基于電渦流效應的AGV導引傳感器設計*

趙 旭， 雷師節(jié)， 鄔楊波， 謝建軍

(寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

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基于電渦流效應的AGV導引傳感器設計*

趙 旭， 雷師節(jié)， 鄔楊波， 謝建軍

(寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

設計了一種基于電渦流效應的自動導引車(AGV)導引傳感器。該傳感器利用電渦流原理，根據電感/數字轉換器LDC1000采集外接線圈上的等效電阻的變化，得到傳感器中心與金屬膠帶中心之間的偏移距離。詳細介紹了系統(tǒng)硬件構成。在室內工作區(qū)域內鋪設軌道上，對所提出的AGV導引傳感器進行了實驗測試，通過對實驗數據分布特性圖的分析結果證實了所設計傳感器的可用性。所設計的傳感器可用于AGV的導引,且具有高精度，易構建，易維護等特點。

自動導引車; 電渦流; 導引傳感器; 路徑檢測

0 引 言

隨著制造業(yè)現代化程度的提升，傳統(tǒng)物流行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，自動導引車(automated guided vehicle,AGV)已在現代物流業(yè)、制造業(yè)及其他各種行業(yè)中得到廣泛應用。根據美國物料搬運協(xié)會(America Material Handling Association)的定義,AGV是一種以充電電池為動力，自動導引的無人駕駛自動化車輛，它能在計算機的監(jiān)控下，按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確行走并停靠到指定的地點，完成一系列的作業(yè)任務,如取貨、送貨、充電等[1]。

通常AGV需要按照既定的路徑行駛，因此,其導航技術是AGV的關鍵技術之一。當前，AGV導航技術主要有電磁引導技術、激光引導技術和視覺引導技術等。如電磁引導技術將通電引線鋪設于地面之下構成導引軌道，AGV通過檢測引導線所發(fā)出的電磁信號來檢測路徑并行進。其特點為：受外界干擾小，性能穩(wěn)定可靠，但如對軌道進行臨時性調整，實施困難。磁導引技術以磁條作為導引軌道，安裝靈活，調整方便，通用性好。但長期使用，磁條磁性下降，同時易受外界干擾造成讀取數值不穩(wěn)定[2,3]。激光引導技術通過檢測外界反射板的反射光，通過計算來實現自身的定位和導航。引導精度高，行駛路徑靈活。缺點是設備成本高，適用于中大型AGV車上[4]。視覺導引可靠性強，安全性好，智能化的記憶識別能力更完善，但技術復雜，無法應用于復雜環(huán)境中[5]。

本文針對上述導引方式存在的問題，提出了一種基于電渦流效應的AGV導引傳感器。該傳感器能夠對采用金屬膠帶構成的導引軌道進行檢測并實現AGV的導航，其基本原理為：通過對鋪設好的金屬膠帶軌道表面的電渦流效應損耗的檢測計算得到AGV與金屬軌道的橫向偏差距離，進而實現AGV導引。該導引方式具有成本低廉、非接觸 、環(huán)境適應性強，易維護和易構建工作區(qū)域的特點。

1 基于電渦流效應的路徑檢測原理

電渦流效應的原理：由固定在框架上的線圈與一電容并聯，構成并聯諧振電路。線圈通入交流電產生交變磁場，置入該磁場的導體表面會產生電渦流效應，其等效模型如圖1(a)所示。根據楞次定律，電渦流會產生與原磁場相反的磁場φe，從而減弱原磁場φe。從能量的角度來看，電渦流上的能量損耗，導致線圈上的Q值、等效電阻和等效電感發(fā)生改變[6]。

應用諧振線圈對路徑檢測時，當線圈覆蓋金屬路徑的面積發(fā)生改變，金屬路徑表面產生的感應電動勢發(fā)生改變，電渦流強度也隨之發(fā)生變化。電渦流激發(fā)自身的磁場與傳感器的磁場耦合，產生互感現象。此物理現象可以用互感模型進行建模并分析，其電路模型如圖1(b)所示。當發(fā)生電渦流現象時，互感將導致諧振線圈回路的等效阻抗發(fā)生改變。具體分析如下：

