基于電磁場(chǎng)檢測的尋跡智能車(chē)系統設計

摘要：介紹智能車(chē)競賽中電磁組的設計思路，論述了基于變參數的PD算法的信號處理方法；分析了傳感器布局對轉角的影響，提出直接采集交流信號的尋跡方案，并驗證了該方案的效果。實(shí)驗表明：該處理方法實(shí)現簡(jiǎn)單，能夠比較精準、快速地跟蹤通電導線(xiàn)的軌道。
關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)；智能車(chē)；傳感器；PD算法

1 設計原理
1．1 磁場(chǎng)理論
根據麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì )在周?chē)a(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。智能車(chē)競賽使用路徑導航的交流電流頻率為20 kHz，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻(VLF)電磁波。交變磁場(chǎng)分析復雜，并且賽道導航電線(xiàn)和小車(chē)尺寸遠遠小于電磁波的波長(cháng)，電磁場(chǎng)輻射能量很小，能夠感應到電磁波的能量也非常小。所以可將導線(xiàn)周?chē)兓拇艌?chǎng)近似地看作緩變的磁場(chǎng)，按檢測靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)分布，進(jìn)行位置檢測。
由畢奧一薩伐爾定律可知，通有穩恒電流I、長(cháng)度為L(cháng)的直導線(xiàn)周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離導線(xiàn)距離為r處的磁感應強度為：

1．2 尋跡原理
基于不同物理效應的磁測量傳感器很多，要根據被檢測磁場(chǎng)的性質(zhì)和要求，使用不同的磁場(chǎng)傳感器。感應線(xiàn)圈對磁場(chǎng)的變化靈敏度較高，同時(shí)也可根據被測磁場(chǎng)的形態(tài)和分布選定線(xiàn)圈形狀和幾何尺寸。選用靈敏度更高的線(xiàn)圈作為識別信號的傳感器。
本設計中導線(xiàn)通過(guò)的電流頻率為20 kHz，且線(xiàn)圈較小。設線(xiàn)圈中心到導線(xiàn)的距離為r，并認為小范圍內磁場(chǎng)分布是均勻的。再根據圖1所示的導線(xiàn)周?chē)艌?chǎng)分布規律，利用法拉利定律，線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢可近似為：

即線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢的大小正比于電流的變化率，反比于線(xiàn)圈中心到導線(xiàn)的距離。故導線(xiàn)左右兩端傳感器的電壓值可表示為：


式中，(l1+l2)為定值，計算出的pos值為以傳感器軸中心為坐標原點(diǎn)的賽道位置值。

2 磁導航智能車(chē)系統
磁導航智能車(chē)系統主要分為主控模塊、路徑信息采集模塊、電機驅動(dòng)模塊和電源模塊等。磁導航智能車(chē)結構框圖如圖2所示。

系統磁場(chǎng)環(huán)境為埋設在跑道中通過(guò)20kHz、100 mA交變電流的導線(xiàn)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。

3 賽車(chē)布局分析及硬件電路
3．1 傳感器布局
根據感應線(xiàn)圈安放位置的不同，可將感應方向分解為各分量。如圖3所示，當線(xiàn)圈為水平安置時(shí)，線(xiàn)圈中檢測到的主要是水平方向的磁場(chǎng)分量；線(xiàn)圈為垂直安置時(shí)，線(xiàn)圈中檢測到的主要是垂直方向的磁場(chǎng)分量。通過(guò)對不同方向磁場(chǎng)分量的檢測，可以獲得磁場(chǎng)的強度和方向。