1、1緒論1.1課題研究背景及目的“飛思卡爾杯”智能車大賽起源于韓國，是韓國漢陽大學汽車控制實驗室在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的以hcsl2單片機為核心的大學生課外科技競賽。飛思卡爾智能車大賽于2006年這中國首次舉辦，至今已經舉辦了五屆。如圖1.1是一參賽車圖例。圖1.1飛思卡爾智能車大賽參賽車飛思卡爾智能車大賽設計內容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械、能源等多個學科的知識。其目的旨在對培養學生的知識融合和實踐動手能力，以及發現問題分析問題解決問題的能力。大賽分為三個組別:電磁組、攝像頭組、光電組。相對于攝像頭組和光電組，電磁組的賽道信號可以提供模擬信息的優勢，利用

2、這種優勢通過設計合理的傳感器布局方案、靈敏的信號檢測電路，完善小車控制算法，可以達到很好的控制效果，進而使小車更好更快的跑完全程。電磁導引技術是最為傳統導引方式之一，其基本原理是在導引車的行駛路徑埋設金屬導線并在金屬導線上加載導引頻率，通過對導引頻率的識別來實現導引。電磁導引的主要優點是引線隱蔽，不易污染和破損，導引原理簡單而可靠，便于控制和通訊，對聲光無干擾，制造成本較低。因此該技術在日常生活和生產領域有著廣泛的應用，例如基于電磁導引技術的噴霧機器人、自動運輸車等被廣泛的應用于農業工業領域。但是隨著工業農業對自動導引車要求的提高，例如對控制精度以及導引車響應速度要求的提高，僅僅依靠傳統的技術

3、已經不能滿足生產生活的需要，因此如何對傳統的技術進行優化并在此基礎進行創新成為了一個新的課題。本設計正是以飛思卡爾全國智能車競賽的電磁組的引導小車為平臺，通過選擇合適的磁場檢測傳感器，設計合理的傳感器布局方案以及靈敏的檢測電路來實現引導小車的尋跡，同時引導軌跡進行超前預測。1.2國內外發展現狀和發展趨勢1953年，美國barrett electric 公司制造了世界上第一臺采用埋線電磁感應方式跟蹤路徑的自動導向車，也被稱為“無人駕駛牽引車”。在最近的10-16年里，各種新型agv（automatic guided vehicle）被廣泛應用于各個領域。單元式agv主要用于短距離的物料運輸并與自

4、動化程度較高的加工設備組成柔性生產線。例如，自動導向叉車用于倉儲貨物的自動裝卸和搬運，小型載貨式agv用于辦公室信件的自動分發和電子行業的裝配平臺，如圖2.2是基于電磁導引原來的自動叉車。除此之外，agv還用于搬運體積和重量都很大的物品，尤其是在汽車制造過程中用多個載貨平臺式agv組成一棟式輸送線，構成整車柔性裝配生產線。最近，小型agv應用更為廣泛，而且以長距離的路徑規劃為主。agv從僅有大公司應用，正向小公司單臺應用轉變，而且其效率和效益更好。2.2基于電磁導引原理的自動叉車agv最早運用的技術就是電磁導引技術，而在物流大型工礦企業的agv目前也是電磁導引技術應用最為廣泛的領域。但是隨著基

5、于光學導引、激光導航、慣性導航、視覺導航、gps導航為代表的agv興起，基于電磁導引的agv的地位也受到了挑戰。盡管電磁導引agv具有原理簡單可靠、便于控制通信、成本低等優點，但是在控制精度靈活度卻不及慣性導航、視覺導航等類型agv。因此如何提高電磁導引的靈活度及其精確度顯得十分重要，而這也與本設計的目的所在。全國智能車大賽已經舉行了五屆，大賽小車分為三個組別：電磁組、攝像頭組、光電組。其中電磁組是在第五屆大賽上才被加進來的。盡管參與時間短，相關的技術研究的較少但是電磁組的小車卻取得了不錯的成績，根據官方提供的數據，第五屆全國智能車大賽光電組的最佳成績是28秒、攝像頭組的最佳成績為25秒、電磁

6、組的最佳成績為27秒。相對于真個賽事最佳成績電磁組小車僅落后了兩分，但是不得不承認電磁組小車在前瞻預測相對于其他組別還有一定的差距，因此設計出優秀的傳感器前瞻預測方案對于小車取得好的成績至關重要，同時將這一前瞻方案應用于傳統的agv設計進而提高agv的性能也是非常有意義的。眾所周知隨著汽車等交通工具的廣泛應用，交通事故的發生次數也在逐年增加。而這其中有相當一部分是由于駕駛員長距離疲勞駕駛引起的,特別是對于長途客運及貨運汽車的司機，因此研究如何運用電磁導引技術在司機疲勞時引導汽車自動安全行駛將是一件很有意義的事情。同時利用電磁導引技術做成巡線機器人對高壓線路進行檢查，及早發現故障進而準備地排除故

