可自主移動(dòng)的金屬物體探測(cè)定位儀設(shè)計(jì)及開發(fā)

王麗君， 馬龍升， 鐘皇平， 雷 震， 韓 濤

(1. 文華學(xué)院 信息學(xué)部， 湖北 武漢 430074; 2. 華中科技大學(xué) 電信系， 湖北 武漢 430074)

可自主移動(dòng)的金屬物體探測(cè)定位儀設(shè)計(jì)及開發(fā)

王麗君1， 馬龍升1， 鐘皇平1， 雷 震1， 韓 濤2

(1. 文華學(xué)院 信息學(xué)部， 湖北 武漢 430074; 2. 華中科技大學(xué) 電信系， 湖北 武漢 430074)

設(shè)計(jì)的可自主移動(dòng)的金屬物體探測(cè)定位儀的控制系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STM32F103ZET6作為核心控制器,檢測(cè)系統(tǒng)采用AY-LDC1000作為檢測(cè)器，根據(jù)輸出數(shù)據(jù)來判別是否檢測(cè)到金屬物體；機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)利用數(shù)碼舵機(jī)和絲桿滑臺(tái)搭建的硬件系統(tǒng)作為探測(cè)器的載體，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)橫向移動(dòng)；檢測(cè)器加裝在舵機(jī)擺臂前端，利用舵機(jī)控制檢測(cè)器弧形掃描，絲桿滑臺(tái)沿橫軸方向每運(yùn)動(dòng)單位距離后，舵機(jī)控制檢測(cè)器開始一次弧形掃描，直到探測(cè)器檢測(cè)到金屬物體為止，則立即停止運(yùn)動(dòng)并指示物體位置發(fā)出聲光報(bào)警。該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確指示金屬物體所在位置并發(fā)出聲光指示，有較好的實(shí)用價(jià)值。

金屬探測(cè)； 絲桿滑臺(tái)； 舵機(jī)； AY-LDC1000模塊； 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

1 金屬物體探測(cè)環(huán)境

近年來，針對(duì)單片機(jī)和傳感器技術(shù)相結(jié)合來研究檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的檢測(cè)功能[1]。本文設(shè)計(jì)可自主移動(dòng)的金屬物體探測(cè)定位儀，探頭可在水平放置的玻璃板上移動(dòng)，用直徑φ2 mm的鐵絲圍成約50 cm×50 cm的正方形閉合框作為探測(cè)區(qū)邊界置于玻璃板下[2]，探測(cè)置于玻璃板下的金屬物體并發(fā)出報(bào)警給出定位指示[1]。探測(cè)環(huán)境示意圖見圖1。

圖1 金屬物體探測(cè)環(huán)境示意圖

2 系統(tǒng)理論分析描述

2.1 金屬物體探測(cè)定位儀工作原理

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)械部分是由絲桿和檢測(cè)平臺(tái)搭建的檢測(cè)系統(tǒng)，利用步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)控制整體的縱向移動(dòng)[3]，利用舵機(jī)控制擺桿進(jìn)行一定范圍的弧線運(yùn)動(dòng)，可測(cè)量滑臺(tái)應(yīng)當(dāng)移動(dòng)距離；將此距離合理細(xì)分，每步進(jìn)一段距離，舵機(jī)控制擺臂左右來回掃描[4]，若檢測(cè)到變化，則再慢速掃描一次，若再次檢測(cè)到變化則認(rèn)為是金屬物體，再控制指針移動(dòng)至硬幣或鐵環(huán)中心處，并發(fā)出聲光報(bào)警。系統(tǒng)檢測(cè)示意圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)檢測(cè)示意圖

2.2 絲桿滑臺(tái)移動(dòng)距離及舵機(jī)控制擺臂運(yùn)動(dòng)計(jì)算

將系統(tǒng)擺放至任意位置，放置檢測(cè)器于探頭進(jìn)入?yún)^(qū)。因?yàn)樵跈z測(cè)區(qū)域某處距離探測(cè)邊界大于5 cm處放置硬幣，所以合理控制舵機(jī)打角即可掃描完整扇形區(qū)域。首先修正舵機(jī)于機(jī)械系統(tǒng)中線處，左右所需打角均為θ=arcsin(20/53)，見圖3，通過舵機(jī)控制信號(hào)的占空比來達(dá)到此值。滑臺(tái)控制整體沿著系統(tǒng)中線向前移動(dòng)，距離為L(zhǎng)，并將L合理細(xì)分，則可以控制系統(tǒng)快速準(zhǔn)確檢測(cè)到金屬物體。

