CN103699123B - 一种基于三个电磁传感器的机器人导航方法 - Google Patents
一种基于三个电磁传感器的机器人导航方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于三电磁传感器的机器人导航方法，目的是克服双对称电磁传感器导航存在的精度低、参数多且设计复杂等不足。本发明以中间传感器的数值与其最大值的差作为机器人偏离轨道的大小，并根据左、右传感器的差值与偏离电磁轨道方向阈值的差的正负判断机器人偏离电磁轨道的方向，将偏离轨道的大小与偏离轨道的方向合成机器人移动控制器的误差信号，控制机器人向着减小误差的方向移动，从而实现机器人的电磁导航。本发明简化了边界阈值等参数的设计及测量，减小了引入随机误差的概率；避免了由于传感器性能不对称产生的影响，提高了机器人电磁导航的精度。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种机器人导航方法，利用三个电磁传感器检测机器人偏离电磁轨道的大小与方向，引导机器人沿着电磁轨道移动。
背景技术
目前，应用于机器人中的电磁轨道检测装置多为偶数个“工”字形电感，并且水平对称地分布在轨道上方两侧，利用对称位置的电磁传感器检测到的磁场强度的差值确定偏离轨道大小。理想状态时左右对称位置传感器各参数严格相同，此时传感器检测磁场强度大小差值与位置关系如图1所示。黑色加粗的曲线可以表征机器人相对电磁轨道的位置，黑色加粗曲线端点作为边界阈值。由于对称位置传感器实际工作性能不可能完全相同，磁场强度差值与位置关系曲线将发生扭曲，如图2所示。磁场强度差值与位置关系曲线不再通过零点，并且曲线非中心对称，峰值之间的曲线不再能够对称的反应机器人与电磁轨道的相对位置关系。例如，机器人从左侧偏离电磁轨道2cm与机器人从右侧偏离电磁轨道2cm，在这种对称的位置的条件下，左右传感器的差值的大小却不相等，这就降低了机器人控制的精度。除此之外，在曲线非中心对称情况下设计中心差值参数时，需要使机器人中线与电磁轨道重合，但实际过程中需要人为放置机器人，难以做到精确地将机器人中线与电磁轨道重合，所以会引入随机误差。由于磁场强度差值与位置关系曲线在第一与第三象限均存在峰值，所以当机器人移动偏离出峰值位置时就会产生错误的位置信息，故需要在峰值之间分别设计两个边界阈值，但又由于曲线非中心对称，所以需要在轨道两侧对称位置分别测量两个阈值，因此会引入随机误差。综上所述，人为设定的参数数量增多，使装置引入的随机误差的概率增大降低了机器人电磁导航的精度，而且测定参数时过程较为复杂。
申请号为200810234556.1的发明专利“自动引导小车的无接触供电及导航装置”，提出了一种利用双对称电磁传感器对车辆进行电磁导航的技术，但是仍存在导航精度低、阈值参数多且设计复杂等问题，该方法应用到机器人电磁导航领域仍然难以满足对精度的要求。
发明内容
针对采用双对称电磁传感器导航存在的精度低、参数多且设计复杂等问题，本发明提出了一种基于三电磁传感器的机器人导航方法，不再利用对称位置的磁场强度的差值来表示机器人相对电磁轨道的位置，而是利用磁场强度与位置曲线严格轴对称的特性表示机器人相对电磁轨道位置，简化了边界阈值参数个数、参数设计方法及中心位置的标定过程，提高了机器人电磁导航精度。
机器人导航装置主要由电磁轨道、电磁传感器、信号放大器、移动控制器组成。电磁轨道采用漆包线铺设，在漆包线中通有正弦交变电流，在轨道周围产生交变磁场。电磁传感器从电磁轨道感应电磁信号，经放大后送到移动控制器，形成反映机器人偏离电磁轨道的误差控制信号，控制机器人向消除误差的方向移动。
