湖北师范学院机电与控制工程学院2013届学士学位论文（设计）
3.4 主板电路设计
图3.4.1 主板电路设计
4.电磁传感器的方案选择及布局
4.1 电磁感应原理
电磁组的智能车是基于100mA的交变电流产生的电磁场上，为了容易研究小车的策略必须先了解相关的电磁场知识。
由于赛道是通有20KHz交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场确定道路与小车的相对位置。磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应，如磁电效应（电磁感应，霍尔效应，磁致电阻效应），磁机械效应，核磁共振等。现代检测磁场的传感器有很多，常见的有磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器，半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。因为各种传感器测量磁场所依据的原理不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，10-11～107G。图4.1.1为各类磁场传感器的测量范围示意图[7]。
先估算赛道的磁场强度。把赛道看作无限长直导线，载流为直流100mA，距离导线r=5cm时，由毕奥-萨伐尔定律知，磁场强度B如（4-1）：
B??0I4??0.1??10?7?4?10?7T?4?10?3G2?r2??0.05 （4-1）
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图4.1.1各类磁场传感器的测量范围示意图
一般霍尔元件的检测范围在1mT以上，即10G以上，可以想象到需要贴着地面进行检测，而且精度大大受到限制。
磁阻传感器如Honeywell的高灵敏度磁阻HMC1001，分辨率可达27微高斯，还可以使用多轴的磁阻传感器检测不同方向的磁场。
普通的电感线圈测量范围广，理论上只要加上合适的谐振电容和放大电路，不但能够筛选出特定频段进行放大，而且有较强的抗干扰能力。
我们需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。由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低，价格比较高。
因而我们选取最为传统的电磁感应线圈的，它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点。感应线圈可以自行绕制，也可以采用市面上的工字电感。
4.2 电磁感应线圈在磁场中的特性
为了讨论方便，我们作以下约定：
(1)小车车体坐标系中，定义小车前进的方向为Y轴正向，顺着Y轴的右手边为X轴的正向，Z轴指向小车正上方，如图4.2.1所示；
(2)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，轴线平行于Y轴的线圈所感应到的电动势远小于上述两类线圈，但该类摆放线圈在回环路检测中将可以用到。
(3)BX是指向载流导线右手边的电磁感应强度，BZ是指向载流导向正上方的电磁感
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应强度。显然，垂直线圈感应的是BX变化率，水平线圈感应的是BZ的变化率。
图4.2.1 假定车体坐标系
直道附近的磁场分布，可以近似为无限长的直导线上的磁场分布，容易算得距离长直导线距离为r的点的磁感应强度如（4-2）：
B??0I2?r （4-2）
进而可以推出：
BX?BZ??0Ih?22?x?h2 （4-3） ?0Ix?22?x?h2 （4-4）
其中h是电感线圈距离地面的垂直距离。为了讨论的方便，记
'BX?hx2?h2 （4-5） xx2?h2 （4-6）
'BZ?则从（4-3）、（4-4）、（4-5）、（4-6）可以得出B'X、B'Z分别和BX、BZ有相同的变化趋势。图4.2.2和图4.2.3显示了当分别取h为5、8、10时B'X和B'Z的变化趋势。由图可知：
(1)B'X是x的偶函数，在Y轴两侧单调；B'Z是x的奇函数，在Y轴两侧没有单调关系；
(2)在相同的高度下，B'X幅值是B'Z的两倍，但是在x=20的时候，B'X只有B'Z的一半左右了，因此B'X的衰减较B'Z快很多。综上可推知，水平线圈比较适合做x的正负判别，垂直线圈比较适合用来解算x的具体数值，B'Z较B'X衰减慢得多，说明水平线圈对远处道路状况相对比较敏感，可以用来预测前方的弯道[8]。
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图 4.2.2 B'X的曲线图
图 4.2.3 B'Z的曲线图
4.3 传感器的方案选择
根据电感的摆放方向不同，采集的信息也不同[9]。一般可规范为4类方向： 以跑道所在的平面为水平面，车前进的方向为x方向，在水平面上与x垂直的为y方向，垂直于水平面的为z方向。
（1）水平摆放，如图所示：
图 4.3.1 传感器摆放图1
这是最简单的摆放方式，但却拥有了其它摆放方式所没有的稳定性，具有单调性，对于稳定求快的队伍采用水平摆放是比较好的选择。
如下图4.3.2所示:
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图 4.3.2 磁场坐标系
假设h=5cm,x∈（-15，+15），计算感应电动势变化取值，如下图4.3.3所示
E?hh2?x2随着线圈水平位置x的
图 4.3.3 B'Z的曲线图
实际使用过程中，当水平两个电感之间的距离越远，得到的赛道信息也越丰富，一般都采用接近小车限定的宽带，如24CM左右。一般水平摆放的电感离跑道距离在12CM左右线性比较好。该摆放的优点是稳定性好，不管是十字交叉弯还是上下坡道都可以顺利完成，谐振电压还算比较大。缺点是只能检测到电感垂直下去所在的线上，没有提前预判的作用。向前摆放，如图所示
图 4.3.4 传感器摆放图2
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