CN107270887A - 一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无线和磁场感应技术相结合的高精度定位技术以及与之相应的传感器装置。具体的技术包括：(1)采用矩阵分布的模拟量霍尔电压检测方式；(2)采用无线射频技术识别路标信息，将定位和识别合二为一；(3)室内、室外通用定位传感器，不受雨、雪、雷、电等环境因素干扰；(4)支持多接口通讯和多模块组合。本发明相比目前传统的磁感应定位技术，具有定位精度高，稳定性好，可扩展性好，成本低，连线简洁、抗干扰能力强等优势，适用于多种环境下高精度的移动机器人磁条导航。

Description

一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器及方法

技术领域

本发明涉及一种本发明涉及一种导航方法和装置，具体涉及一种基于无线和磁场感应技术相结合的高精度定位传感器及方法。

背景技术

在移动机器人相关技术研究中，导航技术属于其核心技术，也是实现智能化和自主移动的关键技术。目前国内外应用比较普遍的移动机器人导航技术是磁导航技术，机器人通过实时感应铺设的磁条来实现导航运动。目前的磁导航采用开关量的霍尔传感器，定位精度为1cm，精度较低，容易造成运动出轨；路标的定位模块和实时导航模块处于不同的部位，接口多，成本高，且磁感应模块的排线数目较多，不利于物理扩展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出基于无线和磁场感应技术相结合的高精度定位传感器及方法，其定位精度高，可达1mm，连线简洁，成本低，稳定性好，可扩展性好，抗干扰能力强，适用于多种环境下、多种型号的移动机器人磁条导航和依赖磁钉的惯性导航。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器，包括：

霍尔感应模块，由矩阵分布固定间隔的模拟量霍尔传感器组成，实时感应磁场强度，转化为电压信号，发送给MUI；

导航与定位模块，根据一系列的霍尔传感器的采集数据，线性拟合磁强度曲线，准确定位磁性材质的位置和运动机器人的变化趋势，实现高精度导航定位；

通讯模块，实现本发明传感器与其他设备的通信，其接口包括CAN口、USB、串口和网口；

数据计算和处理模块，实现对霍尔传感器采集数据以及射频信号的滤波、拟合、数据转换、定位和解析功能。

进一步的，所述传感器安装有天线，通过发出射频信号来获取RFID卡中的路标信息，进而实现导航与定位。

本发明还公开一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位方法，包括如下步骤：

S1 实时检测磁场强度并获取每一行霍尔传感器的检测数据，在磁导航过程中实时确定铺设磁带的位置以实现运动导航；每一行固定距离均匀分布的霍尔感传感器组成了一个坐标尺，每个霍尔传感器将磁场强度转化为电压经过信号放大后，组成一系列有着均匀位置间隔的电压数据，传输给单片机；

S2 数据分析，将一系列霍尔传感器检测数据通过线性拟合方式，拟合成一条连续光滑的曲线，根据事先设定的标准阈值，提取出导航磁带左右边缘位置，峰值点即为磁带导航的中心位置，据此分析机器人的位移偏差，及时进行运动控制校正；

S3 判断运行角度，当机器人通过埋在地下带有磁性的磁铁后获得每一行获得的磁铁的中心位置进行线性拟合，获取机器人的运动方向角，传递给机器人控制系统，然后做出相应的调整。

进一步的，所述霍尔传感器能够通过串联组合的方式改变数目和整体的度量宽度。

进一步的，所述步骤1中，霍尔传感器进行检测时，具体包括如下步骤：

S101 采用矩阵式距离布设的霍尔传感器组成3D坐标系，实时采集磁力信号；

S102 每个霍尔传感器根据磁力线强度输出模拟量的电压型号；

S103 多个霍尔传感器的输出在3D坐标系中采用线性或非线性拟合方式，拟合成连续、光滑的磁场强度分布曲线；

进一步的，所述步骤S1中，采用无线射频技术识别路标信息，将定位和识别合二为一，传感器中安装天线，采用无线射频技术，并且工作频率为128KHZ，通过发出射频信号来获取RFID卡中的路标信息。

进一步的，所述步骤S2中，通过在磁场强度分布曲线根据设定阈值提取出磁带的边缘和中心位置，进而得知定位偏差；通过矩阵磁场强度的走势进而得知运动物体的运动方向和偏向角。

