专利名称：一种移动机器人航位角推算装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种移动机器人航位角推算装置，属于机器人导航定位领域，通 过其获得机器人运行时准确的航位角信息。
背景技术：
目前，绝大多数航位推算中通常采用方向传感器陀螺仪提供航位角。陀螺仪寻北 精度高，但价格昂贵、体积大、对使用环境要求高(如要求载体静止、无振动)、且误差随时 间积累，因此不适合于要求低成本的机器人航位角推算。
发明内容本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种体积小、低功耗、易于安装， 且温度特性好、实时性和抗告饶能力强、误差不随时间积累性价比较高的移动机器人航位 角推算装置。为了实现本实用新型的发明目的，本实用新型采用如下技术方案一种移动机器人航位角推算装置，它包括地磁场检测电路，用于输出同地磁场沿载体坐标系分量成正比的差分电压模拟信 号；信号调理电路，用于把上述模拟电压信号进行放大、滤波；A/D转换电路，用于把信号调理电路调理过的模拟电压信号进行数字转换；中央控制电路，对A/D转换电路输出的数字信号数字滤波，进行数值计算、误差校 正，准确得出航向角，将数据显示到液晶屏上；同时中央控制电路与串口通信电路连接，串口通信电路与交互接口连接； 电源模块为所述各电路供电。所述地磁场检测电路为二维磁阻传感器应用电路。所述电源模块为DC/DC隔离电源模块，它直接为液晶屏、中央控制电路和串口通 信电路供电；同时，电源模块还经两个基准稳压电路分别为A/D转换电路和信号调理电路
{共 ο所述串口通信电路为RS232接口。本实用新型采用二维磁阻传感器输出地磁场在机器人运行水平面上的变化引起 磁阻传感器的Y轴电压变化和χ轴电压变化，由于磁阻传感器在线性区输出的电压和外加 磁场成正比(安装航位角推算装置，要以二维磁阻传感器X轴和Y轴分别对应东、北向坐标 轴安装)。H为地磁场，Hx, Hy分别是H在X、Y方向的水平分量，通过两个分量的反正切值 可以求出机器人与磁北极夹角B，再减去一个磁北极与地理北极北夹角R(可查)，就得出机 器人行进方向与地理北极的夹角，也就是我们说的航位角Q。温度变化引起灵敏度温度系数变化时，磁阻传感器在X轴向和Y轴向的输出增益 的变化是成正比的。因此，在航向的计算中，此因素可以互相抵消掉。即温度变化对航向精
3度无影响。此外，航向是以地球水平面东、北两轴向的地磁分量为基础的，磁阻传感器必须 测量出这些值，且排除附近的磁源或干扰。干扰的大小取决于磁阻传感器安装的平台材质、 连接头和它附近的铁质。对叠加磁场的干扰可以通过校正将其补偿掉。通常使用的校正方 法是让安装有磁阻传感器的车辆在水平面上作环形运动，然后找出磁阻传感器X、Y轴输 出的最大和最小值；接着确定出原点偏移值；最好根据偏移量进行补偿。本实用新型的有益效果是结构简单，使用方便，体积小、低功耗、易于安装，且温 度特性好、实时性和抗告饶能力强、误差不随时间积累，性价比较高。

图1为本实用新型移动机器人航向角推算装置实施例的原理框图。图2为本实用新型航向角推算装置电路原理框图。图3为本实用新型航位角推算原理示意图。图4为航位角推算流程图。其中，1.地磁场检测电路，2.信号调理电路，3. A/D转换电路，4.中央控制电路， 5.串口通信电路，6.交互接口，7. DC/DC隔离电源模块，8.液晶屏，9.基准稳压电路。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。图1基于二维磁阻传感器的移动机器人航位角推算装置原理框图，它包括地磁场 检测电路1，用于输出同地磁场沿载体坐标系分量成正比的差分电压模拟信号；地磁场检 测电路1为二维磁阻传感器。