電磁導引線位置檢測中的傳感器排布設計

吳文灝+孫一弘+王聰睿+王擊

摘 要：以第十屆全國大學生“飛思卡爾杯”智能車競賽電磁導引組為背景，研究了不同形狀軌道中導引線位置的確定，從直道展開討論，考慮到導引線電流小，頻率低，認為其附近磁場分布均勻。進行了傳感器的設計以及曲線擬合算法和差值法的電感排布。分析了兩種方法的原理及位置解算，使用雙電感差值法解決單個電感無法分辨左右的問題，小車實現了利用電磁原理確定導引線位置自主行駛。

關鍵詞：智能車；電磁導引；電感排布設計；曲線擬合法；雙電感差值法；差值加權法

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.091

文章編號：2095-6835（2016）11-0091-02

當今社會，無人自主車在減輕軍事傷亡和生活智能化方面都有著重要意義，本文以地面無人自主車和第十屆全國大學生“飛思卡爾杯”智能車競賽電磁導引組為背景，研究了不同形狀軌道中導引線位置的確定，進行了傳感器設計、電感分布設計及其理由和算法解算位置的分析，詳細介紹了基于差值法和曲線擬合法的電感排布設計及其電磁導引線位置解算，并對其進行了優化。

1 傳感器設計

1.1 導線周圍磁場分析

電磁小車使用路徑導航的交流電流頻率為20 kHz，波長為15 km。由于電磁小車尺寸遠遠小于電磁波的波長，電磁場輻射能量很小。因此，將導線周圍緩慢變化的磁場近似為靜態磁場獲取導線周圍的磁場分布，從而檢測導引線位置。

考慮到實時運行時不能在控制周期內得到相應位置值，且通過分析，賽道主要由直道、彎道組成，彎道變化多，不利于磁場解算，但直道簡單，于是，本文從直道展開討論，長直導線周圍的磁場分布分析如下。

1.2 電磁檢測導引線原理

選用10mH的工字電感作傳感器。傳感器在導引電線產生的磁場中放置如圖1所示。

假設線圈中心到導線垂直距離為r，電感線圈中的感應電動勢經過放大器放大和檢波電路檢波后，得到直流信號E，正比于e的峰峰值。則其可以表示如下：

由這兩個圖可知，Ex是水平距離d的偶函數，在d=0兩側單調；Ez是水平距離d的奇函數，在d=0兩側不具有單調性。所以，我們選擇將電感臥放來檢測導引線。

1.3 電感排布設計

首先建立車體坐標系，如圖4所示。

在此，只討論電感軸線平行于XY平面。在第九、十屆比賽中出現直角彎道，因此引入斜向電感。比較成熟的電感排布如圖5和圖6所示。這兩種排布的算法及使用理由分析如下。

2 電感分布及位置解算分析

2.1 基于曲線擬合的電感分布及算法解算

曲線擬合算法具有精度高、穩定性強等優點，但也有計算量較大、范圍限制等不足。綜合考慮準確性和計算量，這里選擇三次多項式擬合算法。

首先對于位置解算建立相應的三次多項式擬合數學模型。檢測導引線位置，即找出傳感器高度磁場最大值所在點。此點在小車前瞻上的位置，即為小車此時的位置偏差。因此，使用四個電感值來解算出一條三次曲線：

在解算出常數系數后，引導線所在的位置應該就是三次項多項式的極大值位置，其X坐標即表示傳感器相對導引線的偏移量。由于最大值在內側電感出現，我們有理由認為，解即是最大值所在位置。如果電感最大值在外側兩個電感中出現，可以用直線代替，檢測出相應偏差。

2.2 基于差值法的電感分布及導引線位置

這里討論雙電感差值法及其改進算法。為了解決單個電感無法分辨左右的問題，增加一個線圈，兩線圈相距L，水平放置，通過計算兩個電感線圈的電動勢差值分辨左右。即：

取K=1，h=10 cm，L=30 cm，仿真如圖7所示。

由圖7可知，在0～30的范圍內，電動勢差值具有單調性。但整體很大的范圍不具有單調性，所以只適合低速的小車尋線。對此，我們有兩種改進方法：①當導引線超出范圍后，給位置值一定值。該方案簡單，但精度不高。②三電感一字排布式，如圖5所示。考慮精確度，選擇第二種改進方法。

在三電感的位置解算中，我們將差值法加權，兩電感之差除以兩電感之和消去K，得到：

據此得到新的關系式。令K=1，L=30 cm，h=10 cm，得到如下仿真。如圖8所示。

通過對仿真結果的分析，可以發現算法在全平面上單調。從理論上來說，可以檢測到各種位置值并不會重復，比較全面地解決了雙電感檢測位置不具有單調性的問題。然而，由于位置值數值很大，并不能直接運用到智能車的控制，因此進一步優化——采用一個三次函數將其值歸一到一定大小范圍內。關鍵語句如下：

poserror_fir[0]=3000*（ADx1）[0].value-ADx1[2].value）/（ADx1[1].value*（ADx1[0].value+ADx1[1].value+ADx1[2]. value））；//鑒于中間電感參與解算，將中間電感值引入到最終求和中

在此歸一化中，我們將解算處的位置值限制在-20～20之間。

參考文獻

[1]王能才.基于電磁導航的智能車信號檢測與控制策略研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2002.

[2]胡長輝，葉夢君，汪漫，等. 基于電磁技術的智能車路徑識別的研究[J].湖北師范學院學報，2011，31（2）：54-58.

[3]宋雪麗，王虎林，王毅.基于單片機的尋跡機器人的系統設計[J].儀表技術，2009（04）.

〔編輯：胡雪飛〕