申请/专利权人：厦门大学嘉庚学院

申请日：2018-07-03

公开（公告）日：2021-04-27

公开（公告）号：CN109062199B

主分类号：G05D1/02(20200101)

分类号：G05D1/02(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.27#授权;2019.01.15#实质审查的生效;2018.12.21#公开

摘要：本发明提出一种磁导航传感器系统及其控制方法，其装置的特征在于，相连接的信号采集模块和单片机；所述信号采集模块包括16路信号采集单元；每一路所述信号采集单元包括：相连接的霍尔传感器和放大电路；16路所述霍尔传感器位于同一平面，且呈直线排列并朝向地面；每个所述霍尔传感器、放大电路，以及单片机，分别由电源模块单独供电；所述霍尔传感器连接有温度补偿电路；所述单片机包括数模转换器和模数转换器；所述单片机连接有按键输入装置和显示屏、并与AGV主控制器通过串口和或CAN总线连接。本发明采用的温度补偿方式结构简单效果好，放大电路性能优越，并通过电压差值的计算和权值滤波的方法很好地解决了温漂和噪声干扰等难题。

主权项：1.一种磁导航传感器系统的控制方法，其特征在于，包括：相连接的信号采集模块和单片机；所述信号采集模块包括16路信号采集单元；每一路所述信号采集单元包括：相连接的霍尔传感器和放大电路；16路所述霍尔传感器位于同一平面，且呈直线排列并朝向地面；每个所述霍尔传感器、放大电路，以及单片机，分别由电源模块单独供电；所述霍尔传感器连接有温度补偿电路；所述单片机包括数模转换器和模数转换器；所述单片机连接有按键输入装置和显示屏、并与AGV主控制器通过串口和或CAN总线连接；所述霍尔传感器采用HW108A霍尔元件；所述温度补偿电路包括连接霍尔传感器的热敏电阻；所述放大电路采用三个LM2904构成的仪表放大器；所述单片机为：STM32F103微控制器；所述电源模块采用锂聚合物电池组，MP1584en、AMS1117作为电源芯片；所述显示屏为OLED显示屏；所述电源模块中，两个MP1584en将12V电源电压降压至5V，一路供给所述放大电路，另一路作为AMS1117-3.3V及AMS1117-1.2V的输入端；所述AMS1117-3.3V将电压降至3.3V为为单片机及显示屏供电；所述AMS1117-1.2V将电压降至1.2V为霍尔传感器供电；其控制方法为，每一路所述霍尔传感器采集的电压信号经放大电路放大后，再经模数转换器得到电压值的数字量，所述电压值的数字量经数模转换器得到模拟电压值，其特征在于，包括以下步骤：步骤A1：在运行前，分别获取每一路有磁场状态下的模拟电压值CCi和无磁场状态下的模拟电压值MMi；步骤A2：计算16路有无磁场电压差的平均值：步骤A3：获得每一路实际电压上限差值与下限差值：电压上限差值为：add[i]＝CCi-MMiVol*ad；电压下限差值为：vdd[i]＝CCi-MMiVol*vd；其中，ad为预设的灵敏度的上限差值,vd为预设的灵敏度的下限差值；步骤A4：在运行过程中，实时获取每一路的模拟电压值Adcxi：Adcxi＝Adci×3.34096+temperuate_comp其中，temperuate_comp为温度补偿系数，Adci为每一路的电压值的数字量，3.3为单片机的供电电压数值，4096为单片机中的12位ADC模块的分辨率值；步骤A5：计算每一路模拟电压值Adcxi与无磁场状态下的模拟电压值MMi的差值：Adcxxi＝Adcxi-MMi；步骤A6：对每一路的模拟电压差值Adcxxxi进行权值滤波：Adcxxxi＝Adcxxi-1×0.15+Adcxxi+1×0.15+Adcxxi×0.7，i＝1,…,14；Adcxxx0＝Adcxx0×0.9+Adcxx1×0.1；Adcxxx15＝Adcxx15×0.9+Adcxx14×0.1；步骤A7：输出每一路所述霍尔传感器是否检测到磁场的判断结果：若Adcxxxi＞Addi，则OUTi＝1，表示检测到磁场；若Adcxxxi＜Vddi，则OUTi＝0，表示未检测到磁场。

