CN108151766B - 磁钉的定位方法、磁钉定位导航误差修正方法及定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于物体定位方法领域，具体为一种磁钉的定位方法，包括以下步骤：(a)设置至少两组磁传感器，并且将所述两组磁传感器相隔一定距离的放置在磁钉所在区域上方；(b)根据所述两组磁传感器，采集磁场强度相同的测量点P0；(c)根据采集的所有的测量点P0，拟合出P0点的磁场强度分布曲线；(d)根据P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax,得到磁钉的位置。本发明可以在静止的情况下采集足够多的测量点P0，通过磁场强度相同的测量点P0，拟合出P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax，磁钉的位置为点Pmax的正下方。本发明与现有技术相比，具有定位准确、应用设备成本低以及定位结果实时反馈的优点。

Description

磁钉的定位方法、磁钉定位导航误差修正方法及定位装置

技术领域

本发明属于物体定位方法领域，具体为一种磁钉的定位方法以及应用该方法的导航误差修正方法以及一种磁场感应定位装置。

背景技术

随着人们对AGV运行的准确性要求越来越高，为了解决一般AGV使用的磁钉定位方法对传感器硬件误差比较敏感，定位误差大，无法随时实时定位的问题，本领域的研发人员研究出了，利用数量足够的可以实时测量的硬件误差小的磁场数据，拟合推算出磁钉位置，使AGV可以实时地准确地修正导航误差的方法。

该种应用磁钉定位的导航误差修正方法的关键在于如何准确判定磁钉的位置，从而准确推算出磁钉相对AGV的位置。现有技术中，常用的定位方法有两种。一种是磁钉所在区域布设多个采样点测量该处的竖直方向的磁场强度，通过测量多组数据，对多组数据按磁场强度的大小进行排序，从中推算出强度最大的近似位置，作为磁钉的位置。另一种，则采用三轴磁传感器在多点位置上分别测出各个点三维方向上的磁场强度，再与磁钉的磁场进行匹配，再用数据处理得出磁钉的相对位置。但前述两种方法，第一种方法使用了多个采集点的数据，但不同采集点在硬件差异上的不同误差也被带入最终结果，造成定位准确性不高；第二种方法应用的设备成本高，需要对磁场模型做精确的建模，运算复杂；

另外，现有的磁传感器定位装置无法实现在静止的状态下马上检测出足够多的磁场数据推导出拟合的曲线，继而得出AGV的实时位置，因此需要对现有的定位装置进行改造。

发明内容

本发明的第一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种定位准确、实时反馈、设备简单且低成本的磁钉的定位方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种磁钉的定位方法，包括以下步骤：

(a)设置至少两组磁传感器，并且将所述两组磁传感器相隔一定距离的放置在磁钉所在区域上方；

(b)根据所述两组磁传感器，采集磁场强度相同的测量点P0；

(c)根据采集的所有的测量点P0，拟合出P0点的磁场强度分布曲线；

(d)根据P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax,得到磁钉的位置。

因为磁传感器的各个采集器件的硬件差异，会造成不同采集器件对相同的磁场强度得出不同的测量值，并且测量误差会随着磁场强度的增大而增加，所以本发明通过多个磁场强度较小的测量点P0，结合预先选取的拟合曲线模型，拟合出P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax，磁钉的位置为点Pmax的正下方；

此外，本发明的在测量P0的时候是不需要通过AGV行进而使得磁传感器对磁钉区域进行移动扫描，即AGV可以是静止的，因此可以减少用于测量每个测量点之间的距离等信息的编码器和陀螺仪，通过设置至少两组磁传感器即可提取足够数量的测量点P0，并拟合出P0点分布曲线，显著的提高了P0点分布曲线的拟合速度、节省了制造成本和降低了系统复杂度，

