導航系統中電渦流效應的實際應用

張澤宇

(南京師范大學南瑞電氣與自動化學院，江蘇 南京 210042)

導航系統中電渦流效應的實際應用

張澤宇

(南京師范大學南瑞電氣與自動化學院，江蘇 南京 210042)

導航系統能夠根據具體路徑的實際狀況實現精準循跡，因而對平臺傳感器的設計要求很高。開發了基于電渦流原理的自動導航控制系統，對金屬線圈電渦流傳感器信號采集處理與優化、系統機械控制、控制算法的執行和調試等環節進行了試驗，并配合硬件進行系統平臺的搭建。同時，采用邏輯門及頻壓轉換電路等方案替代傳統的電感數字轉換器，作為循跡遙感模塊來識別路徑。采集信號并將其轉換為能被單片機識別的數字信號，通過陀螺儀加速度傳感器來控制系統的運行質量。通過建模，優化了傳感器工作時存在干擾噪聲的問題；針對傳感器檢測范圍和距離小的問題，提出了通過增大線圈尺寸、加一級放大電路來擴大傳感器檢測范圍的方法；針對傳感器數據可靠性、魯棒性不高的問題，提出了對傳感器數據的歸一化處理方法。測試結果表明：該系統具有較高的避障成功率和控制精度。

導航系統； 自動控制技術； 電渦流原理; 硬件平臺； A/D轉換; 陀螺儀； 自動循跡； 精度控制

0 引言

隨著社會的不斷發展，傳感器技術現已成為集機械、電子、計算機、自動控制等多學科于一體的尖端技術。與此同時，道路通行能力、交通安全性、能源損耗等問題也越來越突出。目前，國內外普遍認為道路偏離系統、自動巡航控制等都可以大大減輕駕駛人員的工作量，提高交通系統的安全性。這些解決方案引發了新的研究和應用的熱點。比如車輛自動駕駛，其通過計算機控制、人工智能和傳感模式識別技術，可實現更好的通行能力和更安全的行駛，甚至可以在無人控制的情況下完成復雜危險環境的作業任務。

基于此，本文以第三代循跡小車為研究對象[1-2]，通過對簡易車模的試驗，著力設計開發電渦流傳感器控制的智能導航平臺。在車模的實際運行中，需要借助電感數字轉換器模塊對金屬傳感器采集到的路況信息進行轉換處理，并通過加速度傳感器 MMA7361以及MPU6050的陀螺儀模塊進行角度融合，以獲取車模姿態優化路徑。

1 傳感器系統選型與設計

1.1 傳感器的測量原理及可行性

探測金屬的電渦流傳感器，其基本原理是利用金屬在交變磁場中感應出渦流的特性，定量檢測出線圈到金屬的相對距離；當金屬線圈中流過正弦交變電流時，周圍就會產生正弦交變磁場，使得置于磁場中的金屬導體產生感應電渦流。根據楞次定律，此感應電渦流產生的交變磁場將阻礙原磁場的變化，因此電渦流磁場對于傳感器線圈來說，相當于一個次級線圈。電渦流傳感器的基本原理如圖1所示。

圖1 電渦流傳感器基本原理圖

根據基爾霍夫電壓定律，有：

(1)

式中：R、L分別為傳感器線圈的電阻和電感；R1、L1分別為渦流回路的等效電阻和電感；M為線圈與金屬之間的互感。

(2)

因而線圈的等效電阻和電感分別為：

(3)

(4)

由式(3)和式(4)可知，在渦流的影響下，線圈的等效電阻變大，等效電感變小。線圈電抗值的改變與其形狀、振蕩頻率，以及金屬的相對位置、電導率、磁導率都有關。在線圈形狀、頻率以及金屬種類都確定的情況下，電抗值的變化能夠反映線圈與金屬之間的相對位置。檢測線圈與被測金屬之間的相對位置參數主要包括距離和重合面積，如果維持距離不變，則相對位置主要由金屬線圈與被測金屬之間的重合面積決定。

