CN106813658B - 一种磁场检测电路、磁钉检测装置及磁钉定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场检测电路、磁钉检测装置及磁钉定位方法，其中，磁场检测电路由惠斯通电桥、差分放大电路、低通滤波电路和整流检波电路组成，所述惠斯通电桥由四个金属薄膜磁电阻搭建而成；磁钉检测装置由s个封装了相同的所述磁场检测电路的磁检测模块组成。本发明的磁场检测电路、磁钉检测装置可以借助于金属薄膜磁电阻的各向异性磁阻效应，通过惠斯通电桥输出随外部磁场变化的差分电压信号，再对电压信号进行放大、低通滤波和整流检波，提高了信号采集的精度，滤除了高频噪声，使输出信号更加平滑，而磁钉定位方法实现了磁钉相对于磁钉检测装置中心横向偏移的精确检测，进而有助于提高磁钉导航的精度。

Description

一种磁场检测电路、磁钉检测装置及磁钉定位方法

技术领域

本发明属于移动机器人的导航技术领域，尤其涉及磁钉导航中的磁场检测电路、磁钉检测装置及磁钉定位方法。

背景技术

磁导航技术已经被广泛应用于移动机器人的自主导航中。目前常用的磁诱导控制方式主要有磁力线导航、磁带导航以及磁钉导航。磁力线导航是在移动机器人的行驶路径上埋设金属线，并在金属线上加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现机器人的导航。该导航方式具有导引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠等优点，但不足是需要对整个路面进行破坏，导引线铺设相对困难，改变或扩充路径较麻烦。磁带导航是指在机器人的行驶路径上粘贴磁带来替代在地面下埋设金属线，从而通过磁带感应信号实现导引，其优点是导引原理简单而可靠，相比起磁力线导航来说，其不需要破坏路表面，且改变或扩充路径方便，而其缺点是磁带会高于路表面2～3mm，对机器人的行驶会有一定的影响，且磁带若长时间受高频率碾压容易损坏，故需要经常更换。磁钉导航是指在机器人的行驶路径上等间距地埋设磁钉，然后通过磁传感器来感知磁钉周围的磁场强度，得出机器人的横向或者纵向偏移量，进而实现机器人的自主导航，具有电磁导引原理简单、可靠等优点，且不存在磁带导航中凸于地表的阻挡，是一种具有广阔应用前景的磁导航方式。

在磁钉导航中，磁钉检测装置显然是整个系统中最为关键的部分，而磁钉检测装置中磁场检测电路的稳定性和精确性则直接决定了磁钉导航的性能。目前，国内外专门针对磁钉导航的磁场检测电路还很少，更多是基于磁带导航中所用的霍尔元件检测传感器来进行，如HMC1033、XGS-16N等传感器，这类传感器不仅价格较高，通常达到数百乃至上千元不等，而且在磁钉导航中的精确性和稳定性不够高，因为磁带的磁场具有连续性和均匀的特征，而磁钉磁场是离散的且不均匀分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁钉导航中的磁钉检测装置及磁钉定位方法，能够针对磁钉导航中磁钉磁场的离散性和不均匀特征，提高移动机器人磁钉导航时的稳定性和准确性。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种磁场检测电路，设置在磁钉导航系统中并用于检测所述磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，由惠斯通电桥(1)、差分放大电路(2)、低通滤波电路(3)和整流检波电路(4)依次连接而成，其中，所述惠斯通电桥(1)由第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)组成，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)是完全相同的窄长型金属薄膜磁电阻条，第一电阻(R1)与第三电阻(R3)的磁化方向与通过其电流方向呈相反方向放置，第二电阻(R2)与第四电阻(R4)的磁化方向与通过其电流方向呈相同方向放置；第一电阻(R1)和第四电阻(R4)串联，第二电阻(R2)和第三电阻(R3)串联，串联的第一电阻(R1)和第四电阻(R4)再与串联的第二电阻(R2)和第三电阻(R3)并联，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)连接处接VCC直流稳压电源，第三电阻(R3)和第四电阻(R4)连接处接地，第二电阻(R2)和第三电阻(R3)连接处为惠斯通电桥(1)的第一输出端(V1)，第一电阻(R1)和第四电阻(R4)连接处为惠斯通电桥(1)的第二输出端(V2)，所述第一输出端(V1)和第二输出端(V2)分别连接到差分放大电路(2)的两个输入端，所述差分放大电路(2)的输出端连接所述低通滤波电路(3)的输入端，所述低通滤波电路(3)的输出端连接所述整流检波电路(4)的输入端，所述整流检波电路(4)的输出端为所述磁场检测电路的输出端。

