智能車(chē)磁導航中的信號調理電路設計

磁導航組是即將舉辦的2010年第五屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競賽中首次引入，新賽制規定，在賽道中心線(xiàn)下鋪設漆包線(xiàn)，其中通有f=20 kHz，I=100 mA的交變電流，頻率為(20±2)kHz，電流為50～150 mA，要求電磁組不允許通過(guò)獲取道路的光學(xué)信息進(jìn)行路徑檢測，只能通過(guò)檢測漆包線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)來(lái)引導小車(chē)沿著(zhù)載流線(xiàn)行駛。從工作頻率、輸出信號的大小、器件成本、磁場(chǎng)強度等方面綜合考慮，最適合用于磁導航賽道檢測的傳感器就是感應線(xiàn)圈。檢測線(xiàn)圈安裝在智能車(chē)體上后，智能車(chē)前進(jìn)過(guò)程中線(xiàn)圈與導航載流線(xiàn)之間的空間方位決定了線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢，再配接適當的信號調理電路，將檢測線(xiàn)圈輸出的電信號經(jīng)過(guò)放大、檢波等處理，最終轉換為智能車(chē)單片機能接收的信號，為智能車(chē)提供導航依據，這是磁導航智能車(chē)能夠正確尋道、高速行進(jìn)的重要基礎性工作。而到目前為止，磁導航的檢測研究還很少，本文將對檢測線(xiàn)圈配接的信號調理電路進(jìn)行探討。

1 檢測線(xiàn)圈中的感應電動(dòng)勢
由于比賽用車(chē)的尺度遠小于賽道長(cháng)度，可將載流導線(xiàn)近似看作無(wú)限長(cháng)直導線(xiàn)。載流長(cháng)直導線(xiàn)周?chē)拇鸥袘€(xiàn)是以導線(xiàn)為軸的同心圓環(huán)，B的方向為電流i的右螺旋切向，距離導線(xiàn)a的P點(diǎn)磁感應強度

式中μ0為真空磁導率，i為直導線(xiàn)中的交變電流，以正弦電流激勵(若為非正弦波，可看作是一系列正弦波的線(xiàn)性迭加)，i=Ipsin2πft，故B為交變磁場(chǎng)，通過(guò)放置在導線(xiàn)周?chē)臋z測線(xiàn)圈將交變磁場(chǎng)轉化為感應電動(dòng)勢。
假設在載流導線(xiàn)正上方豎直放置面積為S，匝數為N的矩形檢測線(xiàn)圈，此時(shí)磁感應強度與線(xiàn)圈平面垂直，以線(xiàn)圈中心P點(diǎn)處的磁感應強度可估算出通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量φ

式(4)表明，當線(xiàn)圈繞制成型后，線(xiàn)圈匝數Ⅳ和面積S已確定。檢測線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢還與激勵電流的幅值，Ip和頻率f成正比。賽制規定的激勵電流頻率為(20±2)kHz，變化不超過(guò)10％。但電流范圍50～150 mA，變化可達3倍，這將對線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢產(chǎn)生很大影響。
若取N=20，μ0=4π×10-7N／A2，S=O．002 m2，f=20 kHz，Ip=150 mA，a=0．03m，則可估算出感應電動(dòng)勢的幅值E=5 mV，但這只是一個(gè)數量級估算，實(shí)際上，若線(xiàn)圈偏離載流導線(xiàn)，或載流導線(xiàn)中的激磁電流減小，或采用尺寸更小的檢測線(xiàn)圈時(shí)，感應電動(dòng)勢的幅值將迅速減小。
在小車(chē)尋道前進(jìn)過(guò)程中，小車(chē)和固定在小車(chē)上的檢測線(xiàn)圈總會(huì )左右偏離載流導線(xiàn)，檢測電路的任務(wù)就是要隨時(shí)判斷出小車(chē)與載流線(xiàn)賽道的相對位置，以便根據小車(chē)偏離賽道的程度和小車(chē)的速度控制小車(chē)上舵機的轉向角度。而要實(shí)現小車(chē)與載流線(xiàn)賽道的相對定位，就必須在小車(chē)上排列多個(gè)相同的檢測線(xiàn)圈，與此對應，每個(gè)檢測線(xiàn)圈都配接相同的信號調理電路，只有位于載流線(xiàn)賽道正上方的線(xiàn)圈對應的電路輸出
信號最大。
也就是說(shuō)，小車(chē)與載流線(xiàn)賽道的相對位置由多路檢測線(xiàn)圈中輸出信號的相對最大值決定，而與每個(gè)檢測線(xiàn)圈輸出的信號大小無(wú)直接關(guān)系，找出各路線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢的最大值，就可知賽道在該線(xiàn)圈下方。盡管激勵電流頻率和幅值的變化會(huì )顯著(zhù)影響線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢，但這些因素對所有檢測線(xiàn)圈的影響相同，上述“找最大”實(shí)現賽道定位的思路則不受影響，從而提高檢測電路對賽道的適應性。

2 智能車(chē)控制電路對檢測信號的要求
檢測線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢必須經(jīng)過(guò)放大和必要的處理，最后提供給智能車(chē)的單片機進(jìn)行A／D轉換采樣，以獲取賽道的位置信息。智能車(chē)的單片機A／D輸入端需要O～5 V之間的單極性電壓，對此，可以為單片機提供兩種不同的信號類(lèi)型，單片機采用不同的方式采樣。