檢測線圈電抗最常用的方法是將線圈放在正弦波振蕩電路的諧振回路中，當線圈的電抗改變，則諧振電路的頻率也會隨之改變。通過震蕩信號的頻率變化反映出線圈的電抗的變化，進而可以檢測線圈與被測金屬之間的相對位置。

如果采用電容三點式振蕩電路，則其振蕩頻率可以近似表示為：

(5)

式中：C1和C2為諧振回路中的兩個電容。

由式(4)和式(5)可知，當線圈與金屬之間的重合面積增大時，渦流增強，Leq減小，電路振蕩頻率增大。此時能夠根據振蕩電路頻率的變化情況來判斷線圈與金屬之間重合面積的變化情況[3]。

在架設傳感器時，通常將線圈布置在距離路面一定高度的水平面內，此時線圈與被測金屬的相對位置關系就轉變為其重合面積的關系。利用電抗反映出的重合面積來識別車身偏離道路中心線情況，進而調控運行方向，這正是電渦流傳感器的優越性所在。

1.2 電渦流傳感器的局限及優化

多個傳感器同時工作時，彼此之間存在強烈的電磁干擾，將嚴重影響傳感器正常工作；而且電渦流傳感器檢測范圍太小，控制精度有限，所采集數據的重復性、魯棒性不高，無法精確控制快速運動的小車。

1.2.1 傳感器線圈間的相互影響

當金屬逐漸接近其中1個線圈的下方時，與這個線圈相鄰但下方并沒有金屬的線圈也會感應到一些信號，這些信號會干擾傳感器的判斷。以2個線圈為例，線圈彼此之間干擾建模如圖2所示。

圖2 線圈彼此間干擾建模示意圖

當金屬離線圈1較遠時，線圈1和線圈2中有一定的電流，會產生相應的磁場。因此，由安培定則，線圈2處的磁感應強度B為：

B=B0-ΔB

(6)

式中：B0和ΔB分別為由線圈2的電流I2和線圈1的電流I1產生的磁感應強度。因而有：

ΔB∝I1

(7)

又由式(1)可解得：

(8)

由式(6)～式(8)可知，開始時由于金屬與線圈1的相對距離不變，渦流強度和I1保持不變，相應的ΔB和B也保持不變。當金屬逐漸移動到線圈1下方時，渦流逐漸增強，線圈與金屬間的互感M逐漸增大，振蕩頻率增大。對于渦流而言，電抗變化遠大于電阻的變化，所以線圈阻抗逐漸減小；線圈兩端電壓U變化較小，所以I1會逐漸增大。因此，此時ΔB會逐漸增強，B會逐漸減弱。

對于線圈2，雖然金屬不在其下方，但由于線圈1的磁場干擾，線圈2處的磁場被削弱，從而造成了傳感器的誤判。從電磁兼容角度出發，這種干擾被稱為電感耦合傳導干擾噪聲。線圈1耦合到線圈2處的噪聲干擾電壓VN為：

VN=jωNBAcosθ

(9)

式中：N為受干擾線圈匝數；A為受干擾線圈面積；θ為線圈平面和磁感線間的夾角。

雖然從公式(9)可以得出很多種減小干擾電壓的方法，但大都很難實現。比如，可以通過改變2個線圈間的夾角來改變θ，但實際情況中線圈需要探測正下方金屬的情況，因而2個線圈應水平布置[4-5]，不存在改變夾角的問題。

