电轨组路径检测参考方案

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1、电轨组路径检测参考方案一、前言在第十一届全国大学生智能车竞赛[1]中的基础类电轨组（B4）以及创意类的节能创意组要求参赛车模能够识别赛道中央铺设的铝膜胶带并沿着赛道运行。相对于光电和摄像头赛题组，电轨组中赛道识别不受环境光线影响，容易选择比赛场地。赛道中心铺设的铝膜胶带，一方面能够作为赛车寻道的标志线，另一方面可以为创意节能组从铝膜中受电从而驱动车模运行。精确识别赛道上铝膜胶带的位置是引导车模正常运行的关键。本文将会介绍一种基于电磁感应的金属铝膜检测方案，能够导引车模在赛道上正常运行。赛道中的铝膜铺设是采

2、用通用的铝膜胶带铺设，如下图所示：mc25≤≤25cm镀锡铜线≤25cm折线拼接示意图为了减少拼接处的电阻，使用镀锡铜线粘贴在拼接缝隙处。图1电轨组赛道结构（摘自竞赛细则图11）详细的铺设要求请参见竞赛细则中的叙述。二、金属位置检测综述由于铝膜胶带的颜色是银色的，与赛道表面的颜色相近，所以使用普通的摄像头检测铝膜胶带的位置相对比较困难。利用铝膜的金属特性，可以采用金属检测的方法检测铝膜的位置。检测金属位置的方法可以根据金属的不同特性分为以下几种[2]：1）利用金属的导电特性：利用接触电极触碰到铝膜，通过电

3、极之间是否导电获得金属是否位于电极下面。由于这种方式需要接触铝膜，对于车模运行会产生一定的阻力，所以该方式不适合用于车模竞赛中。2）利用金属在交变磁场感应涡流的特性：这种检测方式应用比较广泛。从安检过程中所使用的手持金属探测仪到工业中涡流距离传感器都是使用的类似的原理。当通有交变电流（频率小于一定数值）线圈靠近金属物体的时候，线圈周围的交变磁场会在金属物体中感应出涡流。涡流所产生的二次磁场叠加在原来磁场中则会改变原有线圈中的感应电动势，进而可以等效改变原线圈的电抗。如下所示：MagnetizingCoil

4、AlternatingCurrentEddyCurrentMetalPlate图2扁平线圈在导电板中感应涡流示意图线圈的电抗改变的大小与线圈的形状、振荡频率、线圈与金属相对位置以及金属的电导率、磁导率有关系。如果在线圈形状、振荡频率以及金属种类都确定的情况下，线圈电抗的变化则能够反映线圈与金属之间的相对位置。检测线圈电抗改变的简单方法是采用谐振电路。将线圈放在正弦波振荡电路的谐振回路中，当线圈的电抗改变，则谐振电路的频率会随之改变。通过震荡信号的频率变化反映出线圈的电抗的变化，进而可以检测线圈与金属之间的

5、相对位置。检测线圈与金属之间的相对位置参数主要包括距离和重合面积。下图显示的一个矩形线圈与金属平板之间相对位置。如果维持距离d不变，则相对位置主要由线圈与金属平板之间的重合距离l决定了。本文所给出的参考方案就是利用这个特点来测量线圈与金属之间的相对重合距离，进而反映了车模与赛道的偏移量。CoilHeightdlMetalPlaneDistance图3矩形线圈与金属平板之间测相对位置3）利用金属板极之间的电容效应。图4所示的是利用金属极板之间电容效应的位移传感器。两个金属极板之间的电容由如下公式表示：Mov

6、ablepoleReferencepoleDistancedlMisplacementGroundplate图4横向错位时电容位移传感器A0rCd其中：：真空介电常数；0：极板之间材料的相对介电常数；rA：基板有效重叠面积；d：基板之间的距离。如果极板的形状，相对距离d不变，电容的大小与两个极板之间错位位移l有关系。由于在竞赛赛道上，没有接地的参考电极，因此利用上述原理检测极板偏移距离的时可以采用双极板模式进行检测。如下图所示：ReferenceplateSensingplatelCoi1f

7、humAlternativevoltageinCum2AlHeightfromplatetoaluminumfoil图5利用电容效应检测位置偏移量两个极板中，一个是参考极板，它全部位于铝膜的上方；另外一个是感应极板，它与铝膜重叠面积与位置偏移量有关系。在这个两个极板之间施加交变电压是，可以将两个极板与底层铝膜之间形成的电容看成串联的关系。用C、C分12别表示感应极板和参考极板与铝膜之间形成的电容。其中C与感应极板的偏移1量有关系；C为参考极板对应的电容。由于参考极板始终在铝膜上方，所以它2的容值基本保持不

8、变。总的电容为：CC12CCC12上述总的电容容量反映了感应极板的相对偏移距离。可以通过谐振电路的方式检测电容的变化，进而可以得到感应电极的偏移量。由于在实际的电归赛道铺设中，两条铝膜之间有5毫米的间距，不是一整块导体，这使得参考电极对应的电容也会发生变化，进而会影响测量的精度。总结以上三种形式，采用非接触型涡流感应方式比较适合竞赛的应用。下面将会介绍具体的实现电路和安装方式。三、检测电路利用感应涡流的原理，检测线圈电感