【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行電磁導(dǎo)航的目的。由于賽道導(dǎo)航電線和小車尺寸l遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，電磁場(chǎng)輻射能量很小，所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。為此，我們將導(dǎo)線周圍變化的磁場(chǎng)近似緩變的磁場(chǎng)，按照檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布，從而進(jìn)行位置檢測(cè)[7]。 由畢奧薩伐爾定律知：通有恒電流I長(zhǎng)度L的直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離導(dǎo)線距離r處p點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： (31) 由此得： (32)對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)直電流來(lái)說(shuō)，上式中則有： (33)由圖313可見(jiàn)，感應(yīng)磁場(chǎng)的分布是以導(dǎo)線為軸的一系列的同心圓。圓上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，并隨著距離導(dǎo)線的半徑r增加成反比下降。 圖312 直線電流的磁場(chǎng) Linear Current Magnetic圖313：無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度:Infinite field strength around the wire 導(dǎo)線中的電流按照一定規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，這線圈中將感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場(chǎng)傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場(chǎng)、電磁線圈的圈數(shù)N、截面面積A的關(guān)系有： (34) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向可以用楞次定律來(lái)確定。 由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線通過(guò)的電流頻率較低位20KHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的。再根據(jù)導(dǎo)線磁場(chǎng)分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為： (35) 即線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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。其中常數(shù)k與線圈擺放的方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個(gè)量，具體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常量需要實(shí)際測(cè)定來(lái)確定。 雙水平線圈方案 人類對(duì)于磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和檢測(cè)起源很早，我國(guó)古代人民很早就通過(guò)天然鐵來(lái)感知地球磁場(chǎng)的方向，從而發(fā)明了指南針。但是對(duì)于磁場(chǎng)定量精確的測(cè)量以及更多測(cè)量方法的發(fā)現(xiàn)還是在二十一世紀(jì)初期才得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁滯電阻效應(yīng)）、磁機(jī)械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導(dǎo)體與電子自旋量子力學(xué)效應(yīng)。下面列出了一些測(cè)量原理以及相應(yīng)的傳感器：（1）電磁感應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：電磁線磁場(chǎng)傳感器，磁通門磁場(chǎng)傳感器，磁阻抗磁場(chǎng)傳感器。（2）霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。（3）各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場(chǎng)測(cè)量方法。（4）載流子自旋相互作用磁場(chǎng)測(cè)量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場(chǎng) 傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。（5）超導(dǎo)量子干涉（SQUID）磁場(chǎng)測(cè)量方法：SQUID薄膜磁敏元件。（6）質(zhì)子磁進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)測(cè)量方法。 以上各種磁場(chǎng)測(cè)量方法所依據(jù)的原理各不相同，測(cè)量的磁場(chǎng)精度和范圍相差也很大，G。我們需要選擇適合車模競(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。 通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，場(chǎng)的分布如上圖所示。如果在通電直導(dǎo)線兩邊的周圍豎直放置兩個(gè)軸線相互垂直并位于與導(dǎo)線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應(yīng)磁場(chǎng)向量的兩個(gè)垂直分量，進(jìn)而可以獲得磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。 不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場(chǎng)分量。我們先討論一種最簡(jiǎn)單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測(cè)方案。在車模前上方水平方向固定兩個(gè)相距L的線圈，兩個(gè)線圈的軸線為水平，高度為h，如下圖所示：圖314 雙水平線圈檢測(cè)方案 Dual horizontal coil detection scheme為了討論方便，我們?cè)谂艿郎辖⑷缦碌淖鴺?biāo)系，假設(shè)沿著跑道前進(jìn)的方向?yàn)閦軸，垂直跑道往上為y軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為x軸。xyz軸滿足右手方向。 假設(shè)在車模前方安裝兩個(gè)水平的線圈。這兩個(gè)線圈的間隔為L(zhǎng)，線圈的高度為h，參見(jiàn)下圖315所示。左邊的線圈的坐標(biāo)為（x,h,z），右邊的線圈的位置(xL,h,z)。