智能車磁導(dǎo)航中的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

磁導(dǎo)航組是即將舉辦的2010年第五屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽中首次引入，新賽制規(guī)定，在賽道中心線下鋪設(shè)漆包線，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(cè)，只能通過(guò)檢測(cè)漆包線周圍的磁場(chǎng)來(lái)引導(dǎo)小車沿著載流線行駛。從工作頻率、輸出信號(hào)的大小、器件成本、磁場(chǎng)強(qiáng)度等方面綜合考慮，最適合用于磁導(dǎo)航賽道檢測(cè)的傳感器就是感應(yīng)線圈。檢測(cè)線圈安裝在智能車體上后，智能車前進(jìn)過(guò)程中線圈與導(dǎo)航載流線之間的空間方位決定了線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再配接適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/信號(hào)">信號(hào)調(diào)理電路，將檢測(cè)線圈輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、檢波等處理，最終轉(zhuǎn)換為智能車單片機(jī)能接收的信號(hào)，為智能車提供導(dǎo)航依據(jù)，這是磁導(dǎo)航智能車能夠正確尋道、高速行進(jìn)的重要基礎(chǔ)性工作。而到目前為止，磁導(dǎo)航的檢測(cè)研究還很少，本文將對(duì)檢測(cè)線圈配接的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行探討。

1 檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)
由于比賽用車的尺度遠(yuǎn)小于賽道長(zhǎng)度，可將載流導(dǎo)線近似看作無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線。載流長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍的磁感應(yīng)線是以導(dǎo)線為軸的同心圓環(huán)，B的方向?yàn)殡娏鱥的右螺旋切向，距離導(dǎo)線a的P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度

式中μ0為真空磁導(dǎo)率，i為直導(dǎo)線中的交變電流，以正弦電流激勵(lì)(若為非正弦波，可看作是一系列正弦波的線性迭加)，i=Ipsin2πft，故B為交變磁場(chǎng)，通過(guò)放置在導(dǎo)線周圍的檢測(cè)線圈將交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
假設(shè)在載流導(dǎo)線正上方豎直放置面積為S，匝數(shù)為N的矩形檢測(cè)線圈，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈平面垂直，以線圈中心P點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可估算出通過(guò)線圈的磁通量φ

式(4)表明，當(dāng)線圈繞制成型后，線圈匝數(shù)Ⅳ和面積S已確定。檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)還與激勵(lì)電流的幅值，Ip和頻率f成正比。賽制規(guī)定的激勵(lì)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(dá)3倍，這將對(duì)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值E=5 mV，但這只是一個(gè)數(shù)量級(jí)估算，實(shí)際上，若線圈偏離載流導(dǎo)線，或載流導(dǎo)線中的激磁電流減小，或采用尺寸更小的檢測(cè)線圈時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值將迅速減小。
在小車尋道前進(jìn)過(guò)程中，小車和固定在小車上的檢測(cè)線圈總會(huì)左右偏離載流導(dǎo)線，檢測(cè)電路的任務(wù)就是要隨時(shí)判斷出小車與載流線賽道的相對(duì)位置，以便根據(jù)小車偏離賽道的程度和小車的速度控制小車上舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度。而要實(shí)現(xiàn)小車與載流線賽道的相對(duì)定位，就必須在小車上排列多個(gè)相同的檢測(cè)線圈，與此對(duì)應(yīng)，每個(gè)檢測(cè)線圈都配接相同的信號(hào)調(diào)理電路，只有位于載流線賽道正上方的線圈對(duì)應(yīng)的電路輸出
信號(hào)最大。
也就是說(shuō)，小車與載流線賽道的相對(duì)位置由多路檢測(cè)線圈中輸出信號(hào)的相對(duì)最大值決定，而與每個(gè)檢測(cè)線圈輸出的信號(hào)大小無(wú)直接關(guān)系，找出各路線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值，就可知賽道在該線圈下方。盡管激勵(lì)電流頻率和幅值的變化會(huì)顯著影響線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但這些因素對(duì)所有檢測(cè)線圈的影響相同，上述“找最大”實(shí)現(xiàn)賽道定位的思路則不受影響，從而提高檢測(cè)電路對(duì)賽道的適應(yīng)性。

2 智能車控制電路對(duì)檢測(cè)信號(hào)的要求
檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)必須經(jīng)過(guò)放大和必要的處理，最后提供給智能車的單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換采樣，以獲取賽道的位置信息。智能車的單片機(jī)A／D輸入端需要O～5 V之間的單極性電壓，對(duì)此，可以為單片機(jī)提供兩種不同的信號(hào)類型，單片機(jī)采用不同的方式采樣。