CN203643844U - 一种基于三电磁传感器的机器人导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于三电磁传感器的机器人导航装置，目的在于解决采用双对称电磁传感器的导航装置导航精度低、参数多且设计复杂的问题。该电磁导航装置由电磁轨道、电磁传感器、信号放大器和移动控制器组成，其特征在于所述电磁传感器由三个“工”字形电感直线一字水平排列，中间传感器位于机器人中轴线上，其它两个电磁传感器对称分布于机器人中轴线两侧。本实用新型利用中间传感器的对称特性得到机器人偏离电磁轨道大小，利用左右水平放置的传感器的差值与机器人偏离轨道临界值的关系得到偏离轨道方向，避免了由于传感器性能不对称产生的影响，简化参了数的设计及测量，提高了机器人电磁导航的精度。

Description

一种基于三电磁传感器的机器人导航装置

技术领域

本实用新型属于机器人领域，涉及一种机器人电磁导航装置，利用三个电磁传感器检测机器人偏离电磁轨道的大小与方向，引导机器人沿着电磁轨道移动。

背景技术

目前应用在机器人中的电磁轨道检测装置多为偶数个“工”字形电感，并且水平对称分布于轨道上放两侧，利用对称位置的电磁传感器检测到的磁场强度的差值确定偏离轨道大小。由于对称位置传感器实际工作性能不可能完全相同，故磁场强度差值与位置关系曲线将发生扭曲，磁场强度差值与位置关系曲线不再通过零点并且曲线非中心对称，需要分别测量左右两侧的边界阈值和人为标定中心位置，这样会引入随机误差，且增加了参数的个数，使应用过程复杂。而且由于磁场强度差值与位置关系曲线发生扭曲，造成机器人分别处于左右对称位置时的磁场差值绝对值不相等。因此，采用偶数对称电磁传感器的电磁轨道检测装置的精确程度不高，且参数设计复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决背景技术中所述的采用双对称电磁传感器的导航装置导航精度低、参数多且设计复杂的问题，将双对称电磁传感器改为三电磁传感器，利用磁场强度与位置曲线严格轴对称的特性，简化边界阈值参数个数及参数设计方法，提高了机器人电磁导航精度。

一种基于三电磁传感器的机器人导航装置，包括：电磁轨道，电磁传感器，信号放大器，移动控制器。其中，

电磁轨道采用漆包线铺设，在漆包线中通有频率为20kHz的正弦交变电流，在电磁轨道周围产生交变磁场。

电磁传感器从电磁轨道感应电磁信号，输出至信号放大器。

信号放大器由两级正向运算放大电路和RC滤波器组成，输入端接电磁传感器，用于放大电磁传感器检测到的电磁信号，并滤除信号中的高频噪声，输出信号送到移动控制器。

移动控制器主要由微处理器芯片组成，通过对信号放大器送来的信号进行模数转换和数据处理，输出控制信号控制机器人的移动。

所述电磁传感器由三个“工”字形电感线圈组成，所述三个“工”字形电感线圈直线一字水平排列，中间传感器位于机器人中轴线上，其它两个电磁传感器对称分布于机器人中轴线两侧。

所述电磁传感器与电容并联形成LC谐振回路，谐振频率为20kHz，与电磁轨道周围产生的交变磁场的频率相同，使电磁传感器感应到的信号强度最大。

所述信号放大器由三路完全相同的电路组成，分别对三个电磁传感器检测到的电磁信号进行放大。

本实用新型的有益效果是：利用中间传感器的对称特性得到机器人偏离电磁轨道大小，利用左右水平放置的传感器的差值与机器人偏离轨道临界值的关系得到偏离轨道方向，避免了由于传感器性能不对称产生的影响，提高了机器人电磁导航的精度，简化了机器人电磁导航时的参数设计。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的机器人导航装置组成框图；

图2为本实用新型电磁传感器布置前视图；

图3为本实用新型电磁传感器布置俯视图；

图4为磁场强度与位置关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。

图1是本实用新型电磁轨道检测装置组成框图，包括：电磁轨道，电磁传感器，信号放大器和移动控制器。

电磁轨道采用的漆包线铺设，漆包线的直径为0.3mm，漆包线中通有频率为20kHz，大小为100mA±20mA的正弦交变电流，在电磁轨道周围产生20kHz的交变电磁场。

