CN102506891B - 磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法，包括以下步骤：步骤1：确定磁条或磁道钉的铺设间距L；步骤2：记录机器人在前进过程中，前后两排磁传感器组不能检测磁场的次数N₁，N₂；步骤3：通过以下里程计算公式计算出机器人当前的里程s：或式中，A表示磁条的长度，R表示磁道钉的半径，本发明通过科学设定磁道钉或磁条的铺设间隔，得到磁道钉或磁条磁场间的空隙，然后通过记录前后两排磁传感器组不能读到磁场的次数，并结合磁条或磁道钉的铺设间隔长度实现对机器人里程的检测，该方法计算简单、相对准确、不受外部环境影响，尽量克服了传统里程计算的缺陷，并节约自主轮式移动机器人的硬件成本和软件成本。

Description

磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法

技术领域

本发明涉及一种移动机器人里程的检测方法，特别涉及到一种磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法。

背景技术

近年来，自主轮式移动机器人在军事、工业、农业、医学及社会服务业等领域得到了越来越广泛的应用，因此成为国际机器人学术界研究的热点。

在自主移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心。机器人只有知道所处的位置以及如何从一个位置到达另一位置，才能实现自主移动，从而有效地完成任务。因此，自主移动机器人的导航需要解决三个问题：“Where am I？”，“Where am I going？”，“How doI get there？”。其中第一个问题就是机器人定位问题，这是解决其它两个问题的前提和基础。实时获得自主轮式移动机器人的行驶距离，可以为自主轮式移动机器人提供定位信息。

自主轮式移动机器人一般使用里程计来获取里程，传统的里程计有光栅式、容栅式、电感调频式、电感差动变压器式等，而上述的里程计在磁导航自主轮式机器人行进过程中，机器人的初始位姿误差、运动学模型误差以及运动过程中的不确定扰动产生的误差都会对其计算里程的准确性产生影响。

因此急需一种计算简单、准确、不受外部环境影响并且节约成本的适合磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法。

发明内容

本发明提出一种计算简单、准确度高、不易受外部环境影响并且节约成本的适合磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法，尽量克服传统里程计的缺陷，并节约磁导航自主轮式移动机器人的硬件成本和软件成本。

本发明的目的是：

本发明提供的磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法，包括以下步骤：

步骤1：确定磁条或磁道钉的铺设间距L；

步骤2：记录机器人在前进过程中前后两排磁传感器组不能检测磁场的次数N₁，N₂；

步骤3：通过以下里程计算公式计算出机器人当前的里程s：

$s=\frac{(N_1+N_2)*(L+A)}{2}$ 或 $s=\frac{(N_1+N_2)*(L+2R)}{2},$

式中，A表示磁条的长度，R表示磁道钉的半径。

进一步，上述方法中，所述步骤1中磁条或磁道钉的铺设间距L通过满足以下条件来确定的：

L≥l，且 $\frac{L}{v}\≥k_1*\frac{1}{P},$

其中，l表示磁条或磁道钉之间的最小铺设间距，v表示机器人的移动速度，k₁为磁传感器检测磁场次数，P表示磁传感器检测磁场的频率，即每秒检测磁场的次数。

进一步，上述方法中，所述磁条或磁道钉之间的最小铺设间距l通过满足以下条件来确定：

以磁传感器不能检测连续两个磁条或者磁道钉的磁场的方式来确定磁条或磁道钉磁场分布范围，从而确定磁条或磁道钉之间的最小铺设间距l；

进一步，上述方法中，所述磁条的长度A、磁道钉的半径R及其磁场大小通过满足以下条件来确定；

机器人以移动速度v经过磁条或磁道钉的正上方，机器人上同一水平线的磁传感器组中只能有临近两个磁传感器能同时检测到磁条或磁道钉磁场；

进一步，上述方法中，还包括机器人前后两排磁传感器组，每排至少设置有一个磁传感器，所述磁传感器用于检测磁条或磁道钉的磁场；

进一步，上述方法中，所述磁传感器以等间距排列在机器人主体的前排和后排；

进一步，上述方法中，所述磁传感器设置在机器人上的安装高度H，所述安装高度能够避免磁传感器被磁条或磁道钉磁化且当磁条或磁道钉在磁传感器正下方时，能让磁传感器稳定地检测到磁场，通过满足以下条件来确定的：

