摘  要： 設(shè)計(jì)和研究了移動(dòng)機(jī)器人的磁邊界識(shí)別和遍歷矯正。采用燒結(jié)NdFeB作為磁邊界材料；對(duì)于邊界磁場(chǎng)信息的識(shí)別，選用UGN3503霍爾傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于機(jī)器人的遍歷，采用迂回式遍歷。對(duì)于通常移動(dòng)機(jī)器人的遍歷中產(chǎn)生的累計(jì)誤差問(wèn)題，提出一種矯正的方案，采用磁邊界作為機(jī)器人糾正誤差的標(biāo)志，該磁邊界同時(shí)也作為機(jī)器人工作區(qū)域的邊界。這與當(dāng)前其他矯正遍歷誤差方式相比，有效地降低了邊界系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也提高整個(gè)運(yùn)作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 磁邊界；移動(dòng)機(jī)器人；遍歷；矯正

　在移動(dòng)機(jī)器人自主尋跡時(shí)，邊界識(shí)別是其重要環(huán)節(jié)之一。邊界識(shí)別技術(shù)，是指移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)各種傳感器來(lái)檢測(cè)或推算邊界信息，控制自身在規(guī)定的范圍內(nèi)活動(dòng)。通過(guò)調(diào)查和研究，現(xiàn)有的戶外輪式移動(dòng)機(jī)器人都將邊界識(shí)別作為首要研究?jī)?nèi)容，目前采用的方法可分為如下幾類(lèi)：（1）采用通電電纜包圍整個(gè)工作區(qū)域，機(jī)器人通過(guò)探測(cè)邊界線所形成的磁場(chǎng)來(lái)推算邊界信息，此種方法需在不同區(qū)域埋線并增設(shè)電源，但在執(zhí)行上造成了一定的困難；（2）采用預(yù)先在邊界放置與周邊環(huán)境色差較大的標(biāo)示物，機(jī)器人通過(guò)光學(xué)傳感器來(lái)檢測(cè)邊界，此種方法算法復(fù)雜，容易出錯(cuò)；（3）采用定位傳感器如GPS、超聲波、視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)等確定機(jī)器人的位置，進(jìn)而確定邊界。以上方法均設(shè)備復(fù)雜、成本較高，而且往往難以達(dá)到精確定位的效果。
　本文針對(duì)以上邊界識(shí)別技術(shù)所存在的缺陷，提出一種改進(jìn)的機(jī)器人邊界識(shí)別方法以解決上述問(wèn)題，同時(shí)設(shè)計(jì)了遍歷矯正方案來(lái)減小運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的累積誤差，提高了定位精度，降低了方法的難度。系統(tǒng)由按一定規(guī)律排布的永磁體邊界與安裝于機(jī)器人上的線性霍爾傳感器構(gòu)成。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)不僅具有實(shí)用性而且穩(wěn)定。
1 機(jī)器人的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
　移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、傳感器采集模塊、電源模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊組成。單片機(jī)主控模塊是移動(dòng)機(jī)器人的控制核心[1]，負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制模塊執(zhí)行；傳感器采集模塊主要是線性霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)邊界采集的電壓數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)控制模塊是移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分，負(fù)責(zé)接收單片機(jī)主控模塊的運(yùn)動(dòng)指令，由直流電機(jī)完成前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎和后退的指令，然后通過(guò)傳感器多次采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遍歷矯正；電源模塊是移動(dòng)機(jī)器人的能量來(lái)源，為單片機(jī)主控模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊提供所需能量。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示。其中，控制系統(tǒng)的核心控制芯片采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F020單片機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇L298N型號(hào)。磁邊界材料選擇磁性較強(qiáng)的釹鐵硼（NdFeB）磁體。傳感器采集模塊采用UGN3503霍爾傳感器來(lái)識(shí)別邊界信息。