本发明公开的一种基于无线和磁场感应技术相结合的高精度定位传感器及方法，具有以下有益效果：

1.本发明的定位精度可达到1mm，相比于传统的磁导航方式定位精度提高了10倍，此外采用线性拟合的数据拟合方式一方面可以准确定位磁带的中心和边缘位置，另一方面对数据的整体线性拟合处理可以有效减弱外界各种干扰的影响，起到数据滤波的作用，提高了定位的准确率。

2.发明将路标定位模块和实时导航模块合二为一，在磁带位置数据解算导航的同时，可简单判断路标是否存在，这样一方面减少了布线以及控制的复杂性，另一方面也直接减少了成本。

3.本发明在高度定位的同时，可以判断出机器人在运动方向上的运动趋势，从而得到运动角度。

4.本发明支持多接口通讯和多模块串联组合，支持CAN、USB、串口以及网口通讯，简单方便。对于不同型号的移动机器人导航，可以采取多模块串联扩展的方式，仅仅相当于改变了坐标尺的宽度，并不需要二次修改控制算法，相比对传统的磁导航方式，本发明的实用性、稳定性和灵活性更好。

附图说明

图1为本发明的导航定位装置整体结构图；

图2为本发明装置中各模块布局图；

图3为本发明装置中各部分组成结构图；

图4为本发明中系统导航定位的算法执行流程图；

图5为本发明中霍尔传感器数据拟合用于磁带导航的示意图；

图6为本发明中判断机器人运动角度的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

本发明的核心是提出基于无线和磁场感应技术相结合的高精度定位传感器及方法，其定位精度高，可达1mm，连线简洁，成本低，稳定性好，可扩展性好，抗干扰能力强，适用于多种环境下、多种型号的移动机器人磁条导航和依赖磁钉的惯性导航。

请参见附图1，一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器，包括：

霍尔感应模块，由矩阵分布固定间隔的模拟量霍尔传感器组成，实时感应磁场强度，转化为电压信号，发送给MUI。如图2，霍尔感应模块采用4*16矩阵式布局，通过扩展MCU芯片，可以实现4*32矩阵式布局。天线布局范围扩展到整个电路板的外侧，这样做的好处在于可以扩大扫描范围。附图3是本发明中的核心器件霍尔感应模块的构成示意图，具体包括电源模块、霍尔传感器、运算放大器、MCU单片机和通讯接口

导航与定位模块，根据一系列的霍尔传感器的采集数据，线性拟合磁强度曲线，准确定位磁性材质的位置和运动机器人的变化趋势，实现高精度导航定位；

通讯模块，实现本发明传感器与其他设备的通信，其接口包括CAN口、USB、串口和网口；

数据计算和处理模块，实现对霍尔传感器采集数据以及射频信号的滤波、拟合、数据转换、定位和解析功能。

在本发明的一种实施例中，所述传感器安装有天线，通过发出射频信号来获取RFID卡中的路标信息，进而实现导航与定位。

如图4，本发明还公开一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位方法，包括如下步骤：

S1 实时检测磁场强度并获取每一行霍尔传感器的检测数据，在磁导航过程中实时确定铺设磁带的位置以实现运动导航；每一行固定距离均匀分布的霍尔感传感器(可以通过串联组合的方式改变数目和整体的度量宽度)组成了一个坐标尺，每个霍尔传感器将磁场强度转化为电压经过信号放大后，组成一系列有着均匀位置间隔的电压数据，传输给单片机；

S2 数据分析，将一系列霍尔传感器检测数据通过线性拟合方式，拟合成一条连续光滑的曲线(将每一行的霍尔感应电子元件的数据线性拟合成一条连续的曲线)，根据事先设定的标准阈值，提取出导航磁带左右边缘位置，峰值点即为磁带导航的中心位置，据此分析机器人的位移偏差，及时进行运动控制校正；

S3 判断运行角度，参阅图5，图中黑点部分表示磁铁，当机器人通过埋在地下带有磁性的磁铁后获得每一行获得的磁铁的中心位置进行线性拟合，获取机器人的运动方向角，传递给机器人控制系统，然后做出相应的调整。