圖1 電渦流等效模型和電路模型Fig 1 Equivalent model for eddy current

根據圖1所示的等效電路模型得到KVL方程如下

(1)

(2)

由方程(1)和方程(2)得出產生互感后的線圈的等效阻抗為

(3)

Zeq(S)=R1+R(S)+jω0(L1-L(S))

(4)

諧振電路的導納可表示為

(5)

諧振時有

(6)

式(6)代入式(5)化簡得到線圈并聯等效電阻為

(7)

顯然，線圈并聯等效電阻值與線圈和金屬路徑的相對位置有關。基于上述原理，傳感器通過檢測線圈上的并聯等效電阻值大小值，即可得到相對位置的具體數值。圖2是使用寬度50mm，厚度0.2mm常用的鋁箔膠帶作為傳感器的檢測路徑，選用外徑45mm，內徑20mm，匝數為27匝的線圈，在不同高度下，使用LRC電橋儀記錄單個線圈正對鋁箔膠帶在不同橫向距離下的并聯等效電阻值。有實驗數據可知，采集鋁箔膠帶不同橫向距離下的并聯等效電阻值，計算得到傳感器與鋁箔膠帶的偏差距離。

圖2 不同高度下線圈并聯等效電阻與路徑偏差距離的關系Fig 2 Relationship between coil parallel equivalent resistance and path deviation distance under different height

2 導引傳感器設計

導引傳感器硬件結構如圖3所示。電感/數字轉換器將采集線圈上并聯等效阻抗的變化，轉換成相對應的數字量送入主控器。通過計算一對電感/數字轉換器輸出差值來得到傳感器與鋁箔路徑的橫向偏移距離。

圖3 導引傳感器硬件結構Fig 3 Hardware structure of guided sensor

2.1 MCU

主控單元選用ST公司的STM32F103系列微處理器，擁有多路SPI和CAN通信模塊，STM32通過SPI采集一對LDC1000的輸出并計算得到橫向偏移距離,通過CAN接口發(fā)送至上位機。

2.2 數字電感轉換器

為了保證線圈并聯等效電阻的精確檢測，本設計使用LDC1000集成芯片實現電感線圈并聯等效電阻值的檢測。當線圈與鋁箔膠帶橫向偏差距離發(fā)生改變時，LDC1000檢測到線圈上并聯等效電阻的變化，將等效電阻值轉化為相對應的數字量輸出[6]。

2.3 線圈參數設計

對于測量以面積為基本量的線圈，希望有較大的線性范圍和較高的靈敏度。線圈外徑大時，傳感器敏感范圍大，線性范圍相應就會增大，但靈敏度降低；線圈外徑小時，線性范圍變小，靈敏度增大[6,8]。線圈幾何尺寸如圖4所示。線圈耦合到金屬的磁場強度與線圈的參數、線圈與金屬間的距離等有復雜的依賴關系

(8)

圖4 線圈幾何參數Fig 4 Geometry parameters of coil

結合鋁箔膠帶的寬度、材質、線圈安裝的高度等。綜合考慮，設計傳感器上線圈匝數N為27匝，內外徑Ra，Rb分別為45，20 mm。既保證對傳感器與鋁箔膠帶的橫向偏差距離的測量，又具有較高的靈敏度。

3 路徑檢測偏差計算方法

實際對路徑進行檢測時，LDC1000芯片讀取線圈的等效電阻值會在一定誤差范圍中變化，如何將采集誤差控制在更小的范圍內，是首先要解決的工作。傳感器與鋁箔膠帶接觸面積實時變化，傳感器與鋁箔膠帶無面積接觸時，標定此時路徑偏差為零。當產生偏差時，傳感器上LDC1000采集值增加，通過差分輸出的方式來計算得到傳感器與鋁箔膠帶橫向偏差距離。

3.1 濾波處理

電感/數字轉換器LDC1000具有很高的并聯等效電阻采集精度，輸出值為215數字量，但考慮到實際運行情況下各種噪聲的產生，例如溫度的影響，車體的抖動，將LDC1000對等效電阻的采集值造成影響，因此需要對采集值進行濾波處理，首先,對電感/數字轉換器的輸出值多次采集，再進行快速排序和去極值平均濾波。快速排序的目的是為了將多次采集的值按從小到大的順序排列，去極值平均濾波將排列好的值的頭部和尾部數值去掉，取中間部分平均值。此算法有效提高了傳感器抗毛刺和噪聲的干擾能力。

