基于電磁場(chǎng)檢測(cè)的尋跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹智能車競(jìng)賽中電磁組的設(shè)計(jì)思路，論述了基于變參數(shù)的PD算法的信號(hào)處理方法；分析了傳感器布局對(duì)轉(zhuǎn)角的影響，提出直接采集交流信號(hào)的尋跡方案，并驗(yàn)證了該方案的效果。實(shí)驗(yàn)表明：該處理方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠比較精準(zhǔn)、快速地跟蹤通電導(dǎo)線的軌道。
關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)；智能車；傳感器；PD算法

1 設(shè)計(jì)原理
1．1 磁場(chǎng)理論
根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。智能車競(jìng)賽使用路徑導(dǎo)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(fù)雜，并且賽道導(dǎo)航電線和小車尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，電磁場(chǎng)輻射能量很小，能夠感應(yīng)到電磁波的能量也非常小。所以可將導(dǎo)線周圍變化的磁場(chǎng)近似地看作緩變的磁場(chǎng)，按檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布，進(jìn)行位置檢測(cè)。
由畢奧一薩伐爾定律可知，通有穩(wěn)恒電流I、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的直導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離導(dǎo)線距離為r處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

1．2 尋跡原理
基于不同物理效應(yīng)的磁測(cè)量傳感器很多，要根據(jù)被檢測(cè)磁場(chǎng)的性質(zhì)和要求，使用不同的磁場(chǎng)傳感器。感應(yīng)線圈對(duì)磁場(chǎng)的變化靈敏度較高，同時(shí)也可根據(jù)被測(cè)磁場(chǎng)的形態(tài)和分布選定線圈形狀和幾何尺寸。選用靈敏度更高的線圈作為識(shí)別信號(hào)的傳感器。
本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線通過(guò)的電流頻率為20 kHz，且線圈較小。設(shè)線圈中心到導(dǎo)線的距離為r，并認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的。再根據(jù)圖1所示的導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)分布規(guī)律，利用法拉利定律，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為：

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


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

2 磁導(dǎo)航智能車系統(tǒng)
磁導(dǎo)航智能車系統(tǒng)主要分為主控模塊、路徑信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊等。磁導(dǎo)航智能車結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)磁場(chǎng)環(huán)境為埋設(shè)在跑道中通過(guò)20kHz、100 mA交變電流的導(dǎo)線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。

3 賽車布局分析及硬件電路
3．1 傳感器布局
根據(jù)感應(yīng)線圈安放位置的不同，可將感應(yīng)方向分解為各分量。如圖3所示，當(dāng)線圈為水平安置時(shí)，線圈中檢測(cè)到的主要是水平方向的磁場(chǎng)分量；線圈為垂直安置時(shí)，線圈中檢測(cè)到的主要是垂直方向的磁場(chǎng)分量。通過(guò)對(duì)不同方向磁場(chǎng)分量的檢測(cè)，可以獲得磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。