全文数据：磁导航传感器系统及其控制方法技术领域本发明属于磁导航传感器领域，尤其涉及一种能够精确探测磁条位置的磁导航传感器系统及其控制方法。背景技术AGV在实际生产中的应用日益广泛，引导技术是AGV的关键技术之一。目前常用的导引方式有磁导引、激光导引、视觉导引等。激光导引式AGV能够对小车进行精确的定位，且地面无需其他定位设施，行驶路径可灵活改变。但其投资成本高，且对环境要求较苛刻。视觉导引式AGV精度不是很高，多需要其他定位系统进行辅助，且投资成本高。磁导引AGV传感器能够通过检测预铺设的磁条或磁钉产生的磁场得到小车的的位置或姿态信息，灵活性比较好，成本低、使用寿命长，维护费用低，施工简易、施工周期短；改变或扩充路径较容易，磁带铺设也相对简单，后期增加或更改AGV线路，只需要粘贴新磁带；导引原理简单且技术成熟，稳定性强，便于控制通讯；通过磁感应信号定位，对声光无干扰，可靠性高，拥有很好的鲁棒性，投资成本也低很多。但市场上的磁条导引检测装置通用性差，而且市场上的传感器较多采用多路IO数字量方式输出，不能获得精确的偏移距离。日本的MACOME公司设计的GS系列传感器能够输出与偏移距离相关的模拟电压，但其成本较高。AGV磁导航传感器常装置于搬运机器人，机器人通过检测预铺在地面的磁带产生的感应信号实现引导，从而实现智能搬运，解放劳动力。磁导航系统的优点在于定位精确且导航灵活性高。但是，目前市场的磁条导引检测装置通用性差，已上市的传感器普遍存在对温漂和噪声干扰处理不足的状况，导致磁导航的优良性能难以充分发挥，且能够获取精确偏移距离的传感器价格较高。发明内容本发明在硬件上设计了高精度的电磁信号放大电路、控制方法上设计了改进的温漂及滤波算法，从而提高了磁导航系统精度及温度适应性。针对现有技术存在的不足和空白，本发明采用以下技术方案：一种磁导航传感器系统，其特征在于，包括：相连接的信号采集模块和单片机；所述信号采集模块包括16路信号采集单元；每一路所述信号采集单元包括：相连接的霍尔传感器和放大电路；16路所述霍尔传感器位于同一平面，且呈直线排列并朝向地面；每个所述霍尔传感器、放大电路，以及单片机，分别由电源模块单独供电；所述霍尔传感器连接有温度补偿电路；所述单片机包括数模转换器和模数转换器；所述单片机连接有按键输入装置和显示屏、并与AGV主控制器通过串口和或CAN总线连接。进一步地，所述霍尔传感器采用HW108A霍尔元件；所述温度补偿电路包括连接霍尔传感器的热敏电阻；所述放大电路采用三个LM2904构成的仪表放大器。进一步地，所述单片机为：STM32F103微控制器；所述电源模块采用锂聚合物电池组，MP1584en、AMS1117作为电源芯片；所述显示屏为OLED显示屏。进一步地，所述电源模块中，两个MP1584en将12V电源电压降压至5V，一路供给所述放大电路，另一路作为AMS11173.3V及AMS11171.2V的输入端；所述AMS11173.3V将电压降至3.3V为为单片机及显示屏供电；所述AMS11171.2V电压降至1.2V为霍尔传感器供电。进一步地，所述信号采集模块、单片机、按键输入装置和显示屏设置在同一面板上，相邻两路所述霍尔传感器的间距为1cm。优选地，所述单片机的IO口连接LED。