基于電感的智能小車電磁循跡方案

羅茜 唐鼎明

【摘? 要】在飛思卡爾智能車競賽中，傳感器的不同，對于賽道的識別方式也就不同，常用的循跡方式有攝像頭循跡和電磁循跡。攝像頭循跡主要依靠攝像頭收集賽道信息完成比賽，攝像頭小車速度快但極易受周圍因素的影響。電磁循跡主要依靠電感收集導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場信息，跟隨電磁引導(dǎo)線完成比賽，電磁小車的速度可能沒有攝像頭小車的速度，但不會受除電磁場以外的影響，而且電磁循跡有原理簡單、價格便宜、體積小等優(yōu)點，因此，電磁循跡小車比攝像頭小車更有優(yōu)勢。

【Abstract】In Freescale intelligent car race， the different sensors， the way to identify the track is different. The common tracking methods include camera tracking and electromagnetic tracking. The camera tracking mainly relies on the camera to collect track information to complete the race. The camera car is fast but vulnerable to the influence of surrounding factors. Electromagnetic tracking mainly relies on the inductance wires of the magnetic field generated around information collection， follow the electromagnetic guide line finished the race. The speed of electromagnetic car may not have the speed of camera car， but will not be affected in addition to electromagnetic field， and the electromagnetic tracking has the advantages of simple principle， cheap price and small size， so the electromagnetic tracking car has more advantages than the camera car.

【關(guān)鍵詞】電磁循跡;智能小車;感應(yīng)線圈

【Keywords】electromagnetic tracing; intelligent car; induction coil

【中圖分類號】TP23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）06-0172-02

1 引言

隨著飛思卡爾智能車競賽的發(fā)展，賽道元素越來越多，競賽項目也是越來越精彩，電磁循跡是飛思卡爾智能車競賽經(jīng)典項目之一，近年來幾乎每一屆飛思卡爾智能車競賽都會有電磁循跡的身影。智能小車依靠電磁循跡的方式行駛可以排除光線、溫度等外界因素的影響，而且可靠性高。由此可知，電磁循跡相比于攝像頭能夠更簡單地完成競賽任務(wù)。

2 設(shè)計要求和設(shè)計原理

2.1 設(shè)計要求

在智能車競賽中，賽道中心線位置處會有一根通有100mA交變電流的導(dǎo)線作為電磁引導(dǎo)線用于電磁循跡，小車可以通過對導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場進行采集分析處理，判斷當(dāng)前所在位置，從而控制小車沿預(yù)定賽道方向行駛完成比賽。

2.2 設(shè)計原理

由于電感有體積小、原理簡單、價格便宜、電路簡便等特點，本文主要介紹基于電感的電磁循跡的基本方案。

根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知，交變電流的周圍會產(chǎn)生交變的電磁場。智能汽車競賽使用的電磁引導(dǎo)線的交流電流頻率為20kHz，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波，甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻中間，為3～30kHz，波長為10～100km[1]。

導(dǎo)線周圍的電磁場按一定的規(guī)律分布，而賽道寬度遠遠小于電磁波的波長λ，電磁場輻射能量很小，所以能夠感應(yīng)到的電磁波的能量也就非常小，因此，我們可以將導(dǎo)線周圍變化的磁場近似地認為是緩變的磁場。根據(jù)這一特點我們可以按照檢測靜態(tài)磁場的方法去采集導(dǎo)線周圍的磁場分布、強度以及方向來判斷檢測點與導(dǎo)線的距離，從而可以得出小車在賽道的位置。

根據(jù)比奧-薩法爾定律可知：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P點的磁感應(yīng)強度為[2]：

如圖1所示：

對于無限長直電流來說，式（1）中θ1=0 ，θ2=π，所以：

由此可知：導(dǎo)線周圍的磁場以導(dǎo)線為圓心的一系列的同心圓分布，圓上任意一點的磁感應(yīng)強度大小相等，磁感應(yīng)強度隨距離導(dǎo)線的半徑r的增加而下降。

導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場也會發(fā)生相應(yīng)的變化，此時線圈可以感應(yīng)出一定的電動勢。根據(jù)法拉第電磁定律可知：通過回路面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E與磁通量對時間的變化率d？漬t /dt之負值成正比，即：

由于導(dǎo)線中的電流頻率較低，感應(yīng)線圈也較小，我們認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的。根據(jù)導(dǎo)線周圍的磁場分布規(guī)律，可以將感應(yīng)電動勢近似地認為是：

