磁導(dǎo)航組是即將舉辦的2010年第五屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽中首次引入，新賽制規(guī)定，在賽道中心線下鋪設(shè)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(xué)信息進(jìn)行路徑檢測(cè)，只能通過檢測(cè)漆包線周圍的磁場(chǎng)來引導(dǎo)小車沿著載流線行駛。從工作頻率、輸出信號(hào)的大小、器件成本、磁場(chǎng)強(qiáng)度等方面綜合考慮，最適合用于磁導(dǎo)航賽道檢測(cè)的傳感器就是感應(yīng)線圈。檢測(cè)線圈安裝在智能車體上后，智能車前進(jìn)過程中線圈與導(dǎo)航載流線之間的空間方位決定了線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再配接適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路，將檢測(cè)線圈輸出的電信號(hào)經(jīng)過放大、檢波等處理，最終轉(zhuǎn)換為智能車單片機(jī)能接收的信號(hào)，為智能車提供導(dǎo)航依據(jù)，這是磁導(dǎo)航智能車能夠正確尋道、高速行進(jìn)的重要基礎(chǔ)性工作。而到目前為止，磁導(dǎo)航的檢測(cè)研究還很少，本文將對(duì)檢測(cè)線圈配接的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行探討。
1 檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)
由于比賽用車的尺度遠(yuǎn)小于賽道長(zhǎng)度，可將載流導(dǎo)線近似看作無限長(zhǎng)直導(dǎo)線。載流長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍的磁感應(yīng)線是以導(dǎo)線為軸的同心圓環(huán)，B的方向?yàn)殡娏鱥的右螺旋切向，距離導(dǎo)線a的P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度
式中μ0為真空磁導(dǎo)率，i為直導(dǎo)線中的交變電流，以正弦電流激勵(lì)(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(chǎng)，通過放置在導(dǎo)線周圍的檢測(cè)線圈將交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
假設(shè)在載流導(dǎo)線正上方豎直放置面積為S，匝數(shù)為N的矩形檢測(cè)線圈，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈平面垂直，以線圈中心P點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可估算出通過線圈的磁通量φ
式(4)表明，當(dāng)線圈繞制成型后，線圈匝數(shù)Ⅳ和面積S已確定。檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)還與激勵(lì)電流的幅值，Ip和頻率f成正比。賽制規(guī)定的激勵(lì)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(dá)3倍，這將對(duì)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值E=5 mV，但這只是一個(gè)數(shù)量級(jí)估算，實(shí)際上，若線圈偏離載流導(dǎo)線，或載流導(dǎo)線中的激磁電流減小，或采用尺寸更小的檢測(cè)線圈時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值將迅速減小。
在小車尋道前進(jìn)過程中，小車和固定在小車上的檢測(cè)線圈總會(huì)左右偏離載流導(dǎo)線，檢測(cè)電路的任務(wù)就是要隨時(shí)判斷出小車與載流線賽道的相對(duì)位置，以便根據(jù)小車偏離賽道的程度和小車的速度控制小車上舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度。而要實(shí)現(xiàn)小車與載流線賽道的相對(duì)定位，就必須在小車上排列多個(gè)相同的檢測(cè)線圈，與此對(duì)應(yīng)，每個(gè)檢測(cè)線圈都配接相同的信號(hào)調(diào)理電路，只有位于載流線賽道正上方的線圈對(duì)應(yīng)的電路輸出信號(hào)最大。
也就是說，小車與載流線賽道的相對(duì)位置由多路檢測(cè)線圈中輸出信號(hào)的相對(duì)最大值決定，而與每個(gè)檢測(cè)線圈輸出的信號(hào)大小無直接關(guān)系，找出各路線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值，就可知賽道在該線圈下方。盡管激勵(lì)電流頻率和幅值的變化會(huì)顯著影響線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但這些因素對(duì)所有檢測(cè)線圈的影響相同，上述“找最大” 實(shí)現(xiàn)賽道定位的思路則不受影響，從而提高檢測(cè)電路對(duì)賽道的適應(yīng)性。
2 智能車控制電路對(duì)檢測(cè)信號(hào)的要求
檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)必須經(jīng)過放大和必要的處理，最后提供給智能車的單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換采樣，以獲取賽道的位置信息。智能車的單片機(jī)A/D輸入端需要O～5 V之間的單極性電壓，對(duì)此，可以為單片機(jī)提供兩種不同的信號(hào)類型，單片機(jī)采用不同的方式采樣。
方式1：將檢測(cè)線圈輸出的頻率20 kHz、大約毫伏級(jí)的信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)約1 000倍(60 dB)，然后進(jìn)行幅度檢波轉(zhuǎn)換為直流電壓。單片機(jī)對(duì)每路檢測(cè)信號(hào)只采樣一次就可知道信號(hào)大小，巡回采集多路電壓進(jìn)行比較，通過“找最大”就能實(shí)現(xiàn)賽道定位。
方式2：直接采集放大后的20 kHz信號(hào)(迭加在直流偏置電壓上)，但要求單片機(jī)的A/D采集速率遠(yuǎn)大于20 kHz，單片機(jī)連續(xù)采集多個(gè)周期的電壓，根據(jù)信號(hào)的周期性從采集的數(shù)據(jù)中找出最大值和最小值，根據(jù)二者的差值獲得交流信號(hào)的峰峰值。此方式中，單片機(jī)對(duì)每路信號(hào)要快速采樣很多次才能獲取該路信號(hào)的大小。同樣，要巡回采集多路電壓，通過“找最大”實(shí)現(xiàn)賽道定位。
