一種基于三電磁傳感器的機(jī)器人導(dǎo)航方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于三電磁傳感器的機(jī)器人導(dǎo)航方法，目的是克服雙對(duì)稱(chēng)電磁傳感器導(dǎo)航存在的精度低、參數(shù)多且設(shè)計(jì)復(fù)雜等不足。本發(fā)明以中間傳感器的數(shù)值與其最大值的差作為機(jī)器人偏離軌道的大小，并根據(jù)左、右傳感器的差值與偏離電磁軌道方向閾值的差的正負(fù)判斷機(jī)器人偏離電磁軌道的方向，將偏離軌道的大小與偏離軌道的方向合成機(jī)器人移動(dòng)控制器的誤差信號(hào)，控制機(jī)器人向著減小誤差的方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的電磁導(dǎo)航。本發(fā)明簡(jiǎn)化了邊界閾值等參數(shù)的設(shè)計(jì)及測(cè)量，減小了引入隨機(jī)誤差的概率；避免了由于傳感器性能不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的影響，提高了機(jī)器人電磁導(dǎo)航的精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于三電磁傳感器的機(jī)器人導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，涉及一種機(jī)器人導(dǎo)航方法，利用三個(gè)電磁傳感器檢測(cè)機(jī)器人偏離電磁軌道的大小與方向，引導(dǎo)機(jī)器人沿著電磁軌道移動(dòng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，應(yīng)用于機(jī)器人中的電磁軌道檢測(cè)裝置多為偶數(shù)個(gè)“工”字形電感，并且水平對(duì)稱(chēng)地分布在軌道上方兩側(cè)，利用對(duì)稱(chēng)位置的電磁傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度的差值確定偏離軌道大小。理想狀態(tài)時(shí)左右對(duì)稱(chēng)位置傳感器各參數(shù)嚴(yán)格相同，此時(shí)傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小差值與位置關(guān)系如圖1所示。黑色加粗的曲線可以表征機(jī)器人相對(duì)電磁軌道的位置，黑色加粗曲線端點(diǎn)作為邊界閾值。由于對(duì)稱(chēng)位置傳感器實(shí)際工作性能不可能完全相同，磁場(chǎng)強(qiáng)度差值與位置關(guān)系曲線將發(fā)生扭曲，如圖2所示。磁場(chǎng)強(qiáng)度差值與位置關(guān)系曲線不再通過(guò)零點(diǎn)，并且曲線非中心對(duì)稱(chēng)，峰值之間的曲線不再能夠?qū)ΨQ(chēng)的反應(yīng)機(jī)器人與電磁軌道的相對(duì)位置關(guān)系。例如，機(jī)器人從左側(cè)偏離電磁軌道2cm與機(jī)器人從右側(cè)偏離電磁軌道2cm，在這種對(duì)稱(chēng)的位置的條件下，左右傳感器的差值的大小卻不相等，這就降低了機(jī)器人控制的精度。除此之外，在曲線非中心對(duì)稱(chēng)情況下設(shè)計(jì)中心差值參數(shù)時(shí)，需要使機(jī)器人中線與電磁軌道重合，但實(shí)際過(guò)程中需要人為放置機(jī)器人，難以做到精確地將機(jī)器人中線與電磁軌道重合，所以會(huì)引入隨機(jī)誤差。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度差值與位置關(guān)系曲線在第一與第三象限均存在峰值，所以當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)偏離出峰值位置時(shí)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的位置信息，故需要在峰值之間分別設(shè)計(jì)兩個(gè)邊界閾值，但又由于曲線非中心對(duì)稱(chēng)，所以需要在軌道兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)閾值，因此會(huì)引入隨機(jī)誤差。綜上所述，人為設(shè)定的參數(shù)數(shù)量增多，使裝置引入的隨機(jī)誤差的概率增大降低了機(jī)器人電磁導(dǎo)航的精度，而且測(cè)定參數(shù)時(shí)過(guò)程較為復(fù)雜。