在本发明的一种实施例中，所述霍尔传感器能够通过串联组合的方式改变数目和整体的度量宽度。

在本发明的一种实施例中，所述步骤1中，霍尔传感器进行检测时，具体包括如下步骤：

S101 采用矩阵式距离布设的霍尔传感器组成3D坐标系，实时采集磁力信号；

S102 每个霍尔传感器根据磁力线强度输出模拟量的电压型号；

S103 多个霍尔传感器的输出在3D坐标系中采用线性或非线性拟合方式，拟合成连续、光滑的磁场强度分布曲线；本实施例中，采用最小二乘法来实现拟合。

在本发明的一种实施例中，所述步骤S1中，采用无线射频技术识别路标信息，将定位和识别合二为一，传感器中安装天线，采用无线射频技术，并且工作频率为128KHZ，通过发出射频信号来获取RFID卡中的路标信息。

在本发明的一种实施例中，所述步骤S2中，通过在磁场强度分布曲线根据设定阈值提取出磁带的边缘和中心位置，进而得知定位偏差；通过矩阵磁场强度的走势进而得知运动物体的运动方向和偏向角。

本发明的传感器能够适用于室内、室外，不受雨、雪、雷、电灯环境因素干扰：1)磁铁产生的磁场和射频信号产生的电磁场都不受外界自然环境的影响，可以在雨雪雷电环境中应用；2)磁力强度的大小，霍尔感应电子元件的感应距离能够达到50-80mm；3)无线射频技术受工作频率的影响，感应距离能够达到50-60mm。

本发明采用了多接口通讯和多模块组合：1)支持CAN、串口、USB和网口等多接口通讯，兼容性好。2)对于大型车辆的导航，采用多个模块串联组合的方式，布线简洁，相当于增加了坐标尺的宽度。

以上对本发明实施例提供的一种基于无线和磁场感应技术相结合的高精度定位传感器，进行了详细介绍，相对于传统的磁导航方式，本发明具有导航精度高、扩展性好、稳定性好、成本低、简单方便等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器，其特征在于，包括：

霍尔感应模块，由矩阵分布固定间隔的模拟量霍尔传感器组成，实时感应磁场强度，转化为电压信号，发送给MUI；

导航与定位模块，根据一系列的霍尔传感器的采集数据，线性拟合磁强度曲线，准确定位磁性材质的位置和运动机器人的变化趋势，实现高精度导航定位；

通讯模块，实现本发明传感器与其他设备的通信，其接口包括CAN口、USB、串口和网口；

数据计算和处理模块，实现对霍尔传感器采集数据以及射频信号的滤波、拟合、数据转换、定位和解析功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器，其特征在于，所述传感器安装有天线，通过发出射频信号来获取RFID卡中的路标信息，进而实现导航与定位。

3.一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1实时检测磁场强度并获取每一行霍尔传感器的检测数据，在磁导航过程中实时确定铺设磁带的位置以实现运动导航；每一行固定距离均匀分布的霍尔感传感器组成了一个坐标尺，每个霍尔传感器将磁场强度转化为电压经过信号放大后，组成一系列有着均匀位置间隔的电压数据，传输给单片机；

S2数据分析，将一系列霍尔传感器检测数据通过线性拟合方式， 拟合成一条连续光滑的曲线，根据事先设定的标准阈值，提取出导航磁带左右边缘位置，峰值点即为磁带导航的中心位置，据此分析机器人的位移偏差，及时进行运动控制校正；

S3判断运行角度，当机器人通过埋在地下带有磁性的磁铁后获得每一行获得的磁铁的中心位置进行线性拟合，获取机器人的运动方向角，传递给机器人控制系统，然后做出相应的调整。

4.根据权利要求3所述的一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器，其特征在于，所述霍尔传感器能够通过串联组合的方式改变数目和整体的度量宽度。

5.根据权利要求3所述的一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器，其特征在于，所述步骤1中，霍尔传感器进行检测时，具体包括如下步骤：

S101采用矩阵式距离布设的霍尔传感器组成3D坐标系，实时采集磁力信号；

S102每个霍尔传感器根据磁力线强度输出模拟量的电压型号；

S103多个霍尔传感器的输出在3D坐标系中采用线性或非线性拟合方式，拟合成连续、光滑的磁场强度分布曲线。

6.根据权利要求3所述的一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位传感器，其特征在于，所述步骤S1中，采用无线射频技术识别路标信息，将定位和识别合二为一，传感器中安装天线，采用无线射频技术，并且工作频率为128KHZ，通过发出射频信号来获取RFID卡中的路标信息。

7.根据权利要求3所述的一种基于无线和磁场感应技术相结合的定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过在磁场强度分布曲线根据设定阈值提取出磁带的边缘和中心位置，进而得知定位偏差；通过矩阵磁场强度的走势进而得知运动物体的运动方向和偏向角。