（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

智能交通工具的研究是當今人們關(guān)注的一個熱點，智能小車的研究是其中一個典型的代表。智能小車集路面環(huán)境探測、自動行駛以及自主決策能力于一體。在電磁感應智能小車中，用電感傳感器來負責作為智能車的“眼晴”，進行路面環(huán)境探測，“眼睛”能否準確的判斷位置決定了智能小車運行的準確性[1]。

1 電感傳感器的原理

將變化的電流通入導線中，那么導線周圍就會形成一個磁場，該磁場會隨著電流的變幻發(fā)生改變，且二者變化的規(guī)律是一致的。倘若該磁場中存在一個由線圈組成的電感，那么電感表面就會形成相應的感應電動勢，同時電感中線圈的磁通量與電動勢的大小二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。磁感應的強度大小以及方向會隨著導線位置的變化，與之相關(guān)的感應電動勢也會發(fā)生改變。通過掌握感應電動勢的變化規(guī)律，我們可以估計電感的大致位置[2]。

2 電感傳感器信號處理硬件電路設(shè)計

若使用20kHz的電磁線作為導引路徑，選用感應電動勢曲線是較為規(guī)整的正弦波，頻率和引導路徑的電源頻率一致的10mH電感，用來對導線進行檢測，然而，由于存在信號差、雜波干擾等問題，因此需要對使用的信號進行處理。其主要處理步驟為以下三點：信號的濾波、放大以及檢波[3]。

2.1 信號的濾波

通過將路徑導航信號轉(zhuǎn)變?yōu)?0kHz的交變磁場，就能防止其他磁場在頻譜上對其產(chǎn)生影響，因此可以依靠放大選頻范圍來加強信號，這樣就能讓20kHz的信號進一步增大，同時避免了絕大部分干擾信號的因素。綜上所述，可以利用LC并聯(lián)諧振電路來進行電路的選頻[4]。

通常，感應電動勢用E來表示，另外，L表示的是感應線圈的電感值，電感內(nèi)阻為R0，C代表并聯(lián)諧振電容。電路諧振頻率如下式所示：

其中，感應電動勢的頻率f值為20kHz，感應線圈電感L為10mH，將其帶入相應的關(guān)系式可以得到諧振電容C的最終值為6.33×10-9F。目前可以在市場上買到的，與上述數(shù)值最相近的電容為6.8nF，因此，一般會選用6.8nF的電容作為標準電容。

2.2 信號的放大

對于信號的放大，本文采用集成運放，原因是其具有實用性強、受溫度影響小等優(yōu)點。使用反相比例運算電路。運放使用單電源供電，故在同相端加VCC/2的基準電位，基準電位由電阻分壓得到[5]。

2.3 信號的檢波

目前，對于放大處理后的電動勢的增幅值大小有許多測量方法。本次研究采用的是二極管檢波電路的手段。通過運用兩個二極管來對信號波紋進行倍壓處理，依靠電路來獲取同比與正交流電路的直流信號數(shù)值。為增加輸出信號的動態(tài)范圍和增加整體電路的靈敏度。本文選用了肖特基二極管1N5817[6]。整個電感傳感器信號處理硬件電路的原理圖如圖1所示。

2.4 電感傳感器的布局分析

假設(shè)有一輛小車正在行駛，其內(nèi)部裝有兩個以導線為中軸對稱的線圈，這時兩個線圈中產(chǎn)生的電動勢地方向和大小都相等。當兩個線圈不再以導線對稱時就會導致小車的行駛軌跡發(fā)生偏離，這時兩個線圈內(nèi)的磁通量截然不同。觀察發(fā)現(xiàn)，距離導線近的線圈，其產(chǎn)生的電動勢比距離遠的線圈產(chǎn)生的電動勢要大。因此，可以通過改變線圈與小車導線的距離，來控制小車的走向，實現(xiàn)直線行駛的目的[7]。

當小車行駛至轉(zhuǎn)彎處，則需要用到弧形導線，這是因為弧線導線的磁力線密度在其兩側(cè)彼此不同，當小車行駛到轉(zhuǎn)彎處時，弧形導線內(nèi)測的線圈產(chǎn)生的電動勢大于外側(cè)，從而產(chǎn)生讓小車進行轉(zhuǎn)彎活動的信號。

此外，小車駛離路線會導致內(nèi)部的兩個線圈移動至同一側(cè)，這時距離導線較近的線圈產(chǎn)生的電動勢要高于距離較遠的線圈，從而讓小車糾正方向，重新回到導線原位?；诖鸥芯€具有閉合性和方向性兩個特性，了解到穿過導線兩側(cè)線圈的感應電動勢方向是一致的，因此，根據(jù)小車內(nèi)線圈產(chǎn)生的感應電動勢強度，能夠?qū)ζ湮挥趯Ь€的哪個位置進行判斷，并對此最初相應的調(diào)整，最大程度地控制小車的行駛路線。