进一步的，所述窄长型金属薄膜磁电阻条的阻值为850Ω～1150Ω。

进一步的，所述差分放大电路(2)包括第一运算放大器(U1)、第二运算放大器(U2)、第三运算放大器(U3)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)，电位器(Rg)；第一运算放大器(U1)的同相输入端Vin+与惠斯通电桥(1)的第一输出端(V1)相连，第一运算放大器(U1)的反相输入端Vin-与第七电阻(R7)一端相连，第七电阻(R7)另一端与第一运算放大器(U1)输出端相连；第二运算放大器(U2)的反相输入端Vin-与惠斯通电桥(1)的第二输出端(V2)相连，第二运算放大器(U2)的同相输入端Vin+与第八电阻(R8)一端相连，第八电阻(R8)另一端与第二运算放大器(U2)输出端相连，电位器(Rg)的一端与第一运算放大器(U1)的反相输入端Vin-相连，电位器(Rg)的另一端与第二运算放大器(U2)的同相输入端Vin+相连，第五电阻(R5)的一端与第一运算放大器(U1)的输出端相连，第五电阻(R5)的另一端与第三运算放大器(U3)的同相输入端Vin+相连，第六电阻(R6)的一端与第三运算放大器(U3)的同相输入端Vin+相连，第六电阻(R6)的一端与第三运算放大器(U3)的输出端相连，第九电阻(R9)的一端与第二运算放大器(U2)的输出端相连，第九电阻(R9)的另一端与第三运算放大器(U3)的反相输入端Vin-相连，第十电阻(R10)的一端与第三运算放大器(U3)的反相输入端Vin-相连，第十电阻(R10)的另一端接地；且所述惠斯通电桥(1)的第一输出端(V1)连接到所述第一运算放大器(U1)的正相输入端Vin+，所述惠斯通电桥(1)的第二输出端(V2)连接到所述第二运算放大器(U2)的反相输入端Vin-。

进一步的，所述低通滤波电路(3)包括第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第一电解电容(C1)、第二电解电容(C2)、第四运算放大器(U4)；第十一电阻(R11)的一端与所述差分放大电路(2)的输出端相连，第十一电阻(R11)的另一端与第十二电阻(R12)的一端相连，第十二电阻(R12)的另一端与第十三电阻(R13)的一端相连，第十三电阻(R13)的另一端与第四运算放大器(U4)的同相输入端Vin+相连，第一电解电容(C1)的正极连接在第十二电阻(R12)和第十三电阻(R13)的连接处，第一电解电容(C1)的负极接地，第二电解电容(C2)的负极连接在第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)的连接处，第二电解电容(C2)的正极与第四运算放大器(U4)的反相输入端Vin-相连，第四运算放大器(U4)的反相输入端Vin-再与其输出端相连。

进一步的，所述整流检波电路(4)包括整流二极管(D1)、第十四电阻(R14)和第三电容(C3)；整流二极管(D1)的正极与所述低通滤波电路(3)的输出端相连，整流二极管(D1)的负极与第三电容(C3)的一端相连，第三电容(C3)的另一端接地，第三电容(C3)与第十四电阻(R14)并联，第十四电阻(R14)的一端与整流二极管(D1)的负极相连，第十四电阻(R14)的另一端接地。

包括上述的磁场检测电路的磁钉检测装置，设置在磁钉导航系统中并用于检测所述磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，所述磁钉检测装置还包括微处理器，所述微处理器分别连接多个磁检测模块，所述多个磁检测模块依次排列开来，且每个所述磁检测模块中均封装有相同的所述磁场检测电路。

