【技术大神】AGV用磁导航传感器的探索与研究
AGV（Automated Guided Vehicle）指装备有电磁或光学等自动导引装置。其能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。在工业应用中不需要操作者或驾驶员，而是直接通过电脑控制AGV行进路线以及行为，沿电磁轨道识别其行进路线。电磁轨道常采用软磁条黏贴于地板上，提供磁场供AGV小车进行导航与移动。
图1：常见AGV搬运车在工厂内的应用场景
磁导航传感器主要由磁传感器阵列，信号处理模块，数据处理模块，通信模块组成。其中主要关键是由于软磁条的表面磁场强度受到软磁性材料特性的限制，充磁能力有限，不能提供很强的磁场（表面处仅为2-4mT），因此磁传感器与信号处理部分是磁导航传感器的主要关键部分。一般市面上传感器推荐安装高度需为2至3厘米，否则将无法正常工作。
图2：实际测量的软磁条展开后表面磁场强度
笔者尝试开发一款专用的磁导航传感器，用在自家生产的AGV搬运车上。由于实际安装地点的特殊环境，客户要求磁导航传感器要在磁条上方10cm处仍可正确判断磁场，给出准确的导航信息。
在了解到客户的需求后，对经典的磁导航传感器结构进行分析。首先确定了如果需要实现在10厘米超高距离上给出磁条位置，要从磁传感器阵列以及信号处理模块两方面入手，才有可能实现。原来磁传感器阵列采用的是某A品牌3503型线性霍尔，经过标准的反向放大器电路进行基于VCC/2参考电压信号放大后，输入到比较器中进行阈值判断，继而进行信号输出。整个信号流程如下图所示。
图3：经典磁导航传感器中一路信号处理流程
当传感器位于10厘米高度时，实测磁场强度仅为0.1mT左右。再用3503线性霍尔元件对磁场进行采集时，由于其较高的噪音水平，造成有效信号湮没在噪声里无法进行分辨，因此也就无法检测到磁场变化。经过多次试验比较后，笔者选用了MELEXIS公司的MLX90242线性霍尔，因其具备15mV/mT（Typ.)的超高分辨率，本底噪音（即背景噪音）仅为90uV，输出线性误差小于0.5%。这些指标的共同作用下，该元件可以准确地在10cm的高度上采集到软磁条磁场的变化，为后面的进一步处理提供基础。
后面的处理同样需要进行优化，由于磁传感器信号幅度很弱，且不可避免的混杂了噪声，如果还利用上图中的信号处理流程，会有如下难题：
1）因为线性霍尔传感器元件差异，固定VCC/2中心参考电平，将导致不同通道经过高增益放大后的信号出现严重失真。
2）经过分析，噪声同信号处于一个数量级，放大后都具备触发比较器的能力，因此简单依靠比较器来判断不准确，易误报。
3）磁传感器获得的信号动态范围大，如果运放电路增益过高，当传感器安装位置较低或者受到干扰时，会造成过放大现象，影响传感器正常工作。
基于以上三点，所以笔者设计了如下信号处理流程来应对磁导航传感器所带来的这些挑战。利用DAC产生可调节中心参考电压，并利用可编程运算放大器，以及高精度ADC来对信号进行采样，后送入MCU控制器内部进行数字处理。
图4：利用高集成度EFM32 Giant Gecko系列MCU进行信号处理
SILICON LABS的EFM32系列MCU是一款集成了高效率ARM M3内核，大容量FLASH以及RAM，丰富数字、模拟外设的MCU，其内置的可调节增益放大器，12bit分辨率ADC与DAC，十分适合作为磁导航传感器的主控芯片，所有这些都集成在QFN64的微小封装中，对空间有限的传感器BOM来说也十分具有诱惑力。
MLX90242霍尔器件领先的性能同高集成度，模数全能的“EFM32巨蜥”就这样碰撞出了灵感的火花，当所有这些组成高灵敏度AGV磁导航传感器的要素都齐备时，笔者的项目也顺利的完成了，并且得到了客户的认可。
经过此项目，笔者感慨良深。当今半导体发展日新月异，各种高性能，高集成度器件层出不穷，当一个新的挑战在面前时，不要慌，也不要怕，更不要迷茫，动起双手，动起头脑，做起实验，功夫不负苦心人，总会有所成果。
作者：用尚科技 周正
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wqm Lv7. 资深专家 2020-11-20学习 -
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qinlu123 Lv7. 资深专家 2018-10-25希望能给个详细资料 -
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土木 Lv7. 资深专家 2018-04-21学习了！ -
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用户18396822 Lv8 2017-12-18还行 -
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serena Lv7. 资深专家 2017-10-14这个方案在智能分拣系统中应用会越来越多。 -
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用户_8571 Lv7 2016-08-05库存为啥是零呢！都卖完了 -
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BATI Lv7. 资深专家 2016-08-03大神写得不错，MLX90242这种传感器在车间货物传送领域将有很广的应用前景 -
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我就是我 Lv7. 资深专家 2016-08-02高大上 -
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用户_8239 Lv7. 资深专家 2016-08-01有图有数据，赞
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