一种电磁导航装置及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电磁导航装置及系统，可以对电磁线上任意点的未来方向趋势做出预测。其中，该电磁导航装置包括感应器，所述感应器包括两个电磁感测单元，所述两个电磁感测单元布置在与水平面平行的相同或不同平面上，并且在水平方向上互成一定夹角。
【专利说明】
一种电磁导航装置及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电磁导航技术领域，具体涉及一种电磁导航装置及系统。
【背景技术】
[0002] 电磁导航作为导航技术的一种，其具有结构简单、成本低、易于维护、性能可靠、感 应距离长的优点，被逐渐应用在各种依靠寻线导航的机器人系统中。
[0003] 巡线导航是指，将电磁轨道作为机器人运行的参考轨道或轨迹，具体为一根或多 根电缆(可以铺设于地面或地下等位置，作为固定参考轨道用），电缆内部通过高频正弦交 流电以在附近产生按正弦规律变化的交变电磁场，从而为机器人提供可探测的物理信号， 通过将该电磁场物理信号作为引导来巡线运行，从而实现导航功能。
[0004] 图1所示为现有电磁导航机器人中电磁传感器的布局示意图，从图1(a)可以看出， 该巡线机器人系统包括电磁线10、机器人11、3个电磁传感器12,该3个电磁传感器12排成一 排，固连在机器人11上，从左到右为每一个电磁传感器12依次编号1、2、3，并为每一个电磁 传感器12预设一个转向角A(例如，从左到右依次为:-20°、0°、20° )。当机器人上标号为3的 电磁传感器12检测到的电磁感应电动势最大时，机器人的控制系统将该标号为3的电磁传 感器标记为有效，并控制机器人按照标号为3的电磁传感器所对应的转向角，即20°，调整运 行方向，从而实现寻线运行。这种情况下，由于电磁线不一定会刚好位于标号为3的电磁传 感器12的正下方，也可能位于标号为2的电磁传感器和标号为3的电磁传感器之间，而且更 靠近标号为3的电磁传感器，此时机器人的控制系统仍会将标号为3的电磁传感器标记为有 效，因此，机器人仍需按照标号为3的电磁传感器所对应的转向角去调整运行方向，这样，就 会造成一定的误差。
[0005] 因此，现有技术还提供了如图1(b)所示布局的机器人系统，即通过增加电磁传感 器12的数量，增大电磁线刚好位于某一个电磁传感器12的正下方的概率，从而减小如图1 (a)中类似误差发生的概率。然而，安装过多的电磁传感器12对于机器人11的安装空间、结 构形状等都有很大的限制。
[0006] 图1(c)提供了一种包括双排电磁传感器的机器人系统，图1(d)为图1(c)的局部放 大图。该双排电磁传感器的结构设置相比于单排电磁传感器而言，可以进一步求出电磁线 在任意点的未来方向趋势（该未来方向趋势可以通过图1(d)中的偏向角D来反映）。如图1 (c)所示，该机器人系统中包括a、b双排电磁传感器12,当机器人11处于电磁线上任意位置 时，每一排都会有一个电磁传感器12被标记为有效。例如，当机器人位于如图1(c)所示的位 置时，a排中标号为6的电磁传感器12和b排中标号为7的电磁传感器12都被标记为有效，此 时不仅可以知道电磁线的位置(b排中标号为7的电磁传感器12位置处），还可以求出电磁线 的未来方向趋势(a排中标号为6的电磁传感器12相对于b排中标号为7的电磁传感器12的方 向），此时机器人实际的转向角为，对b排标号为7的电磁传感器对应的转向角A进行偏向角 为D的修正之后的角度值，使得机器人运行更加平稳。
[0007] 然而，对于双排电磁传感器而言，需要将a排电磁传感器12尽可能的安装在机器人 11的前端，以提前知道轨道信息并做出判断，而这种结构对机器人的安装空间提出了更高 的要求，同时，双排电磁传感器12本身的成本就很高，上述因素极大地限制了现有导航技术 的大面积推广应用。
