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1、10申请公布号CN104142116A43申请公布日20141112CN104142116A21申请号201410265149222申请日20140613G01B7/02200601G01C21/3420060171申请人北京鼎臣超导科技有限公司地址100206北京市海淀区沙河第二毛条厂4号楼3层72发明人王三胜王阳向嘉彬张明吉74专利代理机构北京永创新实专利事务所11121代理人周长琪54发明名称基于磁场梯度的车辆线性位移测量方法及装置57摘要本发明公开了一种基于磁场梯度的车辆线性位移测量方法及装置，对于方法来说，首先，按被导航车辆行进轨迹铺设导引电缆；在被导航车辆上安装梯度计；调节磁场梯度。
2、计中两个线圈在被导航车辆上的水平安装位置，及磁场梯度计的垂直高度；随后，对磁场梯度计进行标定，得到标定曲线；根据标定曲线及磁场梯度计输出的电压信号，即可判断被导航车辆车体中轴线与导引电缆之间的偏移量。对于装置，为磁场梯度计设计了安装支架，且安装支架可实现磁场梯度计中两线圈间距的调节，同时实现磁场梯度计高度的调节。本发明车辆线性位移测量方法及装置，避免了传统方法因输出信号离散所带来的误差，大大提高了测量精度，可用于智能仓库的自动运输当中。51INTCL权利要求书1页说明书6页附图4页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图4页10申请公布号CN10414211。
3、6ACN104142116A1/1页21一种基于磁场梯度的车辆线性位移测量方法，其特征在于通过下述方式实现步骤1铺设导引电缆；按被导航车辆需要的行进轨迹铺设导引电缆，设定导引电缆内的励磁电流参数；步骤2在被导航车辆上安装磁场梯度计；、确定磁场梯度计中两个线圈在被导航车辆上的水平安装位置；将磁场梯度计中的两个线圈分别安装在导航车辆前端，位于导引电缆两侧位置处，且使磁场梯度计中两个线圈间距不小于导航车辆的轮距；B、确定磁场梯度计垂直方向的安装高度；H/0354，L为磁场梯度计中两个线圈间距；步骤3标定磁场梯度计；A、将被导航车辆的中轴线与导引电缆竖直方向重合放置，记录磁场梯度计输出电压值；B、将被。
4、导航车辆连续向左每间隔1CM移动一次，直至向左移动距离等于1/2被导航车辆宽度；记录每次磁场梯度计的输出电压值；随后向右每间隔1CM移动一次，直至向右移动距离等于1/2被导航车辆宽度，记录每次磁场梯度计的输出电压值；C、根据所记录的偏移量与梯度计输出的电压值，绘制标定曲线；步骤6确定车辆偏差；采集磁场梯度计的输出电压值，与标定曲线进行对比，判断被导航车辆车体中轴线与导引电缆之间的偏移量，实现被导航车辆线性位移测量，根据偏移量可采取适当的控制措施。2如权利要求1所述一种基于磁场梯度的车辆线性位移测量方法，其特征在于所述磁场梯度计中两个线圈采用串联反接。3基于权利要求1所述一种基于磁场梯度的车辆线。
5、性位移测量方法的测量装置，其特征在于包括水平的磁场梯度计安装平台与高度调节框架；磁场梯度计安装平台两端分别与高度调节框架两侧滑动连接，使磁场梯度计安装平台处于水平，且竖直方向上位置可调；磁场梯度安装平台上开有水平滑槽，用来安装磁场梯度计；所述磁场梯度计由两个串联反接的线圈构成；两个线圈设置在水平滑槽内，可沿滑槽轴向移动，实现两个线圈间距的调节。4如权利要求3所示一种基于磁场梯度的车辆线性位移测量装置，其特征在于所述磁场梯度计两个线圈的轴向长度与直径之比均保证小于05。5如权利要求3所示一种基于磁场梯度的车辆线性位移测量装置，其特征在于所述磁场梯度计的信号输出引线通过8字形双绞线绞接引出，且两股。
6、引线之间的空隙面积小于线圈有效磁通面积的千分之一。权利要求书CN104142116A1/6页3基于磁场梯度的车辆线性位移测量方法及装置技术领域0001本发明属于磁导航领域，是一种位移测量方法，具体来说，是一种基于磁场梯度的车辆线性位移测量方法及装置，可以在无人工厂、智能交通等领域得到一定的应用和延伸。背景技术0002随着科学技术的进步，仓库管理正朝着智能化、自动化的方向发展，因而对自主导航的要求也越来越高。但在现有的磁传感器阵列检测法中，存在着输出信号离散、无法准确定位等问题。随着自动运输研究的更加深入，磁导航的研究有着重要的指导意义。电磁导航按导航装置可分为磁道钉导航和循迹电磁导航。0003。
