圆弧方向为逆时针，圆心O1与原点O的连线的延长线与弧形路径交于点P6，则线段OP6为磁导引装置相对于弧形路径的横向位置偏差21，弧形路径上点P6的切线方向与垂直直径方向6的夹角为姿态角偏差22。

参照图7，本发明识别单分支直角转向磁标12的计算过程如下。假定环形阵列下半圆周中磁检测元件C9的磁场强度最大，C10的磁场强度次大，则可判断单分支直角转向磁标12的垂直直线路径与环形阵列下半圆周的交点范围Ld4为线段P1P2。假定直线阵列中磁检测元件L4的磁场强度最大，L3的磁场强度次大，则可判断单分支直角转向磁标12的垂直直线路径与直线阵列的交点范围Ld5为线段OP3。由于单分支直角转向磁标12的垂直直线路径同时通过交点范围Ld4和Ld5，则由线段P1P2的中点P6和线段OP3的中点P7拟合垂直直线路径，如图7中的带状填充路径所示。该垂直直线路径与水平直径方向5的交点P7到圆心O的距离为横向位置偏差19，该垂直直线路径与垂直直径方向6的夹角为姿态角偏差20。假定环形阵列上半圆周中磁检测元件C15的磁场强度最大，C14的磁场强度次大，则可判断单分支直角转向磁标12的水平直线路径与环形阵列上半圆周的交点范围Ld6为线段P4P5。过线段P4P5的中点P8作垂直直线路径的垂线，交线段P6P7于点P9，则线段P8P9为水平直线路径。当点P8位于环形阵列上半圆周的左侧时，该单分支直角转向磁标12为向左转向；当点P8位于环形阵列上半圆周的右侧时，该单分支直角转向磁标12为向右转向。计算点P8到水平直径方向5的距离d，当距离d趋向0时，直线阵列磁检测元件L1~Lm的左侧或右侧部分的多个元件将同时检测到磁信号，此时垂直直线路径与水平直线路径的交点P9位于原点O附近，它可作为单分支直角转向磁标12在磁导引装置检测区域中心的定位信号23。

参照图8，本发明识别多分支直角转向磁标13的计算过程如下。该实施例中的多分支直角转向磁标是一个典型的十字形路口，包含当前直线路径13a、向前直线路径13b、向左直线路径13c和向右直线路径13d。假定环形阵列下半圆周中磁检测元件C9的磁场强度最大，C10的磁场强度次大，则可判断当前直线路径13a与环形阵列下半圆周的交点范围Ld4为线段P1P2。假定直线阵列中磁检测元件L4的磁场强度最大，L3的磁场强度次大，则可判断当前直线路径13a与直线阵列的交点范围Ld5为线段OP3。假定环形阵列上半圆周左侧部分磁检测元件C15的磁场强度最大，C14的磁场强度次大，则可判断向左直线路径13c与环形阵列上半圆周的交点范围Ld6为线段P4P5。假定环形阵列上半圆周右侧部分磁检测元件C4的磁场强度最大，C5的磁场强度次大，则可判断向右直线路径13d与环形阵列上半圆周的交点范围Ld7为线段P6P7。假定环形阵列上半圆周中央磁检测元件C2的磁场强度最大，C1的磁场强度次大，则可判断向前直线路径13b与环形阵列上半圆周的交点范围Ld8为线段P8P9。如果交点范围Ld8存在，则说明向前直线路径13b存在。由于多分支直角转向磁标13的垂直直线路径同时通过交点范围Ld4、 Ld5和Ld8，则由这三个交点范围拟合垂直直线路径，如图8中的带状填充路径所示，交环形阵列下半圆周于点P10，交水平直径方向5于点P11，交环形阵列上半圆周于点P13。点P11到圆心O的距离为横向位置偏差19，该垂直直线路径P10P13与垂直直径方向6的夹角为姿态角偏差20。由于多分支直角转向磁标13的水平直线路径同时通过交点范围Ld6和Ld7，且与垂直直线路径P10P13垂直，则过这两个交点范围作垂直直线路径P10P13的垂线，交环形阵列上半圆周左侧部分于点P12，交环形阵列上半圆周右侧部分于点P14，交垂直直线路径P10P13于点P9。计算点P9到水平直径方向5的距离d，当距离d趋向0时，直线阵列磁检测元件L1~Lm的左侧和右侧部分的多个元件将同时检测到磁信号，此时垂直直线路径P10P13与水平直线路径P12P14的交点P9位于原点O附近，它可作为多分支直角转向磁标13在磁导引装置检测区域中心的定位信号23。