进一步的，所述P0点分布曲线为圆曲线，该圆曲线的圆心位置为Pmax的位置，磁钉的位置为点Pmax的正下方。采用圆作为分布曲线，拟合简单，而且便于确定磁钉位置。

进一步的，所述两组磁传感器之间的距离与所述P0点分布曲线的直径的比值约为0.45-0.65。

进一步的，所述P0点的采集方法为：

(b1)根据所述两组磁传感器采集到的所有磁场强度数值，拟合出磁场强度分布曲线总图；

(b2)设定需要采集的测量点P0的具体数值；

(b3)根据磁场强度分布曲线总图和设定的具体数值，提取对应的P0点，或者，根据磁场强度分布曲线总图和设定的具体数值，提取两个与所述设定的具体数值接近的参考点P1、P2，根据所述P1点和P2点所对应的感应芯片之间的距离，推导出所述P0点的位置。

进一步的，所述磁传感器为单轴的磁阻芯片的阵列组合，感应方向为竖直方向，进一步降低设备成本。

进一步的，所述P0点的磁场强度为0或接近0。因为磁传感器的测量误差和磁钉的安装误差都会随着磁感应强度的增大而被放大，所以选用磁场强度较小的点作为测量点，能有效地降低误差。

进一步的，所述磁钉为圆柱形的钕铁硼磁钉。圆柱形磁钉形成的磁场强度模型为喷泉状，这种具有中心对称特性的模型更便于分析和对数据进行曲线拟合，且拟合精度更高。

进一步的，所述磁传感器与所需测量区域的距离为30mm-50mm。磁传感器与磁钉距离太近，磁场强度接近0的P0点分布曲线圆的直径较小，磁传感器中只有较少的测量元件经过了圆的范围，使可以获得的测量点P0的数量较少，降低拟合分布曲线的准确性；若传感器与磁钉之间距离太远，P0点附近的磁场强度变化不明显，当存在微弱的环境干扰磁场时，干扰磁场对测量点P0的位置判断的影响较大，降低拟合分布曲线的准确性。

进一步的，所述磁传感器内的测量元件竖直向下设置，测量竖直方向的磁场强度大小。此方向的磁场强度分布是关于磁钉位置成中心对称关系的，所以更便于后续定位算法的实现，并提高定位精度。

本发明的另一个目的在于提供一种定位准确的磁钉定位导航误差修正方法，该方法包括以下步骤：

(A)将磁钉布设于AGV行进的区域内，根据磁钉形成的磁场建立含有位置信息的磁场模型，存储于AGV的导航装置内；

(B)将至少两组的磁传感器设置在所述AGV上，两组磁传感器相隔一定距离的放置；

(C)所述两组磁传感器检测此时AGV所在区域的磁钉所产生的磁场强度；

(D)根据检测到的所有磁场强度，提取具有相同磁场强度的测量点P0；

(E)根据采集的所有的测量点P0，拟合出P0点的磁场强度分布曲线；

(F)根据P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax得到磁钉与磁传感器的位置关系，推算出磁钉与AGV的相对位置关系；

(G)根据磁钉与AGV的相对位置关系，以及存储于AGV的导航装置内的磁场模型，推算出AGV的当前位姿；

(H)导航装置根据推算出的AGV的位姿，调整AGV的运动控制装置的执行动作，导引AGV修复行走偏差。

上述的导航误差修正方法可以在AGV停机重启的情况下仍然可以马上检测到足够的P0点，拟合出P0点的磁场强度分布曲线，继而修正误差，而且相对比于现有技术，本发明的导航误差修正方法不受空间布局限制，不受介质、光线不足和地面污染影响，具有环境适应性强，定位精度高，应用设备成本低的优点。

本发明的又一个目的在于提供一种磁场感应定位装置，包括数据处理器和至少两组磁传感器，所述磁传感器与所述数据处理器通信连接，所述磁传感器用于采集磁场强度信息，所述数据处理器包括中央处理芯片和运算模块，所述中央处理芯片与所述磁传感器电连接，所述磁传感器可向所述中央处理芯片传输磁场强度信息，所述中央处理芯片用于控制所述运算模块提取磁场强度相同的测量点并且拟合磁场强度分布曲线。

