CN103234564A - 基于二维磁编码的定位方法及定位*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维磁编码的定位方法及定位***，依据本发明，采用具有磁场强度周期性变化的磁带进行载具的导引，而采用磁二维编码块结合磁带进行定位，由于此二位编码块不仅唯一确定了一个位置，而且由其可以进一步作为基点用作节点之间的位置定位，整体计算量大大减少，且会因此减少累积误差，提高定位的精度，从而保证了精确定位。

Description

基于二维磁编码的定位方法及定位***

技术领域

本发明涉及一种应用磁编码技术的定位方法及定位***。

背景技术

在室内地面作业中，如工厂车间等，载具（自动导引车等）确定其自身在作业平面中的位置是自动化作业的基础。因应该载具在作业平面中位值确定的要求，普遍采用定位方法。当前存在多种定位技术，主要有如下三种定位方法：

    第一种定位方法：RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术，又叫无线射频识别或者电子标签）定位技术，通过在地面预定位置处埋设RFID标签，在载具上安装读卡器，通过读卡器对RFID标签的位置判断，确定载具在作业平面上的位置信息。

第二种定位方法：惯性定位技术，惯性定位技术最早成功应用于军事，通过速度、加速度和角度传感器，载具的控制***可以计算出当前位置相对于起始位置的距离和方向，从而确定自身相对于起始点的位置信息。

第三种定位方法：无线定位技术，在载具上安装无线发射装置，在空间中安装探测器，对安装在载具上的发射装置发射出的特定电磁波，空间中的多个探测器对其进行解算，确定相互之间的到达时间差、到达角。利用几何关系计算出发射天线的位置，从而计算出载具在地面上的位置。

上述三种定位方法结合特定的应用环境，在实际中均有所应用，如WiFi无线定位技术。但是都存在以下缺点：

缺点1：RFID在定位技术上应用，一般为无源RFID，存在定位响应时间较长，一般一次唤醒需要100ms左右，限制了载具的运行速度；且定位精度较差，一般大于100mm。对于有源RFID虽然在一定程度上解决了上述缺点，但是由于敷设标签比较繁琐、成本较高，使得其在较大范围的作业场所不具备现实性。

缺点2：惯性定位技术虽然可以实现较高的定位精度，但是成本非常高，不适合对定位精度要求不高的一般性应用。

缺点3：无线定位技术虽然具有安装灵活的优点，但是定位精度较差，如WiFi结合RFID的无线定位技术，定位精度一般在1000mm以上，高精度的专用无线定位产品，如冲击无线电，成本非常高，不适合对定位精度要求不高的一般性应用。

中国CN102192699A公开了一种非接触式感应装置，其较详细的描述了利用磁条及配置的检测器进行载具位置、速度、计数或者异常状态的判断，其公开了一种基于磁条技术的基本定位原理。更具体地，参见其说明书第0040段，指出用于N、S标识0、1，从而在0与1信号见个连续出现的区段段表某种信息，无信号区段代表无载具通过。在其实现中，当某一检测器检测到1信号后，代表该载具已到达预定位置，可进行（或关闭）下一特定动作；而根据两个1信号之间的时间差计算移动速度等，提出速度、位置的解决方案。

上述CN102192699A采用一磁条实现对如位置、速度、计数或者异常状态的判断，计算量相对比较大，响应能力不足。单磁条配置的N、S磁极制作相对比较麻烦，成本偏高。因此，在采用磁条定位的绝大多数实现中，普遍采用配合其他定位方式进行综合定位的方法。

在如中国专利文献CN102661745A中，公开了一种带磁条和RFID标签自动行走机器人的导航方式，其采用综合的定位方法，自然不可避免的会存在如RFID定位方法的固有缺陷。

发明内容

因此，本发明的目的在于一方面提供一种实现简单且定位可靠的基于二维磁编码的定位方法，另一方面一种定位***。

本发明采用以下技术方案：

依据本发明的一个方面的一种基于二维磁编码的定位方法，在载具预定路径选定的节点上设置标识对应节点的二维磁编码块，并在路径的节点间铺设在路径方向上磁场强度周期性变化的磁带，相应地，在载具上设置用于检测所运行路径上磁场分布的霍尔传感器组以及处理设备，从而，载具在运行时基于周期性变化的磁场而被导引，以当前节点所处的位置为定位基准用于当前节点到下一节点间的载具定位；对应地，节点之间通过磁带上周期计数及波长乘积确定在所述基准条件下的绝对位置。