B′≥B

式中，B′表示磁条或磁道钉正上方距离为H的位置的磁场强度，B表示磁传感器能检测的最小磁场；

进一步，上述方法中，所述机器人的移动速度v是通过满足以下条件来确定的：

$\frac{A}{v}\≥k_2*\frac{1}{P}$ 或者 $\frac{2R}{v}\≥k_2*\frac{1}{P}$

式中，k₂为磁传感器器检测磁场的次数，或者为自主轮式移动机器人经过磁条或磁道钉所需的时间。

本发明的优点在于：本发明通过控制磁道钉或磁条的铺设间隔，得到磁道钉或磁条磁场间的空隙，然后通过计算前后两排磁传感器组不能读到磁场的频率，并结合磁条或磁道钉的铺设间隔长度实现对机器人里程的计算，该方法计算简单、相对准确、不受外部环境影响，克服了传统里程计算的缺陷，并节约自主轮式移动机器人的硬件成本和软件成本。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到启示。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为里程计算流程图；

图2为普通磁导航系统磁条或磁道钉铺设方式；

图3为本发明的磁条或磁道钉铺设方式；

图4为磁条或磁道钉的铺设图；

图5为本发明的磁导航系统结构图；

图6为磁导航轮式移动机器人前视图；

图7为磁条或磁道钉磁场分布测试图；

图8为磁条或磁道钉间最小间距的确定方法图；

图9为磁信号读取与处理硬件结构图。

图中，11表示磁条，12表示磁道钉，2表示地板，21表示磁场，22表示磁场之间无磁场的空白区域，31表示磁场之间存在空白区域，3表示前排磁传感器，4表示后排磁传感器，5表示机器人车体，6表示磁传感器，7表示调试支架，8表示数据处理器，9表示数据采集器。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

下面详细描述本发明提供的磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法的具体流程。

图1为里程检测流程图，如图所示：本发明提供的磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法，包括以下步骤：

S1：确定磁条11或磁道钉12的铺设间距L；磁导航系统硬件检查；

S2：磁导航系统启动；

S3：当磁传感器没有感应到磁场时，返回S1重新检查硬件；

S4：当磁传感器感应到磁场时，则将计数器清零，进入下一步；

S5：机器人以速度v向前移动；

S6：机器人磁传感器检测磁场；

S7：记录机器人在前进过程中前排磁传感器组不能检测磁场的次数N₁；如果磁传感器感应到磁场，则进入S8，否则使次数N₁的计数器计数增加1；并且通过数据处理器计算当前里程；通过以下里程计算公式计算出机器人当前的里程s：

当使用磁条的磁导航系统，使用如下算式：

当使用磁道钉的磁导航系统，使用如下算式：

式中，A表示磁条的长度，R表示磁道钉的半径；

S8：记录机器人在前进过程中后排磁传感器组不能检测磁场的次数N₂；如果磁传感器感应到磁场时，返回S5；否则使次数N₂的计数器计数增加1；通过以下里程计算公式计算出机器人当前的里程s：

当使用磁条的磁导航系统中，使用如下算式：

当使用磁道钉的磁导航系统中，使用如下算式：

式中，A表示磁条的长度，R表示磁道钉的半径；

S9：返回步骤S5，重复循环进行。

图3为本发明的磁条或磁道钉铺设方式；作为上述实施例的进一步改进，所述步骤1中磁条或磁道钉的铺设间距L通过满足以下条件来确定的：

L≥l，且 $\frac{L}{v}\≥k_1*\frac{1}{P},$

其中，l表示磁条或磁道钉之间的最小铺设间距，v表示机器人的移动速度，k₁为磁传感器检测磁场次数，P表示磁传感器检测磁场的频率，即每秒检测磁场的次数，为自主轮式机器人经过两根磁条或磁道钉之间所需时间，为磁传感器检测磁场一次所花的时间，与现有技术中普通磁导航系统磁条或磁道钉铺设方式不同，如图2所示，现有技术中的磁条或磁道钉铺设使得磁条或磁道钉之间的磁场发生重叠，图中设置于地板2上的相邻磁场21的范围形成重叠区域22，相邻磁场之间不存在空白区域，而本发明中磁条或磁道钉铺设使得磁条或磁道钉之间留有最小的间隔距离，图中相邻磁场21的没有重叠区域22，相邻磁场之间存在空白区域31。

作为上述实施例的进一步改进，所述磁条或磁道钉之间的最小铺设间距l是通过满足以下条件来确定的：

以两个磁条11或磁道钉12之间有磁传感器不能检测到磁场的方式来确定磁条或磁道钉磁场分布范围，从而确定磁条或磁道钉之间的最小铺设间距l。

图4为磁条或磁道钉的铺设图；作为上述实施例的进一步改进，所述磁条11的长度A、磁道钉12的半径R及其磁场大小是通过满足以下条件来确定的：

机器人以移动速度v经过磁条或磁道钉的正上方，机器人上同一水平线的三个磁传感器只能有两个磁传感器能同时检测到磁条或磁道钉磁场。

图5为本专利的磁导航系统结构图；作为上述实施例的进一步改进，还包括机器人前后两排磁传感器组，每排至少设置有一个磁传感器，所述磁传感器用于检测磁条或磁道钉磁场的磁场。

