社区安保服务机器人的磁钉导航(附件)【字数：12193】
摘 要本文主要研究社区安保服务机器人的导航方式。现代化社区正逐步使用机器人代替人工执行巡逻、驱赶外来者、打扫社区等任务，这使得高精度的定位导航方法对于机器人显得愈发重要。本课题根据对不同的磁钉材料的剩磁、磁能积等特性加以分析，确定使用烧结NdFeB作为磁钉材料。根据现有的条件确定磁钉尺寸后，采用Ansys分析磁钉的轴向以及周向磁感应强度，可以确定磁钉的排布方案以及传感器的安装高度。同时，选取四块HMC5883L芯片，并设计磁场探测电路探测磁场，通过对四个传感器的探测值加以分析，确定机器人的行走偏差，并且，采用PID算法对探测值进行处理，控制机器人的两个驱动轮的转速，实现对机器人的行走方向纠正。对于PID算法，进行仿真后可确定其整定效果。而对于由地磁场等引起的干扰磁信号，采用Kalman滤波算法对探测值加以处理。实验结果表明该方案能够通过探测电路对磁钉磁场信号的探测,结合PID算法和卡尔曼滤波算法对检测数据进行一系列处理，使得安保服务机器人能够按照预定的路径行走。关键字磁钉；PID算法；机器人；磁场特性；导航
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景和意义 1
1.2 国内外发展历史和研究现状 2
1.2.1 国外研究历史及现状 2
1.2.2 国内研究历史及现状 3
1.3 研究工作概要 3
1.3.1 研究目标及内容 3
1.3.2 研究方案及步骤 4
第二章 磁钉与传感器的选取及排布方案 5
2.1 导航磁钉选取原则 5
2.1.1 磁钉材料 5
2.1.2 磁钉型状 6
2.1.3 磁钉尺寸 7
2.1.3.1 磁钉直径 7
2.1.3.2 磁钉高度 7
2.2 导航磁钉排列方案 8
2.3磁阻传感器 10
2.3.1 磁传感器选取 11
2.3.2 传感器排布 12
第三章 磁场探测电路设计及磁导航算法 14
3.1磁场探测电路原理图 14
3.2 PCB电路图 15
3.3磁场探测电路与MSP430F149单 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
片机的通信 17
3.4 磁场信号滤波 20
3.5磁钉导航算法 22
3.5.1 序列算法 22
3.5.2 模糊控制算法 22
3.5.3 PID控制算法 23
3.5.4 算法比较及磁钉导航算法选定 24
3.6 本章小结 24
第四章 磁钉导航控制程序 25
4.1 初始化程序 25
4.2 数据处理及控制程序 26
4.3 主处理程序 26
第五章 磁钉导航实验测试 28
5.1 实验平台设计 28
5.2 PID参数整定 29
结 论 32
致 谢 33
参考文献 34
附 录 36
第一章 绪论
1.1课题研究背景和意义
随着现代化技术的发展，人们对于社区安保服务的要求越来越高，这使得人工安保服务的某些缺点愈发凸显，如成本较高、效率相对较低等。为此，提倡使用安保服务机器人逐步替代安保人员执行各种保安任务，包括巡逻放哨、探测与阻止外来人员等[1]。而安保服务机器人能够实现自主行动并且准确导航定位是其执行各种任务的前提，为此，需要研究一种导航方式，保证安保服务机器人能够在各种天气条件、地理环境下实现精准定位、导航。
导航的目的是使机器人能够在路径的纵向保证与其他机器人有足够大的安全距离，在行走过程中避开障碍物；在路径的横向，使机器人保持直线行走，转弯时不会脱离预定的轨迹。本课题研究的主要目的是使机器人在预定的路径上行走。
现在已有的导航方式，包括激光导航、磁条导航、视觉导航等，都是利用传感器对某一物理量进行检测，处理测量数据，控制舵机或者驱动轮转速，通过“机器人传感器路面”的模式实现导航[2]。
