基于電磁感應技術的智能車路徑檢測設計

馬 同，楊 熙

中國礦業大學，江蘇 徐州 221006

0 引言

路徑檢測傳感器是針對于特種路線識別的傳感器，工業上應用自動導引小車的定線尋跡進行貨物的裝卸和運輸，對降低運輸成本，提高效率具有重要意義。路徑檢測傳感器的種類有多種，包括電磁感應、光電感應和CCD識別。電磁引導成功應用于無軌引導方式，這種方式需要預埋的電纜，通過電磁傳感器感應電纜中高頻信號產生的磁場變化調節驅動機構，實現尋跡。

1 磁場特征與檢測

根據電磁學，在導線中通入變化的電流，則導線周圍會產生變化的磁場，且磁場與電流的變化規律具有一致性。如果在此磁場中置一由線圈組成的電感，則該電感上會產生感應電動勢，且該感應電動勢的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導線周圍不同位置，磁感應強度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產生的感應電動勢也應該是不同。據此，則可以確定電感的大致位置。圖1 通電導體周圍磁感線分布圖

首先，由比奧薩法爾定律知：通有穩恒電流I長度為L的直導線周圍會產生磁場，距離導線距離為r處P點的磁感應強度為：

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

對于通有電流的弧形線圈，根據比奧薩法爾定律明顯可以得出弧線內側的磁感線密度大于弧線外側的結論。如果在通電直導線和弧形導線兩邊的正上方豎直放置兩個與電流方向一致的線圈，則兩個線圈中會通有磁通量。

導線中的電流按一定的規律變化時，導線周圍的磁場也將發生變化，則線圈中將感應出一定的電動勢。根據法拉第電磁感應定律，感應電動勢的大小和通有導體回路的磁通量的變化速率成正比：

感應電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于本設計中導線中通過的電流頻率較低，為20KHz，且線圈較小，令線圈中心到導線的距離為r，認為小范圍內磁場分布式均勻的，則線圈中感應電動勢可近似為：

即線圈中感應電動勢的大小正比于電流的變化速率，反比于線圈中心到導線的距離。其中為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理量有關的一個量。具體的感應電動勢須實際測定來確定。

2 傳感器的選擇比較

電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。

電感式傳感器具有以下特點：

1）結構簡單，傳感器無活動電觸點，因此工作可靠壽命長；

2）靈敏度和分辨力高，能測出0.01μm的位移變化。傳感器的輸出信號；

3）線性度和重復性都比較好，在一定位移范圍內，傳感器非線性誤差可達0.05%～0.1%。

磁阻效應傳感器是根據磁性材料的磁阻效應制成的。磁性材料具有各向異性，對它進行磁化時，其磁化方向將取決于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場的方向。在被測磁場B作用下，電橋中位于相對位置的兩個電阻阻值增大，另外兩個電阻的阻值減小。在其線性范圍內，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比。

在經過多次試驗與調試之后發現，在本次設計中，感應線圈傳感器可以通過增加線圈面積與線圈圈數來增加輸出的信號提高了結果的可控性，同時其靈敏度高，線性度好，測量范圍廣。

3 傳感器的布局分析

傳感器的布局直接影響了整體方案設計，傳感器布局的原則是在系統所能達到的能力下盡量提高控制的精度系統的響應速度。下面對三種傳感器布局進行比較和分析，分別是雙傳感器“卡線”分布、“一”字形分布和“二”型分布。

對于尋跡線的識別，最簡單的傳感器布局是使用兩個傳感器分別布置在尋跡線的兩側，通過兩個傳感器卡在線上，實現尋跡。這種方式結構簡單，適合于差速轉向機構。當傳感器檢測到偏離尋跡線的時候，系統可以通過差速轉向機構在較小的轉彎半徑下轉向，調整偏差。而在后輪驅動前輪轉向的機械結構中，這種布局方式的尋跡效果較差。因為這種轉向機構需要較大的轉彎半徑，不能夠實現原地轉向。而且傳感器的采集點較少，對道路環境的適應性差。這種布局導致尋跡車必須完全按照尋跡線行駛，整體速度較慢。

“一”字形分布方式是使用較多的一種排列方式，它是把一定數量的傳感器排列成一排，通過傳感器返回的數據判斷尋跡線的位置，利用相應的算法實現轉向控制。這種排列方式多為布置在車體之前，這樣可以提供一定的前瞻距離，有利于車速的提高。通過分析傳感器采集數據的變化率，可以得出當前遇到彎道的半徑，然后調用不同的程序實現轉向控制。

為了能夠進一步提高前探距離與保持車速，傳感器可以呈“二”狀。這種分布增加了傳感器陣列的縱向特性，使其能夠在二維空間中分析當前車體的不同狀態，傳感器的判別方式更為多樣化，在算法實現上也能夠做到更加的靈活與多樣化。通過傳感器布局從而建立傳感器陣列的二維空間模型，利用算法可以求出當前時刻賽道對于車體的偏差距離與偏差角度，更進一步的確定了車體的狀態，使精確控制能夠更加穩定的執行。

經過比較分析，“二”型分布前瞻性好，對賽道的判斷準確，可以利用復雜的算法對數據進行處理，適合與高速的賽道檢測。

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