7、障保證線路的安全運行也是一件十分有意義的事情。1.3課題研究方法本課題結合電磁場相關的理論知識，并通過數值仿真詳細分析了各種路況下磁場的分布情況。并總結出各個方向傳感器在總體方案中應有的作用，進而選擇出合適的傳感器并設計出了傳感器檢測方案。通過查閱傳感器檢測電路資料，設計出合適的傳感器檢測電路，并結合往屆智能車大賽技術文檔，對自己已設計出的檢測電路各個部分進行分析修正。最后通過相關的軟件對完整的檢測電路進行了仿真并得到了滿意的結果。1.4論文構成及研究內容本文主要對智能車尋跡及其前瞻預測進行了研究，主要從傳感器方案設計研究及檢測電路的設計兩個方面進行了分析。各個章節安排如下：第一章闡述了課題的

8、研究背景及目的，分析了相關的研究狀況及發展趨勢，同時對整體的設計思路進行了分析。第二章對磁場檢測基本原理以及軌跡超前預測的基本原理進行了介紹。同時本章還對基于不同原理的檢測方法進行了分析比較并確定了方案最終采用的檢測方法。最后本章還確定了傳感器選材。第三章詳細分析了各個方向傳感器所檢測到的磁場的特點，總結出各個方向傳感器在整個傳感器擺放方案中的作用，并由此設計出傳感器擺放方案。第四章主要是傳感器檢測電路的設計分析。包括選頻部分、放大部分以及檢波等部分的分析設計。并通過軟件仿真對運算放大器的選擇確定。2磁場檢測和前瞻預測的基本原理及檢測方法2.1磁場檢測基本原理2.1.1麥克斯韋電磁場理論麥克斯

9、韋電磁場理論是電磁場領域的經典理論，同時也是本設計電磁檢測的理論基礎，因此在對磁場檢測基本原理分析之前有必要對麥克斯韋電磁場理論進行介紹。麥克斯韋電磁場理論的核心是四個方程即麥克斯韋方程組。下面對麥克斯韋方程組（積分形式）進行論述。電場的高斯定理：變化的磁場激發的渦旋電場是無源場，電位移線是連續的閉合曲線，其電位移對于任意閉合曲面的電位移通量為零，電荷激發有源電場，設為位移電流，則有。電場的環路定理：電荷所激發的電場是無旋的，其電力線不閉合，設其電場強度為e1，則e1沿任一閉合曲線的線積分為零，即。磁場的高斯定理:傳導電流和位移電流都激發渦旋磁場，磁場是無源場，其磁感應線是連續的閉合曲線，即有

10、 。磁場的安培環路定理:傳導電流和位移電流都激發渦旋磁場，其總磁場強度的環流為。在方程中麥克斯韋提出了渦旋電場的概念，揭示出變化的磁場可以在空間激發電場，并通過法拉第電磁感應定律得出了二者的關系，任何隨時間而變化的磁場，都是和渦旋電場聯系在一起的。同時他還提出了位移電流的概念，揭示出變化的電場可以在空間激發磁場，并通過全電流概念的引入，得到了一般形式下的安培環路定理在真空或介質中的表示形式，任何隨時間而變化的電場，都是和磁場聯系在一起的。綜上可知變化的電場和變化的磁場彼此不是孤立的，它們永遠密切地聯系在一起，相互激發，組成一個統一的電磁場的整體。這就是麥克斯韋電磁場理論的基本概念。2.1.2磁

11、場檢測基本原理根據2.1.1節麥克斯韋電磁場理論論述可知：交變電流會在周圍產生交變的電磁場。智能汽車競賽使用路徑導航的交流電流頻率為20khz，產生的電磁波屬于甚低頻（vlf）電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁破中間，為3khz30khz，波長為100km10km。如圖1.1所示：圖2.1電流周圍電磁場分布示意圖注：圖中 其中是波長，c是光速，f是頻率。導線周圍的電場和磁場，按照一定規律分布。通過檢測相應的電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導線的空間位置，這正是我們進行電磁導航的目的。由于賽道導航電線和小車尺寸l 遠遠小于電磁波的波長 ，電磁場輻射能量很小（如果天線的長度l 遠小于電磁

12、波長，在施加交變電壓后，電磁波輻射功率正比于天線長度的四次方），所以能夠感應到電磁波的能量非常小。為此，我們將導線周圍變化的磁場近似緩變的磁場，按照檢測靜態磁場的方法獲取導線周圍的磁場分布，從而進行位置檢測。2.2 前瞻預測的基本原理由上節可知通過檢測靜態磁場的方法獲取導線周圍的磁場分布可以對小車當前位置進行確定，對于前瞻預測我們做如下的分析。圖2.2路徑為直線時的磁場分布圖2.3路徑為彎道時的磁場分布如圖2.2、圖2.3分別表示路徑為直線和彎道時的磁場分布，其中a點、b點表示兩個傳感器，箭頭方向表示電流方向。當路徑為直線時如圖2.2，由電磁場方向判別右手定則可知，導線右側的磁場方向為垂直紙面