[0008] 综合而言，在现有技术中，当机器人拥有单排传感器时，无法实现对电磁线未来方 向趋势的预测，只有拥有双排传感器时，才可以实现对电磁线未来方向趋势的预测，但这样 对机器人的体积和成本都提出了更高的要求。
【发明内容】
[0009] 有鉴于此，本发明实施例提供了一种电磁导航装置，单独使用时就可以对电磁线 上任意点的未来方向趋势做出预测。
[0010] 本发明一实施例提供了一种电磁导航装置，包括感应器，所述感应器包括两个电 磁感测单元，所述两个电磁感测单元布置在与水平面平行的相同或不同平面上，并且在水 平方向上互成一定夹角。
[0011] 本发明另一实施例还提供了一种电磁导航系统，该系统包括至少一个如上所述的 电磁导航装置。
[0012] 利用本发明实施例提供的一种电磁导航装置，通过水平面上设置的两个成一定夹 角的电磁感测单元，可以检测电磁线正上方任意一点的电磁感应强度的两个分量，以这两 个分量为基础可以通过计算得到电磁线在任意位置处的走向趋势。
[0013] 当该电磁导航装置用于电磁导航机器人系统中时，机器人内仅设置单排电磁导航 装置就可以求出电磁线的未来方向趋势，减少了对电磁导航装置的数量的需求，从而节省 了机器人的空间，同时降低了成本。
【附图说明】
[0014] 图1所示为现有电磁导航机器人中电磁传感器的布局示意图。
[0015] 图2所示为本发明一实施例提供的电磁导航装置的信号处理电路框图。
[0016] 图3所示为本发明一实施例提供的电磁线周围电磁场分布示意图。
[0017] 图4所示为本发明一实施例提供的电磁线上任意一点的电磁感应强度与其分量之 间的位置关系示意图。
[0018]图5所不为本发明一实施例提供的电磁线上任意一点的电磁感应强度与电磁线在 该点的未来方向趋势之间的位置关系示意图。
[0019] 图6所示为本发明一实施例提供的机器人电磁导航系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
[0021] 图2所示为本发明一实施例提供的电磁导航装置的信号处理电路框图。从图中可 以看出，该电磁导航装置包括感应器20、采集单元24、解算单元25。
[0022] 其中，感应器20包括两个水平布置并互成一定夹角的电磁线圈201和202。两个电 磁线圈201和202将各自检测到的电磁波信号送入同一个采集单元24。这里，电磁线圈是一 种测量变化磁场的电磁感测单元。本领域的技术人员可以理解，这里还可以采用其他的电 磁感测单元，对此不作限定。
[0023]采集单元24,用于将两个电磁线圈检测到的电磁波模拟信号转换为电磁场强度， 因为电磁场强度为矢量，因此这里得到的电磁场强度既包括电磁场强度的大小，即模，也包 括电磁场强度的方向。采集单元24输出的电磁场强度被输入到解算单元25。
[0024]解算单元25,与采集单元24通信连接，用于根据采集单元24输出的两个电磁场强 度的大小和方向，判断电磁线在检测位置处的未来方向趋势。
[0025]下面将阐述解算单元25根据两个水平布置并互成一定夹角的电磁线圈201和202 检测到的电磁波信号进行相应计算的详细过程。
[0026] 如图3(a)、3(b)所示，由于电磁线周围的磁场是一个矢量场，其磁感线的方向符合 麦克斯韦的右手螺旋定则，因此如果将电磁线放置在水平面上，则电磁线正上方的磁感应 强度的方向刚好平行于该电磁线所在的水平面，并且距离电磁线的竖直距离越远，电磁感 应强度的数值（即模)越小。这种情况下，采用两个水平放置的互成一定夹角的电磁线圈，就 可以检测出距离电磁线正上方不同高度处的磁感应强度的两个分量。
