一种基于电磁感应的路径循迹传感器和循迹方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电磁感应的路径循迹传感器和循迹方法。路径循迹传感器包括供电单元、信号检测单元、选频滤波单元、信号放大单元、信号输出单元和连接固定单元。传感器通过连接固定单元安装在运动载体上，信号检测单元采集周围磁场信号，选频滤波单元提取出有效信号，信号放大单元对有效信号进行放大后通过信号输出单元传输至运动载体控制器的AD通道，然后计算出运动载体相对于路径中央导引线的偏移值，纠正运动载体回到路径，实现自动循迹。本发明专利技术解决了现有电磁传感器体积质量大、输出信号不稳定、可维护性差的问题，同时配套的循迹方法解决了对信号源端装置依赖性高和传统差值法存在轨迹曲线非单调的问题，提高了自动循迹的稳定性。

A Path Tracking Sensor and Tracking Method Based on Electromagnetic Induction

The invention discloses a path tracking sensor based on electromagnetic induction and a tracking method. Path tracking sensor includes power supply unit, signal detection unit, frequency selective filter unit, signal amplification unit, signal output unit and connection fixed unit. The sensor is installed on the moving carrier by connecting the fixed unit. The signal detection unit collects the surrounding magnetic field signal. The frequency selective filter unit extracts the effective signal. The signal amplification unit amplifies the effective signal and transmits it to the AD channel of the moving carrier controller through the signal output unit. Then the relative value of the moving carrier is calculated. The offset value of the central guide line of the path corrects the moving carrier to return to the path and realizes automatic tracking. The invention solves the problems of large volume and mass, unstable output signal and poor maintainability of the existing electromagnetic sensor, at the same time, the matched tracing method solves the problems of high dependence on the signal source device and non-monotonous trajectory curve of the traditional difference method, and improves the stability of automatic tracing.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁感应的路径循迹传感器和循迹方法
本专利技术属于自动控制
，特别涉及了一种基于电磁感应的路径循迹传感器和循迹方法。
技术介绍
现有的自动循迹系统原理多样，以基于摄像头和光电CCD的图像处理为主，它们对环境光线适应能力差，并且高速摄像头成本高昂不易维护。机器学习与模式识别的算法深度高、数据量大、样本规范性依赖大且处理速度缓慢。基于电磁感应的线圈传感方式优点显著：对环境适应性良好、成本低廉、算法鲁棒性高、可移植性好、信息处理速度快。但已有的电磁传感器尚存在体积较大、碰撞易损坏、输出信号不稳定、信号检测范围窄等缺点，因此未得到广泛使用。同时路径供电装置对负载阻抗要求高，对路径长度与宽度有严格限制，且存在输出信号不稳定的现象。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种基于电磁感应的路径循迹传感器和循迹方法，解决现有电磁传感器存在的体积质量大、输出信号不稳定、可维护性差的问题，同时配套的循迹方法解决对信号源端装置依赖性高的问题和传统差值法存在的轨迹曲线非单调问题，进一步提高自动循迹的稳定性。