CN103699128B - 一种电磁轨道式移动机器人的运动控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电磁轨道式移动机器人的运动控制系统及控制方法，该系统中的发射线圈和接收线圈构成能量传输通道并复用为通信装置的天线构成通信系统，车载控制器将从速度传感器采集回来的速度信号发送给发射控制系统，发射控制系统将当前速度与给定速度相比较，得到误差后利用PID算法控制发射电路的功率，经发射电路控制驱动电机的转速；幅值检测器和补偿电容组构成谐振频率自适应控制系统，幅值检测器检测当前接收线圈谐振电压的幅值并将采集的幅值转换成数字量传递给车载控制器，车载控制器将补偿电容组中的一个以上小容量电容接入或撤出电路。该方法基于上述控制系统。本发明具有结构简单紧凑、操作简便、控制精度高、通信质量好、可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到移动机器人的控制领域，特指一种电磁轨道式移动机器人的运动控制方法。
背景技术
目前，在移动机器人的应用领域，电磁轨道式移动机器人已经开始出现在人们的视野中，这类机器人一般沿预定的轨迹移动，其能量主要依靠铺设于地面下的发射线圈提供。其中，由地面下的发射线圈和固定于移动机器人本体的接收线圈组成磁耦合谐振系统，接收线圈上产生的高频交流电经车载控制器处理后给移动机器人供电，此类机器人的运动控制还不成熟，还无法充分的发掘出此类机器人的应用潜力，还存在例如：电能利用率低、轨道切换易出错、通信质量差、精确定位困难等一系列问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、操作简便、控制精度高、通信质量好、可靠性高的电磁轨道式移动机器人的运动控制系统及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种电磁轨道式移动机器人的运动控制系统，包括发射线圈、接收线圈、发射电路、通信装置、发射控制系统、车载控制器、幅值检测器、补偿电容组和速度传感器；所述发射线圈和接收线圈构成能量传输通道并复用为通信装置的天线构成通信系统，所述发射控制系统与车载控制器之间通过通信装置、发射线圈、接收线圈进行数据传递，所述车载控制器将从速度传感器采集回来的速度信号发送给发射控制系统，所述发射控制系统将当前速度与设置好的给定速度相比较，得到误差之后利用PID算法控制发射电路的功率，经发射电路控制驱动电机的转速；所述幅值检测器和补偿电容组构成谐振频率自适应控制系统，所述幅值检测器不断的检测当前接收线圈谐振电压的幅值并将采集的幅值转换成数字量传递给车载控制器，所述车载控制器将补偿电容组中的一个以上小容量电容接入或撤出电路。
作为本发明方法的进一步改进：所述幅值检测器包括幅值保持电路和A/D转换器。
作为本发明方法的进一步改进：所述通信装置包括信号编码器、调制电路、功率放大电路、选频放大器、解调电路和解码器，所述信号编码器用于将数据按照曼彻斯特编码规则进行编码，所述调制电路将曼彻斯特编码进行FSK调制，调制波通过功率放大电路进行放大直接输入发射线圈或接收线圈中完成信息发送；所述选频放大器将接收线圈或发射线圈接收到的信号进行选频放大后，得到FSK调制的通信信号，通过解调电路进行解调，将信号还原成曼彻斯特编码，由所述解码器将曼彻斯特编码还原为原数据输出完成信息的接收。
作为本发明方法的进一步改进：所述发射线圈为窄长型结构、两端收缩变窄。
作为本发明方法的进一步改进：所述发射线圈为窄长型结构、中部具有多个收缩扩张段。
本发明进一步提供一种基于上述运动控制系统的控制方法，其步骤为：（1）、检测发射电路（3）的功率，当发射电路（3）的功率低于设定的阈值时，执行步骤（2）；否则，返回继续检测检测发射电路（3）的功率；
（2）、选择移动机器人的行进方向：前进或后退；当为前进时，关闭当前发射线圈，开启移动机器人前方发射线圈，完成后，返回继续检测检测发射电路（3）的功率；当为后退时，关闭当前发射线圈，开启移动机器人后方发射线圈，完成后，返回继续检测检测发射电路（3）的功率。