[0027] 由于，对于无限长电磁线来说其任意一点的电磁感应强度B = #(其中，μ〇 = 43?* 4τγγ I(T7HiA^1，r为检测点距离电磁线的竖直高度），所以电磁线上任意一点的电磁感应强度B的 大小可以根据电磁线中的电流与检测点距离电磁线的竖直高度r得到，故这里将其看作已 知量。
[0028] 因此在电磁感应强度B的大小，及其两个分量的大小和方向均已知的情况下，就可 以根据电磁感应强度B与其两个分量之间的夹角，求出电磁感应强度B的方向。
[0029] 下面通过公式推导对电磁感应强度B与其两个分量之间的夹角的求解过程进行说 明。
[0030]图4所示为本发明一实施例提供的电磁线上任意一点的电磁感应强度与其分量之 间的位置关系示意图。如图所示，预设两个电磁线圈201和202的中轴线之间的夹角为Θ，即 为图中'的夹角，两个电磁线圈201和202检测到的电磁感应强度的分量分别为 BjPB2,电磁感应强度B为定值，我们可以选定电磁线圈201为参考电磁线圈，假设电磁感应 强度B与参考电磁线圈201之间的夹角为α，即已知θ、Β、Βι、Β2,求α。
[0031 ]根据图3所示的关系得到
[0032] 可以）
[0033] 由于三角函数具有对称性，因此根据每一个等式可以求出两个角度值，从而得到：
[0034] 从4个角度值中选出相等或相近(反三角函数可能出现近似值）的一个，即为角度α 的真实值。
[0035] 下面举一个实例，对上面的公式推导过程进行验ii
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]从而得到参考电磁线圈201的中轴线也与实际电磁感应强度B的夹角α为60°，则另 一个电磁线圈202的中轴线出与实际电磁感应强度B的夹角为30°。
[0040] 考虑到，在电磁线周围会产生以电磁线为中轴线的环形电磁场，则当电磁线弯曲 变形时，所形成的电磁场也会随着电磁线的弯曲而偏转，如图3(c)所示。因此可以根据描述 电磁场的物理量，即电磁感应强度的方向来判定电磁线的方向，从而对电磁线上任意点的 未来方向趋势做出预测，而电磁线上任意点的未来方向趋势又可以通过如图1(d)所示的偏 向角D来衡量，这样，就将求取电磁线方向的问题转化为求取偏向角D的问题。下面通过公式 推导过程说明偏向角D的求取过程。
[0041] 图5所示为本发明一实施例提供的电磁线上任意一点的电磁感应强度与电磁线在 该点的未来方向趋势之间的位置关系示意图。以图1(d)为基础，为了便于描述，将当前位置 标记为0点，选择作为参考方向，由于电磁线的未来方向趋势为窗:，根据右手螺旋定则可 知，磁感线的方向垂直与电磁线的方向，如图中g所示，根据上面的计算过程可以得到参 考电磁线圈201与磁感应强度B之间的夹角α，本领域的技术人员可以理解，这里的参考线圈 也可以是202,这里只是示例性的，对此不作限定。则V祝的夹角为(90°-α)，又因为参 考电磁线圈201的轴线方向瓦g是人为设置的，不妨设之间的夹角为β，则涵与 〇?的夹角，即偏向角D = 9O°-a-0。
[0042] 在一个优选的实施例中，设置参考电磁线圈201的中轴线方向刚好垂直于机 器人的前进方向，即与石1%之间的夹角为β为90度，则根据上面的推导结果可知，此时 所，5?的夹角，即偏向角D = _α (其中代表方向）。
[0043] 本领域的技术人员可以理解，偏向角D的实际取值取决于参考电磁线圈的选取，以 及两个电磁线圈之间的夹角，本发明实施例给出的结果只是示例性的，凡是在本发明计算 原理的基础上得到的偏向角D，都属于本发明的保护范围之内。
[0044] 本领域技术人员应当理解，根据本发明各种实施方式的电磁导航装置，其感应器 中的两个感测单元也可以分别布置在与水平面平行的不同平面上，后续可以通过比例换 算，将两个感测单元检测到的电磁感应强度分量归一化到同一平面上，这样仍然可以按照 上述计算过程求解偏向角D。