圖3 運(yùn)動(dòng)范圍示意圖

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體分為控制部分、檢測(cè)部分、機(jī)械部分和電源部分[5]。合理設(shè)計(jì)機(jī)械平臺(tái)，讓搭載檢測(cè)器做一定運(yùn)動(dòng)并掃描全部待測(cè)區(qū)域，當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到金屬物體，輸出變量給控制器[6]，控制器將控制檢測(cè)部分進(jìn)行一次低速掃描，保證精確度，當(dāng)掃描完畢后，若檢測(cè)到金屬物體，檢測(cè)平臺(tái)立即停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)出聲光指示并且指針指向硬幣或鐵環(huán)中心位置。本系統(tǒng)由STM32控制模塊、AY-LDC1000檢測(cè)模塊、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)模塊、電源模塊組成，見圖4。

圖4 系統(tǒng)原理框圖

3.1 主控系統(tǒng)工作原理及方案

方案一采用MSP430F169控制器，MSP430具有超低功耗、功能強(qiáng)、速度快的優(yōu)點(diǎn)；且綠色節(jié)能，資源豐富。方案二采用STM32F103ZET6控制器，該控制器資源豐富，編程靈活，適用于處理算法[7-8]；且引腳數(shù)量多，編程方便，處理速度快，綜合考慮到快速掃描部分對(duì)處理器的處理速度有較高需求，特選擇STM32F103ZET6。主控原理電路如圖5所示[9]。

3.2 檢測(cè)模塊工作原理及方案

采用AY-LDC1000來檢測(cè)金屬物體，該檢測(cè)模塊為電感數(shù)字傳感器，有低功耗、小封裝、低成本的優(yōu)點(diǎn)。連接在該模塊上的檢測(cè)線圈距離金屬物體越近，則渦電流損耗越大，寄存器Rp_Min的值逐漸增大，根據(jù)測(cè)出值即可進(jìn)行相應(yīng)判斷，使用十分方便并且穩(wěn)定可靠[8]。檢測(cè)模塊原理電路見圖6。

3.3 機(jī)械系統(tǒng)方案及結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)可以采用XY絲桿滑臺(tái)控制來檢測(cè)探頭掃描，2個(gè)絲桿滑臺(tái)連接檢測(cè)器，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，控制精度高，但成本較高。若利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，也可采用一個(gè)履帶小車，小車輪胎軸承加裝編碼器用來反饋小車走過距離。小車上面加裝舵機(jī)構(gòu)成掃描機(jī)械系統(tǒng)，傳感器置于舵機(jī)延長(zhǎng)臂上，小車每前進(jìn)一個(gè)設(shè)定距離，舵機(jī)控制臂桿沿著弧形范圍掃描整個(gè)矩形區(qū)域。但由于舵機(jī)打角過度時(shí)容易使小車震動(dòng)，小車直線行駛難以保證。創(chuàng)新方案(本文采用方案)是采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制檢測(cè)平臺(tái)的縱向移動(dòng)，檢測(cè)平臺(tái)連接絲桿滑臺(tái)，絲桿上固定舵機(jī)，讓舵機(jī)延長(zhǎng)臂末端固定檢測(cè)器，舵機(jī)弧線運(yùn)動(dòng)，控制絲桿滑臺(tái)沿橫軸方向每運(yùn)動(dòng)單位長(zhǎng)度，控制舵機(jī)掃描1次。控制平臺(tái)移動(dòng)的絲桿容易固定且不容易抖動(dòng)，機(jī)械性能可靠，系統(tǒng)十分穩(wěn)定。

圖5 STM32F103ZET6主控板原理電路

圖6 AY-LDC1000原理電路

3.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)放置于起始位之后，控制舵機(jī)掃描一遍弧形區(qū)域，若未檢測(cè)到金屬物體，則控制平臺(tái)向前移動(dòng)單位長(zhǎng)度L1(L1

