專利名稱：一種移動機器人航位角推算裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種移動機器人航位角推算裝置，屬于機器人導(dǎo)航定位領(lǐng)域，通 過其獲得機器人運行時準確的航位角信息。
背景技術(shù)：
目前，絕大多數(shù)航位推算中通常采用方向傳感器陀螺儀提供航位角。陀螺儀尋北 精度高，但價格昂貴、體積大、對使用環(huán)境要求高(如要求載體靜止、無振動)、且誤差隨時 間積累，因此不適合于要求低成本的機器人航位角推算。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種體積小、低功耗、易于安裝， 且溫度特性好、實時性和抗告饒能力強、誤差不隨時間積累性價比較高的移動機器人航位 角推算裝置。為了實現(xiàn)本實用新型的發(fā)明目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種移動機器人航位角推算裝置，它包括地磁場檢測電路，用于輸出同地磁場沿載體坐標系分量成正比的差分電壓模擬信 號；信號調(diào)理電路，用于把上述模擬電壓信號進行放大、濾波；A/D轉(zhuǎn)換電路，用于把信號調(diào)理電路調(diào)理過的模擬電壓信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換；中央控制電路，對A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號數(shù)字濾波，進行數(shù)值計算、誤差校 正，準確得出航向角，將數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上；同時中央控制電路與串口通信電路連接，串口通信電路與交互接口連接； 電源模塊為所述各電路供電。所述地磁場檢測電路為二維磁阻傳感器應(yīng)用電路。所述電源模塊為DC/DC隔離電源模塊，它直接為液晶屏、中央控制電路和串口通 信電路供電；同時，電源模塊還經(jīng)兩個基準穩(wěn)壓電路分別為A/D轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路
{共 ο所述串口通信電路為RS232接口。本實用新型采用二維磁阻傳感器輸出地磁場在機器人運行水平面上的變化引起 磁阻傳感器的Y軸電壓變化和χ軸電壓變化，由于磁阻傳感器在線性區(qū)輸出的電壓和外加 磁場成正比(安裝航位角推算裝置，要以二維磁阻傳感器X軸和Y軸分別對應(yīng)東、北向坐標 軸安裝)。H為地磁場，Hx, Hy分別是H在X、Y方向的水平分量，通過兩個分量的反正切值 可以求出機器人與磁北極夾角B，再減去一個磁北極與地理北極北夾角R(可查)，就得出機 器人行進方向與地理北極的夾角，也就是我們說的航位角Q。溫度變化引起靈敏度溫度系數(shù)變化時，磁阻傳感器在X軸向和Y軸向的輸出增益 的變化是成正比的。因此，在航向的計算中，此因素可以互相抵消掉。即溫度變化對航向精
3度無影響。此外，航向是以地球水平面東、北兩軸向的地磁分量為基礎(chǔ)的，磁阻傳感器必須 測量出這些值，且排除附近的磁源或干擾。干擾的大小取決于磁阻傳感器安裝的平臺材質(zhì)、 連接頭和它附近的鐵質(zhì)。對疊加磁場的干擾可以通過校正將其補償?shù)?。通常使用的校正?法是讓安裝有磁阻傳感器的車輛在水平面上作環(huán)形運動，然后找出磁阻傳感器X、Y軸輸 出的最大和最小值；接著確定出原點偏移值；最好根據(jù)偏移量進行補償。本實用新型的有益效果是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，體積小、低功耗、易于安裝，且溫 度特性好、實時性和抗告饒能力強、誤差不隨時間積累，性價比較高。

圖1為本實用新型移動機器人航向角推算裝置實施例的原理框圖。圖2為本實用新型航向角推算裝置電路原理框圖。圖3為本實用新型航位角推算原理示意圖。圖4為航位角推算流程圖。其中，1.地磁場檢測電路，2.信號調(diào)理電路，3. A/D轉(zhuǎn)換電路，4.中央控制電路， 5.串口通信電路，6.交互接口，7. DC/DC隔離電源模塊，8.液晶屏，9.基準穩(wěn)壓電路。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖1基于二維磁阻傳感器的移動機器人航位角推算裝置原理框圖，它包括地磁場 檢測電路1，用于輸出同地磁場沿載體坐標系分量成正比的差分電壓模擬信號；地磁場檢 測電路1為二維磁阻傳感器。