进一步的，所述磁钉检测装置中共封装了从左至右依次排列的s个所述磁检测模块，从最左边的第一个磁检测模块(M1)开始，以等间距b向右均匀水平布置r个磁检测模块；从最右边的第s个磁检测模块(Ms)开始，以等间距b向左均匀水平布置r个磁检测模块；在第r个磁检测模块(Mr)和第s-r+1个磁检测模块(Ms-r+1)中间以等间距a均匀水平布置s-2r个磁检测模块，且等间距b大于等间距a；中间以等间距a均匀水平布置的磁检测模块数s-2r多于单边以等间距b均匀水平布置的磁检测模块数r。

进一步的，所述s为16，等间距a为2cm，所述等间距b为5cm，所述r为4。

一种上述的磁钉检测装置的磁钉定位方法，包括以下步骤：

(1)s个磁检测模块检测磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，并相应地输出s路电压信号；

(2)所述微处理器在t时刻依次对所述s路电压信号进行数据采集，并将所述s路电压信号的采集值依次记为B₁(t)，B₂(t)，…，B_s(t)，且设定t时刻s路电压信号对应的各路计数器的计数值为n_k(t)(k∈[1,s])，以及从零到t时刻的最大计数值为N_max；

(3)所述微处理器依次将所述采集值B_k(t)(k∈[1,s])与对应的各路电压信号的当前有效信号值

进行比较，当≤误差ε时，则将对应路的计数器复位，即n_k(t)＝0，并将对应路的当前有效信号值

替换成采集值B_k(t)；当

>误差ε时，更新对应路的计数器，即计数值n_k(t)更新为n_k(t)+1；

(4)所述微处理器依次判断各路计数器的计数值n_k(t)(k∈[1,s])是否达到N_max，若是，则将对应路的当前有效值

替换成采集值

并将该路的计数器复位，即n_k(t)＝0，同时转步骤(5)；若否，则直接转步骤(5)；

(5)所述微处理器找出t时刻s路电压信号中对应最大磁场信号的最大有效信号值B_max(t)，即

(6)所述微处理器计算t时刻s路电压信号中各路当前有效信号值

与最大有效信号值B_max(t)的比值

(7)所述微处理器计算t时刻s个磁检测模块相对于磁钉的各横向偏移

式中，d_k(t)为t时刻第k个磁检测模块与最大输出电压信号的磁检测模块之间的距离；

(8)所述微处理器确定t时刻磁钉检测装置中心与磁钉的横向偏移

从而实现t时刻的磁钉定位，式中，w_k为各个磁检测模块与磁钉偏移的置信水平，且

进一步的，若所述微处理器是第一次采集s路电压信号，则各路有效信号取第一次采集值，即

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的磁场检测电路，(1)利用金属薄膜电阻代替霍尔元件及其他磁检测元件，可以实时准确检测出磁钉导航系统中的磁钉的磁场信号，电路结构简单，制作成本低；(2)电桥两端的输出信号通过差分方式，可将电路中的零漂相互抵消，大大减少零漂影响；(3)仅需通过改变差分放大电路即可灵活地调整信号的放大倍数；(4)可通过低通滤波电路有效过滤掉高频噪声，提高输出信号的精确性；(5)通过整流检波电路的整流检波作用，使得磁场检测电路输出端的信号具有较好的平滑特性。

2、本发明的磁钉检测装置，可以结合磁导航时对磁钉位置的检测需要，来集成和布置多个具有本发明的磁场检测电路的磁检测模块，用于磁钉磁场信号的检测和磁钉定位，从而能够解决磁钉导航中磁钉磁场的离散性和不均匀特征带来的检测和定位问题。

3、本发明的基于所设计的磁钉检测装置的磁钉定位方法，可以更加精确地获得导航时磁钉相对于磁钉检测装置中心的横向偏移。

附图说明

图1为本发明的磁场检测电路图；

图2为本发明具体实施例的磁场检测电路图；

图3为本发明具体实施例的磁钉检测装置图；

图4为本发明具体实施例的磁钉定位方法流程图。

具体实施方式

为了提高移动机器人磁钉导航时的稳定性和准确性，针对磁钉导航中磁钉磁场的离散性和不均匀特征，本发明提出一种磁场检测电路、磁钉检测装置及磁钉定位方法，其基本工作原理是：借助于金属薄膜磁电阻的各向异性磁阻效应，即在电桥上施加一个偏置磁场，使两个相对放置的、磁化方向与电流方向相同的薄膜磁电阻的阻值增加，使另外两个相对放置的、磁化方向与电流方向相反的薄膜磁电阻的阻值减小，从而使电桥输出一个随外部磁场变化的差分电压信号；然后借助于差分放大电路对信号进行放大，使电桥的输出信号从mV级放大到V级，以提高A/D转换的精度，也有效抑制了零漂的影响；接着对放大的信号进行低通滤波，滤除掉信号中的高频成分；继而对滤波后的信号进行整流检波，使输出信号具有更好的平滑性；最后采用磁钉定位方法准确获得磁钉相对于磁钉检测装置中心的横向偏移。

