基于电涡流效应的AGV导引传感器设计*

赵 旭， 雷师节， 邬杨波， 谢建军

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)



基于电涡流效应的AGV导引传感器设计*

赵 旭， 雷师节， 邬杨波， 谢建军

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

设计了一种基于电涡流效应的自动导引车(AGV)导引传感器。该传感器利用电涡流原理，根据电感/数字转换器LDC1000采集外接线圈上的等效电阻的变化，得到传感器中心与金属胶带中心之间的偏移距离。详细介绍了系统硬件构成。在室内工作区域内铺设轨道上，对所提出的AGV导引传感器进行了实验测试，通过对实验数据分布特性图的分析结果证实了所设计传感器的可用性。所设计的传感器可用于AGV的导引,且具有高精度，易构建，易维护等特点。

自动导引车; 电涡流; 导引传感器; 路径检测

0 引 言

随着制造业现代化程度的提升，传统物流行业得到了迅猛的发展，自动导引车(automated guided vehicle,AGV)已在现代物流业、制造业及其他各种行业中得到广泛应用。根据美国物料搬运协会(America Material Handling Association)的定义,AGV是一种以充电电池为动力，自动导引的无人驾驶自动化车辆，它能在计算机的监控下，按路径规划和作业要求，精确行走并停靠到指定的地点，完成一系列的作业任务,如取货、送货、充电等[1]。

通常AGV需要按照既定的路径行驶，因此,其导航技术是AGV的关键技术之一。当前，AGV导航技术主要有电磁引导技术、激光引导技术和视觉引导技术等。如电磁引导技术将通电引线铺设于地面之下构成导引轨道，AGV通过检测引导线所发出的电磁信号来检测路径并行进。其特点为：受外界干扰小，性能稳定可靠，但如对轨道进行临时性调整，实施困难。磁导引技术以磁条作为导引轨道，安装灵活，调整方便，通用性好。但长期使用，磁条磁性下降，同时易受外界干扰造成读取数值不稳定[2,3]。激光引导技术通过检测外界反射板的反射光，通过计算来实现自身的定位和导航。引导精度高，行驶路径灵活。缺点是设备成本高，适用于中大型AGV车上[4]。视觉导引可靠性强，安全性好，智能化的记忆识别能力更完善，但技术复杂，无法应用于复杂环境中[5]。

本文针对上述导引方式存在的问题，提出了一种基于电涡流效应的AGV导引传感器。该传感器能够对采用金属胶带构成的导引轨道进行检测并实现AGV的导航，其基本原理为：通过对铺设好的金属胶带轨道表面的电涡流效应损耗的检测计算得到AGV与金属轨道的横向偏差距离，进而实现AGV导引。该导引方式具有成本低廉、非接触 、环境适应性强，易维护和易构建工作区域的特点。

1 基于电涡流效应的路径检测原理

电涡流效应的原理：由固定在框架上的线圈与一电容并联，构成并联谐振电路。线圈通入交流电产生交变磁场，置入该磁场的导体表面会产生电涡流效应，其等效模型如图1(a)所示。根据楞次定律，电涡流会产生与原磁场相反的磁场φe，从而减弱原磁场φe。从能量的角度来看，电涡流上的能量损耗，导致线圈上的Q值、等效电阻和等效电感发生改变[6]。

应用谐振线圈对路径检测时，当线圈覆盖金属路径的面积发生改变，金属路径表面产生的感应电动势发生改变，电涡流强度也随之发生变化。电涡流激发自身的磁场与传感器的磁场耦合，产生互感现象。此物理现象可以用互感模型进行建模并分析，其电路模型如图1(b)所示。当发生电涡流现象时，互感将导致谐振线圈回路的等效阻抗发生改变。具体分析如下：

图1 电涡流等效模型和电路模型Fig 1 Equivalent model for eddy current

根据图1所示的等效电路模型得到KVL方程如下

(1)

(2)

由方程(1)和方程(2)得出产生互感后的线圈的等效阻抗为

(3)