信號調(diào)理電路2，用于把上述模擬電壓信號進行放大、濾波；A/D轉(zhuǎn)換電路3，用于把信號調(diào)理電路調(diào)理過的模擬電壓信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換；中央控制電路4，對A/D轉(zhuǎn)換電路3輸出的數(shù)字信號數(shù)字濾波，進行數(shù)值計算、誤差 校正，準確得出航向角，將數(shù)據(jù)顯示到液晶屏8上；同時中央控制電路4與串口通信電路5連接，串口通信電路5與交互接口 6連接； 串口通信電路5為RS232接口。電源模塊為DC/DC隔離電源模塊7，它直接為液晶屏8、中央控制電路4和串口通 信電路5供電；同時，DC/DC隔離電源模塊7還經(jīng)兩個基準穩(wěn)壓電路9分別為A/D轉(zhuǎn)換電路 3和信號調(diào)理電路2供電。中央控制電路4為單片機，單片機采用I2C總線與A/D轉(zhuǎn)換電路3連接，根據(jù)采集 的地磁在水平面上的X軸與Y軸磁場分量推算出航位角，通過串口通信電路5和交互接口 6上傳給機器人控制單元。圖2為移動機器人航位角推算裝置原理圖。直流典型值24V經(jīng)過DC/DC隔離電源 模塊7和濾波電容輸出VCC(單片機工作系統(tǒng)電源+5V)。1.地磁場檢測電路，2.信號調(diào)理電路，3. A/D轉(zhuǎn)換電路，4.中央控制電路，5.串口 通信電路，6.交互接口，7. DC/DC隔離電源模塊，8.液晶屏，9.基準穩(wěn)壓電路。中央控制電路4采用8位單片機ATmegal28，其引腳12 (MOSI)、引腳10 (SS非)、引 腳11 (SCK)、引腳13(MIS0)j_8(INT6)分別與12位的A/D轉(zhuǎn)換電路3 TLC2543的引腳
411 (串行數(shù)據(jù)輸入端)、引腳15 (片選端)、引腳18 (輸入/輸出時鐘端)、引腳16 (串行輸 出端)和引腳19(轉(zhuǎn)換結(jié)束端)連接采用SPI總線方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，+5V電源經(jīng)過濾波電 容C12接入基準電壓芯片REF3040引腳1，再由引腳2經(jīng)過濾波電容C13輸出4. 096V電壓 接入A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543引腳14(REF+)作為基準電壓并將引腳13(REF_)接地；信號調(diào)理 電路2采用單運放AMP04實現(xiàn)，+5V電源經(jīng)過濾波電容C9、C11接入基準穩(wěn)壓電路9REF3020 引腳1，再由引腳2經(jīng)過濾波電容C10、C16輸出2. 048V電壓接入運放AMP04，基準電壓輸入 引腳5并把引腳4接地，運放AMP04引腳1與引腳8之間接入650歐姆電阻，在引腳8引腳 6之間接入0. 15uF電容，實現(xiàn)由引腳2和引腳3輸入的電壓信號做差擴大150倍，再由引 腳6輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路3 TLC2543引腳1( “0”通道)和引腳2( “1”通道)進行數(shù)字轉(zhuǎn) 化；地磁場檢測電路1采用二維磁阻傳感器MCH1022實現(xiàn)，磁阻傳感器MCH1022引腳3、引腳 6輸入+5V電源，引腳7、引腳9、引腳13、引腳15接地，引腳14和引腳8分別通過電容C2、 C3與由芯片IRF7105的引腳5、引腳6、引腳7、引腳8相連實現(xiàn)置位/復(fù)位脈沖；置位/復(fù) 位電路由芯片IRF7105完成，+5V接電阻R4，經(jīng)過濾波電容Cl再與芯片IRF7105引腳3連 接，由單片機I/O 口 PAO (引腳51)接與非門芯片MC74VHC100引腳1和引腳2并通過引腳 4接芯片IRF7105引腳2與引腳4。單片機ATmegal28的TMS引腳為測試模式選擇(此引腳用來實現(xiàn)TAP控制器各個 狀態(tài)之間的切換)，TCK引腳為測試時鐘(JTAG操作是TCK同步的)，TDI引腳為測試數(shù)據(jù)輸 入(需要移位到指令基礎(chǔ)器或數(shù)據(jù)寄存器的串行輸入數(shù)據(jù))，TD0引腳為測試數(shù)據(jù)輸出(指 令寄存器或數(shù)據(jù)寄存器串行移出的數(shù)據(jù))；RX10、TX10為單片機ATmegal28的RS-232串行 “0”輸入和輸出端口，分別與DC-DC的隔離收發(fā)器ADM3251E的Rout和Tin引腳連接實現(xiàn)數(shù) 據(jù)交互，+5V電源經(jīng)過濾波電容C18接芯片ADM3251E的引腳2與引腳3，引腳4、引腳5、引 腳6、引腳7、引腳10 —同接地，引腳20接串口地之后經(jīng)過電容C19接引腳19，引腳18經(jīng)過 電容C20接引腳17，引腳14經(jīng)電容C21接引腳13，引腳12與引腳11 一同接串口地。