改進前后的傳感器布置方案如圖3所示。

圖3 傳感器布置方案

由分析可知，轉為可行的方法是，在不改變原有功能的前提下，從傳感器的布局上著手，加大線圈之間的間距來達到減小B、降低VN的目的。

為了更加線性地反映金屬鋁箔的位置，曾考慮用改進前的線圈布局方案，但線圈間干擾嚴重。為了解決這個問題，對線圈布局作了改進。

改進后，線圈間干擾顯著降低，每個線圈都能正常工作，使測量效果得到了提升[6]。

1.2.2 傳感器探測范圍較小

電渦流傳感器檢測范圍較小，一般線圈處在距離道路2 cm的水平面時，就無法檢測下面的金屬了。這樣的傳感器在架設時必須貼近地面才能使用，但可能會碰撞道路或因未檢測到合適信號而導致預判失誤。因此，如何提高檢測范圍，也是傳感器在制作過程中必須解決的問題。

通過分析，選擇以下改進方案。

①增大線圈尺寸。

圓形線圈及其產生的渦流區示意圖如圖4所示。

圖4 線圈及其產生的渦流區示意圖

(10)

由式(10)可知，增大線圈尺寸可以增大渦流區內徑，擴大傳感器檢測范圍，但也會增加傳感器之間的干擾，使得其需要隔開更長的距離。因此，在實際使用過程中需考慮平衡這兩者[7]。

②增加信號放大電路。

金屬放在線圈下方，卻沒引起線圈所在電路的變化。這不是線圈沒有感應到金屬，而是金屬引起的變化太微弱。因此，加一級信號放大電路可以有效地放大金屬引起的變化，進而提高檢測范圍。如果采用了頻壓轉換電路，那么信號放大電路用運放實現即可。

同樣地，放大電路不能無限放大。因為在放大電路中，放大信號的同時也會放大電路的各類噪聲。若是線圈放在較高的位置，當金屬引起的變化與各類噪聲引起的變化為同一數量級時，放大后的信號就難以被利用。

1.2.3 可靠性和魯棒性不高

把振蕩電路的信號經過相關處理后接給單片機讀取，就會出現以下的問題。

①當多個傳感器同時工作時，對稱位置下測得的頻率數值不一樣，頻率變動的范圍也不一樣。

②當金屬鋁膜厚度和表面光滑度等各種環境情況改變后，同一傳感器在同一位置傳回數值有差別。

水安全，包括防洪安全、水資源安全、水環境安全、水生態安全，是國家安全體系非常重要的組成部分。目前我國以水資源區域性短缺、水污染泛濫成災、城市內澇頻發為主要特征的水安全問題十分突出。為完善我國的水安全體系、提高水安全水平，應建立水量水質相結合的水權制度。

針對以上問題，采用歸一化處理彌補魯棒性低的缺陷。用歸一化對傳感器數據進行處理，處理公式如下：

(11)

式中：n為傳感器傳回來的實際值；n′為歸一化之后的數據；nmax和nmin為在一定環境條件下相應傳感器傳回數據的最大值和最小值；n0為常數，是使傳感器數值歸一化的最大值。

歸一化處理還可以將線圈與金屬的重合面積與傳感器所測頻率間的線性關系轉化為其與歸一化后數值間的正比關系，更有利于方向控制。

1.2.4 電感數字轉換器的改進方案

傳統的電感數字轉換器以LDC1000為代表。但是由于 LDC1000 價格昂貴(70～300 元/通道)，而且高靈敏度與高采樣頻率不可兼得，所以在實際過程中存在局限性。通過對其他電路方案的嘗試，設計出了改進方案。

使用非門代替二極管作為負反饋回路，可以減少器件數量，同時提高諧振頻率。減小探測線圈的電感，可以提高諧振頻率，從而在單位時間內采到更多的脈沖來提高靈敏度。同時，較高的諧振頻率有助于提高傳感器的適應能力。振蕩產生的正弦波可以就近通過另一個非門整形為方波。

但是改進后，靈敏度依然略低，在5 cm 高度上僅有萬分之三的頻率變化。在上一種方案的基礎上，實現了頻率的直接相減。將原始的振蕩信號與晶振基準頻率通過異或門進行混頻，再經過低通濾波電路，即可得到兩個信號的差頻。此電路大幅增加了檢測電路的靈敏度，使得探測線圈可以在高達10 cm 的距離下穩定檢測鋁箔位置。