13、向里，圖中用“叉”表示磁場方向；此時a傳感器和b傳感器檢測的磁通量大小相等即a傳感器檢測信號和b傳感器檢測信號大小相等。當路徑為彎道時如圖2.3，導線左右兩側的磁場方向同路徑為直線時相同，但是由于道路彎曲導致磁場疊加，使得通過b傳感器的磁通量大于通過a傳感器的磁通量，即b傳感器信號檢測值大于a傳感器信號檢測值。當由a傳感器和b傳感器組成的傳感器組置于車頭時利用上述變化可以對小車當前道路狀況進行分辨，當此類傳感器置于上并距小車車頭一定距離時，即可以實現對小車行進道路狀況進行超前預測。通過設置多組傳感器，利用各組傳感器的檢測信號的特點，可以實現對不同路況的超前預測。2.3磁場檢測方法的選擇由于賽道

14、是通有20khz交變電流的導線，因此需要通過檢測導線周圍所產生的電磁場來確定小車與賽道的相對位置。磁場傳感器利用了物質與磁場之間的各種物理效應：磁電效應（電磁感應、霍爾效應、磁致電阻效應）、磁機械效應、磁光效應、核磁共振、超導體與電子自旋量子力學效應。現代檢測磁場的傳感器很多，常見的有磁通門磁場傳感器、磁阻抗磁場傳感器、半導體霍爾傳感器、磁敏二極管、磁敏三極管。各個傳感器所依據的原理不同，測量的精度和范圍差別也很大g。先估算賽道的磁場強度。把賽道看成是無限長直導線，載流電流為100ma，距離導線5cm時，由畢奧薩伐爾定律知，磁場強度帶入數據得如圖2.1是各個類型傳感器測量范圍示意圖。磁傳感器技

15、術磁場檢測范圍10-810-411041081.感應線圈傳感器2.磁通門傳感器3.光泵式磁敏傳感器4.原子運動傳感器5.squid傳感器6.霍爾效應傳感器7.磁阻傳感器8.光纖傳感器9.光敏磁傳感器10.磁體晶體管傳感器11.磁敏二極管傳感器12.巨磁阻傳感器13地磁場圖2.1各個類型傳感器檢測范圍一般霍爾元件的檢測范圍在1mt以上即10g以上，可以想象若用霍爾元件，傳感器需要貼著地面進行檢測，這樣檢測精度大大受到限制。磁阻傳感器如honeywell的高靈敏度磁阻傳感器hmc1001，分辨率高達27微高斯，還可以使用多軸的磁阻傳感器檢測不同方向的磁場。普通的電感線圈傳感器測量范圍廣，理論上只要

16、加合適的諧振電容及放大電路，不但能篩選特定頻段進行放大而且較強的抗干擾能力。我們選擇適合車模的檢測方法，除了檢測磁場的檢測精度外還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應、尺寸、價格、功耗、以及實現的難易程度進行綜合考慮。由于霍爾元件和磁阻傳感器的檢測精度比較低價格比較高，因此我們選用最為傳統的電磁感應線圈。電磁感應線圈具有原理簡單、頻率響應快、電路實現簡單等優點。而且線圈取材方便可以自行繞制也可以到市面上買。2.4線圈傳感器的選擇傳感器相當于整個智能車系統的眼睛，因此傳感器的選擇是整個設計的關鍵。由2.3節知：綜合考慮綜合頻率響應、價格、尺寸等因素本設計決定采用線圈檢測的方法。而線圈傳感器有不同的

17、類型，下面對其進行詳細分析。圖2.2各種型號線圈的cg圖各種型號的線圈傳感器如圖2.2所示，其中常用的電感線圈有有色環電感、工字電感。線圈可以自制也可以定制。本設計選用市面上容易買得到的10mh工字線圈。10mh工字線圈有多種規格，常見的規格有68、610、1012。其中乘號前面表示的是線圈的直徑乘號后面表示線圈的長度。直徑越大高度越大表示，在直導線同一位置獲得電磁能量越大，傳感器獲得信號就越強，但是太大的線圈會增大傳感器的重量，引起機械結構等問題。經歷眾多選型后本設計選定68工字電感，100ma電流時它能檢測到的峰峰值為50mv左右的電壓值，同時此類線圈q值高，具有開放的磁芯，能滿足設計的要

18、求。此外傳感器在制作工藝上可以考慮全貼片，這樣做可以使傳感器更精致穩定。3磁場分析及傳感器擺放方案的確定3.1理想條件下長直導線的磁場分布對于如圖3.1所示的長直導線：通有穩恒電流i長度為l的直導線周圍會產生磁場，距離導線距離為r處p點的磁感應強度為對于長度為l通有電流i的導線周圍產生的磁場，距離導線距離為r處的磁場強度為：圖3.1理想條件下長直導線磁場分析 (0=410-7tma-1) (3.1)由此可得： (3.2)對于無限長直流電流來說，上式中，則有 (3.3)3.2 磁場在各個方向傳感器上的分布特點由于20khz電流產生的磁場是交變的磁場，因此直接分析交變磁場不是一個可取的辦法。考慮到