根据本发明装置优选方案的控制方法，每一路所述霍尔传感器采集的电压信号经放大电路放大后，再经模数转换器得到电压值的数字量，所述电压值的数字量经数模转换器得到模拟电压值，其特征在于，包括以下步骤：步骤A1：在运行前，分别获取每一路有磁场状态下的模拟电压值CCi和无磁场状态下的模拟电压值MMi；步骤A2：计算16路有无磁场电压差的平均值：步骤A3：获得每一路实际电压上限差值与下限差值：电压上限差值为：add[i]＝CCi-MMiVol*ad；电压下限差值为：vdd[i]＝CCi-MMiVol*vd；其中，ad为预设的灵敏度的上限差值,vd为预设的灵敏度的下限差值；步骤A4：在运行过程中，实时获取每一路的模拟电压值Adcxi：Adcxi＝Adci×3.34096+temperuate_comp其中，temperuate_comp为温度补偿系数，Adci为每一路的电压值的数字量，3.3为单片机的供电电压数值，4096为单片机中的12位ADC模块的分辨率值；步骤A5：计算每一路模拟电压值Adcxi与无磁场状态下的模拟电压值MMi的差值：Adcxxi＝Adcxi-MMi；步骤A6：对每一路的模拟电压差值Adcxxxi进行权值滤波：Adcxxxi＝Adcxxi-1×0.15+Adcxxi+1×0.15+Adcxxi×0.7，i＝1,…,14；Adcxxx0＝Adcxx0×0.9+Adcxx1×0.1；Adcxxx15＝Adcxx15×0.9+Adcxx14×0.1；步骤A7：输出每一路所述霍尔传感器是否检测到磁场的判断结果：若Adcxxxi＞Addi，则OUTi＝1，表示检测到磁场；若Adcxxxi＜Vddi，则OUTi＝0，表示未检测到磁场。优选地，ad的取值为：0.035V；vd的取值为0.032V。优选地，temperuate_comp的取值为0。本发明采用的温度补偿方式结构简单效果好，放大电路性能优越，具有低温度漂移和高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移、增益设置灵活和使用方便等特点；并通过电压差值的计算和权值滤波的方法很好地解决了温漂和噪声干扰等难题。本发明对周围环境温度变化的敏感度低、温度补偿输出量精准度高，可扩展性高，实用性强，且无需支出过多成本。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：图1为本发明实施例安装面板结构示意图；图2为本发明实施例装置结构示意图；图3为本发明实施例放大电路结构示意图；图4为本发明实施例5V电源电路结构示意图；图5为本发明实施例3.3V电源电路结构示意图；图6为本发明实施例1.2V电源电路结构示意图；图7为本发明实施例距离固定、温度变化时模拟电压输出曲线示意图；图8为本发明实施例距离固定、温度变化时模拟电压差曲线示意图；图9为本发明实施例控制方法流程示意图；图中：1-霍尔传感器，2-温度补偿电路，3-放大电路，4-单片机，5-按键输入装置，6-显示屏；7-电源模块，71-5V电源电路，72-3.3V电源电路，73-1.2V电源电路，74-供电接口，8-AGV主控制器。具体实施方式为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：如图1所示，电源由供电接口74接入，由5V电源电路71的MP1584降为5V为放大电路提供电源,再由3.3V电源电路72的LM11173.3V降为3.3V供单片机4和OLED显示屏6使用，1.2V电源电路73的LM11171.2V提供1.2V电压给霍尔传感器1HW108A使用。面板上的16个霍尔传感器1安装在同一水平面上且呈直线排列并朝向地面，以尽可能减少装配误差以免影响传感器的数据精度，相邻两路霍尔传感器的优选间距为1cm；对应的16路信号放大电路3在布板方面应该尽量靠近霍尔传感器1，尽量减少走线过长对信号的干扰。面板上的按键输入装置5用于灵敏度和上下限差值的调节。如图2所示，16路霍尔传感器1的每一路中，霍尔传感器1经放大电路3接入单片机4；霍尔传感器1还连接有温度补偿电路2，每一路的霍尔传感器1、放大电路3，以及单片机4，分别由电源电路7单独供电；本实施例采用的单片机4带有数模转换器和模数转换器；单片机4还连接有按键输入装置5和显示屏6、并与AGV主控制器8通过串口和或CAN总线连接，以向AGV的主控制系统提供实时的磁场探测信息，单片机4的IO口连接LED。