参照图9，本发明识别多分支圆弧转向磁标14的计算过程如下。该实施例中的多分支圆弧转向磁标包含当前直线路径14a、向前直线路径14b、向左弧形路径14c和向右弧形路径14d。假定环形阵列下半圆周中磁检测元件C9的磁场强度最大，C8的磁场强度次大，则可判断当前直线路径14a与环形阵列下半圆周的交点范围Ld4为线段P5P6。假定直线阵列中央磁检测元件L4的磁场强度最大，L3的磁场强度次大，则可判断向前直线路径14b与直线阵列的交点范围Ld5为线段OP4。假定环形阵列上半圆周中央磁检测元件C1的磁场强度最大，C2的磁场强度次大，则可判断向前直线路径14b与环形阵列上半圆周的交点范围Ld8为线段P1P2。假定环形阵列上半圆周左侧部分磁检测元件C14的磁场强度最大，C13的磁场强度次大，则可判断向左弧形路径14c与环形阵列上半圆周的交点范围Cd4为线段P10P11。假定环形阵列上半圆周右侧部分磁检测元件C4的磁场强度最大，C5的磁场强度次大，则可判断向右弧形路径14d与环形阵列上半圆周的交点范围Cd6为线段P16P17。假定直线阵列左侧磁检测元件L2的磁场强度最大，L3的磁场强度次大，则可判断向左弧形路径14c与直线阵列的交点范围Cd5为线段P8P9。假定直线阵列右侧磁检测元件L5的磁场强度最大，L6的磁场强度次大，则可判断向右弧形路径14d与直线阵列的交点范围Cd7为线段P14P15。如果交点范围Ld8存在，则说明向前直线路径14b存在。由于多分支圆弧转向磁标14的直线路径同时通过交点范围Ld4、 Ld5和Ld8，则由这三个交点范围拟合直线路径，如图9中的带状填充路径所示。磁导引装置相对于直线路径的横向位置偏差19和姿态角偏差20与图5中的计算方法相同。由于向左弧形路径14c同时通过交点范围Cd4和Cd5，且与当前直线路径14a相切，则过这两个交点范围作相切于当前直线路径14a的圆弧14c，交环形阵列上半圆周左侧部分于点P13，交直线阵列左侧部分于点P12。由于向右弧形路径14d同时通过交点范围Cd6和Cd7，且与当前直线路径14a相切，则过这两个交点范围作相切于当前直线路径14a的圆弧14d，交环形阵列上半圆周右侧部分于点P19，交直线阵列右侧部分于点P18。计算向左弧形路径14c的半径R1和圆弧方向，计算向右弧形路径14d的半径R2和圆弧方向，磁导引装置相对于向左弧形路径14c的横向位置偏差24和姿态角偏差25、相对于向右弧形路径14d的横向位置偏差26和姿态角偏差27与图6中的计算方法相同。

参照图10，本发明识别多分支综合转向磁标15的计算过程如下。该实施例中的多分支综合转向磁标包含当前直线路径15a、向前直线路径15b、向左直线路径15c和向右弧形路径15d。假定环形阵列下半圆周中央磁检测元件C9的磁场强度最大，C8的磁场强度次大，则可判断当前直线路径15a与环形阵列下半圆周的交点范围Ld4为线段P1P2。假定直线阵列中央磁检测元件L4的磁场强度最大，L3的磁场强度次大，则可判断向前直线路径15b与直线阵列的交点范围Ld5为线段OP3。假定环形阵列上半圆周中央磁检测元件C1的磁场强度最大，C2的磁场强度次大，则可判断向前直线路径15b与环形阵列上半圆周的交点范围Ld8为线段P4P5。假定环形阵列左侧部分磁检测元件C11的磁场强度最大，C12的磁场强度次大，则可判断向左直线路径15c与环形阵列左侧部分的交点范围Ld6为线段P6P7。假定环形阵列上半圆周右侧部分磁检测元件C4的磁场强度最大，C3的磁场强度次大，则可判断向右弧形路径15d与环形阵列上半圆周的交点范围Cd6为线段P10P11。假定直线阵列右侧磁检测元件L4的磁场强度最大，L5的磁场强度次大，则可判断向右弧形路径15d与直线阵列的交点范围Cd7为线段P3P9。如果交点范围Ld8存在，则说明向前直线路径15b存在。由于多分支综合转向磁标15的直线路径同时通过交点范围Ld4、 Ld5和Ld8，则由这三个交点范围拟合直线路径，如图10中的带状填充路径所示。由于向左直线路径15c经过交点范围Ld6，且与当前直线路径15a垂直，则过该交点范围作相切于当前直线路径15a的直线15c，交当前直线路径15a于点P8。由于向右弧形路径15d同时通过交点范围Cd6和Cd7，且与当前直线路径15a相切，则过这两个交点范围作相切于当前直线路径15a的圆弧15d，交环形阵列上半圆周右侧部分于点P12，交直线阵列右侧部分于点P13。磁导引装置相对于直线路径的横向位置偏差19和姿态角偏差20与图5中的计算方法相同。磁导引装置相对于向右弧形路径15d的横向位置偏差26和姿态角偏差27与图6中的计算方法相同。