本发明的电磁传感器由三个“工”字形电感直线一字水平排列，中间传感器位于机器人中轴线上，其它两个电磁传感器对称分布于机器人中轴线两侧。
下面给出利用上述导航装置进行导航的原理。
传感器从电磁轨道检测到的信号强度随着机器人偏离电磁轨道中心的程度变化，当传感器位于电磁轨道中心时，检测到的信号强度最大；当传感器偏离电磁轨道中心时，检测到的信号强度逐渐变小，偏离越远，信号越弱，而且变化趋势左右严格对称，如图3所示。因此，传感器检测到的信号偏离最大值的程度可以作为机器人偏离电磁轨道的大小。进行机器人电磁导航时需要测量判定轨道边界的阈值，当机器人移动到轨道边界时，需要以最大转角并保持上一时刻的回正方向前进，使机器在有限时间内可以回到允许运行范围内。因为曲线严格对称，所以在选取边界阈值时只需要在曲线上的单边进行测定，该阈值也适用于另一侧的对称位置。
由于中间传感器位于机器人中轴线上，另外两个分别位于机器人中轴线左右两侧，以中间传感器检测到的信号强度偏离最大值的程度表示机器人偏离电磁轨道的大小，以左右传感器检测到的信号差表示偏离的方向(偏向左或偏向右)。中间传感器信号强度最大时，表示机器人的中线与轨道中线重合，此时将左右传感器的差值作为机器人偏离电磁轨道方向的临界值，大于此差值时，表示机器人偏离电磁轨道，而且位于轨道右侧；小于此差值时，表示机器人偏离电磁轨道，且位于轨道左侧。导航装置的移动控制器将偏离轨道的大小与偏离轨道的方向合成机器人偏离轨道的误差信号，控制机器人向着减小误差的方向移动，从而实现机器人的电磁导航。
一种基于三电磁传感器的机器人导航方法，具体包括以下几个步骤：
步骤一，电磁轨道通电，启动机器人，将机器人从轨道一侧移动到另一侧，与此同时记录各个传感器通道采集到的信号强度。
步骤二，求中间传感器通道采集信号的最大值，即机器人中心轴线与电磁轨道中心线重合时中间传感器通道采集信号的值。
步骤三，求出机器人中心轴线与电磁轨道中心线重合时左、右传感器通道采集信号的差值δ0，作为判定机器人偏离电磁轨道方向阈值。
步骤四，求出机器人处于轨道一侧边界位置时中间传感器通道采集信号的数值，此值作为机器人电磁导航的边界阈值，对应图3黑色加粗曲线端点，且适用于另一侧。
步骤五，以中间传感器的数值与其最大值的差作为机器人偏离轨道的大小，并根据左、右传感器的差值与偏离电磁轨道方向阈值δ0的差的正负判断机器人偏离电磁轨道的方向。将偏离轨道的大小与偏离轨道的方向合成机器人移动控制器的误差信号，控制机器人向着减小误差的方向移动，从而实现机器人的电磁导航。
当中间传感器采集到的信号数字量大小小于δl时，表明机器人已超出边界，控制机器人以最大转向并按照上一时刻的回正方向前进。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)利用中间传感器的对称特性得到机器人偏离电磁轨道大小，简化了边界阈值等参数的设计及测量，减小了引入随机误差的概率；
(2)通过比较左右水平放置的传感器信号的差值与机器人偏离轨道方向阈值的大小判断机器人偏离轨道的方向，避免了由于传感器性能不对称产生的影响，提高了机器人电磁导航的精度。
附图说明
图1为理想的磁场强度差值与位置关系曲线；
图2为实际的磁场强度差值与位置关系曲线；
图3为磁场强度与位置关系曲线；
图4为本发明电磁传感器布置前视图；
图5为本发明电磁传感器布置俯视图；
图6为本发明所涉及的机器人导航方法流程图；
图7为本发明与传统方法机器人导航的误差曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