為了實(shí)現(xiàn)小車與載流線賽道的準(zhǔn)確定位，采用多個(gè)檢測(cè)線圈是必然的選擇.賽制規(guī)定。最多可使用16個(gè)檢測(cè)傳感器。比較上述兩種方式，方式2的信號(hào)處理電路無需檢波功能，但占用單片機(jī)大量的工作時(shí)間，因此，方式1是合理的選擇。
3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
由前面的分析可見，信號(hào)調(diào)理電路的任務(wù)和工作條件是：1)帶寬和增益，對(duì)20 kHz、毫伏級(jí)的信號(hào)放大約1 000倍，且動(dòng)態(tài)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(hào)轉(zhuǎn)換，對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行幅度檢波。
使用分立元件搭建電路雖然能實(shí)現(xiàn)該功能，但電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，并且電路性能會(huì)隨電池電壓的波動(dòng)而變化。常見的通用運(yùn)放如OP07、LM324、 LM358等，對(duì)于20 kHz信號(hào)無法滿足帶寬和增益的要求，同時(shí)，其輸出擺幅較小。近年來出現(xiàn)的一些新的集成運(yùn)算放大器能很好地承擔(dān)上述任務(wù)。如OPA228系列運(yùn)放、 MAX445l系列運(yùn)放。特別是MAX4451雙運(yùn)放，-3 dB帶寬達(dá)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(huán)增益大于50 dB，使用兩級(jí)放大外加負(fù)反饋完全能勝任。實(shí)際電路如圖1所示。
智能車是靠電池驅(qū)動(dòng)的，隨著工作時(shí)間持續(xù)，電池電壓必然下降。由于運(yùn)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(dòng)基本不影響運(yùn)放的工作性能。
圖1中L1是檢測(cè)線圈。R1、R2分壓為運(yùn)放提供輸入偏置電壓，適當(dāng)調(diào)節(jié)R2可改變放大器的輸入偏置電壓。由于第2級(jí)放大電路的增益設(shè)定為 (R5/R4)=30倍，可根據(jù)檢測(cè)線圈L1輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，適當(dāng)選擇R3改變第1級(jí)的放大倍數(shù)，從而使總增益滿足要求。引入R7是為了降低第1級(jí)放大電路的直流增益，從而提高靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性。但R7的引入降低了第1級(jí)電路的交流放大能力，故接人C4=0.47μF實(shí)現(xiàn)交流旁路。VD1、R6和 C3構(gòu)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(shí)間常數(shù)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(jī)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(dǎo)致電路響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)智能車與賽道的偏離反應(yīng)遲鈍.C3的實(shí)際取值應(yīng)在此估算的基礎(chǔ)上通過測(cè)試確定。
此外，按常理，R1=R2分壓為運(yùn)放提供輸入偏置應(yīng)該為電源電壓VCC的一半，約3.6 V。但由于VD1、R6和C3構(gòu)成的是正半周峰值包絡(luò)檢波電路，檢測(cè)線圈L1的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yùn)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(dòng)態(tài)范圍。
4 結(jié)論
上述電路能滿足磁導(dǎo)航智能車對(duì)信號(hào)檢測(cè)的要求。電路調(diào)節(jié)方法：靜態(tài)條件下，調(diào)節(jié)R2使檢波電路輸出電壓約為1V;動(dòng)態(tài)條件下，當(dāng)豎直放置的檢測(cè)線圈距離賽道載流線最近，且激磁電流為150 mA時(shí)，調(diào)節(jié)R3使檢波電路輸出電壓接近但不超過5 V，以滿足單片機(jī)A/D端采集電壓的要求。
由于檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)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(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性.使用一個(gè)檢測(cè)線圈是不行的。實(shí)際上，可以在小車的前端平行放置多個(gè)豎直檢測(cè)線圈，每個(gè)檢測(cè)線圈都配接相同的信號(hào)調(diào)理電路，智能車上的單片機(jī)必須快速巡回采集每個(gè)調(diào)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(cè)線圈的正下方。
單片機(jī)巡回采集各個(gè)調(diào)理電路的輸出電壓時(shí)，只需要比較哪一路輸出電壓最大，就能實(shí)現(xiàn)尋道，并不關(guān)心具體電壓的數(shù)值。這種“找最大”方法的優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)調(diào)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(guān)，但激磁頻率和激磁電流對(duì)各路檢測(cè)電壓的影響是相同的，上述“找最大”方法始終能夠根據(jù)輸出電壓的相對(duì)最大值判斷出賽道位置，這就使得尋道檢測(cè)電路對(duì)賽道有很好的適應(yīng)能力。
多個(gè)檢測(cè)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(cè)線圈水平放置在載流導(dǎo)線正上方時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零;檢測(cè)線圈位于載流導(dǎo)線上方的一側(cè)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大;檢測(cè)線圈位于載流導(dǎo)線上方的一側(cè)，且偏離較遠(yuǎn)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小。此時(shí)，智能車上的單片機(jī)應(yīng)該快速巡回采集每個(gè)調(diào)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(cè)線圈的正下方。