现有的这些导航方式都有各自的缺点，如坐标导航：将目标地区划分为多个子地区，使用定位块将各地区隔开，然后对各个子地区进行排序以实现导航，坐标导航可以根据需要更改行驶路径，抗干扰性能相对较好，但是在测量地面状况划分行驶区域时，工作量较大，所以在地面状况较为复杂时，无法满足工作要求；而激光导航需要先确定预定路径上的关键位置，并在这些位置放置激光反射板。使用激光扫描器发出特定频率光束。通过接收反射板反射的光束，来确定机器人的相对位置与行走方向，使用三角几何运算得出机器人行走偏差并纠正。激光导航定位精确，不需要在地面上安装其他设施，行驶路径可根据路况需要灵活调整，适应性强，但是制造成本高，对环境如外界光线等要求较为苛刻，在雨雪天气或有雾霾时，不能满足工作要求。
相比较而言，磁钉导航由于磁钉使用寿命较长，维护成本相对较低；同时，磁钉安装较为方便，只需要在预定的路径上打孔，即可完成安装，且可以随时根据需要修改预定路径；磁钉导航定位精准，且价格相对较低，不易受天气影响。这些优点，使得磁钉导航在安保服务机器人的导航应用领域具有广阔的前景。
1.2 国内外发展历史和研究现状
本课题主要研究安保服务机器人的磁钉导航，包括对磁钉材料以及尺寸的选择，磁钉的排布方案，磁信号的滤波以及磁定位算法的研究。针对这几个方面，国内外都曾做过相关研究。
1.2.1 国外研究历史及现状
目前，在磁钉导航这一领域内，美国和日本两国的研究相对而言比较深入，一些欧洲发达国家对于这一技术的探索也较为成熟。对于导航所用磁钉的材料以及尺寸，磁传感器，数据处理方法等，美国和日本等国家所掌握的技术已较为娴熟。
这些国家国内都有专用的实验场地，并且在过去的几十年里，各国均借助于国内公路设施进行过多次试验。1995年，日本国家研究所首次在高速公路上进行公开试验并获得成功；随后两年，美国在自动公路系统技术演示会上也展示了一个实验，研究员在洲际高速公路上埋下磁钉，以其自行研发的磁传感器探测磁场，处理数据并实现导航。而在欧洲，葡萄牙研究人员开发的Robocar以及荷兰人开发的ParkShuttle也陆续进行了实验并成功实现磁导航。在2000年举办的自动公路系统技术演示会上，日本展示了其新的实验方案，该方案是在公路上铺设三排磁钉以实现准确定位导航。并且，2005年举办的爱知世博会中，日本成功实现磁导航导引车辆接送游客，图11所示即为所用车辆。
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图11 磁钉导航车辆
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景和意义 1
1.2 国内外发展历史和研究现状 2
1.2.1 国外研究历史及现状 2
1.2.2 国内研究历史及现状 3
1.3 研究工作概要 3
1.3.1 研究目标及内容 3
1.3.2 研究方案及步骤 4
第二章 磁钉与传感器的选取及排布方案 5
2.1 导航磁钉选取原则 5
2.1.1 磁钉材料 5
2.1.2 磁钉型状 6
2.1.3 磁钉尺寸 7
2.1.3.1 磁钉直径 7
2.1.3.2 磁钉高度 7
2.2 导航磁钉排列方案 8
2.3磁阻传感器 10
2.3.1 磁传感器选取 11
2.3.2 传感器排布 12
第三章 磁场探测电路设计及磁导航算法 14
3.1磁场探测电路原理图 14
3.2 PCB电路图 15
3.3磁场探测电路与MSP430F149单 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
片机的通信 17
3.4 磁场信号滤波 20
3.5磁钉导航算法 22
3.5.1 序列算法 22
3.5.2 模糊控制算法 22
3.5.3 PID控制算法 23
3.5.4 算法比较及磁钉导航算法选定 24
3.6 本章小结 24
第四章 磁钉导航控制程序 25
4.1 初始化程序 25