作为本发明方法的进一步改进：包括谐振频率自适应控制流程，其步骤为：利用幅值检测器检测谐振电压的幅值大小，当幅值检测器检测到谐振电压的幅值增大，说明接收电路的固有频率大于发射电路的频率，那么车载控制器将继续将补偿电容组中的电容接入电路，以降低接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止；当电容撤出电路时，如果幅值检测器检测到谐振电压的幅值增大，说明接收电路的固有频率小于发射电路的频率，那么车载控制器将继续将补偿电容组中的电容依次撤出电路，以增大接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明结构简单，成本低，通过发射线圈和接受线圈的复用，实现了能量波与通信信号的混合传输，实际无线通信距离只有发射线圈到接收线圈十几厘米的距离，保证了通信质量。解决了现有的WIFI通信技术以及GPRS通信技术难以克服的信号死区问题，保证了通信信号的稳定。
2、本发明的速度控制在发射端进行，相比于现有的直接使用调速器来调节电机转速相比，提高了电能的利用率。
3、由于每个发射线圈的参数难以做完全一致加之难以预料的环境因素的影响本发明提出了移动机器人磁耦合谐振系统的谐振频率自适应控制，使得磁耦合谐振强度得到保证，提高了电能传输效率并且稳定了电能质量。
4、本发明采用了特殊的发射线圈设计，在使得轨道切换更加顺利的同时，能够在同一个发射线圈内实现更加精确的移动机器人的定位。相比于GPS定位而言成本低而且更加可靠。
附图说明
图1是本发明移动机器人的结构示意图。
图2是本发明在具体实施例中通信系统采用天线复用时的示意图。
图3是本发明在具体实施例中通信系统的结构示意图。
图4是本发明在具体实施例中速度控制系统的结构示意图。
图5是本发明在具体实施例中谐振频率自适应控制系统的结构示意图。
图6是本发明控制方法的流程示意图。
图7是本发明控制方法中进行谐振频率自适应控制的流程示意图。
图8是本发明在具体实施例中所采用的一种发射线圈的原理示意图。
图9是本发明在具体实施例中所采用的另一种发射线圈的原理示意图。
图10是本发明所提出的一种环形轨道的发射线圈铺设方法示意图。
图例说明：
1、发射线圈；2、接收线圈；3、发射电路；4、通信装置；41、信号编码器；42、调制电路；43、功率放大电路；44、选频放大器；45、解调电路；46、解码器；5、发射控制系统；6、车载控制器；7、幅值检测器；71、A/D转换器；72、幅值保持电路；8、补偿电容组；9、速度传感器。10、驱动电机。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1～图5所示，本发明的电磁轨道式移动机器人的运动控制系统，包括发射线圈1、接收线圈2、发射电路3、通信装置4、发射控制系统5、车载控制器6、幅值检测器7、补偿电容组8和速度传感器9；发射线圈1铺设于地面，接收线圈2安装于移动机器人上，发射线圈1和接收线圈2构成能量传输通道并复用为通信装置4的天线构成通信系统，发射控制系统5与车载控制器6之间通过通信装置4、发射线圈1、接收线圈2进行数据传递。车载控制器6将从速度传感器9采集回来的速度信号发送给通信装置4，通过发射线圈1与接收线圈2之间的通信，通信装置4将当前速度发送给发射控制系统5，发射控制系统5将当前速度与设置好的给定速度相比较，得到误差之后利用PID算法控制发射电路3的功率。
若当前速度偏小则加大发射电路3的电压以增加发射功率提高驱动电机10的转速；若当前速度偏大则减小发射电路3的电压以增加发射功率降低驱动电机10的转速，直到当前速度与给定速度的误差小于给定值为止，最终达到速度控制的目的。
幅值检测器7和补偿电容组8构成谐振频率自适应控制系统，幅值检测器7不断的检测当前接收线圈2谐振电压的幅值并将采集的幅值转换成数字量传递给车载控制器6，车载控制器6不断地试探性地将补偿电容组8中的一个小容量电容接入或撤出电路。
