基于磁阻传感芯片阵列的磁导引AGV传感器设计

沈　忱， 夏继强， 满庆丰， 丁　攀

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191)



基于磁阻传感芯片阵列的磁导引AGV传感器设计

沈忱， 夏继强， 满庆丰， 丁攀

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191)

摘要:介绍了一种基于磁阻传感芯片设计的通用磁导引自动导航小车(AGV)传感器。根据测量得到的磁导引AGV使用磁条的磁场分布，提出使用磁阻传感芯片HMC1021组成线阵的测量方案，并设计了硬件电路。利用不同标定位置的磁阻传感芯片的输出结果，拟合磁场强度与芯片标定位置的二次函数关系，计算得到磁条中心与传感器中心的横向偏移距离。通过实验验证了设计的传感器的准确性，并提出减小误差的方法和改进方案。

关键词：自动导引小车； 磁阻传感器； 信号处理； 距离检测

0引言

自动导航小车(automated guided vehicle, AGV)常用于无人生产车间、仓库和港口码头等场所实现物料的自动搬运，属于移动机器人的范畴。由于具有动作灵活、工作效率高、智能化等优点，AGV在实际生产中的应用日益广泛。导引技术是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[1]，其中,磁导引方式具体又分为磁钉方式和磁条方式。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位置或姿态信息。为了得到磁场强度与横向偏差的精确关系，国内外对此都作了深入研究。Young-Jae Ryoo[2]和白智慧[3]提出了磁钉导引方式的偏差检测算法，徐海贵[4]和Akira Asaoka[5]使用磁传感阵列在较宽范围检测磁场信号，但也是针对磁钉导引方式，朱政[6]和郭磊[7]设计了磁条导引方式的检测装置，但其使用的导引磁条并不通用。目前,市场中的磁条导引AGV传感器较多采用多路IO数字量方式输出，不能获得精确偏移距离，日本MACOME公司设计的GS系列传感器可以输出与偏移距离线性相关的模拟电压，但其成本较高。

本文针对目前常用的AGV导引磁条，设计了一种通用的磁导引AGV传感器，采用CAN总线的方式输出偏移距离，具有较高精度、成本低、通用性强的特点。

1磁导引传感器工作原理

目前磁条导引AGV使用的磁条由沾结铁氧体料粉与合成橡胶复合，经压延成型等工艺制成，磁条宽度为50 mm，其表面剩磁大约200 Gs，随着距离的增加，磁场强度迅速减小，图1是使用高斯计测得磁条在不同高度和偏差距离垂直于磁条方向的磁场强度。

图1　垂直于磁条方向的磁场大小Fig 1　Magnetic field size perpendicular to directionmagnetic stripe

HMC1021芯片是由Honeywell公司推出的磁阻传感芯片，它利用电阻在磁场中阻值发生变化的磁阻效应原理，使用惠斯通电桥输出一个随外部磁场变化的差分电压信号。

HMC1021可以测量与芯片管脚平行方向的磁场，测量范围为±6 Gs，其输出电压与测量磁场有良好的线性关系与较高精度(如图2所示)，HMC1021内部的置位/复位电流带能够进行自动校准，消除磁性失真现象。

图2　HMC1021输出电压与测量磁场的关系Fig 2　Output voltage vs.magnetic field of HMC1021

基于以上原理，本文采用磁阻传感芯片HMC1021组成的线阵，在距离磁条40～70 mm的高度,采集磁条不同横向距离垂直磁条方向的磁场，通过计算得到传感器的横向偏移距离。

2硬件结构设计

本文设计的磁导引AGV传感器硬件结构主要由4个部分组成，如图3所示。

图3　磁导引AGV传感器的硬件结构Fig 3　Hardware structure of magnetic guided AGV sensor

2.1磁阻传感芯片阵列

从图1测得磁条产生的磁场强度可以看出,其产生的磁场信号比较微弱，将磁阻传感芯片按照线阵的方式排列可以检测到较宽的横向范围的磁场信息，本设计使用水平间距为15 mm的8个磁阻传感芯片组成的线阵。

2.2MCU模块

主控芯片采用STM32F103系列单片机，该芯片采用基于ARM构架的Cortex—M3内核，拥有多路12位A/D转换输入端口和CAN通信模块。STM32通过A/D转换输入端口采集磁阻传感芯片阵列的输出,并将计算结果通过CAN通信模块发送给主控制器或上位机。

2.3放大滤波电路

使用仪表放大器将磁阻传感芯片的输出进行放大和偏置，并配合低通滤波器减小噪声以适合STM32的A/D采样输入。

2.4置位/复位电路

通过STM32芯片IO口控制置位/复位电路产生一个瞬时脉冲强电流，恢复磁阻传感芯片内磁性元素的排列方向，保证其磁场测量输出特性。

3横向平移距离的计算方法

为了得到精确的传感器横向偏移距离，需要对磁阻传感芯片阵列采集到的磁场信号进行计算处理。信号的处理主要分为两步:一是消除采集误差;二是通过算法得到传感器的横向偏移距离[8]。