7、磁道钉导航技术是以磁性较强的磁道钉为导航设备基础，通过车体前端的传感器检测磁场分布来判断路径信息的导航方式。它在事先清楚磁道钉磁场分布的前提下，研究路径的磁场信息，进而研究车体与道钉之间的相对运动。在这种导航平台上，我们可用道钉摆设出诸如S形，圆形、直线型等不同的路径，再换上不同材质、不同形状的磁道钉，基于大量的现场实地测验，通过对实验数据的分析来进一步研究磁道钉对传感器设计的影响。检测磁场的工具毫无疑问是磁传感器，而磁传感器作为磁导航自动行驶系统中信号检测的最前端设备，在这个系统中发挥了至关重要的作用。0004磁道钉导航技术首先出现在对自动公路的研究中，自动行驶的车辆要沿着路面下预先埋好的磁。
8、道钉组成的路线行驶。磁道钉导航在自动公路中起到了举足轻重的作用，而且具有不受环境干扰、维护费用低等优点。0005美国和日本在磁道钉导航方面有着比较早的研究。美国加州大学伯克利分校在车辆的磁道钉导航方面取得了卓越的成绩，并在铲车、机场大巴、智能车等方面做了大量实验研究，为这个领域做出了巨大的贡献。0006循迹电磁导航主要是以预埋在地面下的导线为行驶轨道，在导线中通有一定大小、频率的交变电流。此时导线周围产生交变的环形磁场。自动行驶车辆依靠车前端的电感线圈来感应磁场的大小，进而输出电压值供测量系统检测。系统通过电感的输出值来判断此时此刻车前端与导线的位置关系，以此进行精确定位。这种导航方式具有成本。
9、低、抗干扰能力强、可操作性强等优点，并且迅速适应仓储导航技术的要求，具有广阔的市场价值。0007循迹电磁导航不仅应用价值非常广泛，而且在本科生教育领域也有有着较高的影响力。在全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛中，“电磁组”以它特有的导航方式自成一派，与“光电组”和“摄像头组”三足鼎立，同时受到广大本科生的热捧。0008我国“飞思卡尔”智能车竞赛中，电磁组采用的磁场检测技术是在车前端安装电感线圈一字型阵列57个，同时输出感应电压，传送给单片机。单片机通过判断，找出感应电压值最大的两个电感线圈，并以此为依据，确定导线处在哪两个电感之间。0009这种车体定位方式具有快速、简便、高效的优点，但其固有的。
10、结构决定了这种磁场检测方式只能给出离散的数字信号，单片机也只能判断导线的大致位置，无法精确判断车体与导线的位置关系。说明书CN104142116A2/6页4发明内容0010针对上述问题，本发明提出一种基于磁场梯度的车辆线性位移测量方法及装置，将输出电压与车体位置偏移量呈现一一对应的线性关系，通过两个串联反接的线圈，精确地对车体进行定位，误差小。0011本发明基于磁场梯度的车辆线性位移测量方法，通过下述方式实现0012步骤1铺设导引电缆；按被导航车辆需要的行进轨迹铺设导引电缆，设定导引电缆内的励磁电流参数。0013步骤2在被导航车辆上安装磁场梯度计；0014、确定磁场梯度计中两个线圈在被导航车辆。
11、上的水平安装位置；0015将磁场梯度计中的两个线圈分别安装在导航车辆前端，位于导引电缆两侧位置处，且使磁场梯度计中两个线圈间距不小于导航车辆的轮距。0016B、确定磁场梯度计垂直方向的安装高度；H/0354，L为磁场梯度计中两个线圈间距。0017步骤3标定磁场梯度计；0018A、将被导航车辆的中轴线与导引电缆竖直方向重合放置，记录磁场梯度计输出电压值。0019B、将被导航车辆连续向左每间隔1CM移动一次，直至向左移动距离等于1/2被导航车辆宽度；记录每次磁场梯度计的输出电压值；随后向右每间隔1CM移动一次，直至向右移动距离等于1/2被导航车辆宽度，记录每次磁场梯度计的输出电压值。0020C、根。
