應(yīng)用于無(wú)人叉車的電纜導(dǎo)引傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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摘要：針對(duì)當(dāng)前無(wú)人叉車在固定路徑作業(yè)中的無(wú)人導(dǎo)引需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于電纜導(dǎo)引的測(cè)距傳感器。分析了導(dǎo)引電纜周圍磁場(chǎng)的分布情況，提出一種多線圈諧振強(qiáng)化的信號(hào)檢測(cè)方案，完成傳感器布置與硬件電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電纜偏差位置檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器可精準(zhǔn)測(cè)量水平范圍+-15cm內(nèi)的位置偏差，誤差在1cm范圍內(nèi)，可以檢測(cè)五種不同頻率的磁場(chǎng)，滿足大部分無(wú)人叉車導(dǎo)引需求。

關(guān)鍵詞：電纜導(dǎo)引；無(wú)人叉車；多線圈諧振；嵌入式系統(tǒng)

作者：陳淑婷

浙江萬(wàn)里學(xué)院信息與智能工程學(xué)院

伴隨“工業(yè)4.0”“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的推進(jìn)以及人工智能、5G等技術(shù)的突破，制造業(yè)對(duì)裝備自動(dòng)化的需求持續(xù)增長(zhǎng)，智能制造在工業(yè)體系中占比日益提升[1]。作為物料搬運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備，叉車的數(shù)字化與智能化升級(jí)成為重要趨勢(shì)[2]。實(shí)現(xiàn)叉車無(wú)人化運(yùn)行的核心挑戰(zhàn)之一在于路徑規(guī)劃與精準(zhǔn)定位。自主運(yùn)行過(guò)程中，叉車的位置與姿態(tài)直接影響其行駛軌跡[3]。為提高作業(yè)效率并規(guī)避與貨架等障礙物的碰撞，引入自動(dòng)導(dǎo)引技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效無(wú)人化操作的關(guān)鍵。當(dāng)前自動(dòng)導(dǎo)引車常用導(dǎo)航方式包括激光、電磁、視覺(jué)、慣性及二維碼導(dǎo)航[5]等。其對(duì)比如表1所示[6]。

表1 不同導(dǎo)航方式對(duì)比

在工業(yè)生產(chǎn)和物流倉(cāng)儲(chǔ)等典型應(yīng)用場(chǎng)景中，機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和化學(xué)物質(zhì)使用常導(dǎo)致環(huán)境存在較高污染和噪聲[7]。同時(shí)，出于穩(wěn)定性和效率考慮，叉車路徑往往固定[8]。在此類復(fù)雜環(huán)境下，激光導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航等依賴環(huán)境光線或反射特征的方案易受干擾，導(dǎo)致導(dǎo)航精度下降[9]。相比之下，電磁導(dǎo)航所依賴的磁場(chǎng)信號(hào)具備優(yōu)異的抗干擾特性，不受聲、光、溫、濕等環(huán)境因素影響，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)[10]。

為了適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，本文采用電磁定位的導(dǎo)引方式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于嵌入式系統(tǒng)的無(wú)人叉車導(dǎo)引傳感器。如圖1所示，將線圈組成的電感作為磁檢測(cè)裝置的主要元件安裝在叉車上，在叉車的預(yù)定行駛道路中鋪設(shè)一條通有交變電流的金屬線作為導(dǎo)引電纜安裝在地下，導(dǎo)引電纜在自身周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。此時(shí)磁檢測(cè)裝置中的接收線圈會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)與接收線圈的空間位置與姿態(tài)相關(guān)，利用磁場(chǎng)分布模型推導(dǎo)出線圈位置信息的方程，采用非線性算法對(duì)方程求解，解得磁檢測(cè)裝置的空間位置信息，將叉車位置信息上傳至叉車控制器來(lái)修正行駛方向。

圖1 電磁導(dǎo)引原理圖

一

電磁導(dǎo)引檢測(cè)原理

根據(jù)電磁學(xué)理論，導(dǎo)線中通入交變電流（如正弦電流）時(shí)，其周圍空間將產(chǎn)生同頻率變化的磁場(chǎng)[11]。若在此磁場(chǎng)中放置電感線圈，線圈兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(E)，且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(E)的大小和通過(guò)線圈回路的磁通量(φ)的變化率成正比[12]。導(dǎo)線周圍不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)的大小和方向各異，導(dǎo)致不同位姿線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不同，此特性可用于位置檢測(cè)[13]。

圖2 無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線電流的磁場(chǎng)