[0003]申請(qǐng)?zhí)枮?00810234556.1的發(fā)明專(zhuān)利“自動(dòng)引導(dǎo)小車(chē)的無(wú)接觸供電及導(dǎo)航裝置”，提出了一種利用雙對(duì)稱(chēng)電磁傳感器對(duì)車(chē)輛進(jìn)行電磁導(dǎo)航的技術(shù)，但是仍存在導(dǎo)航精度低、閾值參數(shù)多且設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題，該方法應(yīng)用到機(jī)器人電磁導(dǎo)航領(lǐng)域仍然難以滿(mǎn)足對(duì)精度的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)采用雙對(duì)稱(chēng)電磁傳感器導(dǎo)航存在的精度低、參數(shù)多且設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于三電磁傳感器的機(jī)器人導(dǎo)航方法，不再利用對(duì)稱(chēng)位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度的差值來(lái)表示機(jī)器人相對(duì)電磁軌道的位置，而是利用磁場(chǎng)強(qiáng)度與位置曲線嚴(yán)格軸對(duì)稱(chēng)的特性表示機(jī)器人相對(duì)電磁軌道位置，簡(jiǎn)化了邊界閾值參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)設(shè)計(jì)方法及中心位置的標(biāo)定過(guò)程，提高了機(jī)器人電磁導(dǎo)航精度。
[0005]機(jī)器人導(dǎo)航裝置主要由電磁軌道、電磁傳感器、信號(hào)放大器、移動(dòng)控制器組成。電磁軌道采用漆包線鋪設(shè)，在漆包線中通有正弦交變電流，在軌道周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)。電磁傳感器從電磁軌道感應(yīng)電磁信號(hào)，經(jīng)放大后送到移動(dòng)控制器，形成反映機(jī)器人偏離電磁軌道的誤差控制信號(hào)，控制機(jī)器人向消除誤差的方向移動(dòng)。[0006]本發(fā)明的電磁傳感器由三個(gè)“工”字形電感直線一字水平排列，中間傳感器位于機(jī)器人中軸線上，其它兩個(gè)電磁傳感器對(duì)稱(chēng)分布于機(jī)器人中軸線兩側(cè)。
[0007]下面給出利用上述導(dǎo)航裝置進(jìn)行導(dǎo)航的原理。
[0008]傳感器從電磁軌道檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度隨著機(jī)器人偏離電磁軌道中心的程度變化，當(dāng)傳感器位于電磁軌道中心時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度最大；當(dāng)傳感器偏離電磁軌道中心時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度逐漸變小，偏離越遠(yuǎn)，信號(hào)越弱，而且變化趨勢(shì)左右嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)，如圖3所示。因此，傳感器檢測(cè)到的信號(hào)偏離最大值的程度可以作為機(jī)器人偏離電磁軌道的大小。進(jìn)行機(jī)器人電磁導(dǎo)航時(shí)需要測(cè)量判定軌道邊界的閾值，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到軌道邊界時(shí)，需要以最大轉(zhuǎn)角并保持上一時(shí)刻的回正方向前進(jìn)，使機(jī)器在有限時(shí)間內(nèi)可以回到允許運(yùn)行范圍內(nèi)。因?yàn)榍€嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)，所以在選取邊界閾值時(shí)只需要在曲線上的單邊進(jìn)行測(cè)定，該閾值也適用于另一側(cè)的對(duì)稱(chēng)位置。 [0009]由于中間傳感器位于機(jī)器人中軸線上，另外兩個(gè)分別位于機(jī)器人中軸線左右兩偵牝以中間傳感器檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度偏離最大值的程度表示機(jī)器人偏離電磁軌道的大小，以左右傳感器檢測(cè)到的信號(hào)差表不偏離的方向(偏向左或偏向右)。中間傳感器信號(hào)強(qiáng)度最大時(shí)，表示機(jī)器人的中線與軌道中線重合，此時(shí)將左右傳感器的差值作為機(jī)器人偏離電磁軌道方向的臨界值，大于此差值時(shí)，表示機(jī)器人偏離電磁軌道，而且位于軌道右側(cè)；小于此差值時(shí)，表示機(jī)器人偏離電磁軌道，且位于軌道左側(cè)。導(dǎo)航裝置的移動(dòng)控制器將偏離軌道的大小與偏離軌道的方向合成機(jī)器人偏離軌道的誤差信號(hào)，控制機(jī)器人向著減小誤差的方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的電磁導(dǎo)航。
[0010]一種基于三電磁傳感器的機(jī)器人導(dǎo)航方法，具體包括以下幾個(gè)步驟:
[0011]步驟一，電磁軌道通電，啟動(dòng)機(jī)器人，將機(jī)器人從軌道一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，與此同時(shí)記錄各個(gè)傳感器通道采集到的信號(hào)強(qiáng)度。
[0012]步驟二，求中間傳感器通道采集信號(hào)的最大值，即機(jī)器人中心軸線與電磁軌道中心線重合時(shí)中間傳感器通道采集信號(hào)的值。
[0013]步驟三，求出機(jī)器人中心軸線與電磁軌道中心線重合時(shí)左、右傳感器通道采集信號(hào)的差值S ^，作為判定機(jī)器人偏離電磁軌道方向閾值。
[0014]步驟四，求出機(jī)器人處于軌道一側(cè)邊界位置時(shí)中間傳感器通道采集信號(hào)的數(shù)值，此值作為機(jī)器人電磁導(dǎo)航的邊界閾值，對(duì)應(yīng)圖3黑色加粗曲線端點(diǎn)，且適用于另一側(cè)。
[0015]步驟五，以中間傳感器的數(shù)值與其最大值的差作為機(jī)器人偏離軌道的大小，并根據(jù)左、右傳感器的差值與偏離電磁軌道方向閾值\的差的正負(fù)判斷機(jī)器人偏離電磁軌道的方向。將偏離軌道的大小與偏離軌道的方向合成機(jī)器人移動(dòng)控制器的誤差信號(hào)，控制機(jī)器人向著減小誤差的方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的電磁導(dǎo)航。
[0016]當(dāng)中間傳感器采集到的信號(hào)數(shù)字量大小小于δ I時(shí)，表明機(jī)器人已超出邊界，控制機(jī)器人以最大轉(zhuǎn)向并按照上一時(shí)刻的回正方向前進(jìn)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0018](I)利用中間傳感器的對(duì)稱(chēng)特性得到機(jī)器人偏離電磁軌道大小，簡(jiǎn)化了邊界閾值等參數(shù)的設(shè)計(jì)及測(cè)量，減小了引入隨機(jī)誤差的概率；
[0019]( 2)通過(guò)比較左右水平放置的傳感器信號(hào)的差值與機(jī)器人偏離軌道方向閾值的大小判斷機(jī)器人偏離軌道的方向，避免了由于傳感器性能不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的影響，提高了機(jī)器人電磁導(dǎo)航的精度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為理想的磁場(chǎng)強(qiáng)度差值與位置關(guān)系曲線；
[0021]圖2為實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度差值與位置關(guān)系曲線；
[0022]圖3為磁場(chǎng)強(qiáng)度與位置關(guān)系曲線；
[0023]圖4為本發(fā)明電磁傳感器布置前視圖；
[0024]圖5為本發(fā)明電磁傳感器布置俯視圖；
[0025]圖6為本發(fā)明所涉及的機(jī)器人導(dǎo)航方法流程圖；
[0026]圖7為本發(fā)明與傳統(tǒng)方法機(jī)器人導(dǎo)航的誤差曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0028]機(jī)器人導(dǎo)航裝置包括電磁軌道、電磁傳感器、信號(hào)放大器和移動(dòng)控制器，其中，
[0029]電磁軌道采用漆包線鋪設(shè)，漆包線的直徑為0.3mm，漆包線中通有頻率為20kHz，大小為100mA±20mA的正弦交變電流，在電磁軌道周?chē)a(chǎn)生20kHz的交變電磁場(chǎng)。
[0030]電磁傳感器由三個(gè)IOmH的“工”字形電感線圈組成，直線一字水平排列，左端到右端距離為10cm，如圖5、6所示。每個(gè)電感與6.8nF的電容并聯(lián)，形成LC諧振回路，諧振頻率為20kHz。由于電磁軌道的頻率也為20kHz，故在電磁傳感器的LC回路中產(chǎn)生諧振，使檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度最大。
[0031]本發(fā)明所述的機(jī)器人導(dǎo)航方法流程圖如圖6所示，具體包括以下幾個(gè)步驟:
[0032]步驟一，給電磁軌道加電，啟動(dòng)機(jī)器人，將機(jī)器人從軌道一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，同時(shí)記錄各個(gè)傳感器通道采集到的信號(hào)強(qiáng)度。
[0033]步驟二，求出中間傳感器通道信號(hào)強(qiáng)度的最大值，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為140，對(duì)應(yīng)模擬電壓為2.734V。
[0034]步驟三，求出機(jī)器人中心軸線與電磁軌道中心線重合時(shí)，即中間傳感器檢測(cè)到信號(hào)數(shù)字量為140時(shí)，左、右傳感器通道采集信號(hào)的數(shù)字量差值Stl=H,作為判定機(jī)器人偏離電磁軌道方向閾值。