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的磁钉检测装置的特定限定。

本发明中的术语“第一”、“第二”、“第三”等用于在类似要素之间进行区别，并且不一定是描述特定的次序或者按时间的顺序。要理解，这样使用的这些术语在适当的环境下是可互换的，使得在此描述的主题的实施例如是能够以与那些说明的次序不同的次序或者以在此描述的另外的次序来进行操作。术语“连接”应被宽泛地理解并且指的是电连接、机械连接、或者以另外地连接两个或更多个元件或者信号，直接地或者通过中间电路和/或元件间接地连接。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明提供的一种用于磁钉导航中的磁场检测电路，设置在磁钉导航系统中并用于检测所述磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，由惠斯通电桥1、差分放大电路2、低通滤波电路3和整流检波电路4依次连接而成。其中，所述惠斯通电桥1由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成，R1至R4这四个电阻是完全相同的窄长型金属薄膜磁电阻条，第一电阻R1和第四电阻R4串联，第二电阻R2和第三电阻R3串联，串联的第一电阻R1和第四电阻R4再与串联的第二电阻R2和第三电阻R3并联，第一电阻R1和第二电阻R2连接处接VCC直流稳压电源VCC，第三电阻R3和第四电阻R4连接处接地GND，第二电阻R2和第三电阻R3连接处为惠斯通电桥1的第一输出端V1，且连接到差分放大电路2的第一个输入端(如图2中的第一运算放大器U1的正相输入端Vin+)，第一电阻R1和第四电阻R4连接处为惠斯通电桥1的第二输出端V2，且连接到差分放大电路2的第二个输入端(如图2中的第二运算放大器U2的反相输入端Vin-)，第一电阻R1与第三电阻R3的磁化方向与通过其电流方向呈相反方向放置，第二电阻R2与第四电阻R4的磁化方向与通过其电流方向呈相同方向放置。

其中，利用金属薄膜电阻代替霍尔元件与其他磁检测元件，可以实时准确检测出磁场信号，电路结构简单，制作成本低。考虑到金属薄膜磁电阻与后续电路中元件的匹配及功耗，优选地，所述窄长型金属薄膜磁电阻条的阻值设计为850Ω～1150Ω，即R1、R2、R3、R4的阻值范围为850Ω～1150Ω。

本实施例中，假设在惠斯通电桥1外部施加一个与第一电阻R1磁化方向相同的磁场，且引起惠斯通电桥1的各个电阻阻值的变化量为ΔR，则此时R1＝R3＝R-ΔR，R2＝R4＝R+ΔR，，R为未施加磁场时的R1、R2、R3、R4的阻值，进而惠斯通电桥1的第一输出端V1与第二输出端V2之间的电压信号

由于惠斯通电桥1的输出信号较小，需要对其进行信号放大，本发明采用了三个性能相同的运算放大器来组成差分放大电路2；所述差分放大电路2包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10，电位器Rg；第一运算放大器U1的同相输入端Vin+与惠斯通电桥1的第一输出端V1相连，第一运算放大器U1的反相输入端Vin-与第七电阻R7一端相连，第七电阻R7另一端与第一运算放大器U1的输出端相连，第二运算放大器U2的反相输入端Vin-与惠斯通电桥1的第二输出端V2相连，第二运算放大器U2的同相输入端Vin+与第八电阻R8一端相连，第八电阻R8另一端与第二运算放大器U2的输出端相连，电位器Rg的一端与第一运算放大器U1的反相输入端Vin-相连，电位器Rg的另一端与第二运算放大器U2的同相输入端Vin+相连，第五电阻R5的一端与第一运算放大器U1的输出端相连，第五电阻R5的另一端与第三运算放大器U3的同相输入端Vin+相连，第六电阻R6的一端与第三运算放大器U3的同相输入端Vin+相连，第六电阻R6的一端与第三运算放大器U3的输出端相连，第九电阻R9的一端与第二运算放大器U2的输出端相连，第九电阻R9的另一端与第三运算放大器U3的反相输入端Vin-相连，第十电阻R10的一端与第三运算放大器U3的反相输入端Vin-相连，第十电阻R10的另一端接地GND。