信号调理电路2，用于把上述模拟电压信号进行放大、滤波；A/D转换电路3，用于把信号调理电路调理过的模拟电压信号进行数字转换；中央控制电路4，对A/D转换电路3输出的数字信号数字滤波，进行数值计算、误差 校正，准确得出航向角，将数据显示到液晶屏8上；同时中央控制电路4与串口通信电路5连接，串口通信电路5与交互接口 6连接； 串口通信电路5为RS232接口。电源模块为DC/DC隔离电源模块7，它直接为液晶屏8、中央控制电路4和串口通 信电路5供电；同时，DC/DC隔离电源模块7还经两个基准稳压电路9分别为A/D转换电路 3和信号调理电路2供电。中央控制电路4为单片机，单片机采用I2C总线与A/D转换电路3连接，根据采集 的地磁在水平面上的X轴与Y轴磁场分量推算出航位角，通过串口通信电路5和交互接口 6上传给机器人控制单元。图2为移动机器人航位角推算装置原理图。直流典型值24V经过DC/DC隔离电源 模块7和滤波电容输出VCC(单片机工作系统电源+5V)。1.地磁场检测电路，2.信号调理电路，3. A/D转换电路，4.中央控制电路，5.串口 通信电路，6.交互接口，7. DC/DC隔离电源模块，8.液晶屏，9.基准稳压电路。中央控制电路4采用8位单片机ATmegal28，其引脚12 (MOSI)、引脚10 (SS非)、引 脚11 (SCK)、引脚13(MIS0)j_8(INT6)分别与12位的A/D转换电路3 TLC2543的引脚
411 (串行数据输入端)、引脚15 (片选端)、引脚18 (输入/输出时钟端)、引脚16 (串行输 出端)和引脚19(转换结束端)连接采用SPI总线方式读取转换结果，+5V电源经过滤波电 容C12接入基准电压芯片REF3040引脚1，再由引脚2经过滤波电容C13输出4. 096V电压 接入A/D转换器TLC2543引脚14(REF+)作为基准电压并将引脚13(REF_)接地；信号调理 电路2采用单运放AMP04实现，+5V电源经过滤波电容C9、C11接入基准稳压电路9REF3020 引脚1，再由引脚2经过滤波电容C10、C16输出2. 048V电压接入运放AMP04，基准电压输入 引脚5并把引脚4接地，运放AMP04引脚1与引脚8之间接入650欧姆电阻，在引脚8引脚 6之间接入0. 15uF电容，实现由引脚2和引脚3输入的电压信号做差扩大150倍，再由引 脚6输出到A/D转换电路3 TLC2543引脚1( “0”通道)和引脚2( “1”通道)进行数字转 化；地磁场检测电路1采用二维磁阻传感器MCH1022实现，磁阻传感器MCH1022引脚3、引脚 6输入+5V电源，引脚7、引脚9、引脚13、引脚15接地，引脚14和引脚8分别通过电容C2、 C3与由芯片IRF7105的引脚5、引脚6、引脚7、引脚8相连实现置位/复位脉冲；置位/复 位电路由芯片IRF7105完成，+5V接电阻R4，经过滤波电容Cl再与芯片IRF7105引脚3连 接，由单片机I/O 口 PAO (引脚51)接与非门芯片MC74VHC100引脚1和引脚2并通过引脚 4接芯片IRF7105引脚2与引脚4。单片机ATmegal28的TMS引脚为测试模式选择(此引脚用来实现TAP控制器各个 状态之间的切换)，TCK引脚为测试时钟(JTAG操作是TCK同步的)，TDI引脚为测试数据输 入(需要移位到指令基础器或数据寄存器的串行输入数据)，TD0引脚为测试数据输出(指 令寄存器或数据寄存器串行移出的数据)；RX10、TX10为单片机ATmegal28的RS-232串行 “0”输入和输出端口，分别与DC-DC的隔离收发器ADM3251E的Rout和Tin引脚连接实现数 据交互，+5V电源经过滤波电容C18接芯片ADM3251E的引脚2与引脚3，引脚4、引脚5、引 脚6、引脚7、引脚10 —同接地，引脚20接串口地之后经过电容C19接引脚19，引脚18经过 电容C20接引脚17，引脚14经电容C21接引脚13，引脚12与引脚11 一同接串口地。