第十屆 飛思卡爾 技術(shù)報(bào)告模板

1、基于電磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線智能車設(shè)計(jì)（模版）DesignofIntelligenceAutomotiveTracekeepingBasedonDetectionofElectromagicField張昊飏，馬旭，卓晴（清華大學(xué)，XXXX一隊(duì)）摘要：本設(shè)計(jì)以“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽為背景，提出了一種根據(jù)電磁場(chǎng)信號(hào)引導(dǎo)小車循跡行駛的方案。本文介紹了這一方案的基本思想，所依據(jù)的物理原理，給出了對(duì)電感線圈得到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大和控制小車舵機(jī)

2、運(yùn)行的電路，并根據(jù)方案實(shí)際制作了小車。實(shí)踐證明該方案是可行的。關(guān)鍵詞：智能車；磁場(chǎng)；線圈；磁感應(yīng)強(qiáng)度；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)I.引言以往的智能車競(jìng)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(shí)別路徑。本文則采用通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)智能車進(jìn)行引導(dǎo)。使用磁場(chǎng)信號(hào)引導(dǎo)車沿一定軌跡行走的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在磁場(chǎng)信號(hào)具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，不受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。II.設(shè)計(jì)原理根據(jù)電磁學(xué)

3、，我們知道在導(dǎo)線中通入變化的電流(如按正弦規(guī)律變化的電流)，則導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場(chǎng)中置一由線圈組成的電感，則該電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過(guò)線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置，磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)也應(yīng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)的直導(dǎo)線周圍會(huì)

4、產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線距離為r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：它的磁力線是在垂直于導(dǎo)線的平面內(nèi)以導(dǎo)線為軸的一系列同心圓，圓上的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相同。圖1直導(dǎo)線兩側(cè)的線圈對(duì)于通有電流的弧形導(dǎo)線，根據(jù)畢奧薩伐爾定律明顯可以得出弧線內(nèi)側(cè)的磁感線密度大于弧線外側(cè)的結(jié)論。如果在通電直導(dǎo)線和弧形導(dǎo)線兩邊的正上方豎直放置兩個(gè)與電流方向一致的線圈如圖1示，則兩個(gè)線圈中會(huì)通過(guò)磁通量。導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，則線圈中將感應(yīng)出一定的

5、電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過(guò)導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可以用楞次定律來(lái)確定。由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線中通過(guò)的電流頻率較低，為20kHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為r，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為：即線圈中感應(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k為與線圈擺放方法、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)須實(shí)際測(cè)定來(lái)確定。

6、本設(shè)計(jì)中順著電流方向豎直放置線圈，這是由于對(duì)于放置在導(dǎo)線上方h處的，與導(dǎo)線水平距離為x的線圈(如圖2示)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與成正比，其中是傳感器所在平面與導(dǎo)線的夾角。由于車身可能會(huì)與導(dǎo)線成一定的夾角，因此不一定為0。圖2線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與它距導(dǎo)線x的函數(shù)關(guān)系圖對(duì)于直導(dǎo)線，當(dāng)裝有小車的中軸線對(duì)稱的兩個(gè)線圈的小車沿其直線行駛，即兩個(gè)線圈的位置關(guān)于導(dǎo)線對(duì)稱時(shí)，則兩個(gè)線圈中感應(yīng)出來(lái)的電動(dòng)勢(shì)大小應(yīng)相同、且方向亦相同。若小車偏離直導(dǎo)線，即兩個(gè)線

7、圈關(guān)于導(dǎo)線不對(duì)稱時(shí)，則通過(guò)兩個(gè)線圈的磁通量是不一樣的。根據(jù)這兩個(gè)不對(duì)稱的信號(hào)的差值，即可調(diào)整小車的方向，引導(dǎo)其沿直線行駛。對(duì)于弧形導(dǎo)線，即路徑的轉(zhuǎn)彎處，由于弧線兩側(cè)的磁力線密度不同，則當(dāng)載有線圈的小車行駛至此處時(shí)，弧線內(nèi)側(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于弧線外側(cè)線圈的，據(jù)此信號(hào)可以引導(dǎo)小車拐彎。由于磁感線的閉合性和方向性，通過(guò)兩線圈的磁通量的變化方向具有一致性，即產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，所以由以上分析，比較兩個(gè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小即可判斷小

8、車相對(duì)于導(dǎo)線的位置，進(jìn)而做出調(diào)整，引導(dǎo)小車大致循線行駛。III.設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)使用一普通玩具小車作為車模，采用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)PWM信號(hào)脈寬處于(1ms1.5ms)區(qū)間時(shí)舵機(jī)控制小車向左行駛，脈寬處于(1.5ms2ms)時(shí)小車向右行駛，脈寬約為1.5ms時(shí)小車沿直線行駛。本方案使用兩個(gè)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(shè)計(jì)了一個(gè)模擬電路，采集、調(diào)理、放大由電感得到的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。具體電路如圖3所示。該電路采用電壓

