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作者：清華大學(xué) 張昊飏 馬旭 卓晴 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 2009-11-10 引言 以往的智能車(chē)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(guò)采集圖像信息識別路徑。本文則采用通電導線(xiàn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對智能車(chē)進(jìn)行引導。使用磁場(chǎng)信號引導車(chē)沿一定軌跡行走的優(yōu)點(diǎn)主要體現在磁場(chǎng)信號具有很好的環(huán)境適應性，不受光線(xiàn)、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。 設計原理 根據電磁學(xué)，我們知道在導線(xiàn)中通入變化的電流(如按正弦規律變化的電流)，則導線(xiàn)周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)與電流的變化規律具有一致性。如果在此磁場(chǎng)中置一由線(xiàn)圈組成的電感，則該電感上會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，且該感應電動(dòng)勢的大小和通過(guò)線(xiàn)圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導線(xiàn)周?chē)煌恢�，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(dòng)勢也應該是不同。據此，則可以確定電感的大致位置。 
首先，由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩恒電流I長(cháng)度為L(cháng)的直導線(xiàn)周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離導線(xiàn)距離為r處P點(diǎn)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(xiàn)是在垂直于導線(xiàn)的平面內以導線(xiàn)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(xiàn)，根據畢奧-薩伐爾定律明顯可以得出弧線(xiàn)內側的磁感線(xiàn)密度大于弧線(xiàn)外側的結論。如果在通電直導線(xiàn)和弧形導線(xiàn)兩邊的正上方豎直放置兩個(gè)與電流方向一致的線(xiàn)圈如圖2示，則兩個(gè)線(xiàn)圈中會(huì )通過(guò)磁通量。
導線(xiàn)中的電流按一定規律變化時(shí)，導線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)也將發(fā)生變化，則線(xiàn)圈中將感應出一定的電動(dòng)勢。根據法拉第電磁感應定律，感應電動(dòng)勢的大小和通過(guò)導體回路的磁通量的變化率成正比：
感應電動(dòng)勢的方向可以用楞次定律來(lái)確定。由于本設計中導線(xiàn)中通過(guò)的電流頻率較低，為20kHz，且線(xiàn)圈較小，令線(xiàn)圈中心到導線(xiàn)的距離為r，認為小范圍內磁場(chǎng)分布是均勻的，則線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢可近似為：
即線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢的大小正比于電流的變化率，反比于線(xiàn)圈中心到導線(xiàn)的距離。其中k為與線(xiàn)圈擺放方法、線(xiàn)圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個(gè)量。具體的感應電動(dòng)勢須實(shí)際測定來(lái)確定。
本設計中順著(zhù)電流方向豎直放置線(xiàn)圈，這是由于對于放置在導線(xiàn)上方h處的，與導線(xiàn)水平距離為x的線(xiàn)圈(如圖4示)中產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢大小與
圖4是按照q=0o，h=5cm時(shí)畫(huà)出的線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢與導線(xiàn)的水平距離x 的關(guān)系，可以看出豎直放置的線(xiàn)圈中的感應電動(dòng)勢分布簡(jiǎn)單，衰減快，遠處對近處的干擾小，非常適合作為檢測小車(chē)當前位置的傳感器。 對于直導線(xiàn)，當裝有小車(chē)的中軸線(xiàn)對稱(chēng)的兩個(gè)線(xiàn)圈的小車(chē)沿其直線(xiàn)行駛，即兩個(gè)線(xiàn)圈的位置關(guān)于導線(xiàn)對稱(chēng)時(shí)，則兩個(gè)線(xiàn)圈中感應出來(lái)的電動(dòng)勢大小應相同、且方向亦相同。若小車(chē)偏離直導線(xiàn)，即兩個(gè)線(xiàn)圈關(guān)于導線(xiàn)不對稱(chēng)時(shí)，則通過(guò)兩個(gè)線(xiàn)圈的磁通量是不一樣的。