19、問題的線度遠小于20khz電磁波波長，故可先考慮直流的情況然后再把結果應用到交流條件下。在這一思路下，原來的問題將轉化為：載流導線通過直流電流i，它在空間產生的靜態磁場為b（x，y，z），電感線圈（即為傳感器）中的電壓有效值u正比于所在位置的磁感應強度b（x，y，z）。對于如圖3.2所示的車體坐標系，定義小車前進方向為y軸正方向，順著y軸右手為x軸正向，小車正上方為z軸正方向。定義傳感器線圈軸線平行于z軸方向的為水平線圈，對應的磁感應強度分量為bz ；軸線平行于x軸方向的為垂直線圈，對應的磁感應強度分量為bx ；軸線平行于y軸方向的為豎直線圈，對應的磁感應強度為by。據畢奧薩伐爾定理即式（1）

20、可知，空間任意點的磁場強度可以看成導線上電圖3.2車體坐標系流產生的磁場之和，即： (3.4)直線道路附近的磁場分布可近似為無限長直導線的磁場分布，故由3.3式可求的， (3.5) (3.6)式中h是指線圈到地面的垂直距離令，則令，則對于給定道路，k是定值可以有實驗確定。故對的分析可以分別轉化為對bx1和bz1的分析。 (3.7)圖3.3 h取不同值時bx1的圖像bz1= (3.8)如下圖3.3，圖3.4，圖3.5為h=5,h=7,h=8,h=10時對應的bx1，bz1，以及bx1和bz1對比圖像圖3.4 h取不同值時bz1的圖像圖3.5高度h為5cm時bx1和bz1的圖像對比圖3.6高度h為

21、7cm時bx1和bz1的圖像對比圖3.7高度h為8cm時bx1和bz1的圖像對比圖3.8高度h為10cm時bx1和bz1的圖像對比由圖3.3和圖3.4可知：bx1是關于x的偶函數并且在y軸兩側單調；bz1是關于x的奇函數，在y軸兩側不單調；由圖3.5、圖3.6、圖3.7、圖3.8可知：在同一高度下，bx1的幅值是bz1的兩倍，但是當x=20時，bx1的幅值只有bz1幅值的一半左右，因此bx1較bz1衰減快。綜上可知：bx1（即垂直線圈）適合解算具體x值；由于bx1衰減較bx1快很多，故bz1（即水平線圈）適合做前瞻預測。圖3.9路徑為直線時對應的磁場分布對于圖3.9表示路徑為直線時的磁場分布，

22、圖中箭頭方向表示電流方向，“點”表示磁場方向垂直紙面向外，“叉”表示磁場垂直紙面向里，圖中線圈a表示。由圖可知當導線為直導線時，通過豎直線圈傳感器的磁通量為零，故此時線圈感應電壓為零。圖3.10路徑為彎道時對應的磁場分布當導線不是直導線時，如圖3.10，豎直線圈上將有磁通分量此時線圈將感應出電壓（此時豎直線圈對于遠端導線相當于垂直線圈或水平線圈），和直導線時感應電壓為零相比，豎直線圈的上的電氣量變化明顯。特別是對于90度彎的道路圖3.16以及十字交叉道路圖3.14，電氣量變化更為明顯。故豎直線圈可用于90度彎道路以及十字交叉道路的識別。3.3 傳感器在智能車上擺放方案分析確定由上節分析可知：b

23、x1（即垂直線圈）適合解算具體x值；bz1（即水平線圈）適合做前瞻預測；by1（即豎直線圈）適合對90度彎道路以及十字交叉道路的識別。下面對各個方向傳感器在總方案中的作用進行詳細分析。3.3.1垂直線圈傳感器在總體布局中的作用如圖3.9所示：abcd代表車體，xy是車體坐標系，如果傳感器安放在四個角上，位置解算就是要通過四個角上線圈的感應電壓，確定載流導線與ab、cd的交點e、f的坐標，并推斷道路.由上節分析可知垂直線圈中感應電動勢的變化特征使得它適合用來解算具體的位置參數。圖3.11車體坐標系b x是偶函數，一個線圈的數值無法確定正負(導線左邊還是右邊)，因此考慮兩邊對稱地各放一個，如圖5中

24、的a、b點各放一個。首先考慮直線情況。記ae的長度為la，be的長度為lb由(5)(6)式及電磁學知識易得，a、b兩處垂直線圈中感應電壓的有效值為： （3.9） （3.10）其中k是一個比例常數，與電磁環境以及具體的線圈有關，可以有實驗確定。是導線與小車坐標系y軸的夾角，如圖3.9。很顯然用式3.14和3.15解答la lb不容易。可以考慮將余弦去掉。如圖3.10圖3.12 為不同值時ua的圖像顯示了當k=1，h=10，分別為0度、15度、20度時，ua的圖像。由圖可知：偏角只有在la很小時才有一定的影響，同時越小時這種影響就越小。因此在近似分析中，可以將cos去掉。故式（7）（8）可以簡化為

