沈　忱， 夏繼強(qiáng)， 滿慶豐， 丁　攀

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

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基于磁阻傳感芯片陣列的磁導(dǎo)引AGV傳感器設(shè)計(jì)

沈忱， 夏繼強(qiáng)， 滿慶豐， 丁攀

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

摘要:介紹了一種基于磁阻傳感芯片設(shè)計(jì)的通用磁導(dǎo)引自動(dòng)導(dǎo)航小車(AGV)傳感器。根據(jù)測(cè)量得到的磁導(dǎo)引AGV使用磁條的磁場(chǎng)分布，提出使用磁阻傳感芯片HMC1021組成線陣的測(cè)量方案，并設(shè)計(jì)了硬件電路。利用不同標(biāo)定位置的磁阻傳感芯片的輸出結(jié)果，擬合磁場(chǎng)強(qiáng)度與芯片標(biāo)定位置的二次函數(shù)關(guān)系，計(jì)算得到磁條中心與傳感器中心的橫向偏移距離。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的傳感器的準(zhǔn)確性，并提出減小誤差的方法和改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)導(dǎo)引小車； 磁阻傳感器； 信號(hào)處理； 距離檢測(cè)

0引言

自動(dòng)導(dǎo)航小車(automated guided vehicle, AGV)常用于無人生產(chǎn)車間、倉庫和港口碼頭等場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)搬運(yùn)，屬于移動(dòng)機(jī)器人的范疇。由于具有動(dòng)作靈活、工作效率高、智能化等優(yōu)點(diǎn)，AGV在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。導(dǎo)引技術(shù)是AGV的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前常用的導(dǎo)引方式有磁導(dǎo)引、激光導(dǎo)引、視覺導(dǎo)引等[1]，其中,磁導(dǎo)引方式具體又分為磁釘方式和磁條方式。磁導(dǎo)引AGV傳感器能夠通過檢測(cè)預(yù)鋪設(shè)的磁條或磁釘產(chǎn)生的磁場(chǎng)得到小車的位置或姿態(tài)信息。為了得到磁場(chǎng)強(qiáng)度與橫向偏差的精確關(guān)系，國內(nèi)外對(duì)此都作了深入研究。Young-Jae Ryoo[2]和白智慧[3]提出了磁釘導(dǎo)引方式的偏差檢測(cè)算法，徐海貴[4]和Akira Asaoka[5]使用磁傳感陣列在較寬范圍檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)，但也是針對(duì)磁釘導(dǎo)引方式，朱政[6]和郭磊[7]設(shè)計(jì)了磁條導(dǎo)引方式的檢測(cè)裝置，但其使用的導(dǎo)引磁條并不通用。目前,市場(chǎng)中的磁條導(dǎo)引AGV傳感器較多采用多路IO數(shù)字量方式輸出，不能獲得精確偏移距離，日本MACOME公司設(shè)計(jì)的GS系列傳感器可以輸出與偏移距離線性相關(guān)的模擬電壓，但其成本較高。

本文針對(duì)目前常用的AGV導(dǎo)引磁條，設(shè)計(jì)了一種通用的磁導(dǎo)引AGV傳感器，采用CAN總線的方式輸出偏移距離，具有較高精度、成本低、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1磁導(dǎo)引傳感器工作原理

目前磁條導(dǎo)引AGV使用的磁條由沾結(jié)鐵氧體料粉與合成橡膠復(fù)合，經(jīng)壓延成型等工藝制成，磁條寬度為50 mm，其表面剩磁大約200 Gs，隨著距離的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速減小，圖1是使用高斯計(jì)測(cè)得磁條在不同高度和偏差距離垂直于磁條方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖1　垂直于磁條方向的磁場(chǎng)大小Fig 1　Magnetic field size perpendicular to directionmagnetic stripe

HMC1021芯片是由Honeywell公司推出的磁阻傳感芯片，它利用電阻在磁場(chǎng)中阻值發(fā)生變化的磁阻效應(yīng)原理，使用惠斯通電橋輸出一個(gè)隨外部磁場(chǎng)變化的差分電壓信號(hào)。

HMC1021可以測(cè)量與芯片管腳平行方向的磁場(chǎng)，測(cè)量范圍為±6 Gs，其輸出電壓與測(cè)量磁場(chǎng)有良好的線性關(guān)系與較高精度(如圖2所示)，HMC1021內(nèi)部的置位/復(fù)位電流帶能夠進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，消除磁性失真現(xiàn)象。

圖2　HMC1021輸出電壓與測(cè)量磁場(chǎng)的關(guān)系Fig 2　Output voltage vs.magnetic field of HMC1021

基于以上原理，本文采用磁阻傳感芯片HMC1021組成的線陣，在距離磁條40～70 mm的高度,采集磁條不同橫向距離垂直磁條方向的磁場(chǎng)，通過計(jì)算得到傳感器的橫向偏移距離。

2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的磁導(dǎo)引AGV傳感器硬件結(jié)構(gòu)主要由4個(gè)部分組成，如圖3所示。