12、据所记录的偏移量与梯度计输出的电压值，绘制标定曲线。0021步骤6确定车辆偏差；0022采集磁场梯度计的输出电压值，与标定曲线进行对比，判断被导航车辆车体中轴线与导引电缆之间的偏移量。0023基于上述车辆线性位移测量方法的测量方法，本发明还提出一种车辆线性位移测量方法的测量装置，包括水平的磁场梯度计安装平台与高度调节框架；磁场梯度计安装平台两端分别与高度调节框架两侧滑动连接，使磁场梯度计安装平台处于水平，且竖直方向上位置可调；磁场梯度安装平台上开有水平滑槽，用来安装磁场梯度计。0024所述磁场梯度计由两个串联反接的线圈构成；两个线圈设置在水平滑槽内，可沿滑槽轴向移动，实现两个线圈间距的调节。0。
13、025本发明的优点为00261、本发明车辆线性位移测量方法利用串联反接的双线圈的输出特性，找到传感器输出信号与其位置信息的线性关系，即输出电压与位置一一对应，从而检测出地面导线的轨迹，实现精确定位；00272、本发明车辆线性位移测量装置，结构简单、成本低、测量速度快、可操作性强；00283、的应用可延伸到无人工厂、智能交通等领域，对建设高科技现代化的未来城市有着重大的指导意义。附图说明说明书CN104142116A3/6页50029图1为本发明车辆线性位移测量方法流程图；0030图2为磁场梯度计布局及其参数示意图；0031图3为磁场梯度计理论输出ED曲线图；0032图4为磁场梯度计理论输出ED。
14、曲线与理想ED曲线对比图；0033图5为磁场梯度计标定曲线图；0034图6为本发明基于磁场梯度的车辆线性位移测量装置结构示意图；0035图7为磁场梯度计中两线圈连接方式示意图。0036图中00371安装支架2磁场梯度计3线圈101磁场梯度计安装平台102高度调节框架103水平滑槽201线圈具体实施方式0038下面结合附图对本发明做进一步说明。0039本发明车辆线性位移测量方法，如图1所示，通过下述步骤实现0040步骤1按被导航车辆需要的行进轨迹铺设导引电缆，设定导引电缆内的励磁电流参数，包括频率F、波形与幅值；0041步骤2在被导航车辆上安装磁场梯度计；0042A、确定磁场梯度计中两个线圈在被。
15、导航车辆上的水平安装位置；0043将磁场梯度计中的两个线圈分别安装在被导航车辆前端，位于导引电缆两侧位置处，且使磁场梯度计中两个线圈间距不小于导航车辆的轮距；0044B、确定磁场梯度计垂直方向的安装高度，即磁场梯度计与地面间的距离；0045如图2所示，令磁场梯度计安装高度为H；磁场梯度计的两个线圈间距为L。导引电缆中的电流大小为I，图2中瞬时电流方向为垂直纸面向里；磁场梯度计的两个线圈中点与导引电缆存在一个水平距离，即磁场梯度计位置偏差D。0046对ED曲线线性区段的提取0047磁场梯度计的线圈一与线圈二的感应电压E1、E2分别为004800490050式1、式2中N为每个线圈的匝数；B1与B。
16、2分别穿过线圈一与线圈二的磁场；T为时间；为磁通量；S为每个线圈的截面积，D为线圈直径M。0051导引电缆的电流I为0052IIMCOSTA30053式3中，为导线电流角频率RAD/S；IM为电流I峰值；A为相位。0054线圈一与导线距离说明书CN104142116A4/6页600550056线圈二与导线距离00570058式4、式5中，L为线圈一与线圈二的间距M；H为磁场梯度计的安装高度M。0059联立式1、2、3、4、5，可得传感器输出电压E与磁场梯度计位置偏差D之间的关系式，为00600061化简得00620063式6、式7中，0为真空磁导率H/M，04107H/M，I0为导线中电流A。。
17、0064可见，在高度H、线圈间距L、电流I0、角频率为定值时，磁场梯度计输出的电压E与位置偏差D为奇函数关系，符合双线圈的电压输出规律。0065以基于“飞思卡尔”智能车竞赛组委会所提供的车模进行试验，车模尺寸长40CM，宽20CM。因此，令磁场梯度计安装高度9CM、线圈一与线圈二间距L20CM、电流有效值I5A、角频率2F1256105HZ。由此可得到D曲线如图3所示。由图3可知，磁场梯度计输出E与位置偏差D呈现一一对应关系，且当01MD01M时，磁场梯度计输出曲线的线性程度较好。一般而言，为了保证汽车可以始终沿着导航轨道的中心线行驶，需要确保导航轨道不偏出磁场梯度计两个线圈，即让导线始终在两。