25、 （3.11） (3.12）ua1 ub1 在物理上分別表示ab兩點的垂直傳感器在感應電壓除以比例常數k，是解法中的已知數據。又由于ab兩點之間的距離一定，設為l.故有 （3.13）因為3.11、3.12、3.13中只有la lb是未知的故容易解算出 （3.14） （3.15）注意：對于式（12）（13）la或者lb取負值是有意義的，表示導線在線段ab之外了，也就是說此時小車ab端在導線的一側。結合式（14）（15）及圖3.9可得：時a一定在載流導線的左側；當時ab分列在導線的兩側；當時b一定在導線的右側。圖3.13不同路況對bz隨x的變化曲線當道路不是直線時，因為垂直線圈中的感應電壓在導線兩

26、側衰減得比較快，所以遠處載流導線的形狀對它的影響較小。因為垂直線圈中的感應電壓在導線兩側衰減得比較快，所以遠處載流導線的形狀對它的影響較小。上述推論對于非直導線道路也近似成立。3.3.2水平線圈傳感器在總體布局中的作用由上節分析知非道路對垂直線圈幾乎沒有影響。那么非直線道路對水平線圈有什么影響 ？如圖3.11顯示了通過有限元數值仿真獲得的當h=0.1時，直道上、半徑分別為1m、0.5m的彎道上bz隨x的變化曲線，圖中0.4以左是彎道內側。從圖中可以看出：彎道半徑對內側不太靠近彎道內側不太靠近導線地方的bz有近乎線性的影響，并且這種影響在相應的區域幾乎不變（對應圖中00.3區域）。由于水平線圈對

27、道路形變的變化敏感，因此在ab點擺放垂直傳感器的同時可以考慮擺放兩個水平方向傳感器。假如a點水平傳感器實際檢測的感應電壓有效值為uaz1。另外根據式（8），可以推出在該位置上，相應長直導線產生的感應電壓的有效值為uaz2為：式中k是一個比例常數，有實驗確定。是道路即長直導線與小車坐標系y軸的夾角，在近似計算中可以忽略不計。故。令，那么當時a在彎道外側；當時，a在彎道內側。考慮到的情況幾乎不存在，若把0作為u的判斷標準，那么小車將出現在跑道兩側左右振蕩，更嚴重的情況將是產生誤判沖出跑道。同時考慮到檢測誤差的存在，因此在實際的判定中u右邊的數值不能為零，具體數值可以通過實驗確定。根據圖3.11還可

28、以估算賽道彎道半徑，即有彎道半徑估算公式：，可以有實驗確定。估算出小車在相應彎道的彎道半徑從而對小車進行更精確的控制。3.3.3豎直線圈傳感器在總體布局中的作用由3.2分析可知，豎直線圈主要用來對十字交叉型道路和90度彎道路進行分析。圖3.14小車駛入十字交叉道路示意3.15小車駛出十字交叉道路示意圖3.16 90度彎道示意如圖3.14、圖3.16是十字交叉道路以及90度彎道路。設在b點放置一個豎直傳感器，當小車從十字交叉道路、90度彎道分別沿de方向、cd方向向前行駛時，從遠處看傳感器感應到磁場變化基本相同即b點出的傳感器檢測值越來越大直到過了彎道或交叉點。因此對于十字交叉和90度彎道如果不

29、加區分，或者前瞻距離過大，那么當小車進入十字交叉道路時有可能直接繞過270度彎，即出現十字交叉道路和90度彎的誤判；當小車從沿fc方向將要駛出交叉點時，傳感器檢測值會再次增大，同小車從dc方向駛入時傳感器變化相同，即出現十字交叉狀況二次誤判，解決十字交叉道路和90度彎誤判的方法是在與b點對稱的a點裝設一個豎直傳感器。具體原理如下：當小車將要駛入十字交叉道路交叉點時，a點傳感器檢測值將從零或者接近零的數值最近增大，有前面分析可知這種變化是非常顯著的。同理b點傳感器也具有同樣的變化特點。當小車駛入90度彎道時，b點傳感器檢測值將從零或者接近零的數值逐漸增大，這一變化是非常顯著的。而裝在a點出的傳感

30、器因為沒有檢測磁場分量或者檢測到的磁場分量很小幾乎可以忽略，因此小車在駛入90度彎前后a點傳感器檢測值基本沒什么變化。由上述兩種狀況下a點、b點傳感器不同變化特點既可以對小車駛入的是90度彎道還是十字交叉道路進行分辨。解決十字交叉道路二次誤判的方法是在a點裝設一豎直傳感器，同時設置中斷點。原理如下：當小車駛近十字交叉線時，a點傳感器檢測值和b點傳感器檢測值都將增大，當小車在距十字交叉線某一距離時，這一檢測值將達到最大，最大值可以通過實驗確定。但是當小車駛過十字交叉線時，a點傳感器檢測以及b點傳感器檢測值都將減小，但是當小車再次駛近十字交叉線時即小車由駛入到圖3.14的位置時，二者將再次同時增大