本实施例中将所述惠斯通电桥1的第一输出端V1和第二输出端V2分别接入第一运算放大器U1的同相输入端Vin+和第二运算放大器U2的反相输入端Vin-，消除了差分放大电路2中各个运算放大器在静态工作点易受温度变化的影响，可将电路中的零漂相互抵消，大大减少零漂影响，简化了温度补偿电路，提高了输入阻抗，进而提高了共模抑制比。

优选地，所述差分放大电路2中第七电阻R7与第八电阻R8的阻值均为25KΩ，第五电阻R5、第六电阻R6、第九电阻R9、第十电阻R10均为40KΩ，通过调节电位器Rg的值，可灵活地改变差分放大电路2的放大倍数

进而改变差分放大电路2的输出电压为v_out＝G·(V1-V2)。

所述低通滤波电路3包括第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第一电解电容C1、第二电解电容C2、第四运算放大器U4；第十一电阻R11的一端与第三运算放大器U3的输出端相连，第十一电阻R11的另一端与第十二电阻R12的一端相连，第十二电阻R12的另一端与第十三电阻R13的一端相连，第十三电阻R13的另一端与第四运算放大器U4的同相输入端Vin+相连，第一电解电容C1的正极连接在第十二电阻R12和第十三电阻R13的连接处，第一电解电容C1的负极接地GND；第二电解电容C2的负极连接在第十一电阻R11和第十二电阻R12的连接处，第二电解电容C2的正极与第四运算放大器U4的反相输入端Vin-相连，第四运算放大器U4的反相输入端Vin-再与其输出端相连。

本实施例中所述低通滤波电路3的截止频率与第十一电阻R11、第十二电阻R12、第一电解电容C1、第二电解电容C2的取值有关，其截止频率的计算公式为

优选地，所述第十一电阻R11和第十二电阻R12的阻值均为24kΩ，第一电解电容C1、第二电解电容C2均为940uF，则低通滤波电路的截止频率f＝10KHz，具有通过速率快的特点，且不会降低低通滤波电路的直流特性。本实施例中，所述低通滤波电路3是根据磁信号检测时所要求的宽频带和高转换速率而设计，低通滤波电路3在保证直流特性的同时还能较好地滤除输出信号中的高频成分，从而可有效过滤掉高频噪声，提高输出信号的精确性。

所述整流检波电路4包括整流二极管D1、第十四电阻R14和第三电容C3；整流二极管D1的正极与第四运算放大器U4的输出端相连，整流二极管D1的负极与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端接地GND，从而去除整流二极管D1负极处的信号毛刺，第三电容C3与第十四电阻R14并联，第十四电阻R14的一端与整流二极管D1的负极相连，第十四电阻R14的另一端接地GND。且第十四电阻R14、第三电容C3与整流二极管D1相连接的一端，作为磁场检测电路的正向电压输出端Vout+，第十四电阻R14、第三电容C3、第一电容C1以及第十电阻R10接地GND的一端均相连，作为磁场检测电路的负向电压输出端Vout-。本实施例中所述整流检波电路4的设计方式可以使电路输出的电压信号更具平滑性。

本发明的磁场检测电路，借助于惠斯通电桥中的金属薄膜磁电阻的各向异性磁阻效应，输出随外部磁场变化的差分电压信号，再对电压信号进行放大、低通滤波和整流检波，提高了信号采集的精度，滤除了高频噪声，使输出信号更加平滑。