9、并聯(lián)負(fù)反饋電路，電感信號(hào)從PL進(jìn)入。考慮到單獨(dú)電感感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)很小，本設(shè)計(jì)使用電感和電容諧振放大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于使用的是10mH的電感，導(dǎo)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(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(shù)需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。本設(shè)計(jì)的小車控制電路如圖4所示。圖3檢波電路圖圖4小車的控制電路首先，把由兩個(gè)電感得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)調(diào)理、放大后得到的電壓輸出u1和u2送入由運(yùn)放

10、組成的減法器中進(jìn)行減法運(yùn)算，然后再經(jīng)由運(yùn)放組成的電壓跟隨器送給下一級(jí)電路。經(jīng)過(guò)分析，這一級(jí)電路的輸出大致可由下式進(jìn)行計(jì)算：后一級(jí)電路由兩個(gè)555定時(shí)器組成，其中下方的555構(gòu)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?yàn)榇擞|發(fā)脈沖的低電平信號(hào)非常窄，所以能很好的保證上方555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路正常運(yùn)行。該脈沖信號(hào)頻率為：上方的555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)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(hào)。當(dāng)V1較大

11、時(shí)，即兩個(gè)電感線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相差較大時(shí)，亦即小車偏離導(dǎo)線向左行駛時(shí)，則脈寬較大，舵機(jī)將控制小車向右行駛；當(dāng)V1適中時(shí)，接近，即小車沿導(dǎo)線行駛時(shí)，則脈寬接近1.5ms，小車按直線行駛；當(dāng)V1較小時(shí)，即小車偏離導(dǎo)線向右行駛時(shí)，則脈寬較小，舵機(jī)將控制小車向左行駛。從而，控制小車大致循著導(dǎo)線行駛。另外，改變構(gòu)成減法器的電阻的值，可以調(diào)整小車反應(yīng)的靈敏度，進(jìn)而防止出現(xiàn)小車以導(dǎo)線為中軸線左右搖擺的現(xiàn)象。主要參考文獻(xiàn)[1]張三慧，主編.大學(xué)物理學(xué)

12、(第三冊(cè))電磁學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社2005.[2]張營(yíng).智能車輛定位技術(shù)研究[D].上海:上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院2008.[3]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社.2004年10月第1版[4]卓晴黃開(kāi)勝邵貝貝.學(xué)做智能車[M].北京:北航出版社2007.3ContractInfmationXiaoguangYueghua.MingZengzengming@tsinghua.基于電磁場(chǎng)檢測(cè)

13、的尋線智能車設(shè)計(jì)（模版）DesignofIntelligenceAutomotiveTracekeepingBasedonDetectionofElectromagicField張昊飏，馬旭，卓晴（清華大學(xué)，XXXX一隊(duì)）摘要：本設(shè)計(jì)以“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽為背景，提出了一種根據(jù)電磁場(chǎng)信號(hào)引導(dǎo)小車循跡行駛的方案。本文介紹了這一方案的基本思想，所依據(jù)的物理原理，給出了對(duì)電感線圈得到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大和控制小車舵機(jī)運(yùn)行的電路，并

14、根據(jù)方案實(shí)際制作了小車。實(shí)踐證明該方案是可行的。關(guān)鍵詞：智能車；磁場(chǎng)；線圈；磁感應(yīng)強(qiáng)度；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)I.引言以往的智能車競(jìng)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(shí)別路徑。本文則采用通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)智能車進(jìn)行引導(dǎo)。使用磁場(chǎng)信號(hào)引導(dǎo)車沿一定軌跡行走的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在磁場(chǎng)信號(hào)具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，不受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。II.設(shè)計(jì)原理根據(jù)電磁學(xué)，我們知道在導(dǎo)

15、線中通入變化的電流(如按正弦規(guī)律變化的電流)，則導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場(chǎng)中置一由線圈組成的電感，則該電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過(guò)線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置，磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)也應(yīng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)的直導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離

16、無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線距離為r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：它的磁力線是在垂直于導(dǎo)線的平面內(nèi)以導(dǎo)線為軸的一系列同心圓，圓上的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相同。圖1直導(dǎo)線兩側(cè)的線圈對(duì)于通有電流的弧形導(dǎo)線，根據(jù)畢奧薩伐爾定律明顯可以得出弧線內(nèi)側(cè)的磁感線密度大于弧線外側(cè)的結(jié)論。如果在通電直導(dǎo)線和弧形導(dǎo)線兩邊的正上方豎直放置兩個(gè)與電流方向一致的線圈如圖1示，則兩個(gè)線圈中會(huì)通過(guò)磁通量。導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，則線圈中將感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法

