应用于无人叉车的电缆导引传感器设计与实现

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摘要：针对当前无人叉车在固定路径作业中的无人导引需求，本文设计并实现了一种基于电缆导引的测距传感器。分析了导引电缆周围磁场的分布情况，提出一种多线圈谐振强化的信号检测方案，完成传感器布置与硬件电路的设计，实现了电缆偏差位置检测。实验表明，该传感器可精准测量水平范围+-15cm内的位置偏差，误差在1cm范围内，可以检测五种不同频率的磁场，满足大部分无人叉车导引需求。

关键词：电缆导引；无人叉车；多线圈谐振；嵌入式系统

作者：陈淑婷

浙江万里学院信息与智能工程学院

伴随“工业4.0”“中国制造2025”战略的推进以及人工智能、5G等技术的突破，制造业对装备自动化的需求持续增长，智能制造在工业体系中占比日益提升[1]。作为物料搬运的关键设备，叉车的数字化与智能化升级成为重要趋势[2]。实现叉车无人化运行的核心挑战之一在于路径规划与精准定位。自主运行过程中，叉车的位置与姿态直接影响其行驶轨迹[3]。为提高作业效率并规避与货架等障碍物的碰撞，引入自动导引技术是实现高效无人化操作的关键。当前自动导引车常用导航方式包括激光、电磁、视觉、惯性及二维码导航[5]等。其对比如表1所示[6]。

表1 不同导航方式对比

在工业生产和物流仓储等典型应用场景中，机械设备运转和化学物质使用常导致环境存在较高污染和噪声[7]。同时，出于稳定性和效率考虑，叉车路径往往固定[8]。在此类复杂环境下，激光导航、视觉导航等依赖环境光线或反射特征的方案易受干扰，导致导航精度下降[9]。相比之下，电磁导航所依赖的磁场信号具备优异的抗干扰特性，不受声、光、温、湿等环境因素影响，环境适应性更强[10]。

为了适应复杂的作业环境，本文采用电磁定位的导引方式，设计开发了一套基于嵌入式系统的无人叉车导引传感器。如图1所示，将线圈组成的电感作为磁检测装置的主要元件安装在叉车上，在叉车的预定行驶道路中铺设一条通有交变电流的金属线作为导引电缆安装在地下，导引电缆在自身周围产生磁场。此时磁检测装置中的接收线圈会相应地产生电压信号，该电压信号与接收线圈的空间位置与姿态相关，利用磁场分布模型推导出线圈位置信息的方程，采用非线性算法对方程求解，解得磁检测装置的空间位置信息，将叉车位置信息上传至叉车控制器来修正行驶方向。

图1 电磁导引原理图

一

电磁导引检测原理

根据电磁学理论，导线中通入交变电流（如正弦电流）时，其周围空间将产生同频率变化的磁场[11]。若在此磁场中放置电感线圈，线圈两端将产生感应电动势(E)，且该感应电动势(E)的大小和通过线圈回路的磁通量(φ)的变化率成正比[12]。导线周围不同位置的磁感应强度(B)的大小和方向各异，导致不同位姿线圈产生感应电动势也不同，此特性可用于位置检测[13]。

图2 无限长直导线电流的磁场

首先要确定磁场的分布状况，在电磁导引式无人叉车系统中，由于磁检测装置的尺度远小于导引电缆长度，可将载流导线近似为无限长直导线[14]，如图2所示，载流长直导线周围的磁感应线是以导线为轴的一组同心圆环，根据毕奥-萨伐尔定律知：距离导线为a的P点的磁感应强度如式(1)所示：

其中为真空磁导率，，电I(t)是导线中的交变电流，；故B为交变磁场，频率由激励电流的频率决定，方向可通过右手定则确定。由式(1)可知，无限长直导线电流在其周围产生的磁场磁感应强度B与距离r成反比，与电流i成正比。若将一匝数为N、截面积为S的感应线圈放置于电缆周围的磁场中，则当线圈平面与磁场方向垂直时通过线圈的磁通量为：

线圈中产生的感应电动势为：

由式(3)可知，感应线圈上的瞬时感应电动势大小与导轨金属线上加载的高频交流电的频率、幅值，感应线圈的截面积、所处的高度、缠绕线圈匝数，侧向偏移量和前向角度偏差有关。