 

依据本发明的另一个方面的一种基于二位编码的定位***，包括在载具运行预定路径选定节点上设置的二维磁编码块和按照路径连接所述节点而构成磁轨道的磁带，以及设置在载具上的对路径上磁介质进行识别的霍尔传感器组和对所识别信号进行处理的处理设备，从而该处理设备依据所处理的结果输出控制所述载具沿所述路径运行并依据二维磁编码块标定的位置结合磁带进行定位；其中，所述磁带由磁性介质块周期性阵列而成具有在路径方向上强度周期变化的磁场。

从上述方案可以看出，依据本发明，采用具有磁场强度周期性变化的磁带进行载具的导引，而采用磁二维编码块结合磁带进行定位，由于此二位编码块不仅唯一确定了一个位置，而且由其可以进一步作为基点用作节点之间的位置定位，整体计算量大大减少，且会因此减少累积误差，提高定位的精度，从而保证了精确定位。

上述基于二维磁编码的定位方法，所述磁带由矩形的磁性块线性阵列而成，而所述二维磁编码块则是在一个正方形的块上分成N×N个单元格，N表示正方形的边长，填充有磁性正方形块的单元格表示1，空白单元格表示0，从而在识别单元格时按照预定的行列读取顺序确定二维磁编码块所代表的比特串。

上述基于二维磁编码的定位方法，节点读取方法时从载具接近节点的方向为上，采用从左上角开始识别，以从左到右从上到下的方式进行识别。

上述基于二维磁编码的定位方法，当一节点连接多个路径时，保证从不同路径进入该节点时，读取的比特串是不同的。

上述基于二维磁编码的定位方法，载具上霍尔传感器单元与所述单元格一一对应，且霍尔传感器单元上均2×2的阵列有4个霍尔传感器，从而在检测时，统计4个霍尔传感器的信号，以经过线性插值计算出的磁场分布信号确定为该霍尔传感器单元的识别信号。

上述基于二维磁编码的定位方法，霍尔传感器单元阵列的面积大于二维磁编码块的面积。

上述基于二维磁编码的定位方法，使用二位阵列的霍尔传感器检测磁场的分布，保持与在预定的运动方向监测到的磁场强度最窄，进而在运行方向上，通过时间均匀周期采样形成磁场变化曲线，再使用插值方式拟合曲线，与预先设定的磁场强度相比较，而计算出载具通过一个磁带周期所用的时间，结合磁带周期内的路径长度计算出瞬时速度；相应地，通过在一个时间段内的磁带周期数计算出该时间段内的载具平均速度。

上述基于二位编码的定位***，所述磁带为磁性块均匀间隔地线性阵列。

上述基于二位编码的定位***，所述二维磁编码块为在一个正方形的块上分成N×N个单元格，每个单元格按照预定的编码填充有磁性块或者保持空白；对应地，所述霍尔传感器组为与所述单元格相同的排列的霍尔传感器单元阵列，且每个霍尔传感器组设有均置的四个霍尔传感器，以同时识别对应单元格；其中霍尔传感器组的面积大于二位编码块的面积。

附图说明

图1为依据本发明的一种二维磁编码方法示意图。

图2为依据本发明的一种周期离散导引磁带敷设方法示意图。

图3为依据本发明的一种二维霍尔传感器阵列分布示意图。

图4为依据本发明的一种磁轨道示意图。

具体实施方式

结合磁带导引技术的定位方法，如背景技术部分所引用的专利文献，磁带导引技术已经发展的比较成熟。如图4所示，在这里具体方法是：在载具行进的轨迹或者说设定的路径上敷设具有一定宽度的磁场强度呈周期变化的磁带，称之为周期离散导引磁带，然后通过霍尔传感器阵列检测上述周期离散导引磁带，并通过检测磁场强度的分布调整载具的姿态使得载具按照预定的姿态和方向沿周期离散导引磁带运行。

图4中具有网格的方块表示在图1中为而为编码方法或者说方块结构示意图。在图4中无需情楚表示其中的1、0等单元格或者说网格，依据图1本领域的技术人员应对图4有清楚的理解。