本实施例的单片机采用STM32F103微控制器。其中放大电路3通过对霍尔电势进行比例放大转换为标准的电压信号输出，这样通过检测输出电压信号的大小和被测电流的大小，以达到测量电流信号的目的。霍尔传感器1利用霍尔效应原理实现电—磁—电转换，达到输入与输出隔离作用。直测式霍尔传感器主要采用砷化镓类型的霍尔元件，其霍尔系数及器件等效输入输出阻抗都会随温度发生变化。温漂的主要影响因素为霍尔系数K，所以为了使输出的霍尔电势V稳定，必须减少由K带来的负向漂移影响。通过提高对应驱动电流I实现KI恒定。因此，温度补偿电路2采用热敏电阻分流实现恒流补偿方法。分流电阻阻值R以及所需的温度系数β可由公式计算。其中，γ为霍尔元件温度系数，Rin为其输入电阻，霍尔电势的温度系数为α。如图3所示，在本实施例中，霍尔传感器1采用HW108A霍尔元件；温度补偿电路2包括连接霍尔传感器1的热敏电阻Rt。放大电路采用三个LM2904构成的三运放仪表放大器，将霍尔传感器1HW108A输出的电压信号放大。LM2904支持单电源供电3V至30V，具有较宽的输入电压范围，具有较大的工作温度范围，低至-40℃，最高可达125℃。低功耗电流使其适用于电池供电，这使得整个AGV磁导航传感器可灵活运用于各种室外环境。LM2904低廉的价格也使得整个传感器的成本降低。三运放仪表放大器指的是三个普通运算放大器构成低失调电压、高共模抑制比，高输入电阻的仪表放大器，可以进行弱信号检测放大的，具有比单运放放大电路更强的抗干扰能力。本实施例的三运放仪表放大器电路的差模增益为：若取RF＝R7＝100kΩ,放大倍数可达210倍，若增大RF，R7的阻值，差模增益将会更大，足以将霍尔元件输出的小信号放大至AD模块可处理的电压范围。在本实施例中，电源模块采用锂聚合物电池组，MP1584en、AMS1117作为电源芯片。如图4-图6所示，在电源模块中，两个MP1584en分别构成2个5V电源电路71，将12V电源电压降压至5V，一路供给放大电路3，另一路作为3.3V电源电路72及1.2V电源电路73的输入端；在.3V电源电路72中，AMS11173.3V将电压降至3.3V为为单片机4及OLED显示屏6供电；在1.2V电源电路73中AMS11171.2V电压降至1.2V为霍尔传感器1供电。本实施例在传感器硬件电路的基础上，通过实验测试霍尔传感器1与磁条之间，在固定距离不同分别为距离磁条20mm、40mm、60mm和无磁条温度的情况下，模拟电压值单位：mV的输出，得到测试数据如下表格表1，绘制成曲线，如图7所示：环境温度2025303540455020mm300130413053307530793084308640mm293829422967297629943010303060mm2922292329382956297429903001无磁条2888289729222935295029732981单片机测得温度16.221.6226.1131.9136.642.8947.09表1可以看到，在远离磁条或者无磁条时，随着温度的从20度到50度变化，模拟电压从2.888V到2.981V变化，呈上升趋势。距离磁条越远，霍尔感应到的电压就越弱；环境温度越低，霍尔元件感应到的电压也越弱。特别是，当距离磁条40mm和60mm时，单纯从电压值上，难以判断有无磁条。可见，在环境温度不同的情况下，使用模拟电压输出的绝对值无法确定霍尔传感器是否检测到磁条。将距离磁条60mm、40mm、20mm的模拟电压值与无磁条时的模拟电压输出值相减，得到电压差值如表2和图8所示。