机器人导航装置包括电磁轨道、电磁传感器、信号放大器和移动控制器，其中，
电磁轨道采用漆包线铺设，漆包线的直径为0.3mm，漆包线中通有频率为20kHz，大小为100mA±20mA的正弦交变电流，在电磁轨道周围产生20kHz的交变电磁场。
电磁传感器由三个10mH的“工”字形电感线圈组成，直线一字水平排列，左端到右端距离为10cm，如图5、6所示。每个电感与6.8nF的电容并联，形成LC谐振回路，谐振频率为20kHz。由于电磁轨道的频率也为20kHz，故在电磁传感器的LC回路中产生谐振，使检测到的信号强度最大。
本发明所述的机器人导航方法流程图如图6所示，具体包括以下几个步骤：
步骤一，给电磁轨道加电，启动机器人，将机器人从轨道一侧移动到另一侧，同时记录各个传感器通道采集到的信号强度。
步骤二，求出中间传感器通道信号强度的最大值，经模数转换后的数字量为140，对应模拟电压为2.734V。
步骤三，求出机器人中心轴线与电磁轨道中心线重合时，即中间传感器检测到信号数字量为140时，左、右传感器通道采集信号的数字量差值δ0＝14，作为判定机器人偏离电磁轨道方向阈值。
步骤四，求出机器人处于轨道一侧边界位置时中间传感器通道采集信号的数字量δl＝60，此值作为机器人电磁导航的边界阈值，对应图3黑色加粗曲线端点，且适用于另一侧。
步骤五，机器人运行过程中以中间传感器实时采集到的信号数字量与其最大值的差作为机器人偏离轨道的大小，并根据左、右传感器实时采集的信号数字量差值与偏离电磁轨道方向阈值δ0的差的正负判断机器人偏离电磁轨道的方向，将偏离轨道的大小与偏离轨道的方向合成机器人移动控制器的输入误差信号，控制机器人向着减小误差的方向移动，从而实现机器人的电磁导航。
下面通过实验比较本发明所述的三电磁传感器导航方法与传统的双电磁传感器导航方法的导航效果。实验分为机器人直线运动和曲线运动两种情况，每种情况行驶200cm，每10cm采样一次误差。两种方法的误差曲线如图7所示，实线为本发明所述方法的误差曲线，虚线为传统方法的误差曲线。由图7可知，机器人做直线运动时的导航误差小于机器人做曲线运动时的误差。但不管是直线运动还是曲线运动，本发明所述方法的误差均小于传统方法的误差，也就是说本发明提高了机器人电磁导航的精度。
Claims (1)
1.一种基于三个电磁传感器的机器人导航方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，电磁轨道通电，启动机器人，将机器人从轨道一侧移动到另一侧，与此同时记录各个传感器通道采集到的信号强度；
步骤二，求中间传感器通道采集信号的最大值，即机器人中心轴线与电磁轨道中心线重合时中间传感器通道采集信号的值；
步骤三，求出机器人中心轴线与电磁轨道中心线重合时左、右传感器通道采集信号的差值，作为判定机器人偏离电磁轨道方向阈值δ0；
步骤四，求出机器人处于轨道一侧边界位置时中间传感器通道采集信号的数值，此值作为机器人电磁导航的边界阈值；
步骤五，以中间传感器的数值与其最大值的差作为机器人偏离轨道的大小，并根据左、右传感器的差值与偏离电磁轨道方向阈值δ0的差的正负判断机器人偏离电磁轨道的方向；将偏离轨道的大小与偏离轨道的方向合成机器人移动控制器的误差信号，控制机器人向着减小误差的方向移动，从而实现机器人的电磁导航；所述三个电磁传感器由一字水平排列，中间传感器位于机器人中轴线上，其它两个电磁传感器对称分布于机器人中轴线两侧；所述一侧的边界阈值也适用于另一侧。
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