在此基础上，在根据用于选择的特定的导引位置上，放置二维的磁编码区域，通过二维霍尔传感器阵列检测磁场的分布实现解码，确定标定与应用相关的特定区域，实现载具的定位。

载具通常设有车载控制器或者其他逻辑运算控制装置，那么用于导引和定位的传感器可以接入车载控制器，用于控制载具的姿态和对载具的定位。

一种磁场在空间上周期离散分布的磁带的方法是：将磁带进行裁剪，裁剪的形状为矩形，如图2所示，W2大于2倍的W3，也就是矩形的长度一般大于宽度的2倍，线性阵列形成的磁带称为刻度磁带。

将刻度磁带的中心放置在设定的路径上，长边与轨迹的行进方向垂直，图2中W2对应的边，沿轨迹方向从刻度磁带起留下同刻度磁带同样大小的空白无磁区域，然后再次放置刻度磁带，并同样留下空白无磁区域，重复这一过程，直到覆盖整个轨迹。这样在轨迹上方形成了一个空间上周期离散分布的磁场该轨迹上的所有刻度磁带组合在一起称为周期离散导引磁带。

图2中，黑色表示磁性块，编码为1，空白带编码为0。

在图2所示的结构中，无需构造N、S配对使用构造磁带结构，成本比较低，且设置速度会更快。当然，在这里也可以使用N、S配对作为一个单元，然后通过单元线性阵列的方式构造磁带。

在上述的结构中，空白间隙的宽度W4可以不等于W3，也不影响路径的识别。不过如图2所示，周期离散导引磁带对于识别设备来讲，会产生如图2下部所示的方波，容易计算并可以作为时钟信号或者基准信号。

在上述的内容中通过二维磁编码技术实现位置标定，如图4所示，在路径中设置一些二维磁编码块形成节点，这些节点用于如设备定位，设备上的具体部件定位等，还可以作为路径路口节点。

一种方法是：通过对平面上，也就是作业面路径上选定的正方形区域进行划分，分为面积和形状相同的N²个小正方形，边长为W1，图中黑色方格表示放置磁带或者此行介质的网格，编码为1，白色表示没有放置磁带的网格，编码为0。其中N表示每边对应的网格数。

大正方形的边长分为N等份形成的网格，每一个网格构成了一个基本的编码位，每个编码位采用二进制编码，将磁带裁剪成同一个网格面积和形状相同的磁带，称为编码磁带，N²个编码位构成的区域称为编码区域。

编码区域中的任何一个网格可以放置编码磁带，或者保持空白，从而每个网格上方因放置或保持空白而可以检测到显著区别的磁场强度，对磁场强度进行二值化，实现了一种二维磁编码方法，使用相同二维排列的的霍尔传感器矩阵实现解码，结合连续磁带的导引，从而低成本、高精度地实现了载具的导引和定位。

通过对导引磁带和编码磁带的选择，导引精度优于5mm，定位精度优于15mm。

当通过二维磁编码块进行设定后，其所在的位置即为确定，从而可以基于某个节点进行绝对编码计算，可以大幅的降低计算量。

应知导引磁带在被设置时，对应的所谓周期就是确定的，那么根据所采集的波形信号，配合载具所运行的时间可以计算出载具当前的位置，瞬时速度和平均速度。

根据预设的节点，可以进行载具加速、减速段的设置，以保证在到达某个节点前，如设备前，载具就开始减速，从而保证载具在到达设备时停靠的准确性。

在载具在作业平面上，使用周期离散导引磁带敷设在载具运行的轨迹上，在需要识别位置的地方设置编码区域，并进行编码，周期离散导引磁带与编码区域应保持垂直，编码区域的中心轴与导引磁带运行方向的中心轴重合，载具通过二维霍尔传感器阵列沿导引磁带上运行，进入编码区域后，通过检测和识别磁场强度，进行解码，从而完成导引和定位功能。

需要说明的是对编码区局进行编码就是对其设置如图1所示的带磁带网格的过程，编解码在此基础上结合现有技术将会显而易见，在本文对此不再赘述。

在以下的内容中结合附图4提出一种在整个磁轨道上实现全局编码的方法，在不增加编码区域的情况下，实现了不同路径的识别。磁轨道由节点和其间的路径组成，编码区域放置在节点上，节点和编码区域一一对应。