4.2 数据处理及控制程序 26
4.3 主处理程序 26
第五章 磁钉导航实验测试 28
5.1 实验平台设计 28
5.2 PID参数整定 29
结 论 32
致 谢 33
参考文献 34
附 录 36
第一章 绪论
1.1课题研究背景和意义
随着现代化技术的发展，人们对于社区安保服务的要求越来越高，这使得人工安保服务的某些缺点愈发凸显，如成本较高、效率相对较低等。为此，提倡使用安保服务机器人逐步替代安保人员执行各种保安任务，包括巡逻放哨、探测与阻止外来人员等[1]。而安保服务机器人能够实现自主行动并且准确导航定位是其执行各种任务的前提，为此，需要研究一种导航方式，保证安保服务机器人能够在各种天气条件、地理环境下实现精准定位、导航。
导航的目的是使机器人能够在路径的纵向保证与其他机器人有足够大的安全距离，在行走过程中避开障碍物；在路径的横向，使机器人保持直线行走，转弯时不会脱离预定的轨迹。本课题研究的主要目的是使机器人在预定的路径上行走。
现在已有的导航方式，包括激光导航、磁条导航、视觉导航等，都是利用传感器对某一物理量进行检测，处理测量数据，控制舵机或者驱动轮转速，通过“机器人传感器路面”的模式实现导航[2]。
现有的这些导航方式都有各自的缺点，如坐标导航：将目标地区划分为多个子地区，使用定位块将各地区隔开，然后对各个子地区进行排序以实现导航，坐标导航可以根据需要更改行驶路径，抗干扰性能相对较好，但是在测量地面状况划分行驶区域时，工作量较大，所以在地面状况较为复杂时，无法满足工作要求；而激光导航需要先确定预定路径上的关键位置，并在这些位置放置激光反射板。使用激光扫描器发出特定频率光束。通过接收反射板反射的光束，来确定机器人的相对位置与行走方向，使用三角几何运算得出机器人行走偏差并纠正。激光导航定位精确，不需要在地面上安装其他设施，行驶路径可根据路况需要灵活调整，适应性强，但是制造成本高，对环境如外界光线等要求较为苛刻，在雨雪天气或有雾霾时，不能满足工作要求。
相比较而言，磁钉导航由于磁钉使用寿命较长，维护成本相对较低；同时，磁钉安装较为方便，只需要在预定的路径上打孔，即可完成安装，且可以随时根据需要修改预定路径；磁钉导航定位精准，且价格相对较低，不易受天气影响。这些优点，使得磁钉导航在安保服务机器人的导航应用领域具有广阔的前景。
1.2 国内外发展历史和研究现状
本课题主要研究安保服务机器人的磁钉导航，包括对磁钉材料以及尺寸的选择，磁钉的排布方案，磁信号的滤波以及磁定位算法的研究。针对这几个方面，国内外都曾做过相关研究。
1.2.1 国外研究历史及现状
目前，在磁钉导航这一领域内，美国和日本两国的研究相对而言比较深入，一些欧洲发达国家对于这一技术的探索也较为成熟。对于导航所用磁钉的材料以及尺寸，磁传感器，数据处理方法等，美国和日本等国家所掌握的技术已较为娴熟。
这些国家国内都有专用的实验场地，并且在过去的几十年里，各国均借助于国内公路设施进行过多次试验。1995年，日本国家研究所首次在高速公路上进行公开试验并获得成功；随后两年，美国在自动公路系统技术演示会上也展示了一个实验，研究员在洲际高速公路上埋下磁钉，以其自行研发的磁传感器探测磁场，处理数据并实现导航。而在欧洲，葡萄牙研究人员开发的Robocar以及荷兰人开发的ParkShuttle也陆续进行了实验并成功实现磁导航。在2000年举办的自动公路系统技术演示会上，日本展示了其新的实验方案，该方案是在公路上铺设三排磁钉以实现准确定位导航。并且，2005年举办的爱知世博会中，日本成功实现磁导航导引车辆接送游客，图11所示即为所用车辆。
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图11 磁钉导航车辆
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