圖7 軟件流程圖

4 功能測(cè)試與驗(yàn)證

采用自制的機(jī)械結(jié)構(gòu)探測(cè)金屬物體，一塊50 cm×50 cm的透明玻璃板作為檢測(cè)區(qū)域，該區(qū)域用直徑為2 mm的鐵絲圍繞，可在區(qū)域內(nèi)按要求任意放置待檢測(cè)金屬物體[11]。得測(cè)金屬體置于玻璃板下方(距離玻璃板邊界≥5 cm)，定位指針進(jìn)入?yún)^(qū)任意位置擺放，啟動(dòng)探測(cè)。首先，測(cè)出探頭未檢測(cè)到金屬時(shí)模塊輸出的數(shù)據(jù)，然后再測(cè)出一角硬幣、一元硬幣以及自制圓環(huán)時(shí)的數(shù)據(jù)。在探測(cè)金屬物體的時(shí)候，將測(cè)得的數(shù)據(jù)與金屬位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若誤差在一定范圍內(nèi)，則認(rèn)為檢測(cè)到了對(duì)應(yīng)的金屬物體[12]。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1—表3。

表1 一角硬幣檢測(cè)數(shù)據(jù)表

探測(cè)表明，定位指針指在硬幣邊沿之內(nèi)，在2 min內(nèi)完成定位并給出聲光指示，此后探頭不再移動(dòng)。

表2 一元硬幣檢測(cè)數(shù)據(jù)表

探測(cè)表明，定位指針與硬幣圓心之間的定位誤差控制在5 mm以內(nèi)；探測(cè)定位總時(shí)間不超過2 min,完成定位時(shí)給出聲光指示，此后探頭不再移動(dòng)。

表3 自制鐵圈檢測(cè)數(shù)據(jù)表

檢測(cè)圓環(huán)圓心的過程首先檢測(cè)是否存在金屬，若檢測(cè)到金屬物體，則絲桿滑臺(tái)直接行進(jìn)2 cm(圓環(huán)半徑)，之后舵機(jī)和滑臺(tái)都停止運(yùn)行。探測(cè)表明，此時(shí)定位指針指向鐵環(huán)圓心，定位誤差控制在5 mm以內(nèi)；完成定位時(shí)給出聲光指示，此后探頭不再移動(dòng)，探測(cè)定位總時(shí)間不超過2 min。

5 結(jié)論

在探測(cè)區(qū)域內(nèi)(距探測(cè)邊界≥5 cm)玻璃下放置一枚直徑約19 mm的鍍鎳鋼芯一角硬幣(第五套人民幣的一角硬幣)、或直徑為25 mm一元硬幣、或直徑為2 mm鐵絲繞制的外徑4 cm的鐵環(huán)，探頭從“探頭進(jìn)入?yún)^(qū)”一側(cè)任意位置和方向自行進(jìn)入探測(cè)區(qū)(鐵絲框包圍區(qū)域)啟動(dòng)探測(cè)，通過探測(cè)，定位指針指在硬幣邊沿之內(nèi)，在2 min內(nèi)完成定位并給出聲光指示，此后探頭不再移動(dòng)完成一次金屬定位。該儀器具有穩(wěn)定性好，測(cè)試靈敏度高，誤差范圍小，測(cè)試速度快捷的特點(diǎn)，為金屬探測(cè)定位儀器的進(jìn)一步研究提供了良好的基礎(chǔ)。

References)

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Design and development of an autonomous mobile metal detection device

Wang Lijun1, Ma Longsheng1, Zhong Huangping1, Lei Zhen1， Han Tao2

(1. Department of Information Science and Technology, Wenhua College, Wuhan 430074, China;2. Department of Electronics and Information Engineering,Huazhong Universityof Science and Technology, Wuhan 430074, China)

This paper designs an autonomous mobile metal detection device.The control system uses STM32F103ZET6 of low power consumption,high performance as the core controller, and the AY-LDC1000 detection system as the detector,according to output data to judge whether it can detect the metal objects. The mechanical movement system uses the digital servo and screw sliding table to set up the hardware system as the carrier of the detector. The stepper motor drive screw sliding table lateral movement is adopted. The detector is installed in the front end of the servo’s swing arm,using the servo to control the detector to scan arc. The screw sliding table can move along theXdirection after each unit of distance,the servo controls the detector to start an arc scan,until the detector to detect metal objects,then immediately sends out the sound and light alarm and stops moving to indicate the object’s position.The system can accurately indicate the metal object location and send out the sound and light to the indicator, which has a good practical value.

metal detection; screw sliding table; servo; AY-LDC1000 module; experimental innovation

2014- 10- 24 修改日期：2014- 12- 05

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013CFB188);湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(T201431);文華學(xué)院培育基金項(xiàng)目

王麗君(1981—)，女，陜西西安，碩士，講師，電信系副主任，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù).

TP273;P631.3

A

1002-4956(2015)5- 0107- 04