移动机器人的电磁导航技术应用研究(附件)
摘 要摘 要随着科技的不断进步，机器人这一概念也逐渐进入人们生活。虽然现今的机器人还没有达到人工智能的水平。但是也提出了对移动机器人的电磁导航方案的研究。导航系统的研究是移动机器人智能化的一项重要内容，如何让机器人的移动路径达到预期要求是导航系统问题的关键。本文讨论了基于磁导航的机器人的移动研究，确定了磁导航系统的设计方案。选择了不同于在道路两旁布线的方法，而是采用了磁钉作为信号源的磁导航应用作为研究对象。在文中先确定了整个系统方案，以磁钉为研究对象，分别用了ANSYS和MATLAB软件进行了仿真研究。最后绘制出了检测电路的原理图，并且设计好PCB板。检测系统中选择了HMC1022作为传感器，并为整个电路设计了工作电路、置位/复位电路、滤波放大电路和放大基准电路。用了磁偶极子模型对磁钉的磁场分布进行了探索研究，最终在MATLAB和ANSYS软件的帮助下确定了检测高度与距离，最终设计好了磁尺。从理论上证明了电路的可行性。关键字：机器人；导航；磁钉；磁场特性；ansys软件目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状 2
1.2.1 导航技术发展历史 2
1.2.2 导航技术的原理及分类 2
1.3 电磁导航技术的现有研究 4
1.3.1 研究电磁导航技术意义 4
1.3.2 电磁导航种类 4
1.4 主要研究内容 5
第二章 机器人电磁导航系统结构设计 6
2.1 系统工作原理 6
2.2 导航系统的组成 7
2.2.1 磁钉 7
2.2.2磁传感器 8
2.2.3 数据采集处理器 12
2.3系统方案 13
第三章 磁钉的磁场实验分析 15
3.1概述 15
3.1.1有限元法 15
3.1.2数学含义 15
3.2磁钉磁场Matlab分析 16
3.2.1外形尺寸设计 16
3.2.2磁钉模型 17
3.2.3 Matlab分析 19
3.3磁场有限元分析 21
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
/> 第三章 磁钉的磁场实验分析 15
3.1概述 15
3.1.1有限元法 15
3.1.2数学含义 15
3.2磁钉磁场Matlab分析 16
3.2.1外形尺寸设计 16
3.2.2磁钉模型 17
3.2.3 Matlab分析 19
3.3磁场有限元分析 21
3.3.1有限元分析软件Ansys 21
3.3.2有限元分析软件常用术语 21
3.3.3有限元分析方法 21
3.4 Ansys静态磁场分析 22
3.4.1Ansys程序结构的分析 22
3.4.2磁钉的二维磁场建模与分析 24
3.4.3磁钉的三维建模 25
3.5 磁钉编码 27
第四章 导航系统的硬件设计 29
4.1系统的硬件结构 29
4.2磁尺结构的设计 30
4.3磁尺电路的设计 30
4.3.1磁传感器工作电路 30
4.3.2 传感器偏置电路 32
4.3.3 传感器置位/复位电路 33
4.3.4 放大滤波电路 34
4.3.5 放大基准电路 35
4.4 电磁导航电路图 36
4.5 模拟PCB图 37
第五章 检测电路系统实验 39
5.1 软件设计 39
5.2 磁钉布置实物 39
结论 41
致谢 42
参考文献 43
附录 45
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
国际上将机器人定义为是一种可以通过编程实现机器人肢体动作或者启动的一种技术，主要通过编程实现的自动控制[1]。
机器人是一种综合的机械电子系统，它能准确的感知环境，并从采集的信号做出正确的决策。它的存在，是为了简化劳动，提高效率。市场的需求更加推动了机器人的发展。
在上个世纪中期，无论是计算机的硬件还是软件部分都迅速发展，这也推动了机器人的研究。无论是工业、农业、畜牧业和医学，移动机器人的发展对这些行业都有推动作用。我国机器人研究也逐渐开展了起来，特别是以航天工程项目为研究对象，国家为了这些投入了很多资源去发展智能机器人。在未来的太空探索中，智能机器人无疑会成为主流，国家必定会加大研究力度。机器人成为科技人员研究攻关的重点，并且移动机器人的导航技术更称为研究关键。
在实际操作中，操作空间为机器人产生了诸多限制。可分为陆地机器人和水下机器人，当然还有空间机器人[2]；
