传感器布局与控制策略

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1、传感器布局与控制策略的研究传感器布局与控制策略的研究摘要：本文主要讲述了基于电磁导线引导的智能小车的传感器布局与控制策略。通过在导向区域铺设引导导线，并在导线加上低频交流信号，电磁传感器通过检测空间磁场将信号通过选频、滤波、放大后送给微处理器，微处理器对传感器数据进行综合运算就能够进行正确导向。由此可以看出，电磁导向能很好的规避外界环境条件的影响，能同时兼顾导向的准确性和稳定性。主要包括传感器电路的设计、传感器布局的设计和验证关键词：单片机；电磁感应；智能导航；PID传感器布局与控制策略的研究第一章　电磁小车整体设计1.1车硬件系统总括本电磁小车按照赛事准则的要求使用了飞思卡尔公

2、司的16位单片机芯片MC9S12XS128为主控芯片，单片机与外围各个模块有效组合，形成了电磁小车的主要控制框架。通过软件算法的设计改进和不断调试，最终能使小车自动寻迹，高速稳定前进。系统框架如图1.1。图1.1系统框图1.2参数要求按照赛事规则要求，小车采用统一的1:12车模，在其车身上固定所需要各模块的电路板及支架，小车的主要参数如下：项目参数车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）600、248、115车模轴距/轮距（毫米）130车模平均电流（匀速行驶）(毫安)2200电路电容总量（微法）1520传感器种类及个数电感*7，干簧管*6，编码器*1新增加伺服电机个数0赛道信息检测空间

3、精度（毫米）5赛道信息检测频率（次/秒）500主要集成电路种类/数量LM2940*2BTS790B*2-29-传感器布局与控制策略的研究74HC244*174HC08*1车模重量（带有电池）（千克）1.5经过一系列安装调教，小车最终模型如图1.2图1.2　小车模型第二章传感器布局2.1信号源要求根据组委会要求，竞赛车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处由通有50-150mA、20khz交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测。信号源电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路以及电源等组成。根据技术要求，设计方案如图2.1。-29-传感器布局与控制策略的研究图2.1　信号源设计

4、方案根据系统方案制作的实际信号源输出方波如图2.2。图2.2　负载波形-29-传感器布局与控制策略的研究2.2电磁传感器电路设计路径传感器是小车的“眼睛”，因此路径传感器的选型与布局是制作电磁智能车首先要解决的问题。2.2.1电磁传感器选型赛道中心铺设一根通有交流电的导线，交流电频率为20khz，电流峰值为50-150mA。根据电磁学原理可知，在载流导线周围充斥着频率与交变电流相同的交变磁场。检测空间磁场通常有以下一些方法：（1）电磁感应磁场测量方法：电磁线磁场传感器，磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器。（2）霍尔效应磁场测量方法：半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。（3）

5、各向异性电阻效应（AMR）磁场测量方法。（4）载流子自旋相互作用磁场测量方法：自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，10-11-107G。要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。经过多方面的验证，我们选取最为传统的电磁感应线圈的方案。它具有原理简单、价格便宜、体积小（相对小）、频率响应快、电路实现简单等特点，适应于快速实现路经检测的方案。令线圈中心到导线的距离为r，认为小范围内

6、磁场分布是均匀的，则线圈中感应电动势可近似为：(2-1)即线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化率，反比于线圈中心到导线的距离。其中常量K为与线圈摆放方式、线圈面积、电流变化率和一些物理常量有关的一个量，具体的感应电动势常量须实际测定来确定。由根据上述检测到的电压与距离的关系可以得出小车与轨迹中心线的距离，因此，传感器的数量和布局对检测磁场强度和确定运动小车位置有非常大的影响。2.2.2电路设计-29-传感器布局与控制策略的研究2.3传感器布局图1车体坐标系图2导线周围的感应电磁场根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在导线附近产生交变的电磁场，因此，检测相应的电磁场的强度和方向可以

7、推导测点和导线的空间位置。通过交变磁场中的电感线圈产生感应电流，在导线位置和导线中电流既定的条件下，线圈中感应电流(或者电压)是空间位置的函数。运动轨迹主要可分为直道、弯道和十字交叉。为了方便后述说明，本文建立如图1所示空间直角坐标系。AGV车体坐标系中，定义小车前进的方向为Y轴正向，水平垂直于Y轴且相对于电流方向为右的边为X轴的正向，Z轴指向小车正上方。水平线圈是指轴线平行于Z轴的电感线圈，垂直线圈是指轴线平行于X轴的线圈，通过分析可知，轴线平行于Y轴的线圈所感应到的电动势远小