单片机ATmegal28的全部PC 口接液晶屏8，+5V电源接液晶屏8的VCC，GND接地， 并且将滤波电容C24并联到VCC引脚和GND引脚之间。图3为航位角推算原理示意图，机器人在水平面上运行，二维磁阻传感器沿车辆 的东、北向坐标轴安装，X为机器人行进方向，Y为水平面上垂直X的方向向右(即X顺时针 转90)，地里北极方向和磁北极方向如图所示。H为地磁场水平分量，Hx, Hy分别是H在X、 Y方向的水平分量，B为机器人行进方向和磁北极方向的夹角，R为磁北极和地理北极方向 的夹角，Q就是机器人行进方向与地理北极方向之间的夹角，也就是最终要求的角度。(此 处的B、R、Q都是由前者出发顺时针到达后者的角度)由图可明显看出，Q = B_R。而在地 球上不同方位的R可查表得出，所以关键就是求得B。由磁阻传感器可以得出Hx、Hy，B = arctan(Hy/Hx)0本实用新型的航位角推算过程为1)系统初始化；2)串口通信电路接收使能串口接收中断；3)判断是否产生接收中断；如果是，则保存接收到用于校准Hx和Hy的数据，然后 转入步骤4)；否则，则等待是否达到设定时间(例如2秒)，如果否，则返回到步骤3)；如果 是，则转入步骤4)；
5[0041 ]4)通过SPI总线读取Hx和Hy值；5)校准 Hx 和 Hy 值；6)计算夹角Q ；7)显示屏指示偏角范围；8)通过串口主动发出航向角，返回步骤4)。
权利要求一种移动机器人航位角推算装置，其特征是，它包括地磁场检测电路，用于输出同地磁场沿载体坐标系分量成正比的差分电压模拟信号；信号调理电路，用于把上述模拟电压信号进行放大、滤波；A/D转换电路，用于把信号调理电路调理过的模拟电压信号进行数字转换；中央控制电路，对A/D转换电路输出的数字信号数字滤波，进行数值计算、误差校正，准确得出航向角，将数据显示到液晶屏上；同时中央控制电路与串口通信电路连接，串口通信电路与交互接口连接；电源模块为所述各电路供电。
2.如权利要求1所述的移动机器人航位角推算装置，其特征是，所述地磁场检测电路 为二维磁阻传感器。
3.如权利要求1所述的移动机器人航位角推算装置，其特征是，所述电源模块为DC/DC 隔离电源模块，它直接为液晶屏、中央控制电路和串口通信电路供电；同时，电源模块还经 两个基准稳压电路分别为A/D转换电路和信号调理电路供电。
4.如权利要求1或3所述的移动机器人航位角推算装置，其特征是，所述串口通信电路 为 RS232 接口。专利摘要本实用新型涉及一种移动机器人航位角推算装置。它包括地磁场检测电路，用于输出同地磁场沿载体坐标系分量成正比的差分电压模拟信号；信号调理电路，用于把上述模拟电压信号进行放大、滤波；A/D转换电路，用于把信号调理电路调理过的模拟电压信号进行数字转换；中央控制电路，对A/D转换电路输出的数字信号数字滤波，进行数值计算、误差校正，准确得出航向角，将数据显示到液晶屏上；同时中央控制电路与串口通信电路连接，串口通信电路与交互接口连接；电源模块为所述各电路供电。它具有体积小、低功耗、易于安装，且温度特性好、实时性和抗干扰能力强、误差不随时间积累性价比较高的优点。
文档编号G01C21/08GK201637415SQ20102017211
公开日2010年11月17日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者孙大庆, 张峰, 杨墨, 栾贻青, 王海鹏, 王飞, 肖鹏 申请人:山东鲁能智能技术有限公司