与现有技术相比，本发明的磁场感应装置不需要扫描磁场区域即可实时的给出定位结果，可以灵活的用于AGV的实时辅助定位、二次定位，大大的提供了AGV定位的多样性和准确性。

进一步，还包括安装支架，所述两磁传感器可相对移动的设置在所述安装支架上，所述两磁传感器之间的距离与所述磁场强度分布曲线的直径的比值约为0.45-0.65，两组磁传感器之间的距离这样布置有效提供分布曲线的拟合精度。

进一步，为了方便两组磁传感器的调节距离，以下分别列举了两种实施方法：

方法一：还包括安装座和滑动连接结构，所述磁传感器设置在所述安装座上，所述安装座通过所述滑动连接结构可滑动的设置在所述安装支架上，将磁传感器安装在安装座上可以使得磁传感器连接更加的方便牢固,同时还可以对磁传感器与检测区别之间的高度进行调节；

方法二：还包括滑动连接结构，所述磁传感器设有连接板，所述磁传感器通过所述连接板与所述滑动连接结构连接，并且可滑动的设置在所述安装支架上，这一结构与方法一不同的是没有设置安装座，只是在磁传感器上多设置了一块连接板，通过连接板直接设置在所述安装支架上，这样设置可以简化结构和加工工续，进一步提供生产效率和降低生产成本。

上述两种方法提到的滑动连接结构包括滑槽和连接螺杆，所述滑槽设置在所述安装支架上，连接螺杆穿过连接板或者安装座将磁传感器安装座滑槽内，使的磁传感器可沿着滑槽内滑动。

进一步，还包括输出模块，所述数据输出模块与中央处理芯片电连接，用于显示所述运算模块的拟合结果。

附图说明

图1为磁感应强度分布模拟图。

图2为两组磁传感器

图3为磁钉的磁场强度示意图；

图4为基于磁钉定位的导航误差修正方法的流程图；

图5为本发明的磁传感应装置的结构框图；

图6为本发明的一种磁传感应装置的结构示意图；

图7为图6另一角度的结构示意图；

图8为本发明的另一种磁传感应装置的结构示意图；

图9为图8另一角度的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

参见图1，本发明提供的一种磁钉的定位方法，包括以下步骤：

(a)设置至少两组磁传感器2，并且将所述两组磁传感器2相隔一定距离的放置在磁钉1所在区域上方；

(b)根据所述两组磁传感器2，采集磁场强度相同的测量点P0；需要说明的是，在步骤(b)中P0的具体采集步骤分为如下的3个：

(b1)根据所述两组磁传感器2采集到的所有磁场强度数值，拟合出磁场强度分布曲线总图4；

(b2)设定需要采集的测量点P0的具体数值；

(b3)根据磁场强度分布曲线总图4和设定的具体数值，提取对应的P0点，或者，根据磁场强度分布曲线总图4和设定的具体数值，提取两个与所述设定的具体数值接近的参考点P1、P2，根据所述P1点和P2点所对应的感应芯片之间的距离，推导出所述P0点的位置，例如：

参见图2，一个磁传感器2里面的两个相邻的感应芯片之间的间距是10mm，检测到磁场强度数据分别是1号感应芯5是-30和2号感应芯片6是70，如果需要寻找磁场强度为6的P0点的位置，那么可以推算出该P0点在1号感应芯片5右侧3.6mm处；相邻的感应芯片之间的距离可以设置在5mm-20mm的范围内，间距设置得越少，感应的精度会越高；

(c)根据采集的所有的测量点P0，拟合出P0点的磁场强度分布曲线3；

(d)根据P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax,得到磁钉1的位置。

上述步骤(a)所述两组磁传感器2之间的距离最好设定为40mm-70mm，具体的取值需要视乎P0点分布曲线的直径大小，所述两组磁传感器2之间的距离与P0点分布曲线的直径的比大概控制在1:2的范围值，即可比值大概在0.45-0.65之间，例如：