圖3　磁導(dǎo)引AGV傳感器的硬件結(jié)構(gòu)Fig 3　Hardware structure of magnetic guided AGV sensor

2.1磁阻傳感芯片陣列

從圖1測(cè)得磁條產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以看出,其產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)比較微弱，將磁阻傳感芯片按照線陣的方式排列可以檢測(cè)到較寬的橫向范圍的磁場(chǎng)信息，本設(shè)計(jì)使用水平間距為15 mm的8個(gè)磁阻傳感芯片組成的線陣。

2.2MCU模塊

主控芯片采用STM32F103系列單片機(jī)，該芯片采用基于ARM構(gòu)架的Cortex—M3內(nèi)核，擁有多路12位A/D轉(zhuǎn)換輸入端口和CAN通信模塊。STM32通過A/D轉(zhuǎn)換輸入端口采集磁阻傳感芯片陣列的輸出,并將計(jì)算結(jié)果通過CAN通信模塊發(fā)送給主控制器或上位機(jī)。

2.3放大濾波電路

使用儀表放大器將磁阻傳感芯片的輸出進(jìn)行放大和偏置，并配合低通濾波器減小噪聲以適合STM32的A/D采樣輸入。

2.4置位/復(fù)位電路

通過STM32芯片IO口控制置位/復(fù)位電路產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)脈沖強(qiáng)電流，恢復(fù)磁阻傳感芯片內(nèi)磁性元素的排列方向，保證其磁場(chǎng)測(cè)量輸出特性。

3橫向平移距離的計(jì)算方法

為了得到精確的傳感器橫向偏移距離，需要對(duì)磁阻傳感芯片陣列采集到的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理。信號(hào)的處理主要分為兩步:一是消除采集誤差;二是通過算法得到傳感器的橫向偏移距離[8]。

3.1芯片校準(zhǔn)與誤差消除

由于磁阻傳感芯片的個(gè)體差異，芯片內(nèi)電橋輸出有不同的零點(diǎn)偏移，并且環(huán)境溫度也會(huì)影響其偏移程度，因此,在采集磁場(chǎng)信號(hào)前需要使用置位/復(fù)位脈沖消除固定偏差[9]。磁阻傳感芯片輸出的背景噪聲來源有地磁場(chǎng)、交流電流以及其他外部電子設(shè)備，其中,地磁場(chǎng)是噪聲的主要來源，其他噪聲可以認(rèn)為是白高斯噪聲，通過對(duì)磁阻傳感芯片輸出多次采樣求平均值的方式可以減小噪聲影響。地磁場(chǎng)的大小隨空間中不同的方向而發(fā)生變化，但在垂直于地面的方向其大小和方向近似為恒定值[10]，其影響表現(xiàn)為對(duì)每一路采集結(jié)果都有相同的偏移，采用適當(dāng)?shù)乃惴梢韵卮艌?chǎng)的影響。

3.2橫向偏移距離算法

由圖1可以發(fā)現(xiàn),在距離磁條40～70 mm的高度下，磁條正上方區(qū)域(±25 mm)，磁場(chǎng)Bv與橫向偏移距離x近似呈現(xiàn)二次關(guān)系。選定磁阻傳感芯片陣列中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，第i個(gè)磁阻傳感芯片的位置為橫坐標(biāo)xi，其電壓輸出值為yi，可以得到坐標(biāo)系中的8個(gè)點(diǎn)Bi(xi,yi)(i=1,2,…,8)，如圖4所示。地磁場(chǎng)的影響只是對(duì)8個(gè)點(diǎn)整體的上下平移，對(duì)于這些點(diǎn)的變化趨勢(shì)沒有影響，所以,可以不考慮地磁場(chǎng)對(duì)于傳感芯片輸出的偏置。選擇電壓輸出值較大的連續(xù)點(diǎn)Bm～Bn進(jìn)行二次曲線擬合，得到磁場(chǎng)強(qiáng)度與橫向偏移距離的關(guān)系

y=a0+a1x+a2x2,

(1)

則認(rèn)為二次曲線極值點(diǎn)位置為磁條中心，因此,可以得到磁條中心相對(duì)于磁阻傳感芯片陣列中心的偏移距離

xm=-2a2/a1.

(2)

圖4　磁阻傳感芯片陣列的輸出電壓Fig 4　Output voltage of magnetoresistive sensing chip array

在二次曲線的擬合計(jì)算過程中，有大量的矩陣相關(guān)運(yùn)算，可以離線計(jì)算一些矩陣分解的結(jié)果，并保存到單片機(jī)中，單片機(jī)只需要通過查表方式就能快速完成矩陣運(yùn)算。使用這樣的方法能有效減小控制器的運(yùn)算量，提高傳感器的采集效率，傳感器的輸出周期能達(dá)到10 ms，滿足大多數(shù)AGV的控制要求。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試中，以磁條中心為基準(zhǔn)，在距離磁條40～70 mm的高度測(cè)量不同橫向偏移距離傳感器的輸出。實(shí)驗(yàn)中,磁傳感器每橫向移動(dòng)5 mm記錄一次測(cè)量結(jié)果，如表1。從測(cè)量結(jié)果中可以看出：本文設(shè)計(jì)的磁導(dǎo)引AGV傳感器的橫向偏移距離測(cè)量結(jié)果誤差可以保證在3 mm以內(nèi)，可以達(dá)到大部分AGV的控制精度。