[0045] 根据本发明实施方式的电磁导航装置单独使用时，就可以输出其所在位置处的电 磁线的偏向角，进而可以对电磁线的未来方向趋势进行预测。
[0046] 在实际使用过程中，检测位置除了所需要的电磁波信号之外，还存在很多外界电 磁波的影响，比如地磁场、无线电磁场等所形成的电磁波，为了获得所需要的电磁波信号， 需要对电磁线圈检测到的电磁波信号进行筛选，因此，在本发明一个实施例中，电磁导航装 置还可以进一步包括选频电路21，用于从与之电连接的电磁线圈所检测到的电磁场信号中 筛选出所需要的特定频率的电磁波信号。具体如图2所示，该选频电路21位于传感器20和采 集单元24之间。在一实施例中，选频电路21可以是RC选频电路或者LC选频电路。
[0047] 考虑到实际使用时，所需要的电磁波信号一般会非常弱，比如，通常作为路径导航 的电磁线中通过的交流电频率为20kHz，其会产生甚低频电磁波，甚低频电磁波的频率通常 为3kHz~30kHz，信号非常弱。因此，在一个实施例中，电磁导航装置还可以进一步包括放大 电路22,用于对筛选出的电磁波信号进行放大。具体如图2所示，该放大电路22位于选频电 路21之后，可以与选频电路21电连接。在一个实施例中，在每一个放大电路22之后还可以电 连接一个滤波电路23,用于对放大之后的电磁波信号进行进一步筛选，来确保获得所需要 的特定频率的信号，具体如图2所示。本领域技术人员可以理解，在某一个实施例中，该电磁 导航装置可以仅包括选频电路21、放大电路22以及滤波电路23中的一个或多个。
[0048] 下面描述将本发明以上实施例所述的电磁导航装置应用于机器人电磁导航系统 中的应用实例。
[0049] 图6所示为本发明一实施例提供的机器人电磁导航系统的结构示意图。如图6所 示，该电磁导航系统包括不少于一个的电磁导航装置和处理装置（图中未示出），该不少于 一个的电磁导航装置组成单排阵列设置在机器人之下靠前的位置上。不少于一个电磁导航 装置分别对其所在位置处两个不同方向上的电磁感应强度分量进行检测，并各自输出相应 的偏向角D。处理装置用于从至少一个电磁导航装置中选出有效的电磁导航装置，并根据该 有效的电磁导航装置计算机器人修正之后的转向角C。最后，处理装置可以将转向角C输出 给机器人的控制器，机器人的控制器控制机器人按照修正之后的转向角C调整前进方向，从 而实现电磁导航。
[0050] 在一个实施例中，处理装置包括：
[0051] 预设模块，用于为每一个所述电磁导航装置预设一个转向角；
[0052]获取模块，用于获取所述的每一个电磁导航装置的参考电磁线圈检测到的电磁感 应强度分量；
[0053]比较模块，用于比较所述的每一个电磁导航装置中的参考电磁线圈检测到的电磁 感应强度分量的大小，选择最大的一个电磁感应强度分量输出;选择模块，用于将与所述最 大的一个电磁感应强度分量相对应的电磁导航装置标记为有效；
[0054]输出模块，用于输出修正之后的转向角C = kl *A+k2*D，其中A和D分别为有效电磁 导航装置对应的转向角和偏向角，k I、k2为可变的修正系数。
[0055]可变的修正系数K1、K2,需要根据机器人的系统结构合理设置。例如，当电磁导航 装置阵列相对于机器人而言安装较远时，修正系数可以小一些，因为已经提前对电磁线的 方向趋势进行修正了；当电磁导航装置阵列相对于机器人而言安装较近时，相关系数需要 稍大一些以保证充分修正。当机器人运行速度较快时，相当于电磁导航装置阵列相对于机 器人距离较近，则修正系数需要大一些;类似地，当机器人运行速度较慢时，则修正系数较 小。当转向机构动作较慢时，修正系数需要稍大一些，以保证提前修正;类似地，当转向机构 动作较快时，修正系数较小。实际使用时还需要根据机器人的运行效果进行微调，如果容易 出线（即来不及修正而出界)则增大修正系数，如果调整过大导致机器人大幅度来回摆动则 降低修正系数。