如图2所示，两组磁传感器2水平设置，其两者之间的间距为50mm是最优的设定方式，而拟定的P0点分布曲线的直径大约是100mm，如果两组磁传感器2的距离太小，4个P0点拟合的分布曲线的精度就降低(偏差容错性低)；如果两组磁传感器2的距离太大，那么两组磁传感器2都会接近与分布曲线相切，导致AGV的移动范围较小，影响拟合精度。

参见附图1，所述P0点的磁场强度为0或接近0。因为磁传感器2的测量误差和磁钉1的安装误差都会随着磁感应强度的增大而被放大，所以选用磁场强度较小的点作为测量点，能有效地降低误差。

作为一种磁性选型的优选方案：所述磁钉1为圆柱形钕铁硼磁钉。这种磁钉端面方向充磁可形成的磁场强度模型为喷泉状，这种具有中心对称特性的模型更便于分析和对数据进行曲线拟合，且拟合精度更高，而磁传感器2则优先选用单轴磁传感器，具体为单轴的磁阻芯片的阵列组合，其内部的测量元件为竖直向下设置，测量竖直方向的磁场强度大小，此方向的磁场强度分布是关于磁钉1位置成中心对称关系的，所以更便于后续定位算法的实现，并提高定位精度。而且这种单轴磁传感器与圆柱形钕铁硼磁钉相配合，可以获得较高的感应进度，并且可以进一步降低设备成本。

所述P0点分布曲线3为圆曲线，该圆曲线的圆心位置为Pmax的位置，磁钉1的位置为点Pmax的正下方。采用圆作为分布曲线3，拟合简单，而且便于确定磁钉1位置。

由于如果磁传感器2与磁钉1距离太近，磁场强度接近0的P0点分布曲线3圆的直径较小，磁传感器2中只有较少的测量元件经过了圆的范围，使可以获得的测量点P0的数量较少，降低拟合分布曲线的准确性；如果传感器与磁钉1之间距离太远，P0点附近的磁场强度变化不明显，当存在微弱的环境干扰磁场时，干扰磁场对测量点P0的位置判断的影响较大，降低拟合分布曲线的准确性。因此，为了让提高测量的准确性，所述磁传感器2与所需测量区域的距离为30mm-50mm。磁传感器2与磁钉1距离太近，磁传感器2中的各个获得的测量点P0重复率高，使可以获得的测量点P0的数量较少，降低拟合分布曲线的准确性；若传感器与磁钉1之间距离太远，P0点附近的磁场强度变化不明显，当存在微弱的环境干扰磁场时，干扰磁场对测量点P0的位置判断的影响较大，降低拟合分布曲线的准确性。

本发明的原理及有益效果是：

因为磁传感器2的各个采集器件的硬件差异，会造成不同采集器件对相同的磁场强度得出不同的测量值，并且测量误差会随着磁场强度的增大而增加，所以本发明通过多个磁场强度较小的测量点P0，结合预先选取的拟合曲线模型，拟合出P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax，磁钉1的位置为点Pmax的正下方。

此外，本发明的在测量P0的时候是不需要通过AGV行进而使得磁传感器2对磁钉1区域进行移动扫描，即AGV可以是静止的，因此可以减少用于测量每个测量点之间的距离等信息的编码器和陀螺仪，通过设置至少两组磁传感器2即可提取测量点P0，并拟合出P0点分布曲线，显著的提高了P0点分布曲线的拟合速度和节省了制造成本，优化了AGV的内部结构。

而且本发明的数据测量误差具有对称性，定位精度更高。

另外，由于选用简单的单轴磁传感器即可实现，应用的设备成本低；因此，本发明与现有技术相比，具有定位准确、应用设备成本低的优点。

参见图4，本发明还公开了一种基于磁钉1定位的导航误差修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

(A)将磁钉1布设于AGV行进的区域内，根据磁钉1形成的磁场建立含有位置信息的磁场模型，存储于AGV的导航装置内；

(B)将至少两组的磁传感器2设置在所述AGV上，两组磁传感器2相隔一定距离的放置；

(C)所述两组磁传感器2检测此时AGV所在区域的磁钉1所产生的磁场强度；

(D)根据检测到的所有磁场强度，提取具有相同磁场强度的测量点P0；

(E)根据采集的所有的测量点P0，拟合出P0点的磁场强度分布曲线3；

(F)根据P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax,得磁钉1与磁传感器2的位置关系，推算出磁钉1与AGV的相对位置关系；