首先要確定磁場(chǎng)的分布狀況，在電磁導(dǎo)引式無(wú)人叉車系統(tǒng)中，由于磁檢測(cè)裝置的尺度遠(yuǎn)小于導(dǎo)引電纜長(zhǎng)度，可將載流導(dǎo)線近似為無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線[14]，如圖2所示，載流長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍的磁感應(yīng)線是以導(dǎo)線為軸的一組同心圓環(huán)，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律知：距離導(dǎo)線為a的P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度如式(1)所示：

其中為真空磁導(dǎo)率，，電I(t)是導(dǎo)線中的交變電流，；故B為交變磁場(chǎng)，頻率由激勵(lì)電流的頻率決定，方向可通過(guò)右手定則確定。由式(1)可知，無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線電流在其周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與距離r成反比，與電流i成正比。若將一匝數(shù)為N、截面積為S的感應(yīng)線圈放置于電纜周圍的磁場(chǎng)中，則當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)通過(guò)線圈的磁通量為：

線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

由式(3)可知，感應(yīng)線圈上的瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與導(dǎo)軌金屬線上加載的高頻交流電的頻率、幅值，感應(yīng)線圈的截面積、所處的高度、纏繞線圈匝數(shù)，側(cè)向偏移量和前向角度偏差有關(guān)。

對(duì)式(3)作進(jìn)一步分析可以得到，當(dāng)系統(tǒng)和電磁檢測(cè)器都設(shè)計(jì)確定之后，電磁檢測(cè)線器上的瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e就只與當(dāng)前位置距離導(dǎo)軌金屬線的水平側(cè)向偏移距離x和前向角度偏差θ兩個(gè)參數(shù)有關(guān)。

二

多線圈檢測(cè)方案

傳統(tǒng)的電磁導(dǎo)引車一般采用一個(gè)或兩個(gè)線圈水平放置在車體前端[15]，如圖3所示，這種電磁導(dǎo)引定位方式的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)引機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，路徑信息獲取簡(jiǎn)單，但由于獲取的位置信息較少，難以確定車輛具體狀態(tài)，適用于對(duì)導(dǎo)引精度要求不高的場(chǎng)合[16]。

圖3 單、雙電磁傳感器導(dǎo)引定位

為了獲得精確的叉車定位信息，需要增加傳感器線圈的個(gè)數(shù)，獲取多個(gè)位置信息，并按照一定的布局方式，通過(guò)一定的檢測(cè)和算法，實(shí)現(xiàn)叉車的精確電磁導(dǎo)引定位[17]。

圖4 七線圈三維傳感器布局

本文叉車行駛路徑包括直道、折線、直角、環(huán)島等，導(dǎo)引線路徑元素決定傳感器布置方式。本文采用七個(gè)測(cè)量線圈作為磁檢測(cè)裝置的主要元件，其中有三組兩兩相互垂直的線圈分別位于檢測(cè)裝置左中右三列，如圖4所示，線圈L1L3L5水平方向擺放成橫向均勻排列，L2L7L6垂直于水平方向均勻排列，L4豎直方向擺放于中間列。水平線圈可有效判斷方向和前方道路的彎道，垂直線圈可解算具體偏移量，通過(guò)多維度檢測(cè)結(jié)合有效獲取叉車位置信息。

三

基于多線圈諧振強(qiáng)化的導(dǎo)引傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

為避免控制電路中的數(shù)字高頻噪聲（如時(shí)鐘）耦合到信號(hào)采集電路中影響信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)將信號(hào)采集模塊與其他模塊分為采集板與主控板兩塊電路板，硬件原理框圖如圖5所示。

圖5 硬件原理框圖

采集板負(fù)責(zé)電磁信號(hào)的采集及對(duì)初始感應(yīng)信號(hào)的處理，主控板負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出叉車路徑偏移量并傳輸至叉車控制器，最終實(shí)現(xiàn)誤差糾偏。

四

數(shù)據(jù)處理算法

1.信號(hào)預(yù)處理與噪聲抑制

原始感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)受電路噪聲及工業(yè)環(huán)境電磁干擾影響，需通過(guò)多階濾波與歸一化處理提升信號(hào)質(zhì)量。

采用“粗濾波-精修正”二級(jí)處理機(jī)制。對(duì)每個(gè)線圈連續(xù)采集20組原始數(shù)據(jù)（采樣頻率10kHZ），采用改進(jìn)的加權(quán)滑動(dòng)平均濾波。設(shè)第i時(shí)刻的采樣值為Ei，濾波窗口長(zhǎng)度N=5，權(quán)重系數(shù)滿足且（中心時(shí)刻權(quán)重最高，邊緣遞減），濾波結(jié)果為：