圖5 差頻電路

2 系統整體平臺設計

2.1 系統軟件框架

MK60DN512VLL10單片機的A/D轉換口在P1口(P1.7～P1.0)，有8路10位高速A/D轉換器，頻率可達250 kHz(25萬次/s)。8路電壓輸入型A/D，可作電池電壓檢測、按鍵掃描等。上電復位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過軟件，將8路中的任何一路設置為A/D轉換；不需作為A/D使用的端口，可繼續作為I/O口使用。

底層初始化函數如下：

Void system_ init(void)

{

pll _ init(1) ;

//時鐘初始化

gpio_ init ( );

//IO口初始化

pwm_ init( );

//P波初始化

interrupt_ init( );

//中斷初始化

timer_ init( ) ;

//計時器初始化

uart_ init( );

//串口初始化

i2c_ init( );

//IIC初始化

spi_ init( );

//SPI初始化

adc_ init( );

//AD初始化

pulse_ counter_ init( ) ;

//計數器初始化

PID Init( );

//PID初始化

His_ Init( );

//與程控有關的初始化

}

2.2 傳統導航驅動平臺設計

按照傳感器以及車模各個模塊的基本原理，設計并繪制相關原理圖，然后通過仿真軟件畫出PCB板。在拿到實物后，經過一系列焊接以及功能測試，證明平臺可以實現基本的行駛功能。隨后，將電渦流傳感器架設在之前構想的幾種不同的位置進行測試，并對采樣回傳的數據進行分析。試驗的歸一化前后傳感器頻率對比如表1所示。

表1 歸一化前后傳感器頻率對比表

通過對比表1中的數據可發現，歸一化能夠增加傳感器的魯棒性，并能把傳感器數值和變化區間不對稱的情況按照每個傳感器感應能力的大小歸一成對稱的，因而歸一化后無需苛求電路嚴格對稱。若是利用發車之前的一段時間進行歸一化，采集nmax和nmin，可以使傳感器適應賽場的鋁膜厚度等環境因素。

經過反復實踐，傳感器平臺在這種情況下運行情況良好，誤差率較低。

2.3 應對極端路徑的直立平衡系統探索

在平衡方面，采用陀螺儀加速度模塊。陀螺儀傳感器是將偏轉角度轉換成模擬信號，然后經過A/D采集將其轉換成數字信號；同時又根據加速度計測得的角速度信息進行融合，控制平衡車左右電機的正反轉來控制小車的直立，并根據多個不同位置線圈采集到的信息進行路徑規劃，通過兩輪電子差速實現轉向。

將傳感器通過3 mm孔徑碳素桿延伸到車模以外來檢測信號以控制車模的運行，但是實踐后發現，在經過坡道或者路面不平整時，信號會出現極端的突變，而且也存在傳感器和坡面碰撞的風險。對此，調整了整車機械重心位置及布局，增大了直立傾角，將傳感器線圈固定在車身，減少了抖動或者信號突變時帶來的誤差預判；同時，并且基于車身的傳感器架設也可以極大程度地降低與路面碰撞從而造成損壞的風險。

經過多次試驗發現，當車身與水平面的夾角接近45°、傳感器架設在距離水平面7 cm左右時，運行速度和平穩度最佳。但是如果遇到較大的坡面或路面十分顛簸，可以增大傾角，同時增大碳素桿與車身夾角來實現直立高度最大，傳感器保持在7 cm時的數據采集效果較好。