如图2所示，本发明提供的一种包括上述的磁场检测电路的磁钉导航中的磁钉检测装置，设置在磁钉导航系统中并用于检测所述磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，该磁钉检测装置主要由微处理器以及s个封装了相同磁场检测电路的磁检测模块M1至Ms组成，所述磁检测模块M1至Ms中封装的磁场检测电路均为本发明的磁场检测电路，所述磁检测模块M1至Ms的电压输出端均连接至微处理器。该磁钉检测装置中，s个磁检测模块M1至Ms从左至右依次排列，且从磁钉检测装置最左边的第一个磁检测模块M1开始，以等间距b向右均匀水平布置r个磁检测模块，即左侧依次排列的磁检测模块M1至Mr中相邻两个磁检测模块的间距均为等间距b；从磁钉检测装置最右边的第s个磁检测模块Ms开始，以等间距b向左均匀水平布置r个磁检测模块，即右侧依次排列的磁检测模块Ms-r+1至Ms中相邻两个磁检测模块的间距均为等间距b；在第r个磁检测模块Mr和第s-r+1个磁检测模块Ms-r+1中间以等间距a均匀水平布置s-2r个磁检测模块，即中间依次排列的第r个磁检测模块Mr至第s-r+1个磁检测模块Ms-r+1中相邻两个磁检测模块的间距均为等间距a；等间距a要求小于等间距b；中间等间距a的磁检测模块数s-2r要求多余单边等间距b的磁检测模块数r，即左侧排列的磁检测模块数r和右侧排列的磁检测模块数r均少于中间排列的磁检测模块数s-2r，使得磁钉检测装置中布置的磁检测模块两侧稀疏，中间密集。本实施例的磁钉检测装置中的各磁检测模块的布置一方面有助于磁钉横向偏移的精确测量；另一方面结合各磁场检测模块的固定位置数据有助于消除个别磁场检测模块的异常测量数据。

优选地，所述磁钉检测装置中磁检测模块数s取16个，从磁钉检测装置最左边的第一个磁检测模块M1开始，以等间距b＝5cm向右水平均匀布置4个磁检测模块；从磁钉检测装置最右边的第16个磁检测模块M16开始，以等间距b＝5cm向左水平均匀布置4个磁检测模块；在第4个磁检测模块M4和第13个磁检测模块M13中间以等间距a＝2cm均匀水平布置8个磁检测模块。

本发明的磁钉检测装置由于使用了封装有本发明的磁场检测电路的磁检测模块，所以检测并输出随外部磁场变化的电压信号。

基于所述磁钉检测装置上的s个磁检测模块，微处理器可以采集s路电压信号，并进行磁钉定位。如图3所示，本发明提供一种上述的磁钉检测装置的磁钉定位方法，包括以下步骤：

(1)s个磁检测模块检测磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，并相应地输出s路电压信号；

(2)所述微处理器设定t时刻s路电压信号对应的各路计数器的计数值为n_k(t)(k∈[1,s])，以及从零到t时刻(即t←0)的最大计数值为N_max，且在t时刻依次对所述s路电压信号进行数据采集，并将所述s路电压信号的采集值依次记为B₁(t)，B₂(t)，…，B_s(t)；

