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磁導航組是即將舉辦的2010年第五屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽中首次引入，新賽制規定，在賽道中心線下鋪設漆包線，其中通有f=20 kHz，I=100 mA的交變電流，頻率為(20±2)kHz，電流為50～150 mA，要求電磁組不允許通過獲取道路的光學信息進行路徑檢測，只能通過檢測漆包線周圍的磁場來引導小車沿著載流線行駛。從工作頻率、輸出信號的大小、器件成本、磁場強度等方面綜合考慮，最適合用于磁導航賽道檢測的傳感器就是感應線圈。檢測線圈安裝在智能車體上后，智能車前進過程中線圈與導航載流線之間的空間方位決定了線圈輸出的感應電動勢，再配接適當的信號調理電路，將檢測線圈輸出的電信號經過放大、檢波等處理，最終轉換為智能車單片機能接收的信號，為智能車提供導航依據，這是磁導航智能車能夠正確尋道、高速行進的重要基礎性工作。而到目前為止，磁導航的檢測研究還很少，本文將對檢測線圈配接的信號調理電路進行探討。 1 檢測線圈中的感應電動勢 由于比賽用車的尺度遠小于賽道長度，可將載流導線近似看作無限長直導線。載流長直導線周圍的磁感應線是以導線為軸的同心圓環，B的方向為電流i的右螺旋切向，距離導線a的P點磁感應強度 式中μ0為真空磁導率，i為直導線中的交變電流，以正弦電流激勵(若為非正弦波，可看作是一系列正弦波的線性迭加)，i=Ipsin2πft，故B為交變磁場，通過放置在導線周圍的檢測線圈將交變磁場轉化為感應電動勢。 假設在載流導線正上方豎直放置面積為S，匝數為N的矩形檢測線圈，此時磁感應強度與線圈平面垂直，以線圈中心P點處的磁感應強度可估算出通過線圈的磁通量φ 式(4)表明，當線圈繞制成型后，線圈匝數Ⅳ和面積S已確定。檢測線圈輸出的感應電動勢還與激勵電流的幅值，Ip和頻率f成正比。賽制規定的激勵電流頻率為(20±2)kHz，變化不超過10％。但電流范圍50～150 mA，變化可達3倍，這將對線圈輸出的感應電動勢產生很大影響。 若取N=20，μ0=4π×10-7N／A2，S=O．002 m2，f=20 kHz，Ip=150 mA，a=0．03m，則可估算出感應電動勢的幅值E=5 mV，但這只是一個數量級估算，實際上，若線圈偏離載流導線，或載流導線中的激磁電流減小，或采用尺寸更小的檢測線圈時，感應電動勢的幅值將迅速減小。 在小車尋道前進過程中，小車和固定在小車上的檢測線圈總會左右偏離載流導線，檢測電路的任務就是要隨時判斷出小車與載流線賽道的相對位置，以便根據小車偏離賽道的程度和小車的速度控制小車上舵機的轉向角度。而要實現小車與載流線賽道的相對定位，就必須在小車上排列多個相同的檢測線圈，與此對應，每個檢測線圈都配接相同的信號調理電路，只有位于載流線賽道正上方的線圈對應的電路輸出信號最大。 也就是說，小車與載流線賽道的相對位置由多路檢測線圈中輸出信號的相對最大值決定，而與每個檢測線圈輸出的信號大小無直接關系，找出各路線圈中感應電動勢的最大值，就可知賽道在該線圈下方。盡管激勵電流頻率和幅值的變化會顯著影響線圈輸出的感應電動勢，但這些因素對所有檢測線圈的影響相同，上述“找最大” 實現賽道定位的思路則不受影響，從而提高檢測電路對賽道的適應性。 2 智能車控制電路對檢測信號的要求 檢測線圈輸出的感應電動勢必須經過放大和必要的處理，最后提供給智能車的單片機進行A／D轉換采樣，以獲取賽道的位置信息。智能車的單片機A／D輸入端需要O～5 V之間的單極性電壓，對此，可以為單片機提供兩種不同的信號類型，單片機采用不同的方式采樣。 方式1：將檢測線圈輸出的頻率20 kHz、大約毫伏級的信號進行放大，放大倍數約1 000倍(60 dB)，然后進行幅度檢波轉換為直流電壓。單片機對每路檢測信號只采樣一次就可知道信號大小，巡回采集多路電壓進行比較，通過“找最大”就能實現賽道定位。 方式2：直接采集放大后的20 kHz信號(迭加在直流偏置電壓上)，但要求單片機的A／D采集速率遠大于20 kHz，單片機連續采集多個周期的電壓，根據信號的周期性從采集的數據中找出最大值和最小值，根據二者的差值獲得交流信號的峰峰值。此方式中，單片機對每路信號要快速采樣很多次才能獲取該路信號的大小。同樣，要巡回采集多路電壓，通過“找最大”實現賽道定位。 