【文章內(nèi)容簡介】 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，電磁場輻射能量很小，所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。為此，我們將導(dǎo)線周圍變化的磁場近似緩變的磁場，按照檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場分布，從而進(jìn)行位置檢測[7]。 由畢奧薩伐爾定律知：通有恒電流I長度L的直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，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)對于無限長直電流來說，上式中則有： (33)由圖313可見，感應(yīng)磁場的分布是以導(dǎo)線為軸的一系列的同心圓。圓上的磁場強(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 Linear Current Magnetic圖313：無限長導(dǎo)線周圍的磁場強(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，導(dǎo)線周圍的磁場也將發(fā)生變化，這線圈中將感應(yīng)出一定的電動勢。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場、電磁線圈的圈數(shù)N、截面面積A的關(guān)系有： (34) 感應(yīng)電動勢方向可以用楞次定律來確定。 由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線通過的電流頻率較低位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)磁場分布是均勻的。再根據(jù)導(dǎo)線磁場分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動勢可近似為： (35) 即線圈中的感應(yīng)電動勢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)的一個量，具體的感應(yīng)電動勢常量需要實(shí)際測定來確定。 雙水平線圈方案 人類對于磁場的認(rèn)識和檢測起源很早，我國古代人民很早就通過天然鐵來感知地球磁場的方向，從而發(fā)明了指南針。但是對于磁場定量精確的測量以及更多測量方法的發(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)。下面列出了一些測量原理以及相應(yīng)的傳感器：（1）電磁感應(yīng)磁場測量方法：電磁線磁場傳感器，磁通門磁場傳感器，磁阻抗磁場傳感器。（2）霍爾效應(yīng)磁場測量方法：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）磁場測量方法。（4）載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場 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）磁場測量方法：SQUID薄膜磁敏元件。（6）質(zhì)子磁進(jìn)動磁場測量方法。 以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同，測量的磁場精度和范圍相差也很大，G。我們需要選擇適合車模競賽的檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。 通電導(dǎo)線周圍的磁場是一個矢量場，場的分布如上圖所示。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)磁場向量的兩個垂直分量，進(jìn)而可以獲得磁場的強(qiáng)度和方向。 不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場分量。我們先討論一種最簡單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測方案。在車模前上方水平方向固定兩個相距L的線圈，兩個線圈的軸線為水平，高度為h，如下圖所示：圖314 雙水平線圈檢測方案 Dual horizontal coil detection scheme為了討論方便，我們在跑道上建立如下的坐標(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水平的線圈。這兩個線圈的間隔為L，線圈的高度為h，參見下圖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)。由于磁場分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計(jì)算磁場強(qiáng)度的時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)電動勢反映了磁場的水平分量。根據(jù)上面(35)公式可以知道感應(yīng)電動勢大小與成正比[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)電動勢隨著線圈水平位置x的變化取值，如下圖所示： 圖316 感應(yīng)電動勢與x的函數(shù) Induced electromotive force as a function of x如果只是用一個線圈，感應(yīng)電動勢E是位置x的偶函數(shù)。為此，我們可以使用相距長度為L的兩個感應(yīng)線圈，計(jì)算兩個線圈感應(yīng)電動勢的差值： (36) 下面假設(shè)L=30cm，計(jì)算兩個線圈電動勢差值如下圖所示： 圖317 感應(yīng)電動勢差值與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的時候，此時兩個線圈的中心恰好處于跑道中央，感應(yīng)電動勢差值Ed為0。當(dāng)線圈往左偏移，x∈（15,30），感應(yīng)電動勢差值小于零；反之，當(dāng)線圈往右偏移，x∈(0,15)，感應(yīng)電動勢大于零。因此在位移0~30cm之間，電動勢差值Ed與位移x是一個單調(diào)函數(shù)?？梢允褂眠@個量對于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而保證兩個線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。通過改變線圈高度h，線圈之間距離L可以調(diào)整位置檢測范圍以及感應(yīng)電動勢的大小。我們需要選擇合適車模競賽的檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價格、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精度比較低，價格比較高。