Zeq(S)=R1+R(S)+jω0(L1-L(S))

(4)

谐振电路的导纳可表示为

(5)

谐振时有

(6)

式(6)代入式(5)化简得到线圈并联等效电阻为

(7)

显然，线圈并联等效电阻值与线圈和金属路径的相对位置有关。基于上述原理，传感器通过检测线圈上的并联等效电阻值大小值，即可得到相对位置的具体数值。图2是使用宽度50mm，厚度0.2mm常用的铝箔胶带作为传感器的检测路径，选用外径45mm，内径20mm，匝数为27匝的线圈，在不同高度下，使用LRC电桥仪记录单个线圈正对铝箔胶带在不同横向距离下的并联等效电阻值。有实验数据可知，采集铝箔胶带不同横向距离下的并联等效电阻值，计算得到传感器与铝箔胶带的偏差距离。

图2 不同高度下线圈并联等效电阻与路径偏差距离的关系Fig 2 Relationship between coil parallel equivalent resistance and path deviation distance under different height

2 导引传感器设计

导引传感器硬件结构如图3所示。电感/数字转换器将采集线圈上并联等效阻抗的变化，转换成相对应的数字量送入主控器。通过计算一对电感/数字转换器输出差值来得到传感器与铝箔路径的横向偏移距离。

图3 导引传感器硬件结构Fig 3 Hardware structure of guided sensor

2.1 MCU

主控单元选用ST公司的STM32F103系列微处理器，拥有多路SPI和CAN通信模块，STM32通过SPI采集一对LDC1000的输出并计算得到横向偏移距离,通过CAN接口发送至上位机。

2.2 数字电感转换器

为了保证线圈并联等效电阻的精确检测，本设计使用LDC1000集成芯片实现电感线圈并联等效电阻值的检测。当线圈与铝箔胶带横向偏差距离发生改变时，LDC1000检测到线圈上并联等效电阻的变化，将等效电阻值转化为相对应的数字量输出[6]。

2.3 线圈参数设计

对于测量以面积为基本量的线圈，希望有较大的线性范围和较高的灵敏度。线圈外径大时，传感器敏感范围大，线性范围相应就会增大，但灵敏度降低；线圈外径小时，线性范围变小，灵敏度增大[6,8]。线圈几何尺寸如图4所示。线圈耦合到金属的磁场强度与线圈的参数、线圈与金属间的距离等有复杂的依赖关系

(8)

图4 线圈几何参数Fig 4 Geometry parameters of coil

结合铝箔胶带的宽度、材质、线圈安装的高度等。综合考虑，设计传感器上线圈匝数N为27匝，内外径Ra，Rb分别为45，20 mm。既保证对传感器与铝箔胶带的横向偏差距离的测量，又具有较高的灵敏度。

3 路径检测偏差计算方法

实际对路径进行检测时，LDC1000芯片读取线圈的等效电阻值会在一定误差范围中变化，如何将采集误差控制在更小的范围内，是首先要解决的工作。传感器与铝箔胶带接触面积实时变化，传感器与铝箔胶带无面积接触时，标定此时路径偏差为零。当产生偏差时，传感器上LDC1000采集值增加，通过差分输出的方式来计算得到传感器与铝箔胶带横向偏差距离。

3.1 滤波处理

电感/数字转换器LDC1000具有很高的并联等效电阻采集精度，输出值为215数字量，但考虑到实际运行情况下各种噪声的产生，例如温度的影响，车体的抖动，将LDC1000对等效电阻的采集值造成影响，因此需要对采集值进行滤波处理，首先,对电感/数字转换器的输出值多次采集，再进行快速排序和去极值平均滤波。快速排序的目的是为了将多次采集的值按从小到大的顺序排列，去极值平均滤波将排列好的值的头部和尾部数值去掉，取中间部分平均值。此算法有效提高了传感器抗毛刺和噪声的干扰能力。