[0056]在一个实施例中，处理装置可以通过存储在机器人的存储器中的一套编程代码来 实现，当该存储器中的程序代码被执行时，机器人的处理器可以执行以上描述的处理装置 的相应功能。
[0057]根据本实施方式的电磁导航系统，采用单排电磁导航装置就可以实现对电磁线上 任意点的未来方向趋势的预测，减少了对电磁导航装置的数量的需求，从而节省了机器人 的空间，同时降低了成本。
[0058]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电磁导航装置，包括感应器，其特征在于，所述感应器包括两个电磁感测单元， 所述两个电磁感测单元布置在与水平面平行的相同或不同平面上，并且在水平方向上互成 一定夹角。2. 根据权利要求1所述的电磁导航装置，其特征在于，进一步包括采集单元，用于将所 述两个电磁感测单元检测到的电磁波模拟信号转换为两个电磁感应强度分量，所述电磁感 应强度分量包括大小和方向。3. 根据权利要求2所述的电磁导航装置，其特征在于，进一步包括解算单元，与所述采 集单元通信连接，用于根据所述采集单元输出的两个电磁感应强度分量计算电磁线的偏向 角，其中，所述偏向角用来描述所述电磁线的走向趋势。4. 根据权利要求3所述的电磁导航装置，其特征在于，所述解算单元包括： 计算模块，用于根据所述的两个电磁感应强度分量计算电磁感应强度的方向，再根据 所述电磁感应强度的方向计算所述电磁线的走向趋势。5. 根据权利要求4所述的电磁导航装置，其特征在于，所述计算模块进一步包括： 设定模块，用于将其中一个所述电磁感测单元设置为参考电磁感测单元； 电磁感应强度方向计算模块，用于根据所述的两个电磁感应强度分量，计算所述参考 电磁感测单元与所述电磁感应强度之间的夹角； 电磁线方向计算模块，用于根据所述参考电磁感测单元与所述电磁感应强度之间的夹 角，计算所述电磁线的偏向角。6. 根据权利要求5所述的电磁导航装置，其特征在于，所述解算单元进一步包括： 获取模块，用于从所述采集单元获取所述两个电磁感测单元检测到的两个电磁感应强 度分量的大小和方向； 输出模块，用于输出所述偏向角，所述偏向角与所述两个电磁感测单元之间的夹角和 所述参考电磁感测单元的选择有关。7. -种电磁导航系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-6任一所述的电磁导航 装置。8. 根据权利要求7所述的电磁导航系统，其特征在于，所述至少一个电磁导航装置组成 单排阵列，设置在机器人之下靠前的位置上。9. 根据权利要求8所述的电磁导航系统，其特征在于，进一步，包括处理单元，用于根据 所述至少一个电磁导航装置分别输出的偏向角，计算修正之后的转向角。10. 根据权利要求9所述的电磁导航系统，其特征在于，所述处理单元包括： 预设模块，用于为每一个所述电磁导航装置预设一个转向角； 获取模块，用于获取所述的每一个电磁导航装置的参考电磁感测单元检测到的电磁感 应强度分量； 比较模块，用于比较所述的每一个电磁导航装置中的参考电磁感测单元检测到的电磁 感应强度分量的大小，选择最大的一个电磁感应强度分量输出； 选择模块，用于将与所述最大的一个电磁感应强度分量相对应的电磁导航装置标记为 有效； 输出模块，用于输出修正之后的转向角C = kl*A+k2*D，其中A和D分别为有效电磁导航 装置对应的转向角和偏向角，kl、k2为可变的修正系数。
【文档编号】G01C21/00GK105841691SQ201610151442
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】王可可, 祝涛剑, 覃飞鹏, 刘英英
【申请人】深圳市神州云海智能科技有限公司