作为上述实施例的进一步改进，所述磁传感器组的磁传感器以相等的间隔距离排列于机器人主体的前排3和后排4。

作为上述实施例的进一步改进，所述磁传感器设置在机器人上的安装高度H，所述安装高度能够避免磁传感器被磁条或磁道钉磁化且当磁条或磁道钉在磁传感器正下方时，能让磁传感器稳定地检测到磁场，通过满足以下条件来确定的：

B′≥B

式中，B′表示磁条或磁道钉正上方距离为H的位置的磁场强度，B表示磁传感器能检测的最小磁场。

作为上述实施例的进一步改进，所述机器人的移动速度v是通过满足以下条件来确定的：

$\frac{A}{v}\≥k_2*\frac{1}{P}$ 或者 $\frac{2R}{v}\≥k_2*\frac{1}{P}$

式中，k₂为磁传感器器检测磁场的次数，或者为自主轮式移动机器人经过磁条或磁道钉所需的时间。

下面详细描述如何确定磁条或磁道钉的安装间隔距离：

1)根据所选定的磁传感器的规格型号，根据其产品说明书，得到其能检测的最小磁场B和检测磁场的频率P。

2)根据机器人车体5的规格大小，以如下原则来确定磁传感器的安装高度H：

能够避免磁传感器被磁条或磁道钉磁化，同时当磁条或磁道钉在磁传感器正下方时，能让磁传感器稳定地检测到磁场。图6为磁导航轮式移动机器人前视图；

3)自主轮式移动机器人的移动速度v的确定，依据如下原则：

自主轮式移动机器人以移动速度v移动过程中，能在磁条或磁道钉的磁场范围内，稳定地检测到磁场，并且自主轮式移动机器人以移动速度v移动过程中，不影响其附带功能，如，巡检，运输。

可以用不等式或者来确定移动速度v的大小，其中A为磁条的长度，R为磁道钉的半径长度，或者为自主轮式移动机器人经过磁条或磁道钉所需的时间，为磁传感器检测一次磁场所花的时间，k₂为磁传感器器检测磁场的次数(这是个经验值，根据数据处理模块的数据处理速度来决定)。

4)磁条或磁道钉的规格的确定，依据如下原则：

自主轮式移动机以移动速度v移动过程中，经过磁条或磁道钉的磁场范围时候，装在机器人上的同一水平上的三个磁传感器中只能有两个磁传感器同时检测到磁场。为了实现这一要求，可调整步骤2)所得的H。

在选择好磁传感器的型号之后，要根据实际需要决定磁条或磁道钉的磁场方向。

磁条或磁道钉正上方距离为H的位置的磁场强度B′，应满足不等式B′≥B

5)机器人磁导航系统一般有一个或者两个由数个磁传感器6组成的磁传感器组，简称磁组，通过磁组检测磁场，得到磁组中的磁传感器与磁条或磁道钉铺设线路的相对位置关系，从而确定机器人的横向偏移，为保证机器人的移动控制提供数据支持。磁组中磁传感器的个数以及各个磁传感器间的间隔距离的确定，依据如下原则：

磁组的总长度在自主轮式移动机器人的宽度之内。

磁组中各个磁传感器之间的间隔距离都应相等，均为a。

在磁条或磁道钉磁场的强度过大或不足的时候，根据4)所提的确定原则，减少或增加a的大小。

6)磁条或磁道钉的磁场分布范围的确定，可使用下列方法：

磁条磁场分布的确定方法：

确定磁传感器的感应磁场的类型(感应N极磁场还是S极磁场)。

制作一个调试支架，将磁传感器固定上面，且让磁传感器可上下左右滑动，可随时得到磁传感器移动的距离，图7磁条或磁道钉磁场分布测试图，如图所示，调试支架7上的磁传感器6放到磁条的正上方，并让磁传感器6感应到磁场然后磁传感器沿着上下方向慢慢向上移动，以确定磁传感器感应到磁场的临界高度h，h≥H。

将磁传感器固定在调试支架上h₁的位置，h₁≤h，然后在h₁的位置上向磁条的前后左右四个方向缓慢移动，记录下在h₁高度时，磁条前后左右四个方向感应到磁场的极限距离。为了得到较为精确的磁条磁场分布，h₁的高度应多次调整，进行多次测试，磁条或磁道钉磁场分布测试。