這時(shí)，距離導線(xiàn)較近的線(xiàn)圈中感應出的電動(dòng)勢應大于距離導線(xiàn)較遠的那個(gè)線(xiàn)圈中的。根據這兩個(gè)不對稱(chēng)的信號的差值，即可調整小車(chē)的方向，引導其沿直線(xiàn)行駛。 對于弧形導線(xiàn)，即路徑的轉彎處，由于弧線(xiàn)兩側的磁力線(xiàn)密度不同，則當載有線(xiàn)圈的小車(chē)行駛至此處時(shí)，兩邊的線(xiàn)圈感應出的電動(dòng)勢是不同的。具體的就是，弧線(xiàn)內側線(xiàn)圈的感應電動(dòng)勢大于弧線(xiàn)外側線(xiàn)圈的，據此信號可以引導小車(chē)拐彎。 另外，當小車(chē)駛離導線(xiàn)偏遠致使兩個(gè)線(xiàn)圈處于導線(xiàn)的一側時(shí)，兩個(gè)線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢也是不平衡的。距離導線(xiàn)較近的線(xiàn)圈中感應出的電動(dòng)勢大于距離導線(xiàn)較遠的線(xiàn)圈。由此，可以引導小車(chē)重新回到導線(xiàn)上。 由于磁感線(xiàn)的閉合性和方向性，通過(guò)兩線(xiàn)圈的磁通量的變化方向具有一致性，即產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢方向相同，所以由以上分析，比較兩個(gè)線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢大小即可判斷小車(chē)相對于導線(xiàn)的位置，進(jìn)而做出調整，引導小車(chē)大致循線(xiàn)行駛。 設計方案 本設計使用一普通玩具小車(chē)作為車(chē)模，采用PWM信號驅動(dòng)，當PWM信號脈寬處于(1ms,1.5ms)區間時(shí)舵機控制小車(chē)向左行駛，脈寬處于 (1.5ms,2ms)時(shí)小車(chē)向右行駛，脈寬約為1.5ms時(shí)小車(chē)沿直線(xiàn)行駛。本方案使用兩個(gè)10mH的電感置于車(chē)模頭部作為確定小車(chē)位置的傳感器。然后，設計了一個(gè)模擬電路，采集、調理、放大由電感得到的電動(dòng)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(jìn)入�？紤]到單獨電感感應出的電動(dòng)勢很小，本設計使用電感和電容諧振放大感應電動(dòng)勢。由于使用的是10mH的電感，導線(xiàn)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(huì )比較大，便于三極管進(jìn)行放大。整個(gè)電路的具體放大倍數需要根據實(shí)際負載進(jìn)行計算。本設計的小車(chē)控制電路如圖6所示。
首先，把由兩個(gè)電感得到的感應電動(dòng)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(jìn)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(guò)分析，這一級電路的輸出大致可由下式進(jìn)行計算：
后一級電路由兩個(gè)555定時(shí)器組成，其中下方的555構成一個(gè)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(shí)器構成一個(gè)單穩型壓控振蕩器，它的脈寬受輸入V1的控制，輸出即PWM信號。當V1較大時(shí)，即兩個(gè)電感線(xiàn)圈中的感應電動(dòng)勢相差較大時(shí)，亦即小車(chē)偏離導線(xiàn)向左行駛時(shí)，則脈寬較大，舵機將控制小車(chē)向右行駛;當V1適中時(shí)，接近，即小車(chē)沿導線(xiàn)行駛時(shí)，則脈寬接近1.5ms，小車(chē)按直線(xiàn)行駛;當V1較小時(shí)，即小車(chē)偏離導線(xiàn)向右行駛時(shí)，則脈寬較小，舵機將控制小車(chē)向左行駛。從而，控制小車(chē)大致循著(zhù)導線(xiàn)行駛。另外，改變構成減法器的電阻的值，可以調整小車(chē)反應的靈敏度，進(jìn)而防止出現小車(chē)以導線(xiàn)為中軸線(xiàn)左右搖擺的現象。
參考文獻 [1] 張三慧，主編.大學(xué)物理學(xué)(第三冊)電磁學(xué)[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2005. [2] 張營(yíng).智能車(chē)輛定位技術(shù)研究[D].上海: 上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院, 2008. [3] 555時(shí)基集成電路應用[DB/OL].http://www.autoo.net/icdata/data_47248.html, 2009-04-22/2009-10-06 [4] 邵貝貝. 單片機嵌入式應用的在線(xiàn)開(kāi)發(fā)方法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社. 2004年10 月第1 版 [5] 卓晴, 黃開(kāi)勝, 邵貝貝. 學(xué)做智能車(chē)[M]. 北京:北航出版社, 2007.3 |