由于磁場(chǎng)分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y)。由于線圈的軸線是水平的，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反映了磁場(chǎng)的水平分量。根據(jù)上面(35)公式可以知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與成正比[8]。 圖315 感應(yīng)線圈的布置方案Fig. 315 induction coil arrangement scheme假設(shè)h=5cm，x（15，+15）cm，計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著線圈水平位置x的變化取值，如下圖所示： 圖316 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與x的函數(shù) Induced electromotive force as a function of x如果只是用一個(gè)線圈，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E是位置x的偶函數(shù)。為此，我們可以使用相距長(zhǎng)度為L(zhǎng)的兩個(gè)感應(yīng)線圈，計(jì)算兩個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值： (36) 下面假設(shè)L=30cm，計(jì)算兩個(gè)線圈電動(dòng)勢(shì)差值如下圖所示： 圖317 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值與x函數(shù) EMF difference function with x 從上圖可以看出，當(dāng)左邊線圈的位置x=15cm的時(shí)候，此時(shí)兩個(gè)線圈的中心恰好處于跑道中央，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值Ed為0。當(dāng)線圈往左偏移，x∈（15,30），感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值小于零；反之，當(dāng)線圈往右偏移，x∈(0,15)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于零。因此在位移0~30cm之間，電動(dòng)勢(shì)差值Ed與位移x是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。可以使用這個(gè)量對(duì)于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而保證兩個(gè)線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。通過(guò)改變線圈高度h，線圈之間距離L可以調(diào)整位置檢測(cè)范圍以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。我們需要選擇合適車模競(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。由于霍爾元件和磁阻傳感器的檢測(cè)精度比較低，價(jià)格比較高。因而我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈，它具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積小、頻率響應(yīng)快、電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。感應(yīng)線圈可以自行繞制，也可以采用市面上的工資電感。 感應(yīng)磁場(chǎng)線圈檢測(cè)線圈可以自行繞制，也可以使用市場(chǎng)上能夠比較方便購(gòu)買的工字型10mH的電感。如下圖所示。圖318 電感 Inductance這類電感體積小，Q值高，具有開(kāi)放的磁芯，可以感應(yīng)周圍交變的磁場(chǎng)。如下圖所示： 圖319 工字磁材電感 The word magnetic inductance 信號(hào)選頻放大使用電感線圈可以對(duì)其周圍的交變磁場(chǎng)感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)具有以下特點(diǎn)：（1）信號(hào)弱：感應(yīng)電壓只有幾十個(gè)毫伏。在檢測(cè)幅值之前必須進(jìn)行有效的放大，放大倍數(shù)一般要大于100倍（40db）。（2）噪聲多：一般環(huán)境下，周圍存在著不同來(lái)源、不同變化頻率的磁場(chǎng)。如下表所示：表1 典型的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍 Typical environmental magnetic field intensity range磁場(chǎng)環(huán)境家用電器一米范圍地表面地球磁場(chǎng)工業(yè)電機(jī)和電纜十米范圍內(nèi)磁場(chǎng)性質(zhì) 50HZ 恒定 50HZ20KHZ磁場(chǎng)強(qiáng)度103102 1100104102（3） 比賽選擇20kHz的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開(kāi)周圍其它磁場(chǎng)的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得20kHz的信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響。 圖320 為RLC并聯(lián)諧振 parallel resonant 上述電路中，E是感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，L是感應(yīng)線圈的電感量，R0是電感的內(nèi)阻，C是并聯(lián)諧振電容。上述電路諧振頻率為： 。已知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率感應(yīng)線圈電感為L(zhǎng)=10mH，可以計(jì)算出諧振電容的容量為： (37)。 幅度測(cè)量測(cè)量放大后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值E可以有多種方法。最簡(jiǎn)單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號(hào)檢波形成直流信號(hào)，然后再通過(guò)單片機(jī)的AD采集獲得正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值。圖321傳感器電路 Sensor circuit 硬件的抗干擾措施 硬件干擾的基本要素有三個(gè)： 1）干擾源：指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)。如雷電、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。 2）傳播路徑：指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 3）敏感器件：指容易被干擾的對(duì)象。