[0035]步驟四，求出機(jī)器人處于軌道一側(cè)邊界位置時(shí)中間傳感器通道采集信號(hào)的數(shù)字量δ1=60，此值作為機(jī)器人電磁導(dǎo)航的邊界閾值，對(duì)應(yīng)圖3黑色加粗曲線端點(diǎn)，且適用于另一側(cè)。
[0036]步驟五，機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中以中間傳感器實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)數(shù)字量與其最大值的差作為機(jī)器人偏離軌道的大小，并根據(jù)左、右傳感器實(shí)時(shí)采集的信號(hào)數(shù)字量差值與偏離電磁軌道方向閾值S C1的差的正負(fù)判斷機(jī)器人偏離電磁軌道的方向，將偏離軌道的大小與偏離軌道的方向合成機(jī)器人移動(dòng)控制器的輸入誤差信號(hào)，控制機(jī)器人向著減小誤差的方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的電磁導(dǎo)航。
[0037]下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較本發(fā)明所述的三電磁傳感器導(dǎo)航方法與傳統(tǒng)的雙電磁傳感器導(dǎo)航方法的導(dǎo)航效果。實(shí)驗(yàn)分為機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)兩種情況，每種情況行駛200cm，每IOcm采樣一次誤差。兩種方法的誤差曲線如圖7所示，實(shí)線為本發(fā)明所述方法的誤差曲線，虛線為傳統(tǒng)方法的誤差曲線。由圖7可知，機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)航誤差小于機(jī)器人做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)的誤差。但不管是直線運(yùn)動(dòng)還是曲線運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明所述方法的誤差均小于傳統(tǒng)方法的誤差，也就是說(shuō)本發(fā)明提高了機(jī)器人電磁導(dǎo)航的精度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三電磁傳感器的機(jī)器人導(dǎo)航方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，電磁軌道通電，啟動(dòng)機(jī)器人，將機(jī)器人從軌道一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，與此同時(shí)記錄各個(gè)傳感器通道采集到的信號(hào)強(qiáng)度； 步驟二，求中間傳感器通道采集信號(hào)的最大值，即機(jī)器人中心軸線與電磁軌道中心線重合時(shí)中間傳感器通道采集信號(hào)的值； 步驟三，求出機(jī)器人中心軸線與電磁軌道中心線重合時(shí)左、右傳感器通道采集信號(hào)的差值，作為判定機(jī)器人偏離電磁軌道方向閾值δ ^ ; 步驟四，求出機(jī)器人處于軌道一側(cè)邊界位置時(shí)中間傳感器通道采集信號(hào)的數(shù)值，此值作為機(jī)器人電磁導(dǎo)航的邊界閾值； 步驟五，以中間傳感器的數(shù)值與其最大值的差作為機(jī)器人偏離軌道的大小，并根據(jù)左、右傳感器的差值與偏離電磁軌道方向閾值\的差的正負(fù)判斷機(jī)器人偏離電磁軌道的方向；將偏離軌道的大小與偏離軌道的方向合成機(jī)器人移動(dòng)控制器的誤差信號(hào)，控制機(jī)器人向著減小誤差的方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的電磁導(dǎo)航。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三電磁傳感器的機(jī)器人導(dǎo)航方法，其特征在于，所述三個(gè)電磁傳感器由一字水平排列，中間傳感器位于機(jī)器人中軸線上，其它兩個(gè)電磁傳感器對(duì)稱(chēng)分布于機(jī)器人中軸線兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三電磁傳感器的機(jī)器人導(dǎo)航方法，其特征在于，所述一側(cè)的邊界閾值也適用于另一側(cè)。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK103699123SQ201310631937
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】董政胤, 賈松敏, 李秀智 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)