17、拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過(guò)導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可以用楞次定律來(lái)確定。由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線中通過(guò)的電流頻率較低，為20kHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為r，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為：即線圈中感應(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k為與線圈擺放方法、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)須實(shí)際測(cè)定來(lái)確定。本設(shè)計(jì)中順著電

18、流方向豎直放置線圈，這是由于對(duì)于放置在導(dǎo)線上方h處的，與導(dǎo)線水平距離為x的線圈(如圖2示)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與成正比，其中是傳感器所在平面與導(dǎo)線的夾角。由于車身可能會(huì)與導(dǎo)線成一定的夾角，因此不一定為0。圖2線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與它距導(dǎo)線x的函數(shù)關(guān)系圖對(duì)于直導(dǎo)線，當(dāng)裝有小車的中軸線對(duì)稱的兩個(gè)線圈的小車沿其直線行駛，即兩個(gè)線圈的位置關(guān)于導(dǎo)線對(duì)稱時(shí)，則兩個(gè)線圈中感應(yīng)出來(lái)的電動(dòng)勢(shì)大小應(yīng)相同、且方向亦相同。若小車偏離直導(dǎo)線，即兩個(gè)線圈關(guān)于導(dǎo)線不對(duì)

19、稱時(shí)，則通過(guò)兩個(gè)線圈的磁通量是不一樣的。根據(jù)這兩個(gè)不對(duì)稱的信號(hào)的差值，即可調(diào)整小車的方向，引導(dǎo)其沿直線行駛。對(duì)于弧形導(dǎo)線，即路徑的轉(zhuǎn)彎處，由于弧線兩側(cè)的磁力線密度不同，則當(dāng)載有線圈的小車行駛至此處時(shí)，弧線內(nèi)側(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于弧線外側(cè)線圈的，據(jù)此信號(hào)可以引導(dǎo)小車拐彎。由于磁感線的閉合性和方向性，通過(guò)兩線圈的磁通量的變化方向具有一致性，即產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，所以由以上分析，比較兩個(gè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小即可判斷小車相對(duì)于導(dǎo)線的

20、位置，進(jìn)而做出調(diào)整，引導(dǎo)小車大致循線行駛。III.設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)使用一普通玩具小車作為車模，采用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)PWM信號(hào)脈寬處于(1ms1.5ms)區(qū)間時(shí)舵機(jī)控制小車向左行駛，脈寬處于(1.5ms2ms)時(shí)小車向右行駛，脈寬約為1.5ms時(shí)小車沿直線行駛。本方案使用兩個(gè)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(shè)計(jì)了一個(gè)模擬電路，采集、調(diào)理、放大由電感得到的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。具體電路如圖3所示。該電路采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路

21、，電感信號(hào)從PL進(jìn)入?？紤]到單獨(dú)電感感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)很小，本設(shè)計(jì)使用電感和電容諧振放大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于使用的是10mH的電感，導(dǎo)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(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(shù)需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。本設(shè)計(jì)的小車控制電路如圖4所示。圖3檢波電路圖圖4小車的控制電路首先，把由兩個(gè)電感得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)調(diào)理、放大后得到的電壓輸出u1和u2送入由運(yùn)放組成的減法器中

22、進(jìn)行減法運(yùn)算，然后再經(jīng)由運(yùn)放組成的電壓跟隨器送給下一級(jí)電路。經(jīng)過(guò)分析，這一級(jí)電路的輸出大致可由下式進(jìn)行計(jì)算：后一級(jí)電路由兩個(gè)555定時(shí)器組成，其中下方的555構(gòu)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?yàn)榇擞|發(fā)脈沖的低電平信號(hào)非常窄，所以能很好的保證上方555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路正常運(yùn)行。該脈沖信號(hào)頻率為：上方的555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)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(hào)。當(dāng)V1較大時(shí)，即兩個(gè)電感

23、線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相差較大時(shí)，亦即小車偏離導(dǎo)線向左行駛時(shí)，則脈寬較大，舵機(jī)將控制小車向右行駛；當(dāng)V1適中時(shí)，接近，即小車沿導(dǎo)線行駛時(shí)，則脈寬接近1.5ms，小車按直線行駛；當(dāng)V1較小時(shí)，即小車偏離導(dǎo)線向右行駛時(shí)，則脈寬較小，舵機(jī)將控制小車向左行駛。從而，控制小車大致循著導(dǎo)線行駛。另外，改變構(gòu)成減法器的電阻的值，可以調(diào)整小車反應(yīng)的靈敏度，進(jìn)而防止出現(xiàn)小車以導(dǎo)線為中軸線左右搖擺的現(xiàn)象。主要參考文獻(xiàn)[1]張三慧，主編.大學(xué)物理學(xué)(第三冊(cè))電磁