基于电感的智能小车电磁循迹方案
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作者:罗茜 唐鼎明
【摘 要】在飞思卡尔智能车竞赛中，传感器的不同，对于赛道的识别方式也就不同，常用的循迹方式有摄像头循迹和电磁循迹。摄像头循迹主要依靠摄像头收集赛道信息完成比赛，摄像头小车速度快但极易受周围因素的影响。电磁循迹主要依靠电感收集导线周围产生的磁场信息，跟随电磁引导线完成比赛，电磁小车的速度可能没有摄像头小车的速度，但不会受除电磁场以外的影响，而且电磁循迹有原理简单、价格便宜、体积小等优点，因此，电磁循迹小车比摄像头小车更有优势。
【Abstract】In Freescale intelligent car race， the different sensors， the way to identify the track is different. The common tracking methods include camera tracking and electromagnetic tracking. The camera tracking mainly relies on the camera to collect track information to complete the race. The camera car is fast but vulnerable to the influence of surrounding factors. Electromagnetic tracking mainly relies on the inductance wires of the magnetic field generated around information collection， follow the electromagnetic guide line finished the race. The speed of electromagnetic car may not have the speed of camera car， but will not be affected in addition to electromagnetic field， and the electromagnetic tracking has the advantages of simple principle， cheap price and small size， so the electromagnetic tracking car has more advantages than the camera car.
【關键词】电磁循迹;智能小车;感应线圈
【Keywords】electromagnetic tracing; intelligent car; induction coil
【中图分类号】TP23 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）06-0172-02
1 引言
随着飞思卡尔智能车竞赛的发展，赛道元素越来越多，竞赛项目也是越来越精彩，电磁循迹是飞思卡尔智能车竞赛经典项目之一，近年来几乎每一届飞思卡尔智能车竞赛都会有电磁循迹的身影。智能小车依靠电磁循迹的方式行驶可以排除光线、温度等外界因素的影响，而且可靠性高。由此可知，电磁循迹相比于摄像头能够更简单地完成竞赛任务。
2 设计要求和设计原理
2.1 设计要求
在智能车竞赛中，赛道中心线位置处会有一根通有100mA交变电流的导线作为电磁引导线用于电磁循迹，小车可以通过对导线产生的电磁场进行采集分析处理，判断当前所在位置，从而控制小车沿预定赛道方向行驶完成比赛。
2.2 设计原理
由于电感有体积小、原理简单、价格便宜、电路简便等特点，本文主要介绍基于电感的电磁循迹的基本方案。
根据麦克斯韦电磁场理论可知，交变电流的周围会产生交变的电磁场。智能汽车竞赛使用的电磁引导线的交流电流频率为20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波，甚低频频率范围处于工频和低频中间，为3～30kHz，波长为10～100km[1]。
导线周围的电磁场按一定的规律分布，而赛道宽度远远小于电磁波的波长λ，电磁场辐射能量很小，所以能够感应到的电磁波的能量也就非常小，因此，我们可以将导线周围变化的磁场近似地认为是缓变的磁场。根据这一特点我们可以按照检测静态磁场的方法去采集导线周围的磁场分布、强度以及方向来判断检测点与导线的距离，从而可以得出小车在赛道的位置。
根据比奥-萨法尔定律可知：通有稳恒电流I长度为L的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r处的P点的磁感应强度为[2]：
如图1所示：
对于无限长直电流来说，式（1）中θ1=0 ，θ2=π，所以：
由此可知：导线周围的磁场以导线为圆心的一系列的同心圆分布，圆上任意一点的磁感应强度大小相等，磁感应强度随距离导线的半径r的增加而下降。
导线中的电流按一定规律变化时，导线周围产生的磁场也会发生相应的变化，此时线圈可以感应出一定的电动势。根据法拉第电磁定律可知：通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势E与磁通量对时间的变化率d？渍t /dt之负值成正比，即： 由于导线中的电流频率较低，感应线圈也较小，我们认为小范围内磁场分布是均匀的。根据导线周围的磁场分布规律，可以将感应电动势近似地认为是：
由式（4）可知，線圈中感应电动势的大小和电流变化量成正比，和线圈中心到导线的距离成反比。
3 磁场检测方案
根据对基本设计原理的分析，我们知道在通电的导线周围有规律的磁场，使用电感作为检测导线的传感器。如果在通电的直导线的两侧对称地水平放置一对感应线圈，则可以得到感应磁场的一对感应电动势，进而可以获得磁场的强度。
因为是对称放置的一对感应线圈，所以在直线的情况下，一对感应线圈获取到的感应电动势理论上是一样的。当对称的一对感应线圈检测到的感应电动势不同时，将感应线圈检测到的电动势进行比较，根据基本设计原理可知：检测到较大值的感应线圈离导线更近，小车的位置出现偏移，应该控制两个电机的转速，造成差速进而达到转弯的效果，使小车的位置回到赛道中间。
但是在竞赛中，赛道并不仅仅只有直线元素，还会出现圆环、十字交叉等元素，那么就需要在原有的一对水平感应线圈的基础上再加一组垂直感应线圈。两组线圈组合在一起，可以独立地获得比较丰富的信息，因此，可以在应用中将它们作为一个传感器组[3]，如图2所示。
放置电感时，为了达到感应电动势容易被采集和利用的目的，电感的高度应尽量小，为了利用距离电磁引导线越远感应电动势越小的规律，水平电感应水平布置在距电磁引导线7cm以外[4]。理解了电磁循迹的基本原理，搭建好小车基本框架后，在通电的赛道上进行磁场采集分析，依靠传感器组在赛道的各类位置采集回来的信号不同寻找不同的标志位。将小车放在直线赛道中心位置，当水平电感检测到的左右两侧电感值不同时，控制电感值更小的一侧的电机转速增加以达到左右电感平衡的效果。当小车四个电感值同时检测到电感值发生突变说明前方是十字路口，小车此时应该直行通过。当小车某侧电感检测到的电感值明显大于另一侧时说明前方有圆环，并且圆环处于电感值大的一侧，此时需要控制电感值更大的一侧的电机转速增加，直到电感值与直导线相似为止。为防止小车重复行驶圆环，当检测到圆环标志位后，10s之内不对圆环标志位做出特殊处理。小车全程依靠标志位控制电机差速运行，完成整个赛道。
4 测试与分析
当小车在导线无交叉的情况下，依靠水平电感可以完成行驶;当小车面对十字交叉时，水平电感和垂直电感都会立即突变;当小车面对环岛时，环岛侧的水平电感和垂直电感会有明显的突变，另一侧的突变则明显小于环岛侧。各种情况下的感应电动势如图3所示。
5 结语
利用电感成本低、原理简单的优点，用电感作为传感器能够简单方便地达到效果，通过电感在磁场中对感应电动势的采集，可以引导小车随基本赛道行驶。根据具体情况，合理放置电感的位置能够得到较好的前瞻性，加上对磁场叠加的处理，以及电机PID和转向PID的调节，只要有电磁引导线的赛道，小车都能完美地完成比赛。
【参考文献】
【1】竞赛秘书处.电磁组竞赛车模路径检测设计参考方案[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/7884d1ae04a1b0717fd5ddbc.html，2014-06-09.
【2】张昊飏，马旭，卓晴.基于电磁场检测的寻线智能车设计[J].电子产品世界，2009，16（11）：48-50.
【3】李仕伯，马旭，卓晴.基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究[J].电子产品世界，2009，16（12）：41-44.
【4】李全民，贾林锋.电磁循迹式智能小车传感器布置研究[J].实验技术与管理，2019，36（08）：139-142.
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