节点是磁轨道上的关键环节，从连接节点的路径数量划分，节点分为单路径、双路径（直通，两个路径夹角为180度）、双路径（垂直，两个路径的夹角为90度）、三路径和四路径节点，所有路径与编码区域的一条边垂直。

根据以上的分类和定义，编码区域节点的具体编码方法是：放置在磁轨道路径节点上的编码区域统一按照一个方向放置，即任何一个编码区域都可以通过其他任何一个编码区域经平移后得到，从接近编码区域的方向沿路径看编码区域，其某一个方向看，如载具运行的方向看，左上角的编码网格作为第1行第1列编码位，从左至右从上到下，依次是第M行第L列编码位，所有这些位表征了从该路径进入编码区域的唯一编码标识，对于多路径节点，应保证从不同路径进入编码区域看到的编码都是不同的，并且保证在整个磁轨道范围内的所有路径方向上的编码都不同，从而保证了再整个磁轨范围内任何一条路径进入编码区域所看到的编码是唯一的，通过这种编码方法使载具在整个磁轨道内的运行动作有唯一和明确的含义。

为了区分载具的走向或者载具所运行的路径，当一节点连接多个路径时，保证从不同路径进入该节点时，读取的比特串是不同的。这样对于同一个节点可能对应有一组编码。

在以上的内容中可知，在具体的应用者可能会面对较多的编码，以满足全局应用，通过二位编码方式可以在有限的空间内设置具有较大信息量的二维磁编码磁带。

进而，使用二维均匀分布的霍尔传感器阵列检测磁轨道，具体方法是：霍尔传感器呈二维线性均匀分布，由于霍尔传感器的尺寸较小，采用4个霍尔传感器检测一个编码网格，通过对4个霍尔传感器检测数值的平均值来判决当前网格的编码，克服了由于运动偏差造成的检测误码。

霍尔传感器阵列总的面积大于编码区域，在载具位置发生一定偏差的时候仍然能够准确检测编码区域的编码值。

所说的平均值可以表现为如4个传感器识别出3个1和1个0，通过线性插值计算磁场分布。这种方法可以有效地降低误码率。

利用周期离散导引磁带估计载具瞬时运行速度和平均运行速度的方法。具体方法是：使用二维霍尔传感器阵列检测磁场的分布，保持在与规定运行方向垂直的方向上检测到的磁场最窄，即保证载具沿轨道运行，对运行方向上，通过时间均匀周期采样形成磁场变化曲线，再使用插值方式拟合曲线，与预先设定的磁场强度比较，可以计算出载具经过1个周期的磁带的时间，从而用1个周期磁带的长度除以这个时间，就是近似的瞬时速度，在一段时间内，对经过的周期磁带计数，计算出这段时间经过的路程，用该路程除以经历的时间，就是这段时间内的平均速度。

所使用的磁带一般采用宽度50mm的橡胶磁条，成本非常低廉，且可以定制成任何形状。

橡胶磁条主要应用于冰箱、厨房电器与、卫浴设施、门窗等门封胶套内，因其吸力适中，与塑胶套组合成门封后，密封性能良好，温度适应范围广，开启方便，经久耐用，因而在各行业中广泛应用。

在这里只要利用橡胶磁条的磁性，橡胶磁条目前大量供应的主要材料成分为：85%~92%钡（锶）铁氧体磁粉，5%~9%CPE。其形状、磁极与吸力等要求不同构成不同形状与特性的型号，比较多的为单面多极扁平状的形式，供应状态一般为成卷或者绕成盘状供应。

霍尔传感器阵列距离磁带的距离一般在20mm～50mm，该距离应根据磁带的磁场强度和载具的具体情况而定，具体可以通过实验中所产生的误码率调整所述距离。

更具体的一个实施例，如图1至4所示，编码区域是由正方形网格组成区域，每个网格可以设置磁带或者保持空白，有磁带的编码为1，没有磁带的编码为0，如图1.从而实现了对编码区域的二维编码。图1中使用4×4的网格，根据应用的不同，可以采用其他数量的网格，编码区域也可以是长宽不同的矩形，网格也可以采用长宽不等的矩形，相应地，霍尔传感器阵列也应该进行调整。

周期离散导引磁带是通过周期性放置磁带组成的。具体如图2，在图2中，运行方向上磁带的宽度和空白的宽度是相同的，为了节省磁带，也可以采用增大空白区域的宽度。

二维霍尔传感器阵列具体实施方式是：将电路板安装的霍尔传感器通过表面贴装方式按照图3的方式排列。此处，按照一个编码网格用四个霍尔传感器来检测的方式，增加单个编码网格霍尔传感器的数量可以提高解码的准确性。