單片機ATmegal28的全部PC 口接液晶屏8，+5V電源接液晶屏8的VCC，GND接地， 并且將濾波電容C24并聯(lián)到VCC引腳和GND引腳之間。圖3為航位角推算原理示意圖，機器人在水平面上運行，二維磁阻傳感器沿車輛 的東、北向坐標軸安裝，X為機器人行進方向，Y為水平面上垂直X的方向向右(即X順時針 轉(zhuǎn)90)，地里北極方向和磁北極方向如圖所示。H為地磁場水平分量，Hx, Hy分別是H在X、 Y方向的水平分量，B為機器人行進方向和磁北極方向的夾角，R為磁北極和地理北極方向 的夾角，Q就是機器人行進方向與地理北極方向之間的夾角，也就是最終要求的角度。(此 處的B、R、Q都是由前者出發(fā)順時針到達后者的角度)由圖可明顯看出，Q = B_R。而在地 球上不同方位的R可查表得出，所以關(guān)鍵就是求得B。由磁阻傳感器可以得出Hx、Hy，B = arctan(Hy/Hx)0本實用新型的航位角推算過程為1)系統(tǒng)初始化；2)串口通信電路接收使能串口接收中斷；3)判斷是否產(chǎn)生接收中斷；如果是，則保存接收到用于校準Hx和Hy的數(shù)據(jù)，然后 轉(zhuǎn)入步驟4)；否則，則等待是否達到設(shè)定時間(例如2秒)，如果否，則返回到步驟3)；如果 是，則轉(zhuǎn)入步驟4)；
5[0041 ]4)通過SPI總線讀取Hx和Hy值；5)校準 Hx 和 Hy 值；6)計算夾角Q ；7)顯示屏指示偏角范圍；8)通過串口主動發(fā)出航向角，返回步驟4)。
權(quán)利要求一種移動機器人航位角推算裝置，其特征是，它包括地磁場檢測電路，用于輸出同地磁場沿載體坐標系分量成正比的差分電壓模擬信號；信號調(diào)理電路，用于把上述模擬電壓信號進行放大、濾波；A/D轉(zhuǎn)換電路，用于把信號調(diào)理電路調(diào)理過的模擬電壓信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換；中央控制電路，對A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號數(shù)字濾波，進行數(shù)值計算、誤差校正，準確得出航向角，將數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上；同時中央控制電路與串口通信電路連接，串口通信電路與交互接口連接；電源模塊為所述各電路供電。
2.如權(quán)利要求1所述的移動機器人航位角推算裝置，其特征是，所述地磁場檢測電路 為二維磁阻傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的移動機器人航位角推算裝置，其特征是，所述電源模塊為DC/DC 隔離電源模塊，它直接為液晶屏、中央控制電路和串口通信電路供電；同時，電源模塊還經(jīng) 兩個基準穩(wěn)壓電路分別為A/D轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路供電。
4.如權(quán)利要求1或3所述的移動機器人航位角推算裝置，其特征是，所述串口通信電路 為 RS232 接口。專利摘要本實用新型涉及一種移動機器人航位角推算裝置。它包括地磁場檢測電路，用于輸出同地磁場沿載體坐標系分量成正比的差分電壓模擬信號；信號調(diào)理電路，用于把上述模擬電壓信號進行放大、濾波；A/D轉(zhuǎn)換電路，用于把信號調(diào)理電路調(diào)理過的模擬電壓信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換；中央控制電路，對A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號數(shù)字濾波，進行數(shù)值計算、誤差校正，準確得出航向角，將數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上；同時中央控制電路與串口通信電路連接，串口通信電路與交互接口連接；電源模塊為所述各電路供電。它具有體積小、低功耗、易于安裝，且溫度特性好、實時性和抗干擾能力強、誤差不隨時間積累性價比較高的優(yōu)點。
文檔編號G01C21/08GK201637415SQ20102017211
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者孫大慶, 張峰, 楊墨, 欒貽青, 王海鵬, 王飛, 肖鵬 申請人:山東魯能智能技術(shù)有限公司