基于電磁場檢測的尋線智能車設(shè)計

　引言 　　

     以往的智能車競賽分為光電組和攝像頭組，其中光電組主要是使用光電傳感器如紅外傳感器采集路徑信息，攝像頭組主要通過采集圖像信息識別路徑。本文則采用通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場對智能車進行引導(dǎo)。使用磁場信號引導(dǎo)車沿一定軌跡行走的優(yōu)點主要體現(xiàn)在磁場信號具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，不受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。 　　

設(shè)計原理 　　

     根據(jù)電磁學(xué)，我們知道在導(dǎo)線中通入變化的電流(如按正弦規(guī)律變化的電流)，則導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生變化的磁場，且磁場與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場中置一由線圈組成的電感，則該電感上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，且該感應(yīng)電動勢的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置，磁感應(yīng)強度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也應(yīng)該是不同。據(jù)此，則可以確定電感的大致位置。

 　　首先，由畢奧-薩伐爾定律知：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P點的磁感應(yīng)強度為：

     且磁感應(yīng)強度方向為垂直紙面向里。于是，它的磁力線是在垂直于導(dǎo)線的平面內(nèi)以導(dǎo)線為軸的一系列同心圓，圓上的磁感應(yīng)強度大小相同。 　

    對于通有電流的弧形導(dǎo)線，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律明顯可以得出弧線內(nèi)側(cè)的磁感線密度大于弧線外側(cè)的結(jié)論。如果在通電直導(dǎo)線和弧形導(dǎo)線兩邊的正上方豎直放置兩個與電流方向一致的線圈如圖2示，則兩個線圈中會通過磁通量。

 　　導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時，導(dǎo)線周圍的磁場也將發(fā)生變化，則線圈中將感應(yīng)出一定的電動勢。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢的大小和通過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比：

 　　感應(yīng)電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于本設(shè)計中導(dǎo)線中通過的電流頻率較低，為20kHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為r，認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的，則線圈中感應(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。其中k為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個量。具體的感應(yīng)電動勢須實際測定來確定。

 　本設(shè)計中順著電流方向豎直放置線圈，這是由于對于放置在導(dǎo)線上方h處的，與導(dǎo)線水平距離為x的線圈(如圖4示)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小與成正比，其中q是傳感器所在平面與導(dǎo)線的夾角。由于車身可能會與導(dǎo)線成一定的夾角，因此q不一定為0。

 　　圖4是按照q=0o，h=5cm時畫出的線圈中感應(yīng)電動勢與導(dǎo)線的水平距離x 的關(guān)系，可以看出豎直放置的線圈中的感應(yīng)電動勢分布簡單，衰減快，遠處對近處的干擾小，非常適合作為檢測小車當前位置的傳感器。

 　　對于直導(dǎo)線，當裝有小車的中軸線對稱的兩個線圈的小車沿其直線行駛，即兩個線圈的位置關(guān)于導(dǎo)線對稱時，則兩個線圈中感應(yīng)出來的電動勢大小應(yīng)相同、且方向亦相同。若小車偏離直導(dǎo)線，即兩個線圈關(guān)于導(dǎo)線不對稱時，則通過兩個線圈的磁通量是不一樣的。這時，距離導(dǎo)線較近的線圈中感應(yīng)出的電動勢應(yīng)大于距離導(dǎo)線較遠的那個線圈中的。根據(jù)這兩個不對稱的信號的差值，即可調(diào)整小車的方向，引導(dǎo)其沿直線行駛。

 　　對于弧形導(dǎo)線，即路徑的轉(zhuǎn)彎處，由于弧線兩側(cè)的磁力線密度不同，則當載有線圈的小車行駛至此處時，兩邊的線圈感應(yīng)出的電動勢是不同的。具體的就是，弧線內(nèi)側(cè)線圈的感應(yīng)電動勢大于弧線外側(cè)線圈的，據(jù)此信號可以引導(dǎo)小車拐彎。

 　　另外，當小車駛離導(dǎo)線偏遠致使兩個線圈處于導(dǎo)線的一側(cè)時，兩個線圈中感應(yīng)電動勢也是不平衡的。距離導(dǎo)線較近的線圈中感應(yīng)出的電動勢大于距離導(dǎo)線較遠的線圈。由此，可以引導(dǎo)小車重新回到導(dǎo)線上。

 　　由于磁感線的閉合性和方向性，通過兩線圈的磁通量的變化方向具有一致性，即產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同，所以由以上分析，比較兩個線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小即可判斷小車相對于導(dǎo)線的位置，進而做出調(diào)整，引導(dǎo)小車大致循線行駛。

　設(shè)計方案

　　本設(shè)計使用一普通玩具小車作為車模，采用PWM信號驅(qū)動，當PWM信號脈寬處于(1ms,1.5ms)區(qū)間時舵機控制小車向左行駛，脈寬處于(1.5ms,2ms)時小車向右行駛，脈寬約為1.5ms時小車沿直線行駛。本方案使用兩個10mH的電感置于車模頭部作為確定小車位置的傳感器。然后，設(shè)計了一個模擬電路，采集、調(diào)理、放大由電感得到的電動勢信號。具體電路如圖5所示。

 　　該電路采用電壓并聯(lián)負反饋電路，電感信號從PL進入?？紤]到單獨電感感應(yīng)出的電動勢很小，本設(shè)計使用電感和電容諧振放大感應(yīng)電動勢。由于使用的是10mH的電感，導(dǎo)線中電流頻率為20kHz，因此使用6.3nF的電容。這樣在電容上得到的電壓將會比較大，便于三極管進行放大。整個電路的具體放大倍數(shù)需要根據(jù)實際負載進行計算。本設(shè)計的小車控制電路如圖6所示。

    首先，把由兩個電感得到的感應(yīng)電動勢經(jīng)調(diào)理、放大后得到的電壓輸出u1和u2送入由運放組成的減法器中進行減法運算，然后再經(jīng)由運放組成的電壓跟隨器送給下一級電路。經(jīng)過分析，這一級電路的輸出大致可由下式進行計算：

 　　后一級電路由兩個555定時器組成，其中下方的555構(gòu)成一個占空比非常接近于1的脈沖發(fā)生器，作為上方555的觸發(fā)脈沖。因為此觸發(fā)脈沖的低電平信號非常窄，所以能很好的保證上方555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路正常運行。波形如圖7所示。該脈沖信號頻率為：

 　　上方的555定時器構(gòu)成一個單穩(wěn)型壓控振蕩器，它的脈寬受輸入V1的控制，輸出即PWM信號。當V1較大時，即兩個電感線圈中的感應(yīng)電動勢相差較大時，亦即小車偏離導(dǎo)線向左行駛時，則脈寬較大，舵機將控制小車向右行駛;當V1適中時，接近，即小車沿導(dǎo)線行駛時，則脈寬接近1.5ms，小車按直線行駛;當V1較小時，即小車偏離導(dǎo)線向右行駛時，則脈寬較小，舵機將控制小車向左行駛。從而，控制小車大致循著導(dǎo)線行駛。另外，改變構(gòu)成減法器的電阻的值，可以調(diào)整小車反應(yīng)的靈敏度，進而防止出現(xiàn)小車以導(dǎo)線為中軸線左右搖擺的現(xiàn)象。