1.1 C8051F020單片機(jī)簡(jiǎn)介
　C8051F020單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，采用全速、非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試接口，提供C編譯調(diào)試環(huán)境，可以大大提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度和效率。芯片內(nèi)置有8路12位A/D轉(zhuǎn)換器、8路8位A/D轉(zhuǎn)換器、2路12位D/A轉(zhuǎn)換器、2路UART、SPI、I2C、電壓比較器、內(nèi)部晶振、看門(mén)狗、電壓監(jiān)視器、溫度傳感器、多路PWM輸出，支持20個(gè)中斷源、64個(gè)可編程I/O口、    4 KB RAM、64 KB在系統(tǒng)編程Flash存儲(chǔ)器等外部設(shè)備，簡(jiǎn)化了MCU芯片外圍電路的設(shè)計(jì)。
1.2 邊界識(shí)別的硬件設(shè)計(jì)
　由于移動(dòng)機(jī)器人采用強(qiáng)磁體作為邊界，對(duì)傳感器的靈敏度要求不高，因此選用線性霍爾傳感器UNG3503U來(lái)識(shí)別磁邊界。該傳感器具有低噪輸出、隨磁場(chǎng)強(qiáng)度線性變化、性能穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)。為保證機(jī)器人能夠始終有效地檢測(cè)邊界且減少霍爾元件的數(shù)量，將霍爾傳感器分為左右對(duì)稱的兩大部分。每一部分中的任意兩個(gè)相鄰霍爾傳感器的距離為矩形永磁體寬面長(zhǎng)度的一半。左右兩大部分的霍爾傳感器間距為兩倍永磁體寬面長(zhǎng)度。由于霍爾傳感器對(duì)垂直自身的磁感線最為敏感，因而任意一個(gè)霍爾傳感器的傳感部分均與永磁體的寬面平行，任意一個(gè)霍爾傳感器與永磁體的上寬面間距相等且約為1 mm。邊界識(shí)別的磁傳感器原理圖如圖2所示。

2 磁邊界的建立與識(shí)別
　目前，移動(dòng)機(jī)器人工作區(qū)域的磁邊界大多采用有源的導(dǎo)線產(chǎn)生。而機(jī)器人工作時(shí)整個(gè)系統(tǒng)會(huì)在邊界上產(chǎn)生能量消耗，不符合現(xiàn)在倡導(dǎo)的低碳經(jīng)濟(jì)的要求。因此，本文就功耗問(wèn)題，采用無(wú)源的永磁鐵作為機(jī)器人的工作邊界，不需要增設(shè)額外的電源。永磁體可埋于地底，對(duì)環(huán)境的影響較小?？紤]到每種永磁鐵都具有不同的特性，在選擇某種磁性材料時(shí)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，應(yīng)該考慮最大磁能積、矯頑磁性、最大工作溫度、剩磁及材料的硬度等因素。燒結(jié)NdFeB永磁材料的剩磁Br與其他材料相差不大，但其最大磁能積卻是其他永磁材料的幾倍，且長(zhǎng)期使用不會(huì)退磁。因此，移動(dòng)機(jī)器人邊界采用燒結(jié)NdFeB磁體作為邊界材料。
　該邊界識(shí)別方法簡(jiǎn)單、精度高，同時(shí)可利用永磁體的特殊排列規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，保證了機(jī)器人的工作范圍。移動(dòng)機(jī)器人的磁邊界由上下寬面為磁極、充磁方向沿厚度方向的矩形永磁體組成。多個(gè)永磁體的排列規(guī)律如圖3所示，L為矩形永磁體的寬面長(zhǎng)度，相鄰磁體的間距與磁體寬面長(zhǎng)度相等，且所有永磁體的朝上寬面為同一磁極。

　當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人上的線性霍爾傳感器未處在磁體的正上方，線性霍爾傳感器的輸出電壓為2.5 V。該電壓經(jīng)過(guò)兩個(gè)等值電阻分壓后傳給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，此時(shí)單片機(jī)主控模塊檢測(cè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到的電壓為1.25 V，判斷機(jī)器人未處于邊界。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人上的線性霍爾傳感器移動(dòng)至磁體上方，線性霍爾傳感器的輸出電壓發(fā)生突變，該電壓經(jīng)過(guò)兩個(gè)等值電阻分壓后傳給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。此時(shí)單片機(jī)主控模塊檢測(cè)任意一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到的電壓發(fā)生突變，判斷機(jī)器人到達(dá)邊界。
3 邊界的遍歷與矯正
　為了覆蓋到工作環(huán)境的整個(gè)區(qū)域，需要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的路徑進(jìn)行全區(qū)域覆蓋規(guī)劃，主要有隨機(jī)路徑規(guī)劃、螺旋收縮路徑規(guī)劃與往復(fù)前進(jìn)路徑規(guī)劃三種方式，本文采用往復(fù)前進(jìn)路徑規(guī)劃進(jìn)行遍歷[2]。采用往復(fù)前進(jìn)路徑規(guī)劃來(lái)遍歷的方案如圖5所示，移動(dòng)機(jī)器人沿規(guī)劃的路徑在工作區(qū)域上下邊界和左右邊界都采用往復(fù)前進(jìn)，以直線方式行走至邊界后掉頭，然后沿反方向直線運(yùn)行，如此反復(fù)迂回，直到整個(gè)區(qū)域被覆蓋。