可以看到，在不同温度的情况下，电压差值基本上落在一个可以预测的区间内。在本实施例中，经过综合考量，霍尔传感器1与磁条的距离为60mm时，电压差值在大于20mv时，可以认定是检测到磁条；磁条距离为40mm时，电压差值大于41mv时，可以认为检测到磁条；磁条距离为20mm时，电压差值大于1.05V时，可以认为检测到磁条。环境温度2025303540455020mm11314413114012911110540mm5045454144374960mm34261621241720表2在本实施例中，认为霍尔传感器1与磁条的间距大于60mm即为无磁条状态，根据上述两个表格的数据，可以得到一个预设的电压差的上、下限阈值。如图9所示，在本实施例装置的控制方法中，每一路霍尔传感器1采集的电压信号经放大电路3放大后，再经单片机4中的模数转换器得到电压值的数字量，电压值的数字量经单片机4中的数模转换器得到模拟电压值，主要包括以下步骤：由于16路霍尔传感器1及其各自的信号放大电路3在性能有存在微小差异，因此需要分别实际装配时16路电压差值的上限和下限。计算电压上、下限差值的算法如下：步骤A1：在运行前，分别获取每一路有磁场状态下的模拟电压值CCi和无磁场状态下的模拟电压值MMi；步骤A2：计算16路有无磁场电压差的平均值：步骤A3：获得每一路实际电压上限差值与下限差值：电压上限差值为：add[i]＝CCi-MMiVol*ad；电压下限差值为：vdd[i]＝CCi-MMiVol*vd；其中，ad为预设的灵敏度的上限差值,vd为预设的灵敏度的下限差值；在本实施例中，ad的取值为：0.035V；vd的取值为0.032V，ad与vd设置的依据是表2和图8中的差值数据。根据实际应用时的需求，灵敏度的上、下限差值可以灵活调整。步骤A4：在运行过程中，实时获取每一路的模拟电压值Adcxi：Adcxi＝Adci×3.34096+temperuate_comp其中，temperuate_comp为温度补偿系数，Adci为每一路的电压值的数字量，范围为0～65535，3.3为单片机的供电电压数值，单位是V，4096为单片机中的12位ADC模块的分辨率值；据表2中测试数据，可以看到电压差值对温度并不敏感，因此可设置为0。步骤A5：计算每一路模拟电压值Adcxi与无磁场状态下的模拟电压值MMi的差值：Adcxxi＝Adcxi-MMi；步骤A6：为了尽量减小各路元件的差异性的影响，对每一路的模拟电压差值Adcxxxi进行权值滤波：Adcxxxi＝Adcxxi-1×0.15+Adcxxi+1×0.15+Adcxxi×0.7，i＝1,…,14；Adcxxx0＝Adcxx0×0.9+Adcxx1×0.1；Adcxxx15＝Adcxx15×0.9+Adcxx14×0.1；即第i路的滤波权值取0.7，相邻的第i-1路和第i+1路权值取0.15；在第0路和第15路本身的权值取0.9，相邻路的权值取0.1。步骤A7：输出每一路霍尔传感器是否检测到磁场的判断结果：若Adcxxxi＞Addi，则OUTi＝1，表示检测到磁场：若实际电压的差值大于装配时的电压差值上限，则表示第i路霍尔传感器1检测到磁条。此时，用单片机4对连接LED的IO口进行置位操作，用于提示检测到磁条。若Adcxxxi＜Vddi，则OUTi＝0，表示未检测到磁场：若实际电压的差值小于装配时的电压差值下限，表示第i路霍尔传感器1没有器检测到磁条。此时，用单片机4对连接LED的IO口进行复位操作，用于提示没有检测到磁条。本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的磁导航传感器系统及其控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