3.1芯片校准与误差消除

由于磁阻传感芯片的个体差异，芯片内电桥输出有不同的零点偏移，并且环境温度也会影响其偏移程度，因此,在采集磁场信号前需要使用置位/复位脉冲消除固定偏差[9]。磁阻传感芯片输出的背景噪声来源有地磁场、交流电流以及其他外部电子设备，其中,地磁场是噪声的主要来源，其他噪声可以认为是白高斯噪声，通过对磁阻传感芯片输出多次采样求平均值的方式可以减小噪声影响。地磁场的大小随空间中不同的方向而发生变化，但在垂直于地面的方向其大小和方向近似为恒定值[10]，其影响表现为对每一路采集结果都有相同的偏移，采用适当的算法可以消除地磁场的影响。

3.2横向偏移距离算法

由图1可以发现,在距离磁条40～70 mm的高度下，磁条正上方区域(±25 mm)，磁场Bv与横向偏移距离x近似呈现二次关系。选定磁阻传感芯片阵列中心为坐标原点，第i个磁阻传感芯片的位置为横坐标xi，其电压输出值为yi，可以得到坐标系中的8个点Bi(xi,yi)(i=1,2,…,8)，如图4所示。地磁场的影响只是对8个点整体的上下平移，对于这些点的变化趋势没有影响，所以,可以不考虑地磁场对于传感芯片输出的偏置。选择电压输出值较大的连续点Bm～Bn进行二次曲线拟合，得到磁场强度与横向偏移距离的关系

y=a0+a1x+a2x2,

(1)

则认为二次曲线极值点位置为磁条中心，因此,可以得到磁条中心相对于磁阻传感芯片阵列中心的偏移距离

xm=-2a2/a1.

(2)

图4　磁阻传感芯片阵列的输出电压Fig 4　Output voltage of magnetoresistive sensing chip array

在二次曲线的拟合计算过程中，有大量的矩阵相关运算，可以离线计算一些矩阵分解的结果，并保存到单片机中，单片机只需要通过查表方式就能快速完成矩阵运算。使用这样的方法能有效减小控制器的运算量，提高传感器的采集效率，传感器的输出周期能达到10 ms，满足大多数AGV的控制要求。

4实验结果与分析

4.1测试与实验结果

测试中，以磁条中心为基准，在距离磁条40～70 mm的高度测量不同横向偏移距离传感器的输出。实验中,磁传感器每横向移动5 mm记录一次测量结果，如表1。从测量结果中可以看出：本文设计的磁导引AGV传感器的横向偏移距离测量结果误差可以保证在3 mm以内，可以达到大部分AGV的控制精度。

表1　磁导引AGV传感器测量结果(mm)

4.2实验结果分析

由测量结果可以看出:在传感器与磁条中心偏移距离较小时，测量误差也较小，但随着偏移距离的增加，测量误差也逐渐增大。原因是,当偏移距离较大时，传感芯片阵列中采集到的有效磁场信息较少，在计算过程中参加拟合的点也较少，因此,可能产生较大的误差。此外，本设计采用多个磁阻传感芯片和多个运放的方案，不同运放电路放大倍数的差异也会导致磁场采集的误差。

在实际应用中，由于磁导引AGV使用的磁条产生的磁场比较微弱，在磁条周围的金属都会较大地影响其磁场分布，并最终导致传感器不能正确得到偏移距离。因此,应尽量保证磁条与AGV车体间有较大的间距，减小金属材料对于磁条产生的磁场的影响。此外，使用更多的磁阻传感芯片得到更多的采样点，提高计算的拟合精度，从而得到更精确的偏移距离；而且在保存磁阻传感芯片间距不变的条件下增加磁阻传感芯片的数量还可以增加传感器的横向测量范围。

5结束语

本文基于磁阻传感芯片HMC1021设计了一种具有通用性的磁导引AGV传感器。使用本文设计的硬件结构和电路，此传感器的横向偏移距离检测范围为±50 mm，误差小于3 mm，响应时间10 ms，通过增加磁阻传感芯片的数量(保持芯片间距不变)可以增加传感器横向检测范围。该传感器适用于目前使用较广的通用AGV磁条，并且只要拥有CAN通信接口的车载控制器就可以使用，具有较强的通用性。

参考文献:

[1]张辰贝西,黄志球.自动导航车(AGV)发展综述[J].中国制造业信息化,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.磁导航传感器系统的设计与开发[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[4]徐海贵.基于磁阻传感器阵列的车辆自主导航系统研究[D].上海:上海交通大学,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,张世平,孙金玮.基于磁检测的AGV导引新方法[J].宇航计测技术,2008,28(4):12-15.

[7]郭磊.户外自主轮式机器人磁导航系统研究[D].重庆:重庆大学,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的双轴磁阻传感器的研究和应用[D].长春:吉林大学,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

中图分类号：TP 216

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)03—0108—03

作者简介:

沈忱(1990-)，男，四川眉山人，硕士研究生，研究方向为嵌入式控制系统。