計(jì)算濾波后數(shù)據(jù)的均值μ與標(biāo)準(zhǔn)差σ，若某時(shí)刻數(shù)據(jù)，則采用前3次有效值的均值替代，避免突發(fā)干擾導(dǎo)致的信號(hào)畸變。

歸一化處理公式如式(5)所示。

式中，En為濾波后電感數(shù)值（通過(guò)全波整流與峰值檢測(cè)獲取）；Emin、Emax為系統(tǒng)校準(zhǔn)階段采集的基準(zhǔn)值（在偏移量±10cm范圍內(nèi)連續(xù)采樣500組數(shù)據(jù)，取最小值與最大值）；P為比例系數(shù)，增加比例系數(shù)以消除偏移問(wèn)題；E為歸一化后電感數(shù)值，將作為方位特征解析與偏移量計(jì)算的輸入，數(shù)值范圍為0～2500。

2.方位特征解析與方向判定

基于七線圈的空間布局（左列L1/L2、中列L3/L4/L7、右列L5/L6），利用磁場(chǎng)分布的對(duì)稱性解析偏移方向與車身姿態(tài)。

左列線圈L1與中列線圈L3關(guān)于導(dǎo)引電纜的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差與水平偏移方向存在確定性關(guān)聯(lián)，當(dāng)叉車向電纜左側(cè)偏移時(shí)，L1處磁場(chǎng)強(qiáng)度大于L3，且兩者相位差為π，此時(shí)兩信號(hào)的乘積為負(fù)值：sign(EL1.EL3)<0表示左側(cè)偏移；當(dāng)叉車向電纜右側(cè)偏移時(shí)，L3處磁場(chǎng)強(qiáng)度大于L1，相位差為0，乘積為正值：sign(EL1.EL3)>0表示右側(cè)偏移。為避免瞬時(shí)噪聲導(dǎo)致誤判，設(shè)置連續(xù)3次判定結(jié)果一致時(shí)才輸出方向信號(hào)。

利用左列線圈L2與右列線圈L6的相位特征判斷車頭轉(zhuǎn)向：當(dāng)車頭向左偏轉(zhuǎn)時(shí)，L2與L3的磁場(chǎng)切割方向相反，信號(hào)相位差為π/2，乘積為負(fù)值；當(dāng)車頭向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，L2與L6相位同向，乘積為正值。在確定車輛偏移方向后，需要進(jìn)一步計(jì)算橫向偏移的具體數(shù)值。

3.偏移距離量化模型

基于磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的非線性關(guān)系，通過(guò)分段線型擬合實(shí)現(xiàn)偏移量的精確計(jì)算。定義歸一化電動(dòng)勢(shì)差值為核心特征量，如式(6)所示，其中左列均值為L(zhǎng)1/L2的歸一化信號(hào)平均值，右列均值為L(zhǎng)5/L6的平均值，中列L3/L4/L7作為基準(zhǔn)參考，消除導(dǎo)引電纜電流波動(dòng)的影響。

在系統(tǒng)校準(zhǔn)階段，通過(guò)傳感器在-10cm～+10cm范圍內(nèi)采集?E與實(shí)際偏移距離d的對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者在分段區(qū)間內(nèi)近似線性特征：當(dāng)d∈[-10cm,0]（左側(cè)偏移）時(shí)，擬合直線斜率如式(7)所示。

其中?E0為d=0時(shí)的基準(zhǔn)值，?Emin為d=-10cm時(shí)的最小值；當(dāng)d∈[0,+10cm]（右側(cè)偏移）時(shí)，擬合直線斜率如式(8)所示。

其中?Emax為d=+10cm時(shí)的最大值。距離計(jì)算如式(9)所示。

由于磁場(chǎng)在偏移區(qū)間兩端的梯度變化較大，單純的分段線性擬合會(huì)在±8cm以外產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。為此，在每個(gè)分段的線性模型基礎(chǔ)上引入二次項(xiàng)補(bǔ)償函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)殘差的二次曲線修正，補(bǔ)償模型為：

其中，ki、bi分別為第i段的線性擬合斜率與截距，ci為二次項(xiàng)系數(shù)，通過(guò)最小二乘法對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的殘差部分進(jìn)行擬合獲得。

五

實(shí)驗(yàn)

測(cè)得七路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到叉車中心偏離路徑中心的大小。電路板如圖6所示。