(G)根据磁钉1与AGV的相对位置关系，以及存储于AGV的导航装置内的磁场模型，推算出AGV的当前位姿；

(H)导航装置根据推算出的AGV的位姿，调整AGV的运动控制装置的执行动作，导引AGV修复行走偏差。

作为一种优选的方案，所述磁钉1在AGV行进轨迹设有两个以上，当设有两个磁钉1时，导航装置不仅可以根据自身与其中一个磁钉1的相对位置，确定自身实际的位置，还可以同时使用两个或以上的磁钉1，组合得出更精确的方向信息，用来修正AGV的方向偏差。若AGV导航误差累积较慢，磁钉1的布设密度可以缩小，磁钉1之间的布设间距可以增大；若AGV导航误差累积较快，磁钉1的布设密度应增大，磁钉间的布设间距应减小。

上述的导航误差修正方法可以在AGV停机重启的情况下仍然可以马上检测到足够的P0点，拟合出P0点的磁场强度分布曲线3，继而修正误差，而且相对比于现有技术，本发明的导航误差修正方法不受空间布局限制，不受介质、光线不足和地面污染影响，具有环境适应性强，定位精度高，应用设备成本低的优点。

当AGV启动并处于行驶状态时，由于所述磁钉1铺设于AGV行进轨迹的地面上，AGV会直接穿过磁钉正上方，由于磁钉1正上方的磁场强度更大，便于信号检测，提高定位精度。

所述AGV上的磁传感器2采用周期性地检测周围的磁场特性。采用周期性的方式检测周围的磁场特性，可以在AGV运行过程中多次地对其位姿进行纠正，使AGV的运行更准确。所述AGV运行的区域建有坐标系，所述磁钉1在所述坐标系内，所述AGV的位置推算，基于上述坐标系上的坐标运算。应用坐标运算，使运算更为简单，迅速。

参见图5，本发明还公开了一种磁场感应定位装置，包括数据处理器11、至少两组磁传感器2和输出模块13，所述磁传感器2与所述数据处理器11通信连接，所述磁传感器2用于采集磁场强度信息，所述数据处理器11包括中央处理芯片111和运算模块112，所述中央处理芯片111与所述磁传感器2电连接，所述磁传感器2可向所述中央处理芯片111传输磁场强度信息，所述中央处理芯片111用于控制所述运算模块112提取磁场强度相同的测量点并且拟合磁场强度分布曲线，所述数据输出模块13与中央处理芯片111电连接，用于显示所述运算模块112的拟合结果。

参见图6-9，作为一种优选的方案，还包括安装支架14，所述两磁传感器2可相对移动的设置在所述安装支架14上，所述两磁传感器2之间的距离大约为所述磁场强度分布曲线的直径的1/2，即两者的比值约为0.45-0.65之间，两组磁传感器2之间的距离这样布置有效提供分布曲线的拟合精度。

优选的，为了方便两组磁传感器2的调节距离，以下分别列举了两种实施方法：

方法一：还包括安装座15和滑动连接结构，所述磁传感器2设置在所述安装座15上，所述安装座15通过所述滑动连接结构可滑动的设置在所述安装支架14上，将磁传感器2安装在安装座15上可以使得磁传感器2连接更加的方便牢固，同时还可以对磁传感器2与检测区别之间的高度进行调节；

方法二：还包括滑动连接结构，所述磁传感器2设有连接板121，所述磁传感器2通过所述连接板121与所述滑动连接结构连接，并且可滑动的设置在所述安装支架14上，这一结构与方法一不同的是没有设置安装座15，只是在磁传感器2上多设置了一块连接板121，通过连接板121直接设置在所述安装支架14上，这样设置可以简化结构和加工工续，进一步提供生产效率和降低生产成本。