二维霍尔传感器阵列的总面积大于编码区域，并采取均匀排列的方式，这样当载具偏离导引磁带一定距离时，仍然可以正确地解码。

码区域和导引磁带共同构成磁轨道，编码区域是轨道的节点，导引磁带是轨道的路径。图4是包含了单路径、双路径、三路径和四路径节点这四种节点的磁轨道。载具通过导引路径的导引和编码区域的识别，可以沿导引路径运行，并在编码区域进行定位，完成导引和定位功能。

Claims (10)

1.一种基于二维磁编码的定位方法，其特征在于，在载具预定路径选定的节点上设置标识对应节点的二维磁编码块，并在路径的节点间铺设在路径方向上磁场强度周期性变化的磁带，相应地，在载具上设置用于检测所运行路径上磁场分布的霍尔传感器组以及处理设备，从而，载具在运行时基于周期性变化的磁场而被导引，以当前节点所处的位置为定位基准用于当前节点到下一节点间的载具定位；对应地，节点之间通过磁带上周期计数及波长乘积确定在所述基准条件下的绝对位置。

2.根据权利要求1所述的基于二维磁编码的定位方法，其特征在于，所述磁带由矩形的磁性块线性阵列而成，而所述二维磁编码块则是在一个正方形的块上分成N×N个单元格，N表示正方形的边长，填充有磁性正方形块的单元格表示1，空白单元格表示0，从而在识别单元格时按照预定的行列读取顺序确定二维磁编码块所代表的比特串。

3.根据权利要求2所述的基于二维磁编码的定位方法，其特征在于，节点读取方法时从载具接近节点的方向为上，采用从左上角开始识别，以从左到右从上到下的方式进行识别。

4.根据权利要求3所述的基于二维磁编码的定位方法，其特征在于，当一节点连接多个路径时，保证从不同路径进入该节点时，读取的比特串是不同的。

5.根据权利要求2至4任一所述的基于二维磁编码的定位方法，其特征在于，载具上霍尔传感器单元与所述单元格一一对应，且霍尔传感器单元上均2×2地阵列有4个霍尔传感器，从而在检测时，统计4个霍尔传感器的信号，以经过线性插值计算出的磁场分布的信号确定为该霍尔传感器单元的识别信号。

6.根据权利要求5所述的基于二维磁编码的定位方法，其特征在于，霍尔传感器单元阵列的面积大于二维磁编码块的面积。

7.根据权利要求1所述的基于二维磁编码的定位方法，其特征在于，使用二位阵列的霍尔传感器检测磁场的分布，保持与在预定的运动方向监测到的磁场强度最窄，进而在运行方向上，通过时间均匀周期采样形成磁场变化曲线，再使用插值方式拟合曲线，与预先设定的磁场强度相比较，而计算出载具通过一个磁带周期所用的时间，结合磁带周期内的路径长度计算出瞬时速度；相应地，通过在一个时间段内的磁带周期数计算出该时间段内的载具平均速度。

8.一种基于二位编码的定位***，其特征在于，包括在载具运行预定路径选定节点上设置的二维磁编码块和按照路径连接所述节点而构成磁轨道的磁带，以及设置在载具上的对路径上磁介质进行识别的霍尔传感器组和对所识别信号进行处理的处理设备，从而该处理设备依据所处理的结果输出控制所述载具沿所述路径运行并依据二维磁编码块标定的位置结合磁带进行定位；其中，所述磁带由磁性介质块周期性阵列而成具有在路径方向上强度周期变化的磁场。

9.根据权利要求8所述的基于二位编码的定位***，其特征在于，所述磁带为磁性块均匀间隔地线性阵列。

10.根据权利要求8或9所述的基于二位编码的定位***，其特征在于，所述二维磁编码块为在一个正方形的块上分成N×N个单元格，每个单元格按照预定的编码填充有磁性块或者保持空白；对应地，所述霍尔传感器组为与所述单元格相同的排列的霍尔传感器单元阵列，且每个霍尔传感器组设有均置的四个霍尔传感器，以同时识别对应单元格；其中霍尔传感器组的面积大于二位编码块的面积。

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