对式(3)作进一步分析可以得到，当系统和电磁检测器都设计确定之后，电磁检测线器上的瞬时感应电动势e就只与当前位置距离导轨金属线的水平侧向偏移距离x和前向角度偏差θ两个参数有关。

二

多线圈检测方案

传统的电磁导引车一般采用一个或两个线圈水平放置在车体前端[15]，如图3所示，这种电磁导引定位方式的优点是导引机构简单，路径信息获取简单，但由于获取的位置信息较少，难以确定车辆具体状态，适用于对导引精度要求不高的场合[16]。

图3 单、双电磁传感器导引定位

为了获得精确的叉车定位信息，需要增加传感器线圈的个数，获取多个位置信息，并按照一定的布局方式，通过一定的检测和算法，实现叉车的精确电磁导引定位[17]。

图4 七线圈三维传感器布局

本文叉车行驶路径包括直道、折线、直角、环岛等，导引线路径元素决定传感器布置方式。本文采用七个测量线圈作为磁检测装置的主要元件，其中有三组两两相互垂直的线圈分别位于检测装置左中右三列，如图4所示，线圈L1L3L5水平方向摆放成横向均匀排列，L2L7L6垂直于水平方向均匀排列，L4竖直方向摆放于中间列。水平线圈可有效判断方向和前方道路的弯道，垂直线圈可解算具体偏移量，通过多维度检测结合有效获取叉车位置信息。

三

基于多线圈谐振强化的导引传感器硬件电路设计

为避免控制电路中的数字高频噪声（如时钟）耦合到信号采集电路中影响信号采集的准确性，本系统将信号采集模块与其他模块分为采集板与主控板两块电路板，硬件原理框图如图5所示。

图5 硬件原理框图

采集板负责电磁信号的采集及对初始感应信号的处理，主控板负责对信号进行数据处理，计算出叉车路径偏移量并传输至叉车控制器，最终实现误差纠偏。

四

数据处理算法

1.信号预处理与噪声抑制

原始感应电动势信号受电路噪声及工业环境电磁干扰影响，需通过多阶滤波与归一化处理提升信号质量。

采用“粗滤波-精修正”二级处理机制。对每个线圈连续采集20组原始数据（采样频率10kHZ），采用改进的加权滑动平均滤波。设第i时刻的采样值为Ei，滤波窗口长度N=5，权重系数满足且（中心时刻权重最高，边缘递减），滤波结果为：

计算滤波后数据的均值μ与标准差σ，若某时刻数据，则采用前3次有效值的均值替代，避免突发干扰导致的信号畸变。

归一化处理公式如式(5)所示。

式中，En为滤波后电感数值（通过全波整流与峰值检测获取）；Emin、Emax为系统校准阶段采集的基准值（在偏移量±10cm范围内连续采样500组数据，取最小值与最大值）；P为比例系数，增加比例系数以消除偏移问题；E为归一化后电感数值，将作为方位特征解析与偏移量计算的输入，数值范围为0～2500。

2.方位特征解析与方向判定

基于七线圈的空间布局（左列L1/L2、中列L3/L4/L7、右列L5/L6），利用磁场分布的对称性解析偏移方向与车身姿态。

左列线圈L1与中列线圈L3关于导引电缆的感应电动势相位差与水平偏移方向存在确定性关联，当叉车向电缆左侧偏移时，L1处磁场强度大于L3，且两者相位差为π，此时两信号的乘积为负值：sign(EL1.EL3)<0表示左侧偏移；当叉车向电缆右侧偏移时，L3处磁场强度大于L1，相位差为0，乘积为正值：sign(EL1.EL3)>0表示右侧偏移。为避免瞬时噪声导致误判，设置连续3次判定结果一致时才输出方向信号。

利用左列线圈L2与右列线圈L6的相位特征判断车头转向：当车头向左偏转时，L2与L3的磁场切割方向相反，信号相位差为π/2，乘积为负值；当车头向右偏转时，L2与L6相位同向，乘积为正值。在确定车辆偏移方向后，需要进一步计算横向偏移的具体数值。

3.偏移距离量化模型

基于磁场强度与距离的非线性关系，通过分段线型拟合实现偏移量的精确计算。定义归一化电动势差值为核心特征量，如式(6)所示，其中左列均值为L1/L2的归一化信号平均值，右列均值为L5/L6的平均值，中列L3/L4/L7作为基准参考，消除导引电缆电流波动的影响。