其研究对未来的整个工业生产有重大意义：
一方面，在交通应用方面，如若使用机器人进行安全驾驶，实际上主要是通过传感器获取道路及其位置情况，及时向处理器提供环境信息情况，并利用程序设计处理相应的信息。特别是在道路有障碍或者狭窄等情况时，人类的手动操作会出现失误，而如果使用机器人进行操作前行，可以避免出现事故。这对整个交通系统来说无疑增加了其安全性。
另外，短期的投入可以为工厂节约人力资源。特别是机器人可以在十分恶劣的工作环境下，以高精度、高要求和高安全性的方式进行操作，这是工人们无法做到的。机器人的应用还可以对整个工厂进行监控等操作。将机器人的应用投入到电厂中去，保证高压电厂的设备随时保持正常的运行，可以对电厂的电压和电能进行实时监控。
1.2 研究现状
1.2.1 导航技术发展历史
在移动机器人的研究中，导航技术就像机器人的眼睛和耳朵，因此它就关乎机器人的性能。为实现机器人能获取道路信息，实现在不同的环境能够自主的完成行走。这样的技术面临三方面的问题 ：(1) 必须选择合适的检测方式才能获取不同情况下机器人的位置 ；(2) 只有使用合适的算法才能为机器人处理好信息 ；(3) 决策路径关乎整个机器人能否达到最优的行走路径。如今，对机器人导航技术的研究虽然已经有很多专利与想法，但还有很多技术问题尚未攻克，这也为以后的研究提供了挑战。
1.2.2 导航技术的原理及分类
电磁导航是上个世纪五十年代开发的技术，被当时的人们称为埋线导航。直到20世纪60年代才被应用于生产生活，主要是因为路线的固定不灵动，因此应用不广泛。导航主要是通过铺设多条引导电缆，以一定的变化电流产生磁场，再通过线圈对磁场的变化获取位置信息。我国各大院校通过自身的努力已生产出许多智能产品。这些发明均已获得学术界的认可，而且部分已经投入生产，但是它的维护成本和适用范围问题突出[3]。
路径上摆放光反射条是光反射导航的特点，这种导航方法简单而且价格适中。目前，国内各大产业中主要使用的就是电磁导航和光反射导航。无论从经济和效率上考虑，他们都有优势。
图11：光反射导航实例
视觉导航方式的优点在于它的检测范围上，因为检测范围宽，因此对于将来的工业化应用中占明显优势。
在这种方法上，国内外主要还是通过在机器人前端安装摄像机来获取数据，因此系统更加复杂。通过图像的处理，将信息反馈至处理器，所有的设备都安装在机器人上。因为延迟的技术问题，CCD技术也应运而生。CCD传感器是经由光敏元件和电荷转移元件配合而成，以此来完成电荷转移和分析图像信息的功能。实际上，它对信息的处理相当复杂。同时也使用到一维和二维两种传感器，方便对三维的位置信息进行获取与处
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状 2
1.2.1 导航技术发展历史 2
1.2.2 导航技术的原理及分类 2
1.3 电磁导航技术的现有研究 4
1.3.1 研究电磁导航技术意义 4
1.3.2 电磁导航种类 4
1.4 主要研究内容 5
第二章 机器人电磁导航系统结构设计 6
2.1 系统工作原理 6
2.2 导航系统的组成 7
2.2.1 磁钉 7
2.2.2磁传感器 8
2.2.3 数据采集处理器 12
2.3系统方案 13
第三章 磁钉的磁场实验分析 15
3.1概述 15
3.1.1有限元法 15
3.1.2数学含义 15
3.2磁钉磁场Matlab分析 16
3.2.1外形尺寸设计 16
3.2.2磁钉模型 17
3.2.3 Matlab分析 19
3.3磁场有限元分析 21
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
/> 第三章 磁钉的磁场实验分析 15
3.1概述 15
3.1.1有限元法 15
3.1.2数学含义 15
3.2磁钉磁场Matlab分析 16
3.2.1外形尺寸设计 16
3.2.2磁钉模型 17
3.2.3 Matlab分析 19
3.3磁场有限元分析 21
3.3.1有限元分析软件Ansys 21
3.3.2有限元分析软件常用术语 21
3.3.3有限元分析方法 21
3.4 Ansys静态磁场分析 22
3.4.1Ansys程序结构的分析 22
3.4.2磁钉的二维磁场建模与分析 24
3.4.3磁钉的三维建模 25
3.5 磁钉编码 27
