CN110531768A - 基于三轴地磁传感器的循迹机器人的自动导航系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三轴地磁传感器的循迹机器人的自动导航系统及方法，系统包括导向磁条、地磁信息采集模块以及控制器模块；导向磁条设置在机器人所需行进的路径上，地磁信息采集模块以及控制器模块安装在机器人上，地磁信息采集模块安装在机器人底部前端；地磁信息采集模块与控制器模块电相联，控在控制器模块中导入事先训练好的神经网络模型，当机器人开始运作时，地磁信息采集模块采集到当时的三轴地磁强度信息，传入控制器模块。控制器模块先利用训练好的神经网络模型计算出当前位置与磁条路径的横向偏差距离，再根据偏差距离驱动机器人的舵机,调节转向，最终使机器人回归磁条路径中央行驶。
Description
技术领域
本发明涉及运输及仓储智能设备技术领域，特别涉及一种基于三轴地磁传感器的循迹机器人的自动导航系统及方法。
背景技术
随着计算机科学的发展和工厂自动化水平的提高，运输及仓储堆放中将大量引入无人驾驶的自动导航机器人，机器人能自动遵循预定的轨迹将货物运送到指定位置。循迹机器人的使用不仅可以提高劳动生产率，还能够改善生产环境，因此研究与开发机器人自动导航方法具有重要意义。目前的循迹机器人主要包括光电式、摄像头式、电磁式和磁条式等。
光电式和摄像头式机器人前瞻性距离有限，对光线和外界环境的要求非常高。电磁式需要开凿机器人行驶的道路，安装起来较为困难，并且路径一旦确定难以改变和扩展，灵活性差。
以磁条式导航的流转设备在现代自动化程度较高的生产线上应用极为普遍，AGV(Automated Guided Vehicle,自动导引车辆)最为多见。其优点是灵活性好，不易受光线声音变化等影响，地面路径铺设简单易行，成本相对较低，且二次变更路径较为容易。
然而，传统AGV中的磁导航传感器多基于霍尔效应的原理(甚至采用开关型霍尔传感器)，只能获取磁场的标量；而且传感器的安装方向和高度要求严格，必须使磁场垂直穿过传感器、传感器与磁条的安装距离需要控制在一定范围内(一般15-50mm)。对于采用开关型霍尔传感器的情况，很难准确确定临界值。为了提高检测精度和准确度，也有文献研究了用多个霍尔磁传感器构成的阵列，该方法安装复杂，元件多，一致性很难控制，成本也比较高。
发明内容
为了解决上述传统磁导航传感器的不足，本发明公开了一种基于三轴地磁传感器的循迹机器人的自动导航系统及方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于三轴地磁传感器的循迹机器人的自动导航系统，系统包括导向磁条、地磁信息采集模块以及控制器模块；
导向磁条设置在机器人所需行进的路径上，地磁信息采集模块以及控制器模块安装在机器人上，地磁信息采集模块安装在机器人底部前端；
地磁信息采集模块与控制器模块电相联，控制器模块接收地磁信息采集模块采集到的地磁强度信息,并计算横向偏差距离、判断机器人当前位置是否在路径中央以及运行趋势，驱动机器人的舵机调节转向，最终使机器人回归导向磁条所在路径的中央行驶。
上述导向磁条为一种橡胶软体磁条，是由粘结铁氧体料粉与合成橡胶或树脂混合压制后再充磁制成的。背面粘有双面胶，能够粘贴在地面上。
上述地磁信息采集模块包括三轴地磁传感器，比如，传感器的型号为HMC5883L、MAC3110等等。
上述控制器模块包括单片机、电源和外围电路等硬件电路及其控制程序，电源和外围电路等硬件电路及其控制程序都是现有技术中比较成熟的产品，在此不展开叙述。单片机的型号譬如为stm32f、Atmega8等。
一种基于地磁传感器的机器人的循迹机器人的自动导航方法，利用上述的系统，包括如下步骤：
(1)、构建神经网络模型
(1.1)、机器人静止放置在距离导向磁条上下长边若干范围内、以导向磁条正中央中心点为原点的不同间隔的位置上,分别用地磁信息采集模块测得当前机器人位置的X、Y、Z轴地磁强度信号；
(1.2)、将每个间隔的位置测若干个X、Y、Z轴地磁强度数据,求平均值；
(1.3)、用数据训练神经网络模型，模型输入为各个位置X、Y、Z轴地磁强度的平均值,输出为机器人距离导向磁条正中央的横向偏差距离,此处的神经网络模型是公知的模型，任意一种神经网络模型都可以，譬如BP神经网络模型等。
(2)、机器人自动循迹
(2.1)、按下机器人启动开关，机器人开始行走；
(2.2)、地磁信息采集模块采集机器人当前X、Y、Z地磁强度信号；
(2.3)、在控制器模块中，计算机器人当前位置与导向磁条路径的横向偏差距离及运行趋势；
(2.4)、控制器判断机器人当前位置是否在路径中央；若是，即无偏移，指示机器人继续按照当前方向行驶；若判断出当前位置不是在路径中央，控制器根据测得的偏差距离及运行趋势驱动机器人的舵机调节转向,最终使机器人回归磁条路径中央行驶。
本发明的有益效果如下：
三轴地磁传感器是一种MEMs器件，可以同时测量X、Y、Z三维空间的地磁场，可以合成出任意方向的磁场变化；工作中，传感器位于距离地上铺设磁条中心的不同位置时，传感器测量的磁场相当于地磁场矢量上叠加了一个扰动。扰动的不同矢量值与传感器和预设磁条中心的各个距离有一一对应的关系，因此，根据磁场的变化,机器人可以感知方位并及时调整行驶方向。地磁传感器基于磁阻效应原理，传感器的电阻值随着外围磁场的变化而变化。磁阻的变化与磁场和电流之间的夹角有关，称为异向性磁阻效应。其工艺简单且具有很高的弱磁场导磁率，不需要昂贵的设备投入，具有价格低廉、结构简单、精度高、体积小、稳定性好等优点。