(3)所述微处理器依次将s路电压信号的各个采集值B_k(t)(k∈[1,s])与对应各路电压信号的当前有效信号值

进行比较。当

≤误差ε时，将对应路的计数器复位(n_k(t)＝0)，并将该路当前有效信号值替换成采集值，即

当

>误差ε时，更新该路计数器：n_k(t)←n_k(t)+1；

若微处理器是第一次采集s路电压信号，则各路电压信号的有效信号值

取第一次采集值，即

优选地，误差ε取5％。

(4)微处理器依次判断各路计数器n_k(t)(k∈[1,s])是否达到N_max？若是，则将该路电压信号的当前有效值替换成采集值，即

并将该路的计数器复位(n_k(t)＝0)，同时转步骤(5)；若否，则直接转步骤(5)；

(5)微处理器找出t时刻s路电压信号中对应最大磁场信号的最大有效信号值B_max(t)，即

(6)微处理器计算t时刻s路电压信号中各路当前有效信号值

与最大有效信号值B_max(t)的比值

(7)微处理器计算t时刻s个磁检测模块相对于磁钉的各横向偏移

式中，d_k(t)为t时刻第k个磁检测模块与最大输出电压信号的磁检测模块之间的距离；

(8)微处理器确定t时刻磁钉检测装置中心与磁钉的横向偏移

即实现t时刻的磁钉定位，式中，w_k为各个磁检测模块与磁钉偏移的置信水平，距离最大输出电压信号的磁检测模块越近，其置信水平越高，且

(9)t←t+1，转步骤(2)，即当变为t+1时刻时，转到步骤(2)，进而实现t+1时刻的的磁钉定位。

由此可见，当一机器人上装有本发明的磁钉检测装置后，并在其行驶路径上等间距地埋设磁钉后，本发明的磁钉检测装置可以感知磁钉周围的磁场强度，精确地获得各磁钉相对于磁钉检测装置中心的横向偏移量，进而实现机器人的自主导航。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种磁场检测电路，设置在磁钉导航系统中并用于检测所述磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，其特征在于，由惠斯通电桥(1)、差分放大电路(2)、低通滤波电路(3)和整流检波电路(4)依次连接而成，其中，所述惠斯通电桥(1)由第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)组成，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)是完全相同的窄长型金属薄膜磁电阻条，第一电阻(R1)与第三电阻(R3)的磁化方向与通过其电流方向呈相反方向放置，第二电阻(R2)与第四电阻(R4)的磁化方向与通过其电流方向呈相同方向放置；第一电阻(R1)和第四电阻(R4)串联，第二电阻(R2)和第三电阻(R3)串联，串联的第一电阻(R1)和第四电阻(R4)再与串联的第二电阻(R2)和第三电阻(R3)并联，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)连接处接VCC直流稳压电源，第三电阻(R3)和第四电阻(R4)连接处接地，第二电阻(R2)和第三电阻(R3)连接处为惠斯通电桥(1)的第一输出端(V1)，第一电阻(R1)和第四电阻(R4)连接处为惠斯通电桥(1)的第二输出端(V2)，所述第一输出端(V1)和第二输出端(V2)分别连接到差分放大电路(2)的两个输入端，所述差分放大电路(2)的输出端连接所述低通滤波电路(3)的输入端，所述低通滤波电路(3)的输出端连接所述整流检波电路(4)的输入端，所述整流检波电路(4)的输出端为所述磁场检测电路的输出端；

所述差分放大电路(2)包括第一运算放大器(U1)、第二运算放大器(U2)、第三运算放大器(U3)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)，电位器(Rg)；第一运算放大器(U1)的同相输入端Vin+与惠斯通电桥(1)的第一输出端(V1)相连，第一运算放大器(U1)的反相输入端Vin-与第七电阻(R7)一端相连，第七电阻(R7)另一端与第一运算放大器(U1)输出端相连；第二运算放大器(U2)的反相输入端Vin-与惠斯通电桥(1)的第二输出端(V2)相连，第二运算放大器(U2)的同相输入端Vin+与第八电阻(R8)一端相连，第八电阻(R8)另一端与第二运算放大器(U2)输出端相连，电位器(Rg)的一端与第一运算放大器(U1)的反相输入端Vin-相连，电位器(Rg)的另一端与第二运算放大器(U2)的同相输入端Vin+相连，第五电阻(R5)的一端与第一运算放大器(U1)的输出端相连，第五电阻(R5)的另一端与第三运算放大器(U3)的同相输入端Vin+相连，第六电阻(R6)的一端与第三运算放大器(U3)的同相输入端Vin+相连，第六电阻(R6)的一端与第三运算放大器(U3)的输出端相连，第九电阻(R9)的一端与第二运算放大器(U2)的输出端相连，第九电阻(R9)的另一端与第三运算放大器(U3)的反相输入端Vin-相连，第十电阻(R10)的一端与第三运算放大器(U3)的反相输入端Vin-相连，第十电阻(R10)的另一端接地；且所述惠斯通电桥(1)的第一输出端(V1)连接到所述第一运算放大器(U1)的正相输入端Vin+，所述惠斯通电桥(1)的第二输出端(V2)连接到所述第二运算放大器(U2)的反相输入端Vin-；

所述低通滤波电路(3)包括第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第一电解电容(C1)、第二电解电容(C2)、第四运算放大器(U4)；第十一电阻(R11)的一端与所述差分放大电路(2)的输出端相连，第十一电阻(R11)的另一端与第十二电阻(R12)的一端相连，第十二电阻(R12)的另一端与第十三电阻(R13)的一端相连，第十三电阻(R13)的另一端与第四运算放大器(U4)的同相输入端Vin+相连，第一电解电容(C1)的正极连接在第十二电阻(R12)和第十三电阻(R13)的连接处，第一电解电容(C1)的负极接地，第二电解电容(C2)的负极连接在第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)的连接处，第二电解电容(C2)的正极与第四运算放大器(U4)的反相输入端Vin-相连，第四运算放大器(U4)的反相输入端Vin-再与其输出端相连；