3.2 路徑檢測偏差距離方法

由于線圈的個體差異，每個線圈的各項參數都不完全相同。如圖5所示利用對稱的傳感器結構，將兩個線圈安裝距離設定為鋁箔的寬度，兩個線圈的排列的中心作為坐標原點。

圖5 導引傳感器檢測路徑示意圖Fig 5 Detecting path diagram of guided sensors

當傳感器與路徑無偏差時，標定此時的一對LDC1000讀取的值的差值為0。當傳感器與路徑產生偏差時，差值不為0，根據偏差值來推算出實際偏差距離[9]。圖6是在距離鋁箔路徑20mm的高度下，傳感器對稱中心到鋁箔膠帶中心點偏差距離d為橫坐標X，傳感器讀取的差值為縱坐標Y。

圖6 差分輸出LDC1000值與偏差距離的關系Fig 6 Relationship between differential output LDC1000 values and deviation distance

4 實驗結果與分析

4.1 測試與實驗結果

測試中，以鋁箔路徑中心為基準，在不同高度測量不同橫向偏移距離下傳感器的差分輸出，每次測試偏離距離選為5mm。 實驗中，一對傳感器中心與鋁箔路徑中心每移動5mm記錄1次測量結果如表1所示。從實驗結果來看，在如下幾種高度的情況下，傳感器的輸出值呈線性變化。

表1 AGV導引傳感器測量結果/mm

4.2 實驗結果與分析

由測量結果可以看出：在傳感器的線性檢測范圍內，在不同高度下測量，將會使傳感器的檢測靈敏度發(fā)生改變，即傳感器的采集數值線性程度發(fā)生改變。在較高距離下，傳感器對鋁箔膠帶面積檢測的靈敏度下降，傳感器的采集數值偏小。特別是在傳感器與鋁箔膠帶接觸面積很小的情況下。而在較低距離下，傳感器對鋁箔膠帶面積的靈敏度上升，采集數值線性化程度更加精確[10]。

在實際使用中，根據AGV的使用場合，結合對AGV控制精度的要求，選擇適合的傳感器安裝高度和線圈的內外徑對金屬軌道的檢測至關重要。此外，若選用不同厚度，不同材質的金屬膠帶都對傳感器的檢測產生影響。總體來說，選用較厚，導電性能好的材料，將會提高傳感器測量范圍和靈敏度。

5 結束語

本文設計了一種基于電渦流效應的高精度AGV導引傳感器，使用常用金屬鋁箔膠帶作為AGV導軌。此傳感器的橫向檢測距離范圍為40 mm，檢測的誤差范圍在±2 mm內。通過差分輸出的方式直接輸出與路徑的實際偏差值。該傳感器使用簡單方便，具有較高的精度。采用金屬鋁箔膠帶來構建AGV運行軌道，靈活性強，適用環(huán)境廣。

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鄔楊波，通訊作者,E—mail：wuyangbo@nbu.edu.cn。

Design of guided AGV sensor based on eddy current effect*

ZHAO Xu， LEI Shi-jie， WU Yang-bo， XIE Jian-jun

(School of Information Science and Engineering,Ningbo University，Ningbo 315211，China)

A kind of automated guided vehicle(AGV) guidance sensor based on eddy current effect is designed.The proposed sensor utilizes the eddy current principle,according to inductor digital converter LDC1000 acquire changes of equivalent resistance of the external coil,obtain offset distance between the sensor center and the metal tape center.Describe the system hardware configuration in detail.In-room work areas laid on track,the proposed AGV guidance sensor is experimentally tested.Analysis of the distribution of the results of the experimental data confirms availability of the designed sensor.The sensor can be used to guide the AGV and has characteristics of high precision,easy to build and maintain.

automated guided vehicle(AGV); eddy current; guided sensor; path detection

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0085—04

2016—09—28

國家自然科學基金資助項目(61271137)

TP 216

A

1000—9787(2016)12—0085—04

趙 旭(1991-)，男，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設計。