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种基于电磁感应的路径循迹传感器，包括供电单元、信号检测单元、选频滤波单元、信号放大单元、信号输出单元和连接固定单元；在路径中央导引线两端施加交变电流，激发产生交变磁场；路径循迹传感器通过连接固定单元安装在运动载体上，信号检测单元采集周围磁场信号，选频滤波单元提取磁场信号的有效信号，信号放大单元对有效信号进行放大后通过信号输出单元传输至运动载体控制器的AD通道，运动载体控制器根据接收到的信号计算运动载体相对于路径中央导引线的偏移值，纠正运动载体回到路径，实现自动循迹；所述信号检测单元包含3种方向的电感线圈，分别为平行于路面且垂直于路径的水平方向电感线圈、平行于路面且平行于路径的垂直方向电感线圈和垂直于路面的竖直方向电感线圈，其中水平方向电感线圈必须存在，若循迹路径中存在路径交汇、分叉或重合的复杂路况，则垂直方向电感线圈和竖直方向电感线圈至少存在一种，所述水平方向电感线圈的个数为2N+1，N为大于等于1的整数，其中一个水平方向电感线圈设置在路径循迹传感器的中央，其余的2N个水平方向电感线圈对称设置在中央的水平方向电感线圈的左右两侧，水平方向电感线圈用于计算运动载体相对于路径中央导引线的的偏移值，所述垂直方向电感线圈和竖直方向电感线圈用于探测路径中的复杂路况。进一步地，所述供电单元直接采用运动载体控制器供电。进一步地，所述信号放大单元采用集成运放和反向放大电路。进一步地，所述信号输出单元采用FPC接口。进一步地，所述连接固定单元采用三通连接件形成三角稳定结构，实现路径循迹传感器与运动载体的固定连接。进一步地，采用PCB电路板承载路径循迹传感器的各器件单元，并在电感线圈周围设置保护挡板。基于上述路径循迹传感器的循迹方法，包括以下步骤：(1)运动载体控制器定时中断读取路径循迹传感器的输出信号，并对读取的数据进行预处理；(2)根据垂直方向电感线圈和竖直方向电感线圈采集的信号，判断运动载体所处的路况状态；若运动载体处于复杂路况，则结束本循迹方法，否则进入步骤(3)；(3)调用上一次循环所得偏移函数的参数值作为本次偏移函数的参数值；(4)运动载体控制器根据预处理后的信号对路径循迹传感器的探测区域进行分区；(5)根据分区结果建立路径循迹传感器的偏移函数；(6)根据水平方向电感线圈采集的信号，判断运动载体所在区块是否与上一次相同，若相同，则说明运动载体运行轨迹未发生明显变化，不需要调整偏移函数的参数；若不相同，则说明运动载体相对于路径中央导引线的偏移值已经超出预设边界，此时需要修正偏移函数的参数；(7)根据偏移函数计算偏移值，运动载体控制器通过该偏移值调整运动载体的运行状态，纠正运动载体运行轨迹，实现自动循迹。进一步地，在步骤(1)中，运动载体控制器将读取的路径循迹传感器数据存入数组，当数组存满溢出时，对数组数据进行一次过滤，滤除跳变异常的数据，并对剩余数据求取平均值。进一步地，在步骤(4)中，所述分区的方法为，设路径循迹传感器包含2N+1个水平方向电感线圈，则探测区域划分为4N个，设L0为位于中央的水平方向电感线圈，位于L0左侧且距L0由近及远的水平方向电感线圈为L-1,L-2,···,L-N，位于L0右侧且距L0由近及远的水平方向电感线圈为L1,L2,···,LN，则探测区域Area的分区如下：上式中，Ek表示水平方向电感线圈Lk采集的磁场信号，下标k为在[-N,N]区间内的任一整数，L为水平方向电感线圈LN距离路径中央导引线的水平距离，H为传感器距离路面的高度，C为常数，x即为传感器相对于路径中央导引线的偏移值。进一步地，在步骤(5)中，在建立偏移函数时，利用临近区块信号的线性运算消除信号的共模误差，利用比例运算提高偏移函数斜率，从而提高信号变化灵敏度，偏移函数g(x)如下：其中，Ci为偏移函数g(x)的比例系数，i为在[-N,N]区间内的任一整数，Ci即为步骤(5)、(6)中所述偏移函数的参数。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术在电感线圈的排布上，将电感线圈方向划分为三个方向，如此可以有效地针对不同的路径进行调整，提供了更高的灵活度，保证了传感器对复杂路况的适应能力。传统电磁传感器使用三极管放大电路，电路冗杂且静态工作点的调节过程复杂同时温飘较大，对传感器的后期维护优化带来困难。本专利技术采用集成运算放大器替换三极管，简化了放大电路元件，温飘减小，放大电路功耗降低，对环境适应能力更强。传统传感器使用倍压检波电路将运放放大后的输出的交流信号转为直流信号，由于倍压检波电路不稳定，且对信号不敏感，具有反应迟缓的缺点，本传感器将倍压检波电路省去，直接将放大后的交流信号传输送到MCU的AD采集端口。在循环方法上，本专利技术利用水平方向电感线圈采集的信号相对大小进行分区，预设的边界值不会因信号源偏移变化，为偏移函数的纠正提供了一个稳定的参考量。