附图说明
图1为机器人循迹全过程流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提供了一种基于三轴地磁传感器的循迹机器人的自动导航系统，系统包括导向磁条、地磁信息采集模块以及控制器模块；
导向磁条设置在机器人所需行进的路径上，地磁信息采集模块以及控制器模块安装在机器人上，地磁信息采集模块安装在机器人底部前端；
地磁信息采集模块与控制器模块电相联，控制器模块接收地磁信息采集模块采集到的地磁强度信息,并计算横向偏差距离、判断机器人当前位置是否在路径中央以及运行趋势，驱动机器人的舵机调节转向，最终使机器人回归导向磁条所在路径的中央行驶。
上述导向磁条为一种橡胶软体磁条，是由粘结铁氧体料粉与合成橡胶或树脂混合压制后再充磁制成的。背面粘有双面胶，能够粘贴在地面上。
上述地磁信息采集模块包括三轴地磁传感器，比如，传感器的型号为HMC5883L、MAC3110等等。
上述控制器模块包括单片机，比如，型号为stm32f、Atmega8等。
具体实施方式：
如图1所示，一种基于地磁传感器的机器人的循迹机器人的自动导航方法，利用上述的系统，包括如下步骤：
(1)、构建神经网络模型
(1.1)、机器人静止放置在距离导向磁条上下长边80cm之内、以导向磁条正中央中心点为原点的不同间隔的位置上,分别用地磁信息采集模块测得当前机器人位置的X、Y、Z轴地磁强度信号；
如表1所示,以导向磁条正中央中心点为原点,第一列为机器人与磁条中央位置的距离。在导向磁条内部，每间隔0.5cm的距离，测一组X、Y、Z轴地磁强度信号数据；在导向磁条外侧时，距离磁条边缘10cm，每间隔1cm，测一组数据；距离导向磁条边缘10cm到距离到20cm，每间隔2cm，测一组数据；距离导向磁条边缘20cm到50cm，每间隔5cm，测一组数据；距离导向磁条边缘50cm到80cm，每间隔10cm，测一组数据。每组测200个数据。
表1横向偏差距离与磁场强度的关系
(1.2)、将每个间隔的位置测200个个X、Y、Z轴地磁强度数据,求平均值；
(1.3)、用数据训练神经网络模型，模型输入为各个位置X、Y、Z轴地磁强度的平均值,输出为机器人距离导向磁条正中央的横向偏差距离；,此处的神经网络模型是公知的模型，任意一种神经网络模型都可以，譬如BP神经网络模型等。
(2)、机器人自动循迹
(2.1)、按下机器人启动开关，机器人开始行走；
(2.2)、地磁信息采集模块采集机器人当前X、Y、Z地磁强度信号；
(2.3)、在控制器模块中，计算机器人当前位置与导向磁条路径的横向偏差距离及运行趋势；
(2.4)、控制器判断机器人当前位置是否在路径中央；若是，即无偏移，指示机器人继续按照当前方向行驶；若判断出当前位置不是在路径中央，控制器根据测得的偏差距离及运行趋势驱动机器人的舵机调节转向,最终使机器人回归磁条路径中央行驶。
以上实施例中,机器人静止放置位置与磁条正中央中心点的距离可以改动,表1只是其中的一个实施例。其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于三轴地磁传感器的循迹机器人的自动导航系统，其特征在于：系统包括导向磁条、地磁信息采集模块以及控制器模块；
导向磁条设置在机器人所需行进的路径上，地磁信息采集模块以及控制器模块安装在机器人上，地磁信息采集模块安装在机器人底部前端；
地磁信息采集模块与控制器模块电相联，控制器模块接收地磁信息采集模块采集到的地磁强度信息,并计算横向偏差距离、判断机器人当前位置是否在路径中央以及运行趋势，驱动机器人的舵机调节转向，最终使机器人回归导向磁条所在路径的中央行驶。
2.根据权利要求1的基于地磁传感器的机器人的循迹机器人的自动导航系统，其特征在于：导向磁条为一种橡胶软体磁条，是由粘结铁氧体料粉与合成橡胶或树脂混合压制后再充磁制成的。
3.根据权利要求1的基于地磁传感器的机器人的循迹机器人的自动导航系统，其特征在于：地磁信息采集模块包括三轴地磁传感器。
4.根据权利要求1的基于地磁传感器的机器人的循迹机器人的自动导航系统，其特征在于：控制器模块包括单片机。
5. 一种基于地磁传感器的机器人的循迹机器人的自动导航方法，利用权利要求1的系统，其特征在于包括如下步骤：
（1）、构建神经网络模型
（1.1）、机器人静止放置在距离导向磁条上下长边若干范围内、以导向磁条正中央中心点为原点的不同间隔的位置上,分别用地磁信息采集模块测得当前机器人位置的X、Y、Z轴地磁强度信号；
（1.2）、将每个间隔的位置测若干个X、Y、Z轴地磁强度数据,求平均值；
（1.3）、用数据训练神经网络模型，模型输入为各个位置X、Y、Z轴地磁强度的平均值,输出为机器人距离导向磁条正中央的横向偏差距离；
（2）、机器人自动循迹
（2.1）、按下机器人启动开关，机器人开始行走；
（2.2）、地磁信息采集模块采集机器人当前X、Y、Z地磁强度信号；
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