由以上原因，本文采用雙水平線圈檢測方案，在邊緣情況下，其單調(diào)性發(fā)生變化，這樣存在一個定位不清的區(qū)域。同一個差值，會對應多個位置，不利于定位。另外，受單個線圈感應電動勢的最大距離限制，兩個線圈的檢測廣度很有限。

用以下方案改進：橫向放置的電感按“一”字排布，可以大大提高檢測密度和廣度。豎向放置的電感，可以提高前瞻，改善小車入彎狀態(tài)和路徑。選擇在碳桿的橫桿桿上分別放置兩組電感，兩橫一豎。

3 軟件設(shè)計

3.1 傳感器采集處理算法

編寫采集電感電壓值的采集函數(shù)，為了消除過程中產(chǎn)生的噪聲，就需要運用算法濾波的手段來減少干擾。本次實驗就采用了“加權(quán)遞推平均濾波法”。其主要內(nèi)容為：模擬一個循環(huán)隊列，將多次不放回抽取的N個采樣放入隊列中，用N代表該隊列長度，把每一個新采集的數(shù)據(jù)放置于隊尾，在隊伍數(shù)據(jù)過多時將隊列之前的數(shù)據(jù)取出并放置于隊尾并，目的是為了確保隊伍前N個數(shù)據(jù)始終為最新數(shù)據(jù)。越具有實時性的數(shù)據(jù)其取權(quán)就越大。運用加權(quán)平均運算對前N個數(shù)據(jù)進行取權(quán)，從而得到全新的濾波。這種方法的特點在于新的采樣的權(quán)系數(shù)較大，那么相應的靈敏度也就越高，但隨之而來的是信號平滑度的下降[8]。

3.2 尋線行駛算法實現(xiàn)

通過實踐研究，發(fā)現(xiàn)電感感應中心導線的磁場有如下規(guī)律（建立XYZ坐標系，VX，VY，VZ來表示坐標軸上各方向的感應電壓值）：

（1）當電感軸心同X方向保持平行時，這時電感同直導線間距離越短，VX就越大，距離越長則VX越小。

（2）當電感軸心同Y方向保持平行時，電感傳感器對彎道有著一定的預知性，能夠準確地感應到彎道的存在，而處于直道時其VY較小。

（3）當電感軸心同Z方向保持平行時，小車從導線逐漸往跑道邊沿靠近，其V Z將呈現(xiàn)初期增大后期減小的現(xiàn)象。

在特定條件下，可以依靠組成四個“一”字排布的電感，對其產(chǎn)生的感應電動勢進行觀察與研究，最終找出其中擁有最大的電感M，能夠發(fā)現(xiàn)這個電感與導線間的距離最短。此時記錄下與該電感左右相鄰的兩個電感的數(shù)值，分別用L和R來表示。通常會存在以下三種情況：當L值>R值時，說明導線所處位置在L和M間；當L值

假如出現(xiàn)電感M沒有與之相鄰的電感L或R這類特殊狀況，這說明小車在賽道行駛過程中已出現(xiàn)位置偏離的現(xiàn)象，需要將導線位置進行固定處理，將其固定在M所在處，并通過觀測M值大小來判斷導線的遠離程度。

以上這種通過找感應電動勢最大的電感M和相鄰電感L和R在確定電感和導線的相對位置的方法，是一種初步的定位方法。這里再次深化討論，先設(shè)立一個閾值T，分兩種情況：當|L值-R值|＜T，即L值約等于R值，說明導線在M正上，得出確切位置；當|L值-R值|＞T，說明導線在M和L或者M和R之間。

此定位算法，在直道上的作用比較明顯，然而并不是用于所有類型的彎道。在此基礎(chǔ)上，運用中間標定差值法對位于直道處的電感M進行標定處理，將其標定值同實時測量的數(shù)值相減。用此方法得到的在彎道處偏移的曲線。

將以上四電感位移算法與中間電感標定差值算法綜合計算，即可得到直道和彎道同樣靈敏的控制量。

4 結(jié)論

電磁智能小車設(shè)計中電磁感應電路一直是設(shè)計的重點，電感感應器比較敏感，參數(shù)容易受到多種影響而發(fā)生變化，從而導致智能小車的性能不穩(wěn)定，本方案僅給出了以20kHz的電磁線作為導引路徑的電磁感應電路設(shè)計方案，取得較好的測試效果，但是其他頻率電磁線作為導引路徑的電磁感應電路設(shè)計方案未做討論。在后續(xù)的研究中，將加以完善，以使得智能小車適應更復雜的運行環(huán)境。