18、线圈之间。因此可以初步认定磁场梯度计的输出电压E能够反映其位置偏差D，且在时大致呈线性关系。0066尽管磁场梯度计的输出曲线在零点附近近似呈直线，但在附近输出曲线的线性程度不理想，与图4中粗直线标记的理想曲线存在较大差距E，这是由于式7中E的表达式中存在非线性项的干扰，使ED曲线不能完全呈直线。0067不难发现，磁场梯度计输出函数中一定存在D的一次项以及高次项在此将二次项及以上次项称为高次项，即非线性项；因此，需尽量减小非线性项，从而使磁场梯度计输出曲线在附近更接近理想曲线。而对函数进行泰勒展开，可以得到D的一次项以及高次项，则将磁场梯度计输出E的表达式按D进行泰勒展开，得到0068说明书CN。
19、104142116A5/6页7006980070其中，令D的一次项为线性项，而其它项是导致磁场梯度计输出曲线非线性的干扰项，即为非线性项。令非线性项为U，则00710072如图4所示，当磁场梯度计输出值与理想值偏差最大，所以若找到最佳比值H/L，使得当时的E最小，则此时ED曲线在线性段可获得最好的线性度，具体方式为0073令此时非线性项00740075令H/LP，则HPL，代入10，得00760077根据线性度的定义00780079其中，YMAXU，为线性度；Y为传感器满量程输出，即输出曲线的最高点与最低点电压差。将与分别代入式8后再做差，0080得到00810082因此00830084化简得。
20、00850086显然，当18P2，即时，0，且U0说明书CN104142116A6/6页80087这表明，当磁场梯度计的安装高度H与传感器线圈间距L比例接近0354时，线性度最好。这个结论说明，在工程应用时可以通过根据车型的轮距适当调整线性磁场梯度计的安装高度，以达到最优效果。此时磁场梯度计输出曲线的线性程度最好，E的非线性项为0。0088由此根据上述结论，调整车辆上磁场梯度计的高度。0089步骤3标定线性位移磁场梯度计；0090A、将被导航车辆的中轴线与导引电缆竖直方向重合放置，记录磁场梯度计输出电压值；0091B、将被导航车辆连续向左每间隔1CM移动一次，直至向左移动距离等于1/2被导航车。
21、辆宽度；记录每次磁场梯度计的输出电压值；随后向右每间隔1CM移动一次，直至向右移动距离等于1/2被导航车辆宽度，记录每次磁场梯度计的输出电压值；0092C、根据所记录的偏移量与梯度计输出的电压值，绘制标定曲线，如图5所示。0093步骤6确定车辆偏差；0094采集梯度计的输出电压值，与标定曲线进行对比，判断车体中轴线与导引电缆之间的偏移量，实现被导航车辆线性位移测量，根据偏移量可采取适当的控制措施。0095基于上述方法，本发明还提出一种基于磁场梯度的车辆线性位移测量装置，包括安装支架1与磁场梯度计2，如图6所示。0096其中，安装支架1包括磁场梯度计安装平台101与U型高度调节框架102；磁场梯。
22、度计安装平台101两端分别与高度调节框架102两侧滑动连接，使磁场梯度计安装平台101处于水平，竖直方向上位置可调。磁场梯度安装平台101上开有滑槽103，用来安装磁场梯度计2。滑槽103的长度可根据被导航车辆的轮距的大小设计。0097所述磁场梯度计2由两个串联反接的线圈201构成，使磁场梯度计2的输出端U0是两个线圈201感应电压之差，如图7所示；两个线圈201设置在滑槽103内，可沿滑槽103轴向移动，实现两个线圈201间距的调节，使本发明车辆线性位移测量装置适用于不同宽度车型。上述每个线圈201的轴向长度与直径之比为025，但不限于此；实际应用当中，可根据需要适当调节比例，但应保证小于0。
23、5。且磁场梯度计2的信号输出引线通过8字形双绞线绞接引出，并确保两股引线之间的空隙面积小于线圈201有效磁通面积的千分之一。0098由此，将上述结构的车辆线性位移测量装置，安装在被导航车辆上，使滑槽103两段处于被导航车辆左右方向上。进而通过上述方法，根据车辆宽度调节磁场梯度计2中两个线圈201的间距，并调节磁场梯度计2的高度；实现被导航车辆线性位移测量。说明书CN104142116A1/4页9图1图2说明书附图CN104142116A2/4页10图3图4说明书附图CN104142116A103/4页11图5图6说明书附图CN104142116A114/4页12图7说明书附图CN104142116A12。