磁场寻迹机器人导航系统设计

肖子玉，徐振平，詹学君敖元元，徐 雄

（长江大学计算机科学与技术学院，湖北 荆州434023）

地磁场是地球固有的物理场，地磁导航技术是利用地磁固有的稳定可靠性进行导航的一种新型制导技术，其利用地磁模型和地磁图与实时航迹进行地磁匹配，精确定位，从而达到制导效果［1］。地磁导航属于无源导航，导航定位误差不随时间积累。在机器人导航方面，从生产应用及国内机器人比赛中使用的机器人寻迹系统情况来看，多数采用的是视觉导航系统，其导航抗干扰能力较弱。为此，笔者将控制技术和地磁导航技术结合起来，按照地磁场等值线进行寻迹，取得了较好的效果。

图1 系统整体构架图

1 系统整体架构设计

采用C8051F340单片机作为寻迹车的驱动控制模块，利用Zigbee通信模块实现单片机与ARM板的通信，并将地磁传感器MAG3110采集的磁场信号上传至上位机ARM微处理器 （mini6410）进行数据的处理和分析，再根据分析结果，将寻迹信号通过Zigbee通信模块传回给单片机，单片机再做出相应的寻迹动作。同时，ARM微处理器根据处理的信号绘制当前环境的地磁等值线图。系统设计整体构架图如图1所示。

2 单片机控制模块设计

2.1 机器人驱动设计

在单片机控制模块中，机器人的寻迹运动由伺服电机与驱动电机组合的模式完成，即利用伺服电机控制整个机器人的运动方向，驱动电机提供驱动力，使机器人沿着某条直线作前进后退的运动。通过单片机产生PWM脉宽信号，可以控制伺服电机转动到所需要的角度，考虑到实际中一定区域地磁变化很小的实际情况，将伺服电机的可控角度定在0～180°之间，可控精度限定为3°［2］。

2.2 单片机控制程序设计

单片机模块控制机器人的运动行为，包括加速、减速及转向，其次通过机器人搭载的地磁传感器对机器人当前所处地域地磁信号进行采集，发送至上位机ARM微处理器。ARM微处理器接受单片机上传的地磁信号，对当前地磁信号进行数据的处理分析，由此绘制出地磁信号的时间－强度图和等值线图。同时，根据数据分析结果，判断机器人的下一步运动方向，并发送给单片机相应的控制指令。

机器人的各种运动状态控制指令由上位机ARM寻迹程序产生或人工发送，单片机对指令信号解析后控制机器人的运动。关于舵机控制和车速控制，可采用鲁棒性强的PID算法分别进行位置闭环控制和车速闭环控制［3］。单片机控制程序流程图如图2所示。

3 上位机控制模块设计

3.1 磁场数据的预处理

图2 单片机控制程序流程图

由于采集的数据存在一定外界干扰，且在小范围内地磁信号的变化不明显，这样，采集的数据就不可能直接用于寻迹机器人的位置判断和寻迹控制，需要进行一定处理后才能作为寻迹程序的判定值。设计中采用5阶二次平滑和傅里叶变换算法对采集的数据分析预处理［4］，再进行寻迹判断。

3.2 寻迹控制程序设计

图3 ARM控制终端图

寻迹程序中的基本思想是通过对磁场传感器采集的机器人当前所处位置的地磁强度与所给定的磁场强度进行比较，判断机器人所处位置与所需寻迹的等值线位置相对关系，从而判断机器人下一步的运动方向。考虑到起初磁场等值线位置是未知的，在寻迹初期可由人工干预来控制机器人的运动方向，这有助于机器人快速寻找到需要寻迹的磁场等值线，因此在系统中加入了人工干预功能。ARM终端控制终端图如图3所示。由于单片机与上位机之间通过Zigbee实现无线通讯，该过程是基于串口异步通讯实现的，因此图3中左侧串口参数设置功能区主要是修改串口号和波特率以建立两者间的连接，而图中数据设置区的功能主要是将中间数据接收区数据以一定频率保存或者将发送数据区数据按一定格式和频率发送出去。此外，图3中右侧坐标区3条颜色的图形分别表示某一时刻采集的地磁信号在空间坐标系X、Y、Z这3个方向上的强度。图3中右下角区域可以用来进行人工干预机器人运动，保证寻迹的效率而添加相应功能。因此，通过ARM控制终端图可以直观地显示机器人在寻迹过程中采集到的磁场变化。

1）传感器阵列设计 基于寻迹的基本思想［5］，理论上可以在机器人左右2边各搭载一个磁场传感器，这样当给定的磁场强度值处在2个传感器采集值之间时，可以理解为机器人正好处在该强度磁场等值线上，机器人便可以继续向前行进。但是，考虑到实际环境因素、传感器误差等影响，采用7个传感器一字排开的阵列设计，使其具有很强的抗干扰能力。

2）算法设计 由传感器的阵列设计可知，当7个传感器呈直线排列时，可测出从左至右的7个不同点的磁场强度值，并与固定强度的磁场强度等值线进行匹配分析，由此可以准确判断出当前机器人与该强度地磁等值线的相对位置，最终达到寻迹目的。设计算法思想如表1所示。

表1 磁场信号比较寻迹

3.3 等值线图绘制

由于寻迹机器人按照给定强度的磁场等值线进行循迹运动，因而可以认为机器人的运动轨迹即给定强度的地磁等值线图。当改变寻迹等值线强度时，机器人的寻迹过程中会形成一条新的运动轨迹。根据机器人运动的地理位置，将一系列运动轨迹在地图上绘制出来，即为该地域范围内的地磁等值线图。

4 结 语

以C8051F340单片机和上位机mini6410ARM微处理机作为控制模块，利用MAG3110地磁传感器采集的信号，采用匹配算法实现寻迹机器人的地磁等值线行走。通过寻迹小车的实际运动效果、地磁信号与时间的变化曲线的仿真试验，证明利用该方法设计的地磁导航系统能够实现机器人的地磁等值线的寻迹导航。

［1］［1］刘颖，吴美平 .基于等值线的地磁约束匹配方法 ［J］.空间科学学报，2007，27（6）：505－511.

［2］黄仲良 .石油重·磁·电法勘探 ［M］.北京：石油工业出版社，2008.

［3］张毅刚 .新编MCS－51单片机应用设计 ［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

［4］求是科技 .单片机典型模块设计实例导航 ［M］.北京：人民邮电出版社，2004.

［5］谭浩强.C程序设计 ［M］.北京：清华大学出版社，1991.