所述整流检波电路(4)包括整流二极管(D1)、第十四电阻(R14)和第三电容(C3)；整流二极管(D1)的正极与所述低通滤波电路(3)的输出端相连，整流二极管(D1)的负极与第三电容(C3)的一端相连，第三电容(C3)的另一端接地，第三电容(C3)与第十四电阻(R14)并联，第十四电阻(R14)的一端与整流二极管(D1)的负极相连，第十四电阻(R14)的另一端接地。

2.如权利要求1所述的磁场检测电路，其特征在于，所述窄长型金属薄膜磁电阻条的阻值为850Ω～1150Ω。

3.一种包括权利要求1所述的磁场检测电路的磁钉检测装置，设置在磁钉导航系统中并用于检测所述磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，其特征在于，还包括微处理器，所述微处理器分别连接多个磁检测模块，所述多个磁检测模块依次排列开来，且每个所述磁检测模块中均封装有相同的所述磁场检测电路。

4.如权利要求3所述的磁钉检测装置，其特征在于，所述磁钉检测装置中共封装了从左至右依次排列的s个所述磁检测模块，从最左边的第一个磁检测模块M1开始，以等间距b向右均匀水平布置r个磁检测模块；从最右边的第s个磁检测模块Ms开始，以等间距b向左均匀水平布置r个磁检测模块；在第r个磁检测模块Mr和第s-r+1个磁检测模块Ms-r+1中间以等间距a均匀水平布置s-2r个磁检测模块，且等间距b大于等间距a；中间以等间距a均匀水平布置的磁检测模块数s-2r多于单边以等间距b均匀水平布置的磁检测模块数r。

5.如权利要求4所述的磁钉检测装置，其特征在于，所述s为16，等间距a为2cm，所述等间距b为5cm，所述r为4。

6.一种如权利要求3-4任一项所述磁钉检测装置的磁钉定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)s个磁检测模块检测磁钉导航系统的磁钉周围的磁场强度，并相应地输出s路电压信号；

(2)所述微处理器在t时刻依次对所述s路电压信号进行数据采集，并将所述s路电压信号的采集值依次记为B₁(t)，B₂(t)，…，B_s(t)，且设定t时刻s路电压信号对应的各路计数器的计数值为n_k(t)，k∈[1,s]，以及从零到t时刻的最大计数值为N_max；

(3)所述微处理器依次将所述采集值B_k(t)，k∈[1,s]与对应的各路电压信号的当前有效信号值k∈[1,s]进行比较，当

时，将对应路的计数器复位，即n_k(t)＝0，并将对应路的当前有效信号值

替换成采集值B_k(t)；当

时，更新对应路的计数器，即计数值n_k(t)更新为n_k(t)+1；

(4)所述微处理器依次判断各路计数器的计数值n_k(t)，k∈[1,s]是否达到N_max，若是，则将对应路的当前有效值

替换成采集值B_k(t)，并将该路的计数器复位，即n_k(t)＝0，同时转步骤(5)；若否，则直接转步骤(5)；

(5)所述微处理器找出t时刻s路电压信号中对应最大磁场信号的最大有效信号值B_max(t)，即

(6)所述微处理器计算t时刻s路电压信号中各路当前有效信号值

与最大有效信号值B_max(t)的比值

k∈[1,s]；

(7)所述微处理器计算t时刻s个磁检测模块相对于磁钉的各横向偏移

k∈[1,s]，式中，d_k(t)为t时刻第k个磁检测模块与最大输出电压信号的磁检测模块之间的距离；

(8)所述微处理器确定t时刻磁钉检测装置中心与磁钉的横向偏移

从而实现t时刻的磁钉定位，式中，w_k为各个磁检测模块与磁钉偏移的置信水平，且

7.如权利要求6所述的磁钉定位方法，其特征在于，若所述微处理器是第一次采集s路电压信号，则各路有效信号

k∈[1,s]取第一次采集值，即

k∈[1,s]。

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