磁道钉磁场分布的确定方法：同磁条磁场分布的确定方法。

7)得到磁条或磁道钉磁场的分布之后，确定磁条或磁道钉之间的最小铺设间距l的方法如下，图8为磁条或磁道钉间最小间距的确定方法图，如图所示。

将磁传感器以高度H固定在一个调试支架上。

将两个选定的磁条或磁道钉放置在模拟实际磁条铺设现场的试验场中，并以6)中所得的磁条或磁道钉的磁场分布，估计两个磁条或磁道钉磁场重合与不重合的间距。

将量尺放置在磁条或磁道钉旁边，记录此时磁条或磁道钉的间距。

将已经固定在调试支架7上的磁传感器放置在两个磁条或磁道钉间距中点的正上方，检测是否有磁场，如果检测到磁场，则缓慢将两个磁条或磁道钉同时向外移动，并随时记录两个磁条或磁道钉此时的间距，直到检测不到磁场为止。反之，如果没有检测到磁场，则缓慢地将两个磁条或磁道钉同时向中间移动，并随时记录两个磁条或磁道钉此时的间距，直到检测到磁场为止。

8)根据前面所得的P，l，v等参数，实际铺设的两个磁条或磁道钉之间的间距L，可以用如下方法确定：

L≥l，l为两个磁条或磁道钉之间的最小铺设间距。

其中为自主轮式机器人经过两根磁条或磁道钉之间所需时间，k₁为磁传感器检测磁场次数(这个是经验值，根据数据处理模块的处理速度来确定)，为磁传感器检测磁场一次所花的时间。

图9为磁信号读取与处理硬件结构图，如图所示，确定了L，则需通过软件记录自主轮式机器人在前进过程中前后两排磁传感器组不能检测磁场的次数N₁和N₂，磁信号读取与数据处理器8连接，根据数据采集器9的输入端口的模式，来确定选取模拟输出型或数字输出型的磁传感器。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.磁导航自主轮式移动机器人的里程检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：确定磁条或磁道钉的铺设间距L；

步骤2：记录机器人在前进过程中前后两排磁传感器组不能检测磁场的次数N₁，N₂；

步骤3：通过以下里程计算公式计算出机器人当前的里程s：

$s=\frac{(N_1+N_2)+(L+A)}{2}$ 或 $s=\frac{(N_1+N_2)*(L+2R)}{2},$

式中，A表示磁条的长度，R表示磁道钉的半径；

所述步骤1中磁条或磁道钉的铺设间距L通过满足以下条件来确定的：

L≥l，且 $\frac{L}{v}\≥k_1+\frac{1}{P},$

其中，l表示磁条或磁道钉之间的最小铺设间距，v表示机器人的移动速度，k₁为磁传感器检测磁场次数，P表示磁传感器检测磁场的频率，即每秒检测磁场的次数；

所述磁条或磁道钉之间的最小铺设间距l是通过满足以下条件来确定的：

以两个磁条或磁道钉之间有磁传感器不能检测到磁场的方式来确定磁条或磁道钉磁场分布范围，从而确定磁条或磁道钉之间的最小铺设间距l；

所述磁条的长度A、磁道钉的半径R及其磁场大小是通过满足以下条件来确定的：

机器人以移动速度v经过磁条或磁道钉的正上方，机器人上同一水平线的多个磁传感器只能有两个磁传感器能同时检测到磁条或磁道钉磁场；

还包括机器人上前后两排磁传感器组，每排设置有多个磁传感器，所述磁传感器用于检测磁条或磁道钉的磁场；

所述磁传感器组的总长度在自主轮式移动机器人的宽度之内；

所述磁传感器以等间距安装在机器人主体的前排和后排；

所述磁传感器在机器人上的安装高度H，所述安装高度能够避免磁传感器被磁条或磁道钉磁化且当磁条或磁道钉在磁传感器正下方时，能让磁传感器稳定地检测到磁场，这是通过满足以下条件来确定的：

B′≥B

式中，B′表示磁条或磁道钉正上方高度为H的位置的磁场强度，B表示磁传感器能检测的最小磁场；

所述机器人的移动速度v是通过满足以下条件来确定的：

$\frac{A}{v}\≥k_2*\frac{1}{P}$ 或者 $\frac{2R}{v}\≥k_2*\frac{1}{P}$

式中，k₂为磁传感器检测磁场的次数，或者为自主轮式移动机器人通过磁条或磁道钉所需的时间。