第四章 导航系统的硬件设计 29
4.1系统的硬件结构 29
4.2磁尺结构的设计 30
4.3磁尺电路的设计 30
4.3.1磁传感器工作电路 30
4.3.2 传感器偏置电路 32
4.3.3 传感器置位/复位电路 33
4.3.4 放大滤波电路 34
4.3.5 放大基准电路 35
4.4 电磁导航电路图 36
4.5 模拟PCB图 37
第五章 检测电路系统实验 39
5.1 软件设计 39
5.2 磁钉布置实物 39
结论 41
致谢 42
参考文献 43
附录 45
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
国际上将机器人定义为是一种可以通过编程实现机器人肢体动作或者启动的一种技术，主要通过编程实现的自动控制[1]。
机器人是一种综合的机械电子系统，它能准确的感知环境，并从采集的信号做出正确的决策。它的存在，是为了简化劳动，提高效率。市场的需求更加推动了机器人的发展。
在上个世纪中期，无论是计算机的硬件还是软件部分都迅速发展，这也推动了机器人的研究。无论是工业、农业、畜牧业和医学，移动机器人的发展对这些行业都有推动作用。我国机器人研究也逐渐开展了起来，特别是以航天工程项目为研究对象，国家为了这些投入了很多资源去发展智能机器人。在未来的太空探索中，智能机器人无疑会成为主流，国家必定会加大研究力度。机器人成为科技人员研究攻关的重点，并且移动机器人的导航技术更称为研究关键。
在实际操作中，操作空间为机器人产生了诸多限制。可分为陆地机器人和水下机器人，当然还有空间机器人[2]；
其研究对未来的整个工业生产有重大意义：
一方面，在交通应用方面，如若使用机器人进行安全驾驶，实际上主要是通过传感器获取道路及其位置情况，及时向处理器提供环境信息情况，并利用程序设计处理相应的信息。特别是在道路有障碍或者狭窄等情况时，人类的手动操作会出现失误，而如果使用机器人进行操作前行，可以避免出现事故。这对整个交通系统来说无疑增加了其安全性。
另外，短期的投入可以为工厂节约人力资源。特别是机器人可以在十分恶劣的工作环境下，以高精度、高要求和高安全性的方式进行操作，这是工人们无法做到的。机器人的应用还可以对整个工厂进行监控等操作。将机器人的应用投入到电厂中去，保证高压电厂的设备随时保持正常的运行，可以对电厂的电压和电能进行实时监控。
1.2 研究现状
1.2.1 导航技术发展历史
在移动机器人的研究中，导航技术就像机器人的眼睛和耳朵，因此它就关乎机器人的性能。为实现机器人能获取道路信息，实现在不同的环境能够自主的完成行走。这样的技术面临三方面的问题 ：(1) 必须选择合适的检测方式才能获取不同情况下机器人的位置 ；(2) 只有使用合适的算法才能为机器人处理好信息 ；(3) 决策路径关乎整个机器人能否达到最优的行走路径。如今，对机器人导航技术的研究虽然已经有很多专利与想法，但还有很多技术问题尚未攻克，这也为以后的研究提供了挑战。
1.2.2 导航技术的原理及分类
电磁导航是上个世纪五十年代开发的技术，被当时的人们称为埋线导航。直到20世纪60年代才被应用于生产生活，主要是因为路线的固定不灵动，因此应用不广泛。导航主要是通过铺设多条引导电缆，以一定的变化电流产生磁场，再通过线圈对磁场的变化获取位置信息。我国各大院校通过自身的努力已生产出许多智能产品。这些发明均已获得学术界的认可，而且部分已经投入生产，但是它的维护成本和适用范围问题突出[3]。
路径上摆放光反射条是光反射导航的特点，这种导航方法简单而且价格适中。目前，国内各大产业中主要使用的就是电磁导航和光反射导航。无论从经济和效率上考虑，他们都有优势。
图11：光反射导航实例
视觉导航方式的优点在于它的检测范围上，因为检测范围宽，因此对于将来的工业化应用中占明显优势。
在这种方法上，国内外主要还是通过在机器人前端安装摄像机来获取数据，因此系统更加复杂。通过图像的处理，将信息反馈至处理器，所有的设备都安装在机器人上。因为延迟的技术问题，CCD技术也应运而生。CCD传感器是经由光敏元件和电荷转移元件配合而成，以此来完成电荷转移和分析图像信息的功能。实际上，它对信息的处理相当复杂。同时也使用到一维和二维两种传感器，方便对三维的位置信息进行获取与处
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