基于電磁場檢測的尋跡智能車系統(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹智能車競賽中電磁組的設(shè)計思路，論述了基于變參數(shù)的PD算法的信號處理方法；分析了傳感器布局對轉(zhuǎn)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。實驗表明：該處理方法實現(xiàn)簡單，能夠比較精準、快速地跟蹤通電導(dǎo)線的軌道。
關(guān)鍵詞：磁場；智能車；傳感器；PD算法

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

1．2 尋跡原理
基于不同物理效應(yīng)的磁測量傳感器很多，要根據(jù)被檢測磁場的性質(zhì)和要求，使用不同的磁場傳感器。感應(yīng)線圈對磁場的變化靈敏度較高，同時也可根據(jù)被測磁場的形態(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別信號的傳感器。
本設(shè)計中導(dǎo)線通過的電流頻率為20 kHz，且線圈較小。設(shè)線圈中心到導(dǎo)線的距離為r，并認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的。再根據(jù)圖1所示的導(dǎo)線周圍磁場分布規(guī)律，利用法拉利定律，線圈中感應(yīng)電動勢可近似為：

即線圈中感應(yīng)電動勢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，計算出的pos值為以傳感器軸中心為坐標原點的賽道位置值。

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、電機驅(qū)動模塊和電源模塊等。磁導(dǎo)航智能車結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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

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，當線圈為水平安置時，線圈中檢測到的主要是水平方向的磁場分量；線圈為垂直安置時，線圈中檢測到的主要是垂直方向的磁場分量。通過對不同方向磁場分量的檢測，可以獲得磁場的強度和方向。