31、。因此小車處在圖3.12時，當a點b點傳感器檢測值達到最大值時設置第一個斷點，小車處在圖3.14時，傳感器檢測值達到最大值時，設置第二中斷點。第一個中斷點的作用是：a點b點傳感器檢測值在第二次達到最大值時，小車不會第二次對道路狀況做出十字交叉道路的判斷；第二個中斷點的作用是消除第一個中斷，防止在小車通過下個十字交叉路段時出現誤判。3.3.4傳感器總體擺放方案的確定為了獲得豐富的檢測信息，可以考慮將垂直線圈和水平線圈放在一起組成一個傳感器組。線圈高度h的取值也要合適，由圖（4）可知，h 太小，磁場強度導線x軸原點附近很集中，浪費了傳感器的測量范圍，且對x軸遠端的測量不利；太大，則磁場強度太小，不

32、容易測量，并且曲線變化平緩，不利于提高距離測量的分辨率。圖3.11顯示的|x |30khz10-6 - 10-4賽道中心導線周圍0.5米范圍20khz10-4 - 10-2表4.1典型環境磁場強度范圍設計要求選擇20khz的交變磁場作為路徑導航信號，在頻譜上可以有效避免其他信號的干擾，因此信號放大前需要進行選頻。圖4.3有無諧振電容時的電壓輸出本設計使用lc并聯來實現信號的選頻。如圖4.4圖4.4檢測電路選頻部分上述電路中，頻率f=20khz，感應線圈l=10mh，故諧振電容的值由于市場上可以購買到的標稱電容與上述電容值最為接近的電容為6.8nf，故本設計采用6.8nf的電容作為諧振電容。通過

33、實驗可以驗證 rlc 選頻電路的效果，如圖4.3是在有和沒有諧振電容兩種情況下的電感輸出的感應電壓。在導線中通有20khz 左右，100ma 左右方波電流，在距離導線50mm 的上方放置垂直于導線的10mh 電感，使用示波器測量輸出電壓波形從上面結果可以看出，增加有諧振電容之后，感應線圈兩端輸出感應20khz。這從上面結果可以看出，增加有諧振電容之后，感應線圈兩端輸出感應20khz信號，干擾信號不僅非常小，而且電壓幅值也增加了。這樣無論導線中的電流波形是否為正弦波，由于本身增加了諧振電容，所以除了基波信號之外的高次諧波均被濾波除掉，只有基波20khz 信號能夠發生諧振，輸出總是20khz 正弦

34、波。4.2檢測電路信號放大分析設計為了能夠更加準確測量感應電容式的電壓，還需要將上述感應電壓進一步放大，一般情況下將電壓峰峰值放大到1-5v 左右，就可以進行幅度檢測，所以需要放大電路具有100倍左右的電壓增益（40db）放大電路可以用以下三種電路，現在對各個電路進行分析對比。4.2.1三極管放大電路圖4.4三極管放大電路如上圖所示的是單管共射級交流放大電路。lc振蕩信號經104簡單濾波后，送給1815做射級放大，三極管值大于150，在集電極可以得到放大后的正弦信號，偏置電阻可調將偏置電壓調節在2.5v左右。4.2.2小信號運算調理電路對于小信號運算調理電路，可以選用高性能低噪聲的運放。相對于

35、三極管放大電路，運算放大電路可以減小由于輸人偏置電流、失調電流、失調電壓以及溫度漂移的影響而產生誤差。同時因為運放不存在三極管的靜態穩定點的問題，故更利于實現模塊化。原理圖如圖4.4圖4.5小信號運算調理電路4.2.3 lm567選頻電路該方案是基于集成鎖相環路解碼器lm567而設計的。lm567是一個高穩定性的低頻集成鎖相環路解碼器，由于其良好的噪聲抑制能力和中心頻率穩定性而被廣泛應用于各種通訊設備中的解碼以及am、fm信號的解調電路中。lm567內部包含了兩個鑒相器pdl及pd2、放大器amp、電壓控制振蕩器vco等單元電路。如圖4.6為其電路圖，工作原理如下：5、6引腳外接定時電阻和電容