為了實現小車與載流線賽道的準確定位，采用多個檢測線圈是必然的選擇．賽制規定。最多可使用16個檢測傳感器。比較上述兩種方式，方式2的信號處理電路無需檢波功能，但占用單片機大量的工作時間，因此，方式1是合理的選擇。 3 信號調理電路設計 由前面的分析可見，信號調理電路的任務和工作條件是：1)帶寬和增益，對20 kHz、毫伏級的信號放大約1 000倍，且動態范圍較大；2)供電電源，車載電池供電，使用單電源放大電路，電池額定電壓為7．2 V；3)信號轉換，對放大后的信號進行幅度檢波。 使用分立元件搭建電路雖然能實現該功能，但電路復雜，調試不方便，并且電路性能會隨電池電壓的波動而變化。常見的通用運放如OP07、LM324、 LM358等，對于20 kHz信號無法滿足帶寬和增益的要求，同時，其輸出擺幅較小。近年來出現的一些新的集成運算放大器能很好地承擔上述任務。如OPA228系列運放、 MAX445l系列運放。特別是MAX4451雙運放，-3 dB帶寬達210 MHz，可以在+4．5～+11 V單電源條件下工作，輸出擺幅大，具有軌到軌輸出，開環增益大于50 dB，使用兩級放大外加負反饋完全能勝任。實際電路如圖1所示。 智能車是靠電池驅動的，隨著工作時間持續，電池電壓必然下降。由于運放MAX4451的共模抑制比極高，典型值CMRR=95 dB，所以在單電源條件下可正常工作，并且，電池電壓的波動基本不影響運放的工作性能。 圖1中L1是檢測線圈。R1、R2分壓為運放提供輸入偏置電壓，適當調節R2可改變放大器的輸入偏置電壓。由于第2級放大電路的增益設定為 (R5／R4)=30倍，可根據檢測線圈L1輸出感應電動勢的大小，適當選擇R3改變第1級的放大倍數，從而使總增益滿足要求。引入R7是為了降低第1級放大電路的直流增益，從而提高靜態工作點的穩定性。但R7的引入降低了第1級電路的交流放大能力，故接人C4=0．47μF實現交流旁路。VD1、R6和 C3構成幅度檢波電路，VD4選擇壓降較小的高頻鍺二極管，檢波電路的時間常數τ=R6C3一般選擇為激磁電流(f=20 kHz)周期的3～5倍，C3的容量越大，輸出到單片機A／D端的直流電壓中的20 kHz波紋越小，但C3的容量過大將導致電路響應時間長，對智能車與賽道的偏離反應遲鈍．C3的實際取值應在此估算的基礎上通過測試確定。 此外，按常理，R1=R2分壓為運放提供輸入偏置應該為電源電壓VCC的一半，約3．6 V。但由于VD1、R6和C3構成的是正半周峰值包絡檢波電路，檢測線圈L1的感應電動勢越大，檢波電路輸出的直流電位越高。如前所述，線圈輸出的感應電動勢受多種因素影響變化范圍較大，為增大此電路的輸出擺幅，選擇R1=20 kΩ，R2=5．1kΩ，使運放同相端的輸入偏置電壓降低到約1．8 V，以降低檢波電路輸出端的初始直流電位，增大電路的動態范圍。 4 結論 上述電路能滿足磁導航智能車對信號檢測的要求。電路調節方法：靜態條件下，調節R2使檢波電路輸出電壓約為1V；動態條件下，當豎直放置的檢測線圈距離賽道載流線最近，且激磁電流為150 mA時，調節R3使檢波電路輸出電壓接近但不超過5 V，以滿足單片機A／D端采集電壓的要求。 由于檢測線圈輸出的感應電動勢會隨著線圈與賽道載流線之間距離增大而迅速減小，為提高賽道檢測的靈敏度和準確性．使用一個檢測線圈是不行的。實際上，可以在小車的前端平行放置多個豎直檢測線圈，每個檢測線圈都配接相同的信號調理電路，智能車上的單片機必須快速巡回采集每個調理電路的輸出電壓，找出輸出電壓最大值，就可判斷出的賽道載流線就在該路檢測線圈的正下方。 單片機巡回采集各個調理電路的輸出電壓時，只需要比較哪一路輸出電壓最大，就能實現尋道，并不關心具體電壓的數值。這種“找最大”方法的優點是：信號調理電路的輸出電壓與賽道激磁頻率((20±2)kHz)、激磁電流(50～150 mA)有關，但激磁頻率和激磁電流對各路檢測電壓的影響是相同的，上述“找最大”方法始終能夠根據輸出電壓的相對最大值判斷出賽道位置，這就使得尋道檢測電路對賽道有很好的適應能力。 多個檢測線圈也可以采用水平放置的方式，配接電路相同。但不難看出，若檢測線圈水平放置在載流導線正上方時，感應電動勢為零；檢測線圈位于載流導線上方的一側時，感應電動勢較大；檢測線圈位于載流導線上方的一側，且偏離較遠時，感應電動勢減小。此時，智能車上的單片機應該快速巡回采集每個調理電路的輸出電壓，找出輸出電壓最小值，就可判斷出賽道載流線就在該路檢測線圈的正下方。 |