表1　磁導(dǎo)引AGV傳感器測(cè)量結(jié)果(mm)

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由測(cè)量結(jié)果可以看出:在傳感器與磁條中心偏移距離較小時(shí)，測(cè)量誤差也較小，但隨著偏移距離的增加，測(cè)量誤差也逐漸增大。原因是,當(dāng)偏移距離較大時(shí)，傳感芯片陣列中采集到的有效磁場(chǎng)信息較少，在計(jì)算過程中參加擬合的點(diǎn)也較少，因此,可能產(chǎn)生較大的誤差。此外，本設(shè)計(jì)采用多個(gè)磁阻傳感芯片和多個(gè)運(yùn)放的方案，不同運(yùn)放電路放大倍數(shù)的差異也會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)采集的誤差。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于磁導(dǎo)引AGV使用的磁條產(chǎn)生的磁場(chǎng)比較微弱，在磁條周圍的金屬都會(huì)較大地影響其磁場(chǎng)分布，并最終導(dǎo)致傳感器不能正確得到偏移距離。因此,應(yīng)盡量保證磁條與AGV車體間有較大的間距，減小金屬材料對(duì)于磁條產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響。此外，使用更多的磁阻傳感芯片得到更多的采樣點(diǎn)，提高計(jì)算的擬合精度，從而得到更精確的偏移距離；而且在保存磁阻傳感芯片間距不變的條件下增加磁阻傳感芯片的數(shù)量還可以增加傳感器的橫向測(cè)量范圍。

5結(jié)束語

本文基于磁阻傳感芯片HMC1021設(shè)計(jì)了一種具有通用性的磁導(dǎo)引AGV傳感器。使用本文設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)和電路，此傳感器的橫向偏移距離檢測(cè)范圍為±50 mm，誤差小于3 mm，響應(yīng)時(shí)間10 ms，通過增加磁阻傳感芯片的數(shù)量(保持芯片間距不變)可以增加傳感器橫向檢測(cè)范圍。該傳感器適用于目前使用較廣的通用AGV磁條，并且只要擁有CAN通信接口的車載控制器就可以使用，具有較強(qiáng)的通用性。

參考文獻(xiàn):

[1]張辰貝西,黃志球.自動(dòng)導(dǎo)航車(AGV)發(fā)展綜述[J].中國制造業(yè)信息化,2010,39(1):53-59.

[2]Ryoo Y,Kim E,Lim Y,et al.Design of magnet-based position sensing system for autonomous vehicle robot[C]∥Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots & Systems，Sendai:IEEE,2004:2378-2383.

[3]白智慧.磁導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[4]徐海貴.基于磁阻傳感器陣列的車輛自主導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[5]Asaoka A,Ueda S.An experimental study of a magnetic sensor in an automated highway system[C]∥Proceedings of the 1996 IEEE Intelligent Vehicles Symposium, New Jersey:IEEE,1996:373-378.

[6]朱政,張世平,孫金瑋.基于磁檢測(cè)的AGV導(dǎo)引新方法[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),2008,28(4):12-15.

[7]郭磊.戶外自主輪式機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

[8]Chan C.Magnetic sensing as a position reference system for ground vehicle control[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2002,51(1):43-52.

[9]董雨.基于HMC1022的雙軸磁阻傳感器的研究和應(yīng)用[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2009.

[10] Dae-Yeong Im,Young-Jae Ryoo,Soon-Gil Park,et al.Development of magnetic position sensor for unmanned driving of robotic vehicle[C]∥2009 IEEE Conf on Sensors,Christchurch:IEEE,2009:1618-1622.

Design of magnetic guided AGV sensor based on magnetoresistive sensing chip array

SHEN Chen, XIA Ji-qiang, MAN Qing-feng, DING Pan

(School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University,Beijing 100191,China)

Abstract:A design of general magnetic guided automated guided vehicle(AGV) sensor based on magnetoresistive sensor is introduced.According to magnetic field distribution of magnetic stripe used in AGV,a measurement solution using magnetoresistive sensing chip HMC1021 to form array is proposed,hardware circuit is designed.Quadratic function relationship between magnetic field intensity and chip calibration position is fitted by using output of magnetoresistive sensing chips in different calibration position,the lateral offset distance between center of magnetic stripe and sensor is obtained by calculation is proved by experiment accuracy of AGV sensor,and methods for decreasing error and improvement scheme are proposed.

Key words:automated guided vehicle(AGV); magnetoresistive sensor; signal processing; distance detection

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0108—03

收稿日期：2015—06—30

中圖分類號(hào)：TP 216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)03—0108—03

作者簡(jiǎn)介:

沈忱(1990-)，男，四川眉山人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(tǒng)。