在具体实施例中，幅值检测器7包括幅值保持电路72和A/D转换器71，按式可知，当电容接入时C会增大，相应接收电路的固有频率f会减小，此时如果幅值检测器7检测到谐振电压的幅值增大，说明接收电路的固有频率大于发射电路3的频率，那么车载控制器6将继续将补偿电容组8中的电容接入电路，以降低接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止。反之当电容撤出电路时，如果幅值检测器7检测到谐振电压的幅值增大，说明接收电路的固有频率小于发射电路3的频率，那么车载控制器6将继续将补偿电容组8中的电容依次撤出电路，以增大接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止，这是一个往复的动态调整过程。时刻保证电路的谐振，以提高电能的传输效率。
本实施例中，通信装置4包括信号编码器41、调制电路42、功率放大电路43、选频放大器44、解调电路45和解码器46，通信装置4负责将通信数据进行编码和调制产生比功率波高得多的调制波，将调制好的通信信号通过发射线圈1和接收线圈2进行传递，并且能够通过对信号进行选频放大、将通信信号提取出来，进而进行解调解码操作从而还原原始数据以完成通信。由于每个发射线圈1的参数难以做完全一致，加之难以预料的环境因素的影响。
具体应用时，车载控制器6将数据送往通信装置4。首先，信号编码器41负责将数据按照曼彻斯特编码规则进行编码，然后调制电路42将曼彻斯特编码进行FSK调制，最后调制波通过功率放大电路43进行放大直接输入发射线圈1或接收线圈2中完成信息发送。相应的，选频放大器44将接收线圈2或发射线圈1接收到的信号进行选频放大后，得到FSK调制的通信信号，然后通过解调电路45进行解调，将信号还原成曼彻斯特编码，最后由解码器46将曼彻斯特编码还原为原数据输出，完成信息的接收。
在具体应用实例中，速度传感器9可以根据实际需要采用转速传感器、加速度计等器件，移动机器人的速度控制由发射电路3的功率直接控制。
移动机器人的定位和轨道切换方法依赖于电磁感应定律，由电磁感应定律可得：
其中E是感应电动势，n为匝数，为磁通量，t为时间，S为有效正对面积，B为磁感应强度。由此可知当其他参数不改变的情况下正对面积减小会导致感应电压的降低。
移动机器人的定位和轨道切换方法依赖于特殊的发射线圈1形状，发射线圈1的形状的变化引起发射线圈1与接收线圈2的正对面积变化，导致发射线圈1于接收线圈2的耦合强度改变，最终引起发射电路3的功率改变。根据这种改变就可以对移动机器人进行定位。
如图8所示，具体实施时，一种方法是发射线圈1为窄长型结构、两端收缩变窄。当移动机器人行驶至发射线圈1边缘时，由于移动机器人上的接收线圈2与发射线圈1的正对面积减小，耦合强度下降，功率下降，此时触发轨道的切换，保证了轨道切换时移动机器人的自动寻迹系统依然能依靠发射线圈1的变窄段工作。
如图9所示，作为一种改进设计，当需要对移动机器人进行更加精确地定位时，发射线圈1还可以设计为在中段进行多次收缩扩张设计，当移动机器人在发射线圈1上行驶时，移动机器人每经过一个收缩段发射线圈1与接收线圈2正的对面积相应减小，耦合强度减弱，发射电路3功率降低。移动机器人每经过一个扩张段，发射线圈1与接收线圈2正的对面积相应增加，耦合强度提高，发射电路3功率增加。对发射电路3功率的这种周期性变化进行采集和计数就能对移动机器人进行精确的定位。
如图10所示，给出了一种环形轨道的铺设方式，它由4个发射线圈1首尾相接铺设而成。具体实施时，轨道形状并不限于环形，发射线圈1的数量也可以按照实际需求的轨道长度而增加或减少。
如图6所示，本发明进一步提供一种基于上述运动控制系统的控制方法，其步骤为：
（1）、检测发射电路3的功率，当发射电路3的功率低于设定的阈值时，执行步骤（2）；否则，返回继续检测检测发射电路3的功率；
（2）、选择移动机器人的行进方向：前进或后退；当为前进时，关闭当前发射线圈，开启移动机器人前方发射线圈，完成后，返回继续检测检测发射电路3的功率；当为后退时，关闭当前发射线圈，开启移动机器人后方发射线圈，完成后，返回继续检测检测发射电路3的功率。