3.2 路径检测偏差距离方法

由于线圈的个体差异，每个线圈的各项参数都不完全相同。如图5所示利用对称的传感器结构，将两个线圈安装距离设定为铝箔的宽度，两个线圈的排列的中心作为坐标原点。

图5 导引传感器检测路径示意图Fig 5 Detecting path diagram of guided sensors

当传感器与路径无偏差时，标定此时的一对LDC1000读取的值的差值为0。当传感器与路径产生偏差时，差值不为0，根据偏差值来推算出实际偏差距离[9]。图6是在距离铝箔路径20mm的高度下，传感器对称中心到铝箔胶带中心点偏差距离d为横坐标X，传感器读取的差值为纵坐标Y。

图6 差分输出LDC1000值与偏差距离的关系Fig 6 Relationship between differential output LDC1000 values and deviation distance

4 实验结果与分析

4.1 测试与实验结果

测试中，以铝箔路径中心为基准，在不同高度测量不同横向偏移距离下传感器的差分输出，每次测试偏离距离选为5mm。 实验中，一对传感器中心与铝箔路径中心每移动5mm记录1次测量结果如表1所示。从实验结果来看，在如下几种高度的情况下，传感器的输出值呈线性变化。

表1 AGV导引传感器测量结果/mm

4.2 实验结果与分析

由测量结果可以看出：在传感器的线性检测范围内，在不同高度下测量，将会使传感器的检测灵敏度发生改变，即传感器的采集数值线性程度发生改变。在较高距离下，传感器对铝箔胶带面积检测的灵敏度下降，传感器的采集数值偏小。特别是在传感器与铝箔胶带接触面积很小的情况下。而在较低距离下，传感器对铝箔胶带面积的灵敏度上升，采集数值线性化程度更加精确[10]。

在实际使用中，根据AGV的使用场合，结合对AGV控制精度的要求，选择适合的传感器安装高度和线圈的内外径对金属轨道的检测至关重要。此外，若选用不同厚度，不同材质的金属胶带都对传感器的检测产生影响。总体来说，选用较厚，导电性能好的材料，将会提高传感器测量范围和灵敏度。

5 结束语

本文设计了一种基于电涡流效应的高精度AGV导引传感器，使用常用金属铝箔胶带作为AGV导轨。此传感器的横向检测距离范围为40 mm，检测的误差范围在±2 mm内。通过差分输出的方式直接输出与路径的实际偏差值。该传感器使用简单方便，具有较高的精度。采用金属铝箔胶带来构建AGV运行轨道，灵活性强，适用环境广。

[1] 王皖君,张为公.自动导引车导引技术研究现状与发展趋势[J].传感器与微系统,2009,28(12):5-7,10.

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[3] 刘 源,张文斌,刘雪扬,等.电磁导航智能车检测和控制系统的研究[J].传感器与微系统,2012,31(4):63-66.

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[5] Stahn R，Stark T，Stopp A． Laser scanner-based navigation and motion planning for truck-trailer combinations[C]∥2007 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics,Zurich,2007:1-6.

[6] 谭祖根，陈守川．电涡流传感器的基本原理分析与参数选择[J].仪器仪表学报,1980(1):116-125.

[7] Zhang Q，Meng X，Liu Y，et al．Design of autonomous mobile metal detector based on LDC1000[C]∥2015 International Conference on Industrial Informatics-Computing Technology,Intelligent Technology,Industrial Information Integration (ICIICII),Wuhan,2015:124-127.

[8] Vogel J，Nihtianov S．Modelling the inductance of a novel eddy-current position sensor for high-precision applications[C]∥2016 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS),Catania,2016:1-6.

[9] 沈 忱，夏继强，满庆丰，等．基于磁阻传感芯片阵列的磁导引AGV传感器设计[J].传感器与微系统,2016,35(3):108-110,114.

[10] 罗承刚.电涡流位移传感器线圈电磁场仿真分析[J].传感器与微系统,2008,27(3):24-26.

邬杨波，通讯作者,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

国家自然科学基金资助项目(61271137)

TP 216

A

1000—9787(2016)12—0085—04

赵 旭(1991-)，男，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统设计。