上述两种方法提到的滑动连接结构包括滑槽16和连接螺杆(图未示出)，所述滑槽16设置在所述安装支架14上，连接螺杆穿过连接板121或者安装座15将磁传感器2安装座15滑槽内，使的磁传感器2可沿着滑槽内滑动。

与现有技术相比，本发明的磁场感应装置不需要扫描磁场区域即可实时的给出定位结果，可以灵活的用于AGV的实时辅助定位、二次定位，大大的提供了AGV定位的多样性和准确性。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种磁钉的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)设置至少两组磁传感器，并且将所述两组磁传感器相隔一定距离的放置在磁钉所在区域上方；

(b)根据所述两组磁传感器，采集到的所有磁场强度数值，拟合出磁场强度分布曲线总图，设定需要采集的测量点P0的具体数值，根据磁场强度分布曲线总图和设定的具体数值，提取两个与所述设定的具体数值接近的参考点P1、P2，根据所述P1点和P2点所对应的感应芯片之间的距离，推导出所述P0点的位置；

(c)根据采集的所有的测量点P0，拟合出P0点的磁场强度分布曲线；

(d)根据P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax,得到磁钉的位置。

2.根据权利要求1所述的一种磁钉的定位方法，其特征在于：所述P0点分布曲线为圆曲线，该圆曲线的圆心位置为Pmax的位置。

3.根据权利要求1所述的一种磁钉的定位方法，其特征在于：所述两组磁传感器之间的距离与所述P0点分布曲线的直径的比值约为0.45-0.65。

4.根据权利要求3所述的一种磁钉的定位方法，其特征在于：所述磁传感器为单轴磁传感器，所述磁传感器内的测量元件竖直向下设置；所述磁钉为圆柱形磁钉；所述磁钉竖直放置。

5.根据权利要求4所述的一种磁钉的定位方法，其特征在于：所述磁传感器与所需测量区域的竖直距离为30mm-50mm。

6.根据权利要求4所述的一种磁钉的定位方法，其特征在于：所述P0点的磁场强度为0或接近0。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述磁钉的定位方法的磁钉定位导航误差修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

(A)将磁钉布设于AGV行进的区域内，根据磁钉形成的磁场建立含有位置信息的磁场模型，存储于AGV的导航装置内；

(B)将至少两组的磁传感器设置在所述AGV上，两组磁传感器相隔一定距离的放置；

(C)所述至少两组磁传感器检测此时AGV所在区域的磁钉所产生的磁场强度；

(D)根据采集到的所有磁场强度，提取具有相同磁场强度的测量点P0；

(E)根据采集的所有的测量点P0，拟合出P0点的磁场强度分布曲线；

(F)根据P0点分布曲线，推导出磁场强度最大的点Pmax得到磁钉与磁传感器的位置关系，推算出磁钉与AGV的相对位置关系；

(G)根据磁钉与AGV的相对位置关系，以及存储于AGV的导航装置内的磁场模型，推算出AGV的当前位姿；

(H)导航装置根据推算出的AGV的位姿，调整AGV的运动控制装置的执行动作，导引AGV修复行走偏差。

8.一种磁场感应定位装置，其特征在于：包括数据处理器和至少两组磁传感器，所述磁传感器与所述数据处理器通信连接，所述磁传感器用于采集磁场强度信息，所述数据处理器包括中央处理芯片和运算模块，所述中央处理芯片与所述磁传感器电连接，所述磁传感器可向所述中央处理芯片传输磁场强度信息，所述中央处理芯片用于执行权利要求1至6任一项所述磁钉的定位方法以控制所述运算模块提取磁场强度相同的测量点并且拟合磁场强度分布曲线。

9.根据权利要求8所述的一种磁场感应定位装置，其特征在于：还包括安装支架，所述两磁传感器可相对移动的设置在所述安装支架上，所述两磁传感器之间的距离与所述磁场强度分布曲线的直径的比值约为0.45-0.65。