电磁传感器由三个10mH的“工”字形电感线圈组成，直线一字水平排列，“工”字形电感直径为1cm如图2、3所示。左传感器左端到右传感器右端距离为10cm。电磁传感器由碳纤维三角支架固定于机器人前端，距离机器人5cm，距离机器人运行平面5cm。每个电感与6.8nF的电容并联，形成LC谐振回路，谐振频率为20kHz。由于电磁轨道的频率也为20kHz，故在电磁传感器的LC回路中产生谐振，使检测到的信号强度最大。

信号放大器包括三路完全相同的电路，每路均由两级正向运算放大电路和RC滤波器组成，运算放大器选用lm298，采用单电源供电。前级放大倍数通过滑动变阻器可调，后级放大电路放大倍数固定为10倍。传感器检测到的电磁信号经LC谐振电路耦合后传输给信号放大器，经两级放大后由RC滤波器滤除高频噪声。

移动控制器由三星公司生产的STM32F103处理器组成，工作频率为80MHz。两级运算放大器输出的信号传输给移动控制器的模数转换器，变换为数字量后作为移动控制器的反馈输入信号输入控制器；控制器采用位置式PID实现对机器人的位置进行控制，其控制规律为：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

式中，K_p＝3.21，K_i＝0.21，K_d＝1.031，e(t)为输入误差信号，u(t)为PID输出信号。

移动控制器的设定值为电磁轨道的中心位置，计算误差后按照PID控制器的控制规律输出控制量，控制机器人向减小误差的方向移动。

基于三电磁传感器的导航装置的导航原理如下：

传感器从电磁轨道检测到的信号强度随着机器人偏离电磁轨道中心的程度不同而变化，当传感器位于电磁轨道中心时，检测到的信号强度最大；当传感器偏离电磁轨道中心时，检测到的信号强度逐渐变小，偏离越远，信号越弱，而且变化趋势左右严格对称，如图4所示。因此，传感器检测到的信号偏离最大值的程度可以作为机器人偏离电磁轨道的大小。又因为曲线严格对称，所以在选取边界阈值时只需要在曲线上的一侧进行测定，该阈值也适用于另一侧的对称位置。

由于中间传感器位于机器人中轴线上，另外两个分别位于机器人中轴线左右两侧，以中间传感器检测到的信号强度偏离最大值的程度表示机器人偏离电磁轨道的大小，以左右传感器检测到的信号差表示偏离的方向。中间传感器信号强度最大时，表示机器人的中线与轨道中线重合，此时将左右传感器的差值作为表示机器人偏离电磁轨道方向的临界值，即大于此差值时表示机器人偏离在电磁轨道右侧；小于此差值时表示机器人偏离在电磁轨道左侧。将偏离轨道的大小与偏离轨道的方向合成机器人移动控制器的输入误差信号，控制机器人向着减小误差的方向移动，从而实现机器人的电磁导航。

Claims (2)

1.一种基于三电磁传感器的机器人导航装置，包括电磁轨道、电磁传感器、信号放大器和移动控制器；其中，

所述电磁轨道采用漆包线铺设，在漆包线中通有频率为20kHz的正弦交变电流，在电磁轨道周围产生交变磁场；

所述电磁传感器从所述电磁轨道感应电磁信号，输出至所述信号放大器；

所述信号放大器由两级正向运算放大电路和RC滤波器组成，输入端接所述电磁传感器，用于放大所述传感器检测到的电磁信号，并滤除信号中的高频噪声，输出信号送到所述移动控制器；

所述移动控制器主要由微处理器芯片组成，通过对所述信号放大器送来的信号进行模数转换和数据处理，输出控制信号控制机器人的移动；

其特征在于，所述电磁传感器由三个“工”字形电感线圈组成，所述三个“工”字形电感线圈直线一字水平排列，中间传感器位于机器人中轴线上，其它两个电磁传感器对称分布于机器人中轴线两侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于三电磁传感器的机器人导航装置，其特征在于，所述电磁传感器与电容并联形成LC谐振回路，谐振频率为20kHz，与电磁轨道周围产生的交变磁场的频率相同，使电磁传感器感应到的信号强度最大。

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