因而我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈，它具有原理簡單、價格便宜、體積小、頻率響應(yīng)快、電路實(shí)現(xiàn)簡單等特點(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)磁場線圈檢測線圈可以自行繞制，也可以使用市場上能夠比較方便購買的工字型10mH的電感。如下圖所示。圖318 電感 Inductance這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，可以感應(yīng)周圍交變的磁場。如下圖所示： 圖319 工字磁材電感 The word magnetic inductance 信號選頻放大使用電感線圈可以對其周圍的交變磁場感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動勢。這個感應(yīng)電動勢信號具有以下特點(diǎn)：（1）信號弱：感應(yīng)電壓只有幾十個毫伏。在檢測幅值之前必須進(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，周圍存在著不同來源、不同變化頻率的磁場。如下表所示：表1 典型的環(huán)境磁場強(qiáng)度范圍 Typical environmental magnetic field intensity range磁場環(huán)境家用電器一米范圍地表面地球磁場工業(yè)電機(jī)和電纜十米范圍內(nèi)磁場性質(zhì) 50HZ 恒定 50HZ20KHZ磁場強(qiáng)度103102 1100104102（3） 比賽選擇20kHz的交變磁場作為路徑導(dǎo)航信號，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場的干擾，因此信號放大需要進(jìn)行選頻放大，使得20kHz的信號能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號的影響。 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)電動勢，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)電動勢的頻率感應(yīng)線圈電感為L=10mH，可以計(jì)算出諧振電容的容量為： (37)。 幅度測量測量放大后的感應(yīng)電動勢的幅值E可以有多種方法。最簡單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號檢波形成直流信號，然后再通過單片機(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： 1）干擾源：指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號。如雷電、電機(jī)、高頻時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：指容易被干擾的對象。如A/D、D/A變換器、CPU、弱信號放大器等。 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，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對電源的影響。② 布線時避免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，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。③ 電路板合理分區(qū)。強(qiáng)、弱信號，數(shù)字、模擬信號相隔離。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 布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。② 布線時，電源線和地線要盡量粗。可減小壓降，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)動模塊、路徑識別模塊、以及速度檢測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)動電機(jī)動力輸出、以及調(diào)試用的狀態(tài)信息通過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系統(tǒng)由單片機(jī)為主控MCU，對模擬和數(shù)字傳感器信號進(jìn)行采集處理，并對輸出的PWM分別控制，進(jìn)行舵機(jī)和電機(jī)的控制，控制舵機(jī)來決定賽車的角度，通過電路驅(qū)動來控制電機(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)常會看到凈速度很快的車卻不能取得好成績，甚至不能完成比賽，原因分析如下：如果賽車在通過彎道時路徑不合理或者速度過快都容易發(fā)生側(cè)滑或者側(cè)翻，這兩種現(xiàn)象都會造成賽車的失控，是很危險的。側(cè)翻現(xiàn)象可以通過降低汽車重心的辦法來避免。側(cè)滑現(xiàn)象與幾個因素有關(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速度，提高賽車的整體速度是提高比賽成績的關(guān)鍵。由物理知識和Fl賽車的啟發(fā)，賽車在通過彎道時選擇外一內(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)測距離約40cm，無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)開發(fā)與研究因此采取中一內(nèi)一外的過彎路徑，如圖43所示。在通過直角彎的時候采取同樣的策略，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。這樣過彎路線有利于增大轉(zhuǎn)彎半徑，提高過彎速度，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彎道，可以說這是這個系統(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)智能車通過小S彎時，采用直線通過的形式，這樣既避免了過彎時減速，又減少了行駛路徑的長度，如圖45所示： 控制方法的選擇及分析智能車在運(yùn)行過程中，會變換的遇到直道、大S彎、小S彎、急彎、坡道等不同路況，車速需要根據(jù)時間路況進(jìn)行調(diào)整才能達(dá)到快速穩(wěn)定的目的。在長直道行駛時，可將車速提高到最大，在進(jìn)入彎道時進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p速，以防止沖出賽道和發(fā)生側(cè)滑，離開彎道時又要及時加速。PID控制策略其結(jié)構(gòu)簡單，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