由式（4）可知，線圈中感應(yīng)電動勢的大小和電流變化量成正比，和線圈中心到導(dǎo)線的距離成反比。

3 磁場檢測方案

根據(jù)對基本設(shè)計原理的分析，我們知道在通電的導(dǎo)線周圍有規(guī)律的磁場，使用電感作為檢測導(dǎo)線的傳感器。如果在通電的直導(dǎo)線的兩側(cè)對稱地水平放置一對感應(yīng)線圈，則可以得到感應(yīng)磁場的一對感應(yīng)電動勢，進而可以獲得磁場的強度。

因為是對稱放置的一對感應(yīng)線圈，所以在直線的情況下，一對感應(yīng)線圈獲取到的感應(yīng)電動勢理論上是一樣的。當(dāng)對稱的一對感應(yīng)線圈檢測到的感應(yīng)電動勢不同時，將感應(yīng)線圈檢測到的電動勢進行比較，根據(jù)基本設(shè)計原理可知：檢測到較大值的感應(yīng)線圈離導(dǎo)線更近，小車的位置出現(xiàn)偏移，應(yīng)該控制兩個電機的轉(zhuǎn)速，造成差速進而達到轉(zhuǎn)彎的效果，使小車的位置回到賽道中間。

但是在競賽中，賽道并不僅僅只有直線元素，還會出現(xiàn)圓環(huán)、十字交叉等元素，那么就需要在原有的一對水平感應(yīng)線圈的基礎(chǔ)上再加一組垂直感應(yīng)線圈。兩組線圈組合在一起，可以獨立地獲得比較豐富的信息，因此，可以在應(yīng)用中將它們作為一個傳感器組[3]，如圖2所示。

放置電感時，為了達到感應(yīng)電動勢容易被采集和利用的目的，電感的高度應(yīng)盡量小，為了利用距離電磁引導(dǎo)線越遠感應(yīng)電動勢越小的規(guī)律，水平電感應(yīng)水平布置在距電磁引導(dǎo)線7cm以外[4]。理解了電磁循跡的基本原理，搭建好小車基本框架后，在通電的賽道上進行磁場采集分析，依靠傳感器組在賽道的各類位置采集回來的信號不同尋找不同的標(biāo)志位。將小車放在直線賽道中心位置，當(dāng)水平電感檢測到的左右兩側(cè)電感值不同時，控制電感值更小的一側(cè)的電機轉(zhuǎn)速增加以達到左右電感平衡的效果。當(dāng)小車四個電感值同時檢測到電感值發(fā)生突變說明前方是十字路口，小車此時應(yīng)該直行通過。當(dāng)小車某側(cè)電感檢測到的電感值明顯大于另一側(cè)時說明前方有圓環(huán)，并且圓環(huán)處于電感值大的一側(cè)，此時需要控制電感值更大的一側(cè)的電機轉(zhuǎn)速增加，直到電感值與直導(dǎo)線相似為止。為防止小車重復(fù)行駛圓環(huán)，當(dāng)檢測到圓環(huán)標(biāo)志位后，10s之內(nèi)不對圓環(huán)標(biāo)志位做出特殊處理。小車全程依靠標(biāo)志位控制電機差速運行，完成整個賽道。

4 測試與分析

當(dāng)小車在導(dǎo)線無交叉的情況下，依靠水平電感可以完成行駛;當(dāng)小車面對十字交叉時，水平電感和垂直電感都會立即突變;當(dāng)小車面對環(huán)島時，環(huán)島側(cè)的水平電感和垂直電感會有明顯的突變，另一側(cè)的突變則明顯小于環(huán)島側(cè)。各種情況下的感應(yīng)電動勢如圖3所示。

5 結(jié)語

利用電感成本低、原理簡單的優(yōu)點，用電感作為傳感器能夠簡單方便地達到效果，通過電感在磁場中對感應(yīng)電動勢的采集，可以引導(dǎo)小車隨基本賽道行駛。根據(jù)具體情況，合理放置電感的位置能夠得到較好的前瞻性，加上對磁場疊加的處理，以及電機PID和轉(zhuǎn)向PID的調(diào)節(jié)，只要有電磁引導(dǎo)線的賽道，小車都能完美地完成比賽。

【參考文獻】

【1】競賽秘書處.電磁組競賽車模路徑檢測設(shè)計參考方案[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/7884d1ae04a1b0717fd5ddbc.html，2014-06-09.

【2】張昊飏，馬旭，卓晴.基于電磁場檢測的尋線智能車設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2009，16（11）：48-50.

【3】李仕伯，馬旭，卓晴.基于磁場檢測的尋線小車傳感器布局研究[J].電子產(chǎn)品世界，2009，16（12）：41-44.

【4】李全民，賈林鋒.電磁循跡式智能小車傳感器布置研究[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（08）：139-142.