基于電感感應電動勢實現(xiàn)磁場信號引導車的設計

引言

以往的智能車競賽分為光電組和攝像頭組，其中光電組主要是使用光電傳感器如紅外傳感器采集路徑信息，攝像頭組主要通過采集圖像信息識別路徑。本文則采用通電導線產(chǎn)生的電磁場對智能車進行引導。使用磁場信號引導車沿一定軌跡行走的優(yōu)點主要體現(xiàn)在磁場信號具有很好的環(huán)境適應性，不受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。

設計原理

根據(jù)電磁學，我們知道在導線中通入變化的電流（如按正弦規(guī)律變化的電流），則導線周圍會產(chǎn)生變化的磁場，且磁場與電流的變化規(guī)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(chǎn)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(chǎn)生的感應電動勢也應該是不同。據(jù)此，則可以確定電感的大致位置。

首先，由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流I長度為L的直導線周圍會產(chǎn)生磁場，距離導線距離為r處P點的磁感應強度為：

且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導線，根據(jù)畢奧-薩伐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如圖2示，則兩個線圈中會通過磁通量。

導線中的電流按一定規(guī)律變化時，導線周圍的磁場也將發(fā)生變化，則線圈中將感應出一定的電動勢。根據(jù)法拉第電磁感應定律，感應電動勢的大小和通過導體回路的磁通量的變化率成正比：

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是均勻的，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率，反比于線圈中心到導線的距離。其中k為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關的一個量。具體的感應電動勢須實際測定來確定。

本設計中順著電流方向豎直放置線圈，這是由于對于放置在導線上方h處的，與導線水平距離為x的線圈（如圖4示）中產(chǎn)生的感應電動勢大小與 成正比，其中q是傳感器所在平面與導線的夾角。由于車身可能會與導線成一定的夾角，因此q不一定為0。

圖4是按照q=0o，h=5cm時畫出的線圈中感應電動勢與導線的水平距離x 的關系，可以看出豎直放置的線圈中的感應電動勢分布簡單，衰減快，遠處對近處的干擾小，非常適合作為檢測小車當前位置的傳感器。

對于直導線，當裝有小車的中軸線對稱的兩個線圈的小車沿其直線行駛，即兩個線圈的位置關于導線對稱時，則兩個線圈中感應出來的電動勢大小應相同、且方向亦相同。若小車偏離直導線，即兩個線圈關于導線不對稱時，則通過兩個線圈的磁通量是不一樣的。這時，距離導線較近的線圈中感應出的電動勢應大于距離導線較遠的那個線圈中的。根據(jù)這兩個不對稱的信號的差值，即可調整小車的方向，引導其沿直線行駛。

對于弧形導線，即路徑的轉彎處，由于弧線兩側的磁力線密度不同，則當載有線圈的小車行駛至此處時，兩邊的線圈感應出的電動勢是不同的。具體的就是，弧線內側線圈的感應電動勢大于弧線外側線圈的，據(jù)此信號可以引導小車拐彎。

另外，當小車駛離導線偏遠致使兩個線圈處于導線的一側時，兩個線圈中感應電動勢也是不平衡的。距離導線較近的線圈中感應出的電動勢大于距離導線較遠的線圈。由此，可以引導小車重新回到導線上。

由于磁感線的閉合性和方向性，通過兩線圈的磁通量的變化方向具有一致性，即產(chǎn)生的感應電動勢方向相同，所以由以上分析，比較兩個線圈中產(chǎn)生的感應電動勢大小即可判斷小車相對于導線的位置，進而做出調整，引導小車大致循線行駛。

設計方案

本設計使用一普通玩具小車作為車模，采用PWM信號驅動，當PWM信號脈寬處于（1ms，1.5ms）區(qū)間時舵機控制小車向左行駛，脈寬處于 （1.5ms，2ms）時小車向右行駛，脈寬約為1.5ms時小車沿直線行駛。本方案使用兩個10mH的電感置于車模頭部作為確定小車位置的傳感器。然后，設計了一個模擬電路，采集、調理、放大由電感得到的電動勢信號。具體電路如圖5所示。

該電路采用電壓并聯(lián)負反饋電路，電感信號從PL進入?？紤]到單獨電感感應出的電動勢很小，本設計使用電感和電容諧振放大感應電動勢。由于使用的是10mH的電感，導線中電流頻率為20kHz，因此使用6.3nF的電容。這樣在電容上得到的電壓將會比較大，便于三極管進行放大。整個電路的具體放大倍數(shù)需要根據(jù)實際負載進行計算。本設計的小車控制電路如圖6所示。

首先，把由兩個電感得到的感應電動勢經(jīng)調理、放大后得到的電壓輸出u1和u2送入由運放組成的減法器中進行減法運算，然后再經(jīng)由運放組成的電壓跟隨器送給下一級電路。經(jīng)過分析，這一級電路的輸出大致可由下式進行計算：

后一級電路由兩個555定時器組成，其中下方的555構成一個占空比非常接近于1的脈沖發(fā)生器，作為上方555的觸發(fā)脈沖。因為此觸發(fā)脈沖的低電平信號非常窄，所以能很好的保證上方555構成的單穩(wěn)態(tài)電路正常運行。波形如圖7所示。該脈沖信號頻率為：

上方的555定時器構成一個單穩(wěn)型壓控振蕩器，它的脈寬受輸入V1的控制，輸出即PWM信號。當V1較大時，即兩個電感線圈中的感應電動勢相差較大時，亦即小車偏離導線向左行駛時，則脈寬較大，舵機將控制小車向右行駛;當V1適中時，接近，即小車沿導線行駛時，則脈寬接近1.5ms，小車按直線行駛;當V1較小時，即小車偏離導線向右行駛時，則脈寬較小，舵機將控制小車向左行駛。從而，控制小車大致循著導線行駛。另外，改變構成減法器的電阻的值，可以調整小車反應的靈敏度，進而防止出現(xiàn)小車以導線為中軸線左右搖擺的現(xiàn)象。

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