由于系统每一次经过预设边界值时都进行了一次偏移函数参数修正，由此可以保证系统可以适应在变化的电流中获取出瞬时的电流值并根据瞬时电流值得到正确的系统偏移角度，进而控制系统进行角度修正，确保自动循迹系统可以平稳的沿着导引线方向前进。同时，将区域分块化处理有效地解决了传统差值法的偏移曲线与线圈采样值在一定范围外出现非线性相关部分的问题，进一步扩大了传感器的有效探测范围。附图说明图1为实施例的自动循迹系统示意图；图2为导引线周围磁场示意图；图3为本专利技术传感器的工作原理图；图4为传感器的信号检测单元直接获取到的磁场信号示意图；图5为传感器经过选频滤波单元和信号放大单元后得到的信号比较示意图；图6为实施例的传感器电感线圈布局示意图；图7为实施例的传感器二维PCB板图；图8为实施例的传感器三维模型图；图9为本专利技术循迹算法流程图；图10为实施例中的分区示意图；图11为实施例中的连续阶梯分段函数图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。在本实施例中，将本专利技术设计的基于电磁感应的路径循迹传感器应用在智能小车的循迹系统上，循迹系统如图1所示。循迹路径使用漆包线作为导引线，并在两端通过信号发生装置施加交变电流，在导引线周围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电磁感应的路径循迹传感器，其特征在于：包括供电单元、信号检测单元、选频滤波单元、信号放大单元、信号输出单元和连接固定单元；在路径中央导引线两端施加交变电流，激发产生交变磁场；路径循迹传感器通过连接固定单元安装在运动载体上，信号检测单元采集周围磁场信号，选频滤波单元提取磁场信号的有效信号，信号放大单元对有效信号进行放大后通过信号输出单元传输至运动载体控制器的AD通道，运动载体控制器根据接收到的信号计算运动载体相对于路径中央导引线的偏移值，纠正运动载体回到路径，实现自动循迹；所述信号检测单元包含3种方向的电感线圈，分别为平行于路面且垂直于路径的水平方向电感线圈、平行于路面且平行于路径的垂直方向电感线圈和垂直于路面的竖直方向电感线圈，其中水平方向电感线圈必须存在，若循迹路径中存在路径交汇、分叉或重合的复杂路况，则垂直方向电感线圈和竖直方向电感线圈至少存在一种，所述水平方向电感线圈的个数为2N+1，N为大于等于1的整数，其中一个水平方向电感线圈设置在路径循迹传感器的中央，其余的2N个水平方向电感线圈对称设置在中央的水平方向电感线圈的左右两侧，水平方向电感线圈用于计算运动载体相对于路径中央导引线的的偏移值，所述垂直方向电感线圈和竖直方向电感线圈用于探测路径中的复杂路况。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁感应的路径循迹传感器，其特征在于：包括供电单元、信号检测单元、选频滤波单元、信号放大单元、信号输出单元和连接固定单元；在路径中央导引线两端施加交变电流，激发产生交变磁场；路径循迹传感器通过连接固定单元安装在运动载体上，信号检测单元采集周围磁场信号，选频滤波单元提取磁场信号的有效信号，信号放大单元对有效信号进行放大后通过信号输出单元传输至运动载体控制器的AD通道，运动载体控制器根据接收到的信号计算运动载体相对于路径中央导引线的偏移值，纠正运动载体回到路径，实现自动循迹；所述信号检测单元包含3种方向的电感线圈，分别为平行于路面且垂直于路径的水平方向电感线圈、平行于路面且平行于路径的垂直方向电感线圈和垂直于路面的竖直方向电感线圈，其中水平方向电感线圈必须存在，若循迹路径中存在路径交汇、分叉或重合的复杂路况，则垂直方向电感线圈和竖直方向电感线圈至少存在一种，所述水平方向电感线圈的个数为2N+1，N为大于等于1的整数，其中一个水平方向电感线圈设置在路径循迹传感器的中央，其余的2N个水平方向电感线圈对称设置在中央的水平方向电感线圈的左右两侧，水平方向电感线圈用于计算运动载体相对于路径中央导引线的的偏移值，所述垂直方向电感线圈和竖直方向电感线圈用于探测路径中的复杂路况。2.根据权利要求1所述基于电磁感应的路径循迹传感器，其特征在于：所述供电单元直接采用运动载体控制器供电。3.根据权利要求1所述基于电磁感应的路径循迹传感器，其特征在于：所述信号放大单元采用集成运放和反向放大电路。4.根据权利要求1所述基于电磁感应的路径循迹传感器，其特征在于：所述信号输出单元采用FPC接口。5.根据权利要求1所述基于电磁感应的路径循迹传感器，其特征在于：所述连接固定单元采用三通连接件形成三角稳定结构，实现路径循迹传感器与运动载体的固定连接。6.根据权利要求1所述基于电磁感应的路径循迹传感器，其特征在于：采用PCB电路板承载路径循迹传感器的各器件单元，并在电感线圈周围设置保护挡板。7.基于权利要求1所述路径循迹传感器的循迹方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)运动载体控制器定时中断读取路径循迹传感器的输出信号，并对读取...

【专利技术属性】
技术研发人员：王心沅，蒋徐颢，郑姚生，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32