权利要求：1.一种磁导航传感器系统，其特征在于，包括：相连接的信号采集模块和单片机；所述信号采集模块包括16路信号采集单元；每一路所述信号采集单元包括：相连接的霍尔传感器和放大电路；16路所述霍尔传感器位于同一平面，且呈直线排列并朝向地面；每个所述霍尔传感器、放大电路，以及单片机，分别由电源模块单独供电；所述霍尔传感器连接有温度补偿电路；所述单片机包括数模转换器和模数转换器；所述单片机连接有按键输入装置和显示屏、并与AGV主控制器通过串口和或CAN总线连接。2.根据权利要求1所述的磁导航传感器系统，其特征在于：所述霍尔传感器采用HW108A霍尔元件；所述温度补偿电路包括连接霍尔传感器的热敏电阻；所述放大电路采用三个LM2904构成的仪表放大器。3.根据权利要求2所述的磁导航传感器系统，其特征在于：所述单片机为：STM32F103微控制器；所述电源模块采用锂聚合物电池组，MP1584en、AMS1117作为电源芯片；所述显示屏为OLED显示屏。4.根据权利要求3所述的磁导航传感器系统，其特征在于：所述电源模块中，两个MP1584en将12V电源电压降压至5V，一路供给所述放大电路，另一路作为AMS11173.3V及AMS11171.2V的输入端；所述AMS11173.3V将电压降至3.3V为为单片机及显示屏供电；所述AMS11171.2V电压降至1.2V为霍尔传感器供电。5.根据权利要求1所述的磁导航传感器系统，其特征在于：所述信号采集模块、单片机、按键输入装置和显示屏设置在同一面板上，相邻两路所述霍尔传感器的间距为1cm。6.根据权利要求1所述的磁导航传感器系统，其特征在于：所述单片机的IO口连接LED。7.一种根据权利要求4所述磁导航传感器系统的控制方法，每一路所述霍尔传感器采集的电压信号经放大电路放大后，再经模数转换器得到电压值的数字量，所述电压值的数字量经数模转换器得到模拟电压值，其特征在于，包括以下步骤：步骤A1：在运行前，分别获取每一路有磁场状态下的模拟电压值CCi和无磁场状态下的模拟电压值MMi；步骤A2：计算16路有无磁场电压差的平均值：步骤A3：获得每一路实际电压上限差值与下限差值：电压上限差值为：add[i]＝CCi-MMiVol*ad；电压下限差值为：vdd[i]＝CCi-MMiVol*vd；其中，ad为预设的灵敏度的上限差值,vd为预设的灵敏度的下限差值；步骤A4：在运行过程中，实时获取每一路的模拟电压值Adcxi：Adcxi＝Adci×3.34096+temperuate_comp其中，temperuate_comp为温度补偿系数，Adci为每一路的电压值的数字量，3.3为单片机的供电电压数值，4096为单片机中的12位ADC模块的分辨率值；步骤A5：计算每一路模拟电压值Adcxi与无磁场状态下的模拟电压值MMi的差值：Adcxxi＝Adcxi-MMi；步骤A6：对每一路的模拟电压差值Adcxxxi进行权值滤波：Adcxxxi＝Adcxxi-1×0.15+Adcxxi+1×0.15+Adcxxi×0.7，i＝1,…,14；Adcxxx0＝Adcxx0×0.9+Adcxx1×0.1；Adcxxx15＝Adcxx15×0.9+Adcxx14×0.1；步骤A7：输出每一路所述霍尔传感器是否检测到磁场的判断结果：若Adcxxxi＞Addi，则OUTi＝1，表示检测到磁场；若Adcxxxi＜Vddi，则OUTi＝0，表示未检测到磁场。8.根据权利要求7所述磁导航传感器系统的控制方法，其特征在于：ad的取值为：0.035V；vd的取值为0.032V。9.根据权利要求7所述磁导航传感器系统的控制方法，其特征在于：temperuate_comp的取值为0。

百度查询： 厦门大学嘉庚学院 磁导航传感器系统及其控制方法

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