Claims (9)

1.一种环形阵列磁导引装置，其特征在于包括壳体，壳体内布置由若干个第一磁检测元件（C1～Cn）组成的环形阵列，每个第一磁检测元件的检测区域中心与圆心的连线之间的夹角相等，沿环形阵列的水平直径方向布置由若干个第二磁检测元件（L1～Lm）组成的直线阵列，第一磁检测元件组成的环形阵列和第二磁检测元件组成的直线阵列共同组成路径磁标检测部分；壳体的外部布置两个第三磁检测元件（B1、B2），与第二磁检测元件组成的直线阵列位于同一水平线上，构成编码磁标检测部分；壳体上布置若干个第四磁检测元件（E1～Et）组成的环境磁场检测部分、温度检测元件，路径磁标检测部分、编码磁标检测部分、环境磁场检测部分、温度检测元件分别与信号处理电路（1）连接。

2.基于权利要求1所述的环形阵列磁导引装置的导引磁标识别方法，其特征在于上述路径磁标检测部分、编码磁标检测部分、环境磁场检测部分、温度检测元件的信号输出端分别连接运算放大器（Op1～Ops），运算放大器（Op1～Ops）的信号输出连接到多路模数转换器（AD1～ADr）和微控制器的模数转换器引脚，多路模数转换器（AD1～ADr）的信号输出连接到微控制器的通信接口；根据温度检测元件的电压值计算环境温度值，根据当前环境温度选择相应的电压－磁场强度的计算关系，计算每个磁检测元件检测的磁场强度，根据第四磁检测元件（E1～Et）检测的磁场强度计算环境磁场强度，从第一磁检测元件（C1～Cn）、第二磁检测元件（L1～Lm）、第三磁检测元件（B1、B2）检测的磁场强度中减去环境磁场强度，得到实际磁场强度，再根据磁场强度－距离的计算关系计算磁检测元件检测到的磁信号与其之间的距离范围，即导引磁标与磁检测元件阵列形状的交点范围。

3.根据权利要求2所述的环形阵列磁导引装置的导引磁标识别方法，其特征在于通过其中一个第三磁检测元件B1检测作为编码磁标有效识别信号的单根磁条（17），在有效识别信号存在的时间内，通过另一个第三磁检测元件B2检测作为编码信号的若干个磁块（18），根据磁块（18）的信号类型和排序方式进行信息编码，描述路径磁标的路径信息、转向磁标的路口信息、工位磁标的工位信息、运行磁标的运行信息。

4.根据权利要求2所述的环形阵列磁导引装置的导引磁标识别方法，其特征在于根据磁标的路径形状信息，通过第一磁检测元件（C1～Cn）检测直线路径磁标与其环形阵列相交的两个交点范围Ld1和Ld2，通过第二磁检测元件（L1～Lm）检测直线路径磁标与其直线阵列相交的另一个交点范围Ld3，由Ld1、Ld2、Ld3三个交点范围拟合直线路径，计算磁导引装置相对于直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差。

5.根据权利要求2所述的环形阵列磁导引装置的导引磁标识别方法，其特征在于根据磁标的路径形状信息，通过第一磁检测元件（C1～Cn）检测弧形路径磁标与其环形阵列相交的两个交点范围Cd1和Cd2，通过第二磁检测元件（L1～Lm）检测弧形路径磁标与其直线阵列相交的另一个交点范围Cd3，由Cd1、Cd2、Cd3三个交点范围拟合弧形路径，计算弧形路径的半径R和圆弧方向，计算磁导引装置相对于弧形路径的横向位置偏差（21）和姿态角偏差（22）。

6.根据权利要求2所述的环形阵列磁导引装置的导引磁标识别方法，其特征在于根据磁标的路口形状信息，通过第一磁检测元件（C1～Cn）的下半部分检测垂直直线路径磁标与其环形阵列下半圆周的交点范围Ld4，通过第二磁检测元件（L1～Lm）检测垂直直线路径磁标与其直线阵列的交点范围Ld5，由Ld4和Ld5两个交点范围拟合垂直直线路径，计算磁导引装置相对于垂直直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差；