如A/D、D/A變換器、CPU、弱信號(hào)放大器等。 因此，抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則就是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。 基于以上抗干擾設(shè)計(jì)的原則，在控制器的PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1）抑制干擾源① ~1μ高頻電容，以減少IC對(duì)電源的影響。② 布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。2）切斷干擾傳播途徑① 在系統(tǒng)各芯片的電源輸入端增加濾波電路，減少電源噪聲的干擾。② 注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。③ 電路板合理分區(qū)。強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)相隔離。盡可能把干擾與敏感元件遠(yuǎn)離。④ 在單片機(jī)口線，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩等，可顯著提高電路的抗干擾性能。 3）提高敏感器件的抗干擾性能① 布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。② 布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗?？蓽p小壓降，并降低耦合噪聲。③ 將各芯片所有未用輸入引腳全部接數(shù)字地，所有未用輸出引腳全部接數(shù)字回路的電源。 ④ IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。 本章小結(jié)可靠的硬件電路是所有電子系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，本章在分析的基礎(chǔ)上對(duì)智能車系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑識(shí)別模塊、以及速度檢測(cè)模塊等部分的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。同時(shí)分析了系統(tǒng)的抗干擾措施。4 軟件設(shè)計(jì)根據(jù)此次我們對(duì)于智能車的整體設(shè)計(jì)方案，我們從傳感器得到的外部信息輸入有：電磁傳感器得到的中心線位置、速度傳感器得到的智能車即時(shí)速度。要進(jìn)行的外部控制輸出有：舵機(jī)轉(zhuǎn)向輸出、驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力輸出、以及調(diào)試用的狀態(tài)信息通過(guò)LCD顯示輸出。良好的控制才能提高車子的平均速度，增加智能車的穩(wěn)定性，因此就要對(duì)小車的行駛速度和行駛方向進(jìn)行控制算法研究，本文采用了PID控制電機(jī)速度，PD控制舵機(jī)角度。 總體控制流程圖整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)為主控MCU，對(duì)模擬和數(shù)字傳感器信號(hào)進(jìn)行采集處理，并對(duì)輸出的PWM分別控制，進(jìn)行舵機(jī)和電機(jī)的控制，控制舵機(jī)來(lái)決定賽車的角度，通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)來(lái)控制電機(jī)，決定賽車的速度。另外使用編碼器采集速度值，作為輔助速度控制。智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。程序整體框架如圖 41所示。圖41 總體控制流程圖 The flow chart overall control 控制策略分析由于賽車在行駛路線上有很多的選擇，所以凈速度快的賽車在比賽中是有優(yōu)勢(shì)的，而在硬件條件成熟之后，賽車在直道上和彎道上的速度都是有極限的。比賽中經(jīng)常會(huì)看到凈速度很快的車卻不能取得好成績(jī)，甚至不能完成比賽，原因分析如下：如果賽車在通過(guò)彎道時(shí)路徑不合理或者速度過(guò)快都容易發(fā)生側(cè)滑或者側(cè)翻，這兩種現(xiàn)象都會(huì)造成賽車的失控，是很危險(xiǎn)的。側(cè)翻現(xiàn)象可以通過(guò)降低汽車重心的辦法來(lái)避免。側(cè)滑現(xiàn)象與幾個(gè)因素有關(guān):汽車的速度、轉(zhuǎn)彎半徑以及地面的附著力。在地面附著力一定的情況下，減小汽車行駛速度或者增大汽車轉(zhuǎn)彎半徑都有利于防止汽車的側(cè)滑?？梢缘贸鼋Y(jié)論：如何選擇合理的路徑與合理的瞬時(shí)速度，提高賽車的整體速度是提高比賽成績(jī)的關(guān)鍵。由物理知識(shí)和Fl賽車的啟發(fā)，賽車在通過(guò)彎道時(shí)選擇外一內(nèi)一外的路徑是合理的，如圖42所示。這種行駛路線要求賽車手在彎道前面很遠(yuǎn)的距離就知道彎道的方向，智能車的最遠(yuǎn)預(yù)測(cè)距離約40cm，無(wú)法平滑的選擇這樣的路線。圖42 賽車?yán)硐胲壽E Ideal track for car基于微處理器的智能車控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與研究因此采取中一內(nèi)一外的過(guò)彎路徑，如圖43所示。在通過(guò)直角彎的時(shí)候采取同樣的策略，如圖44所示。規(guī)則規(guī)定，賽道上中心線的最小半徑是50cm，采用中一內(nèi)一外的過(guò)彎路徑可以使賽車實(shí)際行駛的半徑在180176。彎道上達(dá)到約70cm。這樣過(guò)彎路線有利于增大轉(zhuǎn)彎半徑，提高過(guò)彎速度，防止側(cè)滑。這樣，系統(tǒng)的控制目的可以歸納為：在使智能車不發(fā)生側(cè)滑的情況下，用最快的速度沿著中一內(nèi)一外的行駛路徑通過(guò)彎道，可以說(shuō)這是這個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)的控制方法[9]。圖43 賽車最優(yōu)軌跡Fig43 Optimal track for car圖44直角車最優(yōu)軌跡 Optimal track for rightangle當(dāng)智能車通過(guò)小S彎時(shí)，采用直線通過(guò)的形式，這樣既避免了過(guò)彎時(shí)減速，又減少了行駛路徑的長(zhǎng)度，如圖45所示： 控制方法的選擇及分析智能車在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)變換的遇到直道、大S彎、小S彎、急彎、坡道等不同路況，車速需要根據(jù)時(shí)間路況進(jìn)行調(diào)整才能達(dá)到快速穩(wěn)定的目的。在長(zhǎng)直道行駛時(shí)，可將車速提高到最大，在進(jìn)入彎道時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p速，以防止沖出賽道和發(fā)生側(cè)滑，離開(kāi)彎道時(shí)又要及時(shí)加速。PID控制策略其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實(shí)現(xiàn)，使其成為工程中應(yīng)用最多的