圖6 采集板與主控板實(shí)物圖

為了測(cè)試所研制電纜導(dǎo)引傳感器的位置檢測(cè)精度，設(shè)計(jì)了一套雙軸機(jī)械臂遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺(tái)，如圖7所示。主要由三根滑軌、電纜導(dǎo)引傳感器、定位針、刻度尺和通電電纜構(gòu)成，其中傳感器安裝在水平滑軌的滑塊上并配有一根定位針，有兩根滑軌各帶有一個(gè)直線步進(jìn)電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)統(tǒng)一由一個(gè)基于的STM32單片機(jī)控制，通過(guò)遠(yuǎn)程控制指令可控制單軸滑塊移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電纜導(dǎo)引傳感器垂直方向高度的可調(diào)以及水平方向位置的可動(dòng)態(tài)連續(xù)變化，達(dá)到模擬車載安裝的效果，同時(shí)也可以較為精確地給出電纜導(dǎo)引傳感器的檢測(cè)結(jié)果，用于算法優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 雙軸機(jī)械臂遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺(tái)

在進(jìn)行導(dǎo)線頻率準(zhǔn)備的過(guò)程中，為了準(zhǔn)確模擬多種頻率和電源強(qiáng)度下的工作環(huán)境，本文采用專用的恒流激勵(lì)源裝置，生成五種不同頻率和四種不同電流的交流電信號(hào)。技術(shù)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同頻率及電流下的輸出邊界值

傳感器在各頻率下均能穩(wěn)定輸出有效信號(hào)，通過(guò)雙極可調(diào)增益放大器的調(diào)節(jié)，信號(hào)強(qiáng)度保持穩(wěn)定，驗(yàn)證了電路對(duì)電流變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。

為驗(yàn)證傳感器在叉車典型高度范圍[18]的適應(yīng)性，導(dǎo)引電纜布置與激勵(lì)保持一致（信號(hào)頻率為8kHz，電流為100mA），測(cè)取h=5、10cm兩個(gè)特征高度（對(duì)應(yīng)叉車底盤(pán)與地面的常見(jiàn)距離）進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，各高度均在導(dǎo)引電纜橫向偏差-10cm～+10cm，步長(zhǎng)1cm處采集5次重復(fù)測(cè)量，計(jì)算平均誤差與標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 h=5cm時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)的輸出值

表4 h=10cm時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)的輸出值

高度為5cm時(shí)全范圍平均誤差最小(0.42cm)，10cm時(shí)增至0.53cm，表明檢測(cè)精度隨高度增加而降低。根據(jù)式(1)可知這是由于磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離成反比，高度升高導(dǎo)致線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減弱導(dǎo)致。七線圈通過(guò)水平、垂直多維度采樣，構(gòu)建了更全面的磁場(chǎng)分布模型，減少了單一方向信號(hào)丟失導(dǎo)致的偏差。結(jié)合工業(yè)場(chǎng)景中叉車底盤(pán)高度多為5～10cm的特點(diǎn)，該傳感器在常規(guī)安裝條件下可滿足±1cm的精度要求[18]，但15cm以上高度需通過(guò)算法補(bǔ)償優(yōu)化。

六

總結(jié)

本文以無(wú)人叉車電磁導(dǎo)引系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)當(dāng)前無(wú)人叉車在固定路徑作業(yè)中的電磁導(dǎo)航需求，研發(fā)出一款磁檢測(cè)裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器可穩(wěn)定檢測(cè)五種頻率的磁場(chǎng)信號(hào)，在30～100mA電流范圍內(nèi)通過(guò)電路調(diào)節(jié)保持信號(hào)有效性，滿足多場(chǎng)景適配需求；在5～10cm安裝高度下，位置檢測(cè)誤差≤1cm，平均誤差0.42cm，優(yōu)于傳統(tǒng)雙線圈方案，符合工業(yè)AGV導(dǎo)航精度標(biāo)準(zhǔn)；多線圈布局與諧振強(qiáng)化技術(shù)顯著提升了信號(hào)采樣的全面性與抗干擾能力，為無(wú)人叉車固定路徑導(dǎo)引提供了可靠的硬件支撐。同時(shí)該裝置也具有一定待優(yōu)化性，在檢測(cè)精度上可以采用更精密的人工智能算法計(jì)算方位，在檢測(cè)方式上可采用多傳感融合的方式彌補(bǔ)電磁導(dǎo)引方式的不足。

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———— 物流技術(shù)與應(yīng)用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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