本发明的方法还包括谐振频率自适应控制流程，如图7所示，其步骤为：利用幅值检测器检测谐振电压的幅值大小，当幅值检测器检测到谐振电压的幅值增大，说明接收电路的固有频率大于发射电路的频率，那么车载控制器将继续将补偿电容组中的电容接入电路，以降低接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止；当电容撤出电路时，如果幅值检测器检测到谐振电压的幅值增大，说明接收电路的固有频率小于发射电路的频率，那么车载控制器将继续将补偿电容组中的电容依次撤出电路，以增大接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种电磁轨道式移动机器人的运动控制系统，其特征在于，包括发射线圈（1）、接收线圈（2）、发射电路（3）、通信装置（4）、发射控制系统（5）、车载控制器（6）、幅值检测器（7）、补偿电容组（8）和速度传感器（9）；所述发射线圈（1）和接收线圈（2）构成能量传输通道并复用为通信装置（4）的天线构成通信系统，所述发射控制系统（5）与车载控制器（6）之间通过通信装置（4）、发射线圈（1）、接收线圈（2）进行数据传递，所述车载控制器（6）将从速度传感器（9）采集回来的速度信号发送给通信装置（4），通过发射线圈（1）与接收线圈（2）之间的通信，通信装置（4）将当前速度发送给发射控制系统（5），所述发射控制系统（5）将当前速度与设置好的给定速度相比较，得到误差之后利用PID算法控制发射电路（3）的功率，经发射电路（3）控制驱动电机（ 10） 的转速；所述幅值检测器（7）和补偿电容组（8）构成谐振频率自适应控制系统，所述幅值检测器（7）不断的检测当前接收线圈（2）谐振电压的幅值并将采集的幅值转换成数字量传递给车载控制器（6），所述车载控制器（6）将补偿电容组（8）中的一个以上小容量电容接入或撤出电路，以降低或增大接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止。
2.根据权利要求1所述的电磁轨道式移动机器人的运动控制系统，其特征在于，所述幅值检测器（7）包括幅值保持电路（72）和A/D转换器（71）。
3.根据权利要求1所述的电磁轨道式移动机器人的运动控制系统，其特征在于，所述通信装置（4）包括信号编码器（41）、调制电路（42）、功率放大电路（43）、选频放大器（44）、解调电路（45）和解码器（46），所述信号编码器（41）用于将数据按照曼彻斯特编码规则进行编码，所述调制电路（42）将曼彻斯特编码进行FSK调制，调制波通过功率放大电路（43）进行放大直接输入发射线圈（1）或接收线圈（2）中完成信息发送；所述选频放大器（44）将接收线圈（2）或发射线圈（1）接收到的信号进行选频放大后，得到FSK调制的通信信号，通过解调电路（45）进行解调，将信号还原成曼彻斯特编码，由所述解码器（46）将曼彻斯特编码还原为原数据输出完成信息的接收。
4.根据权利要求1或2或3所述的电磁轨道式移动机器人的运动控制系统，其特征在于，所述发射线圈（1）为窄长型结构、两端收缩变窄。
5.根据权利要求1或2或3所述的电磁轨道式移动机器人的运动控制系统，其特征在于，所述发射线圈（1）为窄长型结构、中部具有多个收缩扩张段。
6.一种基于上述权利要求1～5中任意一项所述运动控制系统的控制方法，其特征在于，步骤为：
（1）、检测发射电路（3）的功率，当发射电路（3）的功率低于设定的阈值时，执行步骤（2）；否则，返回继续检测检测发射电路（3）的功率；
（2）、选择移动机器人的行进方向：前进或后退；当为前进时，关闭当前发射线圈，开启移动机器人前方发射线圈，完成后，返回继续检测检测发射电路（3）的功率；当为后退时，关闭当前发射线圈，开启移动机器人后方发射线圈，完成后，返回继续检测检测发射电路（3）的功率。
7.根据权利要求6所述的所述运动控制系统的控制方法，其特征在于，包括谐振频率自适应控制流程，其步骤为：利用幅值检测器（7）检测谐振电压的幅值大小，当幅值检测器（7）检测到谐振电压的幅值增大，说明接收电路的固有频率大于发射电路（3）的频率，那么车载控制器（6）将继续将补偿电容组（8）中的电容接入电路，以降低接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止；当电容撤出电路时，如果幅值检测器（7）检测到谐振电压的幅值增大，说明接收电路的固有频率小于发射电路（3）的频率，那么车载控制器（6）将继续将补偿电容组（8）中的电容依次撤出电路，以增大接收电路的固有频率，直到谐振电压的幅值不再增大为止。
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