36、決定鎖相環內部壓控振蕩器vco的中心頻率f，計算關系式為 。第二腳對地接電容c2,為相位比較器輸出的低通濾波器。第2腳所接電容c2對鎖相環的捕捉帶寬bw有影響。第1腳對地接一電容c1為正交相位檢波器的輸出濾波，其電容值不小于2腳所接電容約兩倍，即c1的值大于等于c2值的兩倍。第3腳為信號輸入端，要求輸入信號的幅度大于25mv,最佳值為200mv左右。當lm567輸入信號的頻率落在其內部壓控振蕩器中心頻率f附近時，邏輯輸出端即8引腳將由原來的高電平變化為低電平，輸出一個負脈沖。8引腳不僅可以實現選頻，而且還有負脈沖形成功能。改變rp的值可以改變選頻頻率。由于8引腳為集電極開路輸出，故實際運用時，

37、其8腳應接一上拉電阻至電源正極vdd。圖4.6 lm56選頻電路lm567各個重要參數的計算公式：電壓控制振蕩器的自由振蕩頻率f(即無外加控制電壓時的振蕩頻率)：；lm567鎖相環路的環路帶寬bw：，其中vi為輸入電壓，小于等于200mv，c為該芯片的2腳電容的大小。根據該芯片的官方資料及賽道要求設計檢測電路，3腳為信號的輸入端vpp200mv，8腳信號輸出，直接由單片機接收處理。由外接定時元件r、c計算的振蕩頻率經過lm567選頻后，由8腳輸出結果，若輸入端(3腳)的輸入頻率是設定的振蕩頻率則8腳輸出低電平，若頻率不符，8腳將一直為高電平，為了調試方便可以在上拉電阻上串接一個發光二極管。4.

38、2.4三種方案的分析比較三極管放大電路，筒單方便，位于智能車頭也比較輕便，但是由于每個三極管的靜態工作點不相同，易受溫度的影響，此外偏置電壓也難以實現調節，這不利于實現檢測電路的模塊化及對小車的精確地控制。同時三極管放大電路放大倍數不很滿意，信號有失真。數字信號采集數據有限，盲區較大，但是軟件處理簡單方便，干擾少。信號調理電路不足在于整個電路有點重，比賽中車頭部重量加重，電路中要引入負電源，單電源供電效果不是太好。但是小信號運算調理電路可以很好的解決三極管放大電路及lm567選頻電路出現問題，而且其工作狀態更加穩定，更利于實現檢測電路的模塊化。綜上選擇小信號放大電路較為理想。對于圖4.4的放大

39、電路，放大倍數為4.2.5運算放大器的選擇為了使真個檢測電路簡單方便，同時盡可能減少內部元器件對檢測信號的干擾，我們選用運算放大器的基本標準是：單電源、低電壓、低噪聲、帶寬20khz.如表4.1所示，因為運算放大器型號眾多，我們僅列寫其中典型器件。廠商器件型號簡述價格| qualitytexasinstrumentsopa365低電壓（2.2v）低噪聲單電源軌至軌運放，帶寬50mhz0.8美元| 1ku（官方）tlv2236低電壓（2.7v-8v）低功耗軌至軌運放，帶寬0.67mhz0.65美元| 1ku（官方）tlv2472低電壓（2.7v-6v）雙路低功耗至軌輸入/輸出，帶寬2.8mhz1

40、.45美元| 1ku（官方）tlc2272低電壓(4.4v-16v）雙路低噪聲軌至軌運放，帶寬2.18mhz6元| pcs（商家）ina322低電壓（2.5v-5.5v）低功耗軌至軌儀表放大器，帶寬500khz1.1美元| 1ku（官方）analog devicead8629零漂移、單電源（2.7v-5.5v）、軌至軌輸入/輸出運算放大器1.47美元| 1ku（官方）ad620低漂移、低功耗儀表放大器、增益設置范圍1至100004.01美元| 1ku（官方）freescalemc33502低電壓（1v-7v）軌至軌運放，帶寬5mhz（5.0v）16.82元| pcs（商家）lm358但/雙電源

41、、寬電壓（3v-32v）集成運放0.6元| pcs（商家）national semiconductorlm386低電壓（4v-12v）電壓放大增益20-2000.35元| pcs（商家）lm324寬電壓（3v-32v）差分四運算放大器0.65元| pcs（商家）表4.2典型運算放大器的性能價格注：表4.2中價格一欄僅供參考。運放的選型是一項復雜的人，表中列出了從常見的lm358到各集成廠商的運算放大器，從通用放大器到儀表放大器。但是通過查閱相關的實驗資料及選型測試，最終找到了合適的運算放大器。針對以上器件我們選擇了tlc2272、ad8629、lm386進行測試，下面僅對tlc2272的測試情

42、況進行說明。tlc2272為t1公司單電源軌至軌運放系列，軌至軌輸出可以使運算輸出幅度達到最大。因此能夠將傳感器輸出信號足夠放大，滿足ad采樣要求的精度。實驗所采用的電路如圖4.7。圖4.7 isis 7 professional仿真環境下tlc2272測試電路圖當輸入信號為20khz、20mv峰峰值，電源6v情況下，調節反饋電阻器rv1的值可以獲得最大輸出峰峰值電壓5.5v，如圖5.2。但是應用到小車系統時應使輸出電壓不超過5v。圖4.8 isis 7 professional仿真環境下tlc2272仿真圖由4.2.5節知：信號經過放大得到符合要求的電壓后還要經過整流電路然后被單片機采樣。完