在系统校准阶段，通过传感器在-10cm～+10cm范围内采集∆E与实际偏移距离d的对应关系，发现两者在分段区间内近似线性特征：当d∈[-10cm,0]（左侧偏移）时，拟合直线斜率如式(7)所示。

其中∆E0为d=0时的基准值，∆Emin为d=-10cm时的最小值；当d∈[0,+10cm]（右侧偏移）时，拟合直线斜率如式(8)所示。

其中∆Emax为d=+10cm时的最大值。距离计算如式(9)所示。

由于磁场在偏移区间两端的梯度变化较大，单纯的分段线性拟合会在±8cm以外产生系统性偏差。为此，在每个分段的线性模型基础上引入二次项补偿函数，实现对残差的二次曲线修正，补偿模型为：

其中，ki、bi分别为第i段的线性拟合斜率与截距，ci为二次项系数，通过最小二乘法对标定数据的残差部分进行拟合获得。

五

实验

测得七路感应电动势大小后，通过数据处理得到叉车中心偏离路径中心的大小。电路板如图6所示。

图6 采集板与主控板实物图

为了测试所研制电缆导引传感器的位置检测精度，设计了一套双轴机械臂远程控制试验台，如图7所示。主要由三根滑轨、电缆导引传感器、定位针、刻度尺和通电电缆构成，其中传感器安装在水平滑轨的滑块上并配有一根定位针，有两根滑轨各带有一个直线步进电机，两个电机统一由一个基于的STM32单片机控制，通过远程控制指令可控制单轴滑块移动，从而实现电缆导引传感器垂直方向高度的可调以及水平方向位置的可动态连续变化，达到模拟车载安装的效果，同时也可以较为精确地给出电缆导引传感器的检测结果，用于算法优化和实验验证。

图7 双轴机械臂远程控制试验台

在进行导线频率准备的过程中，为了准确模拟多种频率和电源强度下的工作环境，本文采用专用的恒流激励源装置，生成五种不同频率和四种不同电流的交流电信号。技术参数及实验结果如表2所示。

表2 不同频率及电流下的输出边界值

传感器在各频率下均能稳定输出有效信号，通过双极可调增益放大器的调节，信号强度保持稳定，验证了电路对电流变化的自适应调节能力。

为验证传感器在叉车典型高度范围[18]的适应性，导引电缆布置与激励保持一致（信号频率为8kHz，电流为100mA），测取h=5、10cm两个特征高度（对应叉车底盘与地面的常见距离）进行标定实验，各高度均在导引电缆横向偏差-10cm～+10cm，步长1cm处采集5次重复测量，计算平均误差与标准差，结果分别如表3、表4所示。

表3 h=5cm时各检测点的输出值

表4 h=10cm时各检测点的输出值

高度为5cm时全范围平均误差最小(0.42cm)，10cm时增至0.53cm，表明检测精度随高度增加而降低。根据式(1)可知这是由于磁场强度与距离成反比，高度升高导致线圈感应电动势减弱导致。七线圈通过水平、垂直多维度采样，构建了更全面的磁场分布模型，减少了单一方向信号丢失导致的偏差。结合工业场景中叉车底盘高度多为5～10cm的特点，该传感器在常规安装条件下可满足±1cm的精度要求[18]，但15cm以上高度需通过算法补偿优化。

六

总结

本文以无人叉车电磁导引系统为研究对象，针对当前无人叉车在固定路径作业中的电磁导航需求，研发出一款磁检测装置。试验结果表明，该传感器可稳定检测五种频率的磁场信号，在30～100mA电流范围内通过电路调节保持信号有效性，满足多场景适配需求；在5～10cm安装高度下，位置检测误差≤1cm，平均误差0.42cm，优于传统双线圈方案，符合工业AGV导航精度标准；多线圈布局与谐振强化技术显著提升了信号采样的全面性与抗干扰能力，为无人叉车固定路径导引提供了可靠的硬件支撑。同时该装置也具有一定待优化性，在检测精度上可以采用更精密的人工智能算法计算方位，在检测方式上可采用多传感融合的方式弥补电磁导引方式的不足。

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编辑、排版：王茜

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