    當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)工作區(qū)域的右上角邊界時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)左轉(zhuǎn)90°來(lái)改變往復(fù)的路線，由上下往復(fù)式變?yōu)樽笥彝鶑?fù)式，該路線切換可以通過(guò)上述邊界識(shí)別奇偶次數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
移動(dòng)機(jī)器人按照往復(fù)前進(jìn)路徑規(guī)劃遍歷會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，每次往復(fù)都會(huì)偏離原來(lái)預(yù)定路徑微小的量，隨著往復(fù)次數(shù)的增加，微小量累加最終造成較大偏差。因此，本文對(duì)機(jī)器人迂回工作產(chǎn)生的遍歷誤差提出了一種新矯正方式[3]。此矯正方式以磁邊界上放置的燒結(jié)NdFeB磁體作為標(biāo)志，通過(guò)線性霍爾傳感器與磁體特殊的排列使移動(dòng)機(jī)器人在行走過(guò)程中矯正其位置。如圖6所示，L為矩形永磁體的寬面長(zhǎng)度。

　上述方式通過(guò)左右各4個(gè)霍爾傳感器間的電壓差實(shí)現(xiàn)誤差矯正。由于磁邊界磁場(chǎng)強(qiáng)度由中心向外逐漸減弱，線性霍爾傳感器在離磁邊界不同距離時(shí)輸出的電壓不同。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)邊界時(shí)，可通過(guò)檢測(cè)線性霍爾傳感器的輸出電壓值來(lái)判斷移動(dòng)機(jī)器人兩前輪是否與邊界垂直。單片機(jī)主控模塊首先通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器順次檢測(cè)并記錄8個(gè)線性霍爾傳感器的電壓，然后計(jì)算左邊4個(gè)線性霍爾元件的電壓之和與右邊4個(gè)線性霍爾元件的電壓之和，最后將兩電壓和相減求差，若其差小于設(shè)定的閾值，則判斷移動(dòng)機(jī)器人兩前輪已經(jīng)垂直邊界。若其差不小于設(shè)定的閾值，則可通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制模塊調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人兩前輪的位置與邊界垂直。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
　模擬文中假設(shè)的工作環(huán)境，制作出移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物模型，將安裝電源后的移動(dòng)機(jī)器人放置在工作環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究提出的遍歷矯正方法的有效性。表1、表2和表3分別記錄了移動(dòng)機(jī)器人前后兩輪所在直線垂直邊界、向右傾斜邊界和向左傾斜邊界三種情況時(shí)的采集數(shù)據(jù)。

　由于左邊4個(gè)線性霍爾元件的電壓之和與右邊4個(gè)線性霍爾元件的電壓之和的差值Dv的值小于邊界識(shí)別閾值1.70 V，移動(dòng)機(jī)器人判斷前后兩輪所在直線基本與邊界垂直，不作出任何矯正。
　由于左邊4個(gè)線性霍爾元件的電壓之和與右邊4個(gè)線性霍爾元件的電壓之和的差值Dv的值大于0且絕對(duì)值大于閾值電壓0.77 V，移動(dòng)機(jī)器人判斷前后兩輪所在直線向右傾斜邊界，向左轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行誤差矯正。
由于左邊4個(gè)線性霍爾元件的電壓之和與右邊4個(gè)線性霍爾元件的電壓之和的差值Dv的值小于0且絕對(duì)值大于閾值電壓0.77 V，移動(dòng)機(jī)器人判斷前后兩輪所在直線向左傾斜邊界，向右轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行誤差矯正。
上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明本遍歷矯正方法可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人即時(shí)矯正，滿足了調(diào)整的實(shí)時(shí)性和快速性，在模擬條件下達(dá)到了很好的效果。
　邊界識(shí)別和遍歷矯正都是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究的主要問(wèn)題，本文就這兩個(gè)主要問(wèn)題展開(kāi)了一系列設(shè)計(jì)和研究。文中研究的成果是在建立的模型系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人磁邊界的識(shí)別和遍歷，并提出了一種新的由遍歷產(chǎn)生誤差的矯正方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該方法的可行性。本文的研究成果可以用在割草、清潔工作等方面。
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