43、整的檢測電路如圖4.13。圖4.9 isis 7 professional仿真環境下tlc2272傳感器檢測電路圖圖4.9對應的仿真波形圖如圖4.10圖4.10 isis 7 professional仿真環境下tlc2272傳感器檢測電路仿真波形圖從圖4.10可知，經過二極管檢波電路后，最終獲得信號類似矩形波，這是由二極管倍壓檢波電路的原理決定的。雖然最后輸出的波形類似矩形波但是其幅度不大僅為130mv左右，只需要軟件稍加處理，這是可以接受的。對比圖4.8和圖4.10可知原來標準的輸出正弦波，接上倍壓整流電路后變得類似矩形波了，換用lm386也出現了類似的狀況。這是由于軌至軌運放輸出級決定的。

44、通過進一步研究發現，只需提高負載至100k-500k范圍的時候，就可以保證tlc2272不受影響，并且降低了最終輸出信號的幅度，使之更利于ad采樣。如圖4.11是變換負載后的仿真結果。4.11更改負載電阻后的仿真波形上述測試表明了tlc2272的可行性，綜合考慮其他因素最終決定采用tlc2272.4.3檢測電路信號整流部分分析設計由于單片機的ad采集的是感應電壓幅值的數值，一次檢測電路中需包含交流變直流的部分電路。本設計使交流變直流部分使用的是最簡單的方法：利用二極管檢波電路將交變的電壓信號波變成直流信號，然后再被單片機采集。電路圖如圖4.12圖4.12檢測電路整流部分對于圖4.12 d1、d

45、2、c4、r3構成檢波電路；其中r3為負載電阻，c4起濾波平滑信號的作用。c4, r3 一起起檢波濾波作用，它們的數值乘積對應濾波時間常數，增加濾波時間常數可以減少輸出信號的波紋，提高信號的信噪比，但是會帶來檢波電路響應速度變慢。如果濾波時間常數減少，雖然會提高電路的響應速度，但是輸出信號的波紋會增加。因此上，需要合理選擇濾波時間常數。4.3.1二極管的選擇傳感器檢測電路中使用的二極管為肖特基二極管，常用的型號有3312、ss14、ss34等。肖特基二極管的開啟電壓一般為0.1-0.3v，小于普通的硅二極管的開啟電壓0.7v，因此我們可以增加信號輸出的動態范圍從而增加整個傳感器的靈敏度。故傳感

46、器檢測電路的完完整的電路圖如圖4.8圖4.13檢測電路完整圖結束語本文論述了電磁檢測及道路前瞻的基本原理，并通過理論分析和數值仿真得出電磁小車位置確定和推斷到道路形狀的方法。并依據電場檢測的特點，對檢測電路進行了分析。在14周左右的畢業設計時間里，主要工作歸納如下。（1）通過理論分析及數值仿真研究了小車各種路況條件下的磁場分布，并基于此得到小車位置判斷及道路超前預測時的相關數據參數。（2）對于特殊的路況進行了重點分析，特別是十字交叉道路和90度彎道路，車在判斷這兩類道路時易產生混淆，如果沒有相應的控制策略，小車很容易產生誤判。（3）查閱相關的技術文檔，綜合分析了多種傳感器布局方案，并最終確定了

47、設計方案。（4）分析了傳感器檢測信號的特點，并根據檢測信號的特點確定了信號檢測電路各個部分應具有的功能。（5）重點對檢測電路的放大部分進行了分析，比較了三種方案的優缺點，最終確定了用運算放大器來實現信號的放大。（6）利用proteus對分別由lm386、tlc2272,、ad8629組成的運算放大電路進行了仿真，文中給出了部分仿真結果。根據仿真結果確定tlc2272是最符合要求的運算放大器件。但由于時間和水平的有限，在某些環節上還存在著一定的缺陷，有待進一步完善。下面對其做進一步的說明：（1）本設計的傳感器擺放方案雖然能夠很好地滿足設計的要求，但是使得軟件設計部分、算法編寫部分變得復雜，因此還需進一步優化。（2）對于檢測電路的信號放大部分，采用運算放大器可以克服三極管等器件的缺點，但是尚有提高的空間。運算放大電路的反饋電阻可以用t形反饋電阻網絡代替以期進一步減小溫度漂移產生的影響，但是在實際的應用中卻達不到理想的運放效果。因此對于這一部分還需進一步研究。短短的14周時間內，使我對相關的理論有了更加深刻的認識，同時讓我學會了如何將理論知識融入到實踐中去。通過查閱大量資料接觸了很多專業詞匯，豐富自己的專業知識擴大了視野。這些都為以后的工作學習打下了良好的基礎。致 謝感謝我的導師黎福海老師。黎老師淵博的知識、扎實的理論功底、高深的