磁导航智能车定位计算方法研究_于寒

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1、DOI:10.13831/j.cnki.issn.1673-0569.2014.01.018第35卷第1期渤海大学学报(自然科学版)Vol．35，No．12014年3月JournalofBohaiUniversity(NaturalScienceEdition)Mar．2014磁导航智能车定位计算方法研究*于寒，沈世斌(南京师范大学电气与自动化学院，江苏南京210042)摘要:讨论了以电磁信号为航标的智能车位置检测的原理与方法，对前端垂直双传感器布局的控制信号提取方法进行了建模分析，以智能车前行方向与导航线夹角为控制变量，分析了常用的

2、传感器信号处理方式，提出了一种线性度较好的控制信号处理算法，并与常用方法进行了仿真对比分析．实验表明，论文方法较好地实现了磁导航智能车运动方向与速度的闭环控制．关键词:电磁导航;智能车;定位算法中图分类号:TP242．6文献标志码:A文章编号:1673－0569(2014)01－0055－060引言机器人技术是对国民经济和国防建设具有重要意义的高技术领域，是我国许多战略新兴产业发展的重要基础．在计算机技术、控制技术、检测技术等新技术发展的推动下，机器人技术正向众多领域迅速扩〔1－3〕展．智能车是一种轮式移动机器人，可广泛应用于智能家居

3、、智能导游、工业生产等领域，特别是在近〔4〕年来兴起的以原型系统和数学模型相结合的智能交通研究领域，智能小车都扮演着极为重要的角色．智能车的研究内容涉及导航定位、运动规划、作业控制等技术和方法，其中的导航定位技术与方法，是智能车功能实现的重要保障．因此，开展智能小车的定位技术研究，具有较强的现实意义和科学价值．磁导航智能车是基于电磁感应技术的自主寻线小车，利用埋在路面下的通有交变电流的载流导线进行定位导航，从而实现运动方向控制．随着全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛的规模和影响越来越大，磁导航竞速智能车的定位技术吸引了国内众多高校师

4、生的目光，文献〔5〕提出了一种基于三传感器的〔5〕〔6〕定位检测方法，文献〔6〕对定位检测传感器布局进行了研究，文献〔7〕对传感器检测特性进行了分〔7〕〔8〕〔9〕析，有的文献提出了智能车设计方案和讨论了舵机控制和电机控制的具体实现方法，取得了一系〔10，11〕列研究成果，但均未涉及传感器信号的线性化处理问题．本文以全国大学生“飞思卡尔杯”智能车竞赛的赛道为对象，对磁导航技术的基本原理进行了梳理，讨论了基于双传感器布局的建模方法，提出了一种线性度较好、控制性能优越的信号处理方案．1智能车结构与定位航标本文所用的智能车硬件系统以飞思卡尔

5、公司的32位微处理器MK60N512VMD100为控制核心，由导航检测模块、驱动控制模块、速度检测模块、系统调试模块、电源监测模块等组成，基本硬件框架如图1所示．智能车的定位航标为铺设在道路下的直径为0．2～0．8mm的漆包线，其中通有20kHz，100mA的交变电流．由于导航线的延展形状未知，智能车只能通过检测导航线周围产生的交变磁场来确定行驶路线．收稿日期:2013－10－15．基金项目:南京师范大学创新项目．作者简介:于寒(1993－)，女，主要从事机器人技术方面的学习与研究．通讯作者:63018@njnu．com．56渤海大学

6、学报(自然科学版)第35卷本系统使用安置在小车前端的两个电感作为传感器，将道路下方的导航线所产生的磁场转换为电压值并进行放大，通过A/D模块转换为数字量送给微处理器，计算出小车前进方向与导航线的偏离角度，结合由测速装置获得的小车速度数据，对小车舵机的转向大小、方向和直流电机的转速进行调整，构成行驶过程的闭环速度控制，以实现小车的路径自动识别和快速行进．图1系统硬件框图2磁导航原理由麦克斯韦电磁场理论可知，通有交变电流的导线周围会产生交变电磁场，并在导线周围空间呈辐射状立体分布．在某一确定时刻，磁场的大小反映了检测点与导线中心点的距离，

7、以此可以确定小车在道路上的位置，从而控制小车的舵机打角以及电机速度，实现电磁引导自动循迹的目的．从毕奥－萨法尔定理可得出，电流回路中任一电流元在空间任一点产生的磁感应强度是遵循一定的规律的，即空间任一点的磁感应强度可以看成是导线上电流元产生的磁场之和:→→→→μ0Idl×aB=dB=(1)∫4π∫3a公式(1)中的积分路径要遍及整个载流导线，只有在特定的曲线条件下才可以求得最后解析解．从本文的应用角度出发，检测点与导航线的距离相对于导航线的长度相比较小，因此可以将上式按无限长直导线进行简化，故可得与导航线距离为r的点的磁感应强度为:μ

8、0IB=(2)2πr由上式可知，导航线产生的磁场分布是以导航线为中轴的一系列同心圆，同圆上的磁场强度大小相同，并随与导航线的距离r的增加成反比下降．由于导线的周围空间充满了交变的电磁场，如果在里面放置一个电感线圈，电磁感