通过第一磁检测元件（C1～Cn）的上半部分检测水平直线路径磁标与其环形阵列上半圆周的交点范围Ld6，由交点范围Ld6拟合正交于垂直直线路径的水平直线路径，识别单分支直角转向磁标的转向方向，计算水平直线路径在垂直方向上的位置；当水平直线路径接近环形阵列的水平直径方向时，第二磁检测元件（L1～Lm）的左侧或右侧部分的多个元件将同时检测到磁信号，以此作为单分支直角转向磁标（12）在磁导引装置检测区域中心的定位信号（23）。

7.根据权利要求2所述的环形阵列磁导引装置的导引磁标识别方法，其特征在于根据磁标的路口形状信息和分支信息，通过第一磁检测元件（C1～Cn）的下半部分检测垂直直线路径磁标与其环形阵列下半圆周的交点范围Ld4，通过第二磁检测元件（L1～Lm）检测垂直直线路径磁标与其直线阵列的交点范围Ld5，通过第一磁检测元件（C1～Cn）的上半部分检测水平直线路径磁标与其环形阵列上半圆周的交点范围Ld6和Ld7，再检测垂直直线路径磁标与其上半圆周的交点范围Ld8；如果交点范围Ld8存在，则说明多分支直角转向磁标（13）存在向前直线分支，由Ld4、 Ld5和Ld8三个交点范围拟合垂直直线路径；如果交点范围Ld8不存在，则说明多分支直角转向磁标（13）不存在向前直线分支，由Ld4和Ld5两个交点范围拟合垂直直线路径，计算磁导引装置相对于该垂直直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差；由Ld6和Ld7两个交点范围拟合正交于垂直直线路径的水平直线路径，识别多分支直角转向磁标的左、右转向方向，计算水平直线路径在垂直方向上的位置；当水平直线路径接近环形阵列的水平直径方向时，第二磁检测元件（L1～Lm）的多个元件将同时检测到磁信号，以此作为多分支直角转向磁标在磁导引装置检测区域中心的定位信号（23）。

8.根据权利要求2所述的环形阵列磁导引装置的导引磁标识别方法，其特征在于根据磁标的路口形状信息和分支信息，通过第一磁检测元件（C1～Cn）的下半部分检测直线路径磁标与其环形阵列下半圆周的交点范围Ld4，通过第二磁检测元件（L1～Lm）检测直线路径磁标与其直线阵列的交点范围Ld5，通过第一磁检测元件（C1～Cn）的上半部分检测直线路径磁标与其环形阵列上半圆周的交点范围Ld8；如果交点范围Ld8存在，则说明多分支圆弧转向磁标（14）存在向前直线分支，由Ld4、 Ld5和Ld8三个交点范围拟合直线路径；如果交点范围Ld8不存在，则说明多分支圆弧转向磁标（14）不存在向前直线分支，由Ld4和Ld5两个交点范围拟合直线路径；计算磁导引装置相对于该直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差；通过第一磁检测元件（C1～Cn）的左半部分检测左弧形路径磁标与其环形阵列左半圆周的交点范围Cd4，通过第二磁检测元件（L1～Lm）的左侧部分检测左弧形路径磁标与其直线阵列的交点范围Cd5，通过第一磁检测元件（C1～Cn）的右半部分检测右弧形路径磁标与其环形阵列右半圆周的交点范围Cd6，通过第二磁检测元件（L1～Lm）的右侧部分检测右弧形路径磁标与其直线阵列的交点范围Cd7；由Cd4和Cd5两个交点范围拟合相切于直线路径的左弧形路径，计算左弧形路径的半径R1和圆弧方向，计算磁导引装置相对于左弧形路径的横向位置偏差（24）和姿态角偏差（25）；由Cd6和Cd7两个交点范围拟合相切于直线路径的右弧形路径，计算右弧形路径的半径R2和圆弧方向，计算磁导引装置相对于右弧形路径的横向位置偏差（26）和姿态角偏差（27）。

9.根据权利要求7或8所述的环形阵列磁导引装置的导引磁标识别方法，其特征在于根据磁标的路口形状信息和分支信息，并综合利用识别多分支直角转向磁标（13）的方法与识别多分支圆弧转向磁标（14）的方法，识别同时包含直角转向分支和圆弧转向分支的多分支综合转向磁标（15）；拟合垂直直线路径，计算磁导引装置相对于垂直直线路径的横向位置偏差和姿态角偏差；拟合水平直线路径，识别多分支综合转向磁标（15）的左、右直角转向方向，计算水平直线路径在垂直方向上的位置；拟合左、右弧形路径，识别多分支综合转向磁标（15）的左、右圆弧转向方向，计算左弧形路径的半径R1、右弧形路径的半径R2和圆弧方向，计算磁导引装置相对于左弧形路径的横向位置偏差（24）、右弧形路径的横向位置偏差（26）、左姿态角偏差（25）、右姿态角偏差（27）。

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