3 調試試驗

在整個導航系統完成搭建后，使用數字萬用表測試分立元件的阻值、壓降、漏電流、截止/導通狀態等參數，檢驗是否存在誤差，從而避免原件搭建錯誤和虛焊的發生。邏輯分析儀用于測試各金屬線圈傳感器信號的接收與傳輸，從而避因免傳感器的損壞影響系統的功能實現[8]。開啟開關，將其放在試驗跑道上進行實地試驗調試。首先是直道區加上彎道區的調試：通過兩邊固定的電渦流傳感器對金屬檢測來實現智能小車到達指定的地點。其次是障礙區的調試：應用車頭的傳感器，當接觸到前方有障礙物的時候避開障礙物。小車的運行情狀況如表2所示。

表2 小車運行情況表

4 結束語

本文提出了電渦流傳感器的設計方案，對遇到的問題進行研究并提出了解決方案。在調試硬件模塊時，將調試的各個電路模塊綜合起來，采取“逐步綜合”的方法，避免干擾。當遇到問題時，先將其中一個模塊調試完成后，再結合其他的關聯模塊綜合調試，這樣可以邏輯清晰地分析出問題所在[9]。

整個系統的設計以單片機為核心，利用了多種傳感器，將軟件、硬件相結合。系統在行駛過程中，能夠自動檢測預先設好的軌道，實現直道和弧形軌道的前進。若有偏離，能夠自動糾正并返回預設軌道。當小車探測到前方障礙物時，可以自動報警，調整并躲避障礙物，實現從障礙區通過。小車通過障礙區后，能夠自動循跡。

[1] 周文軍.雙輪驅動智能小車循跡算法研究[J].河北軟件職業技術學院學報,2014,16(2):58-60.

[2] 許苑豐.一種智能循跡小車設計方案[J].電子產品世界,2013(11):47-49.

[3] 張培仁.傳感器原理、檢測及應用[M].北京：清華大學出版社,2012.

[4] 趙陽.電磁兼容基礎(英文版)[M].北京:機械工業出版社,2006.

[5] 趙陽，羅永超，陸婋泉，等.傳導電磁干擾噪聲綜合解決方案[J].江蘇大學學報(自然科學版),2010,31(4):189-195.

[6] 劉源，張文斌，劉雪揚，等.電磁導航智能車檢測和控制系統的研究[J].傳感器與微系統,2012,31(4):63-66.

[7] 陳宏.電感式傳感器最佳工作條件[J].試驗室研究與探索,2016,35(3):32-36.

[8] 隋金雪，楊莉，張巖.“飛思卡爾”杯：智能汽車設計與實例教程[M].北京：電子工業出版社，2014.

[9] 閆琪，王江.智能車設計：“飛思卡爾杯”從入門到精通[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

Practical Application of Eddy Current Effect in Navigation System

ZHANG Zeyu

(South Institute of Electrical and Automation，Nanjing Normal University,Nanjing 210042,China)

The navigation system is able to implement accurate tracking in accordance with the actual conditions of specific path,which requires a very high level design for the platform sensors.The automatic Navigation System based on eddy current principle is developed,and the signal acquisition,processing and optimization of the metal coil eddy current sensor,the mechanical control of the system,the execution and debugging of control algorithm are tested. The system platform with hardware is set up ,and some logic gates and F/V conversion circuits are used to replace traditional inductive digital converter,to construct remote sensing module for identifying the path.The signal collected is converted into digital signal which can be accepted by the single chip computer,the operational quality of the system is controlled by gyroscope acceleration sensor.The noise interference problem is optimized by modeling,to against the disadvantages of small detection range and distance of the sensor,the size of the coil is increased,and the amplification circuit is added.In order to improve the reliability of the data of sensor,and robustness,the method of normalization for the data of sensor is proposed.The test results show that the system possesses better success rate of obstacle avoidance and control accuracy.

Navigation system; Automatic control technology; Eddy current principle; Hardware platform; A/D conversion; Gyroscope; Automatic tracking; Accuracy control

張澤宇(1995—)，男，在讀本科生，主要從事智能循跡導航平臺及相關傳感器的研究。E-mail：15651814707@163.com。

TP24；TH16

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708018

修改稿收到日期:2017-04-01