第三章 电路设计篇
感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应电动势也应该是不同。据此，则可以确定电感的大致位置。 3.7.2磁传感器信号处理电路
确定使用电感作为检测导线的传感器，但是其感应信号较微弱，且混有杂波，所以要进行信号处理。要进行以下三个步骤才能得到较为理想的信号：信号的滤波，信号的放大，信号的检波。
1）信号的滤波
比赛选择20kHz的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得20kHz的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。使用LC并联电路来实现选频电路（带通电路），如图3.5所示。
图3.5 LC并联电路
其中，E是感应线圈中的感应电动势，L是感应线圈的电感量，R0是电感的内阻，C是并联谐振电容。电路谐振频率为：
f?12?LC （3-1）
已知感应电动势的频率f=20kHz，感应线圈电感为L=10mH，可以计算出谐振电容的容量为C?6.33?10?9F。通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为6.8nF，所以在实际电路中选用6.8nF的电容作为谐振电容。
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第七届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
2）信号的放大
由第一步处理后的电压波形已经是较为规整的20kHz正弦波，但是幅值较小，随着距离衰减很快，不利于电压采样，所以要进行放大，选用LMV358放大电路。
图3.6 LM358放大电路
3）信号的检波
测量放大后的感应电动势的幅值E可以有多种方法。 最简单的方法就是使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，然后再通过单片机的AD采集获得正比于感应电压幅值的数值。
图3.7为竞赛组委会给出的第一种方案。使用两个二极管进行倍压检波。倍压检波电路可以获得正比于交流电压信号峰峰值的直流信号。为了能够获得更大的动态范围， 倍压检波电路中的二极管推荐使用肖特基二极管或者锗二极管。由于这类二极管的开启电压一般在0.1~0.3V左右，小于普通的硅二极管（0.7V），可以增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度。这里选用常见的的肖特基二极管1N5817。
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第三章 电路设计篇
图3.7 信号检波的第一种方案
同时，竞赛组委会给出另一种方案，直接用AD检测从三极管输出的交流电压。只要保证单片机的AD采集速率大于20kHz的5-10倍，连续采集5-10个周期的电压信号（大约100数据左右），就可以直接从采集的数据中最大值减去最小值获得信号的峰峰值。
该方法采集数据量相比前一种较大，而且容易受到噪声干扰。如果要进行算法滤波，进一步增加了单片机运算负担。第一种方案相当于是用硬件（二极管）解决了软件的问题，相比之下更为优越，应采取第一种方案。
综合以上三个步骤，得到最终的整体方案如图3.8。
图3.8 经过调整后的最终方案
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3.7.3磁传感器的布局原理及改进
对于直导线，当装有小车的中轴线对称的两个线圈的小车沿其直线行驶，即两个线圈的位置关于导线对称时，则两个线圈中感应出来的电动势大小应相同、且方向亦相同。若小车偏离直导线，即两个线圈关于导线不对称时，则通过两个线圈的磁通量是不一样的。这时，距离导线较近的线圈中感应出的电动势应大于距离导线较远的那个线圈中的。根据这两个不对称的信号的差值，即可调整小车的方向，引导其沿直线行驶。
对于弧形导线，即路径的转弯处，由于弧线两侧的磁力线密度不同，则当载有线圈的小车行驶至此处时，两边的线圈感应出的电动势是不同的。具体的就是，弧线内侧线圈的感应电动势大于弧线外侧线圈的，据此信号可以引导小车拐弯。
另外，当小车驶离导线偏远致使两个线圈处于导线的一侧时，两个线圈中感应电动势也是不平衡的。距离导线较近的线圈中感应出的电动势大于距离导线较远的线圈。由此，可以引导小车重新回到导线上。
由于磁感线的闭合性和方向性，通过两线圈的磁通量的变化方向具有一致性，即产生的感应电动势方向相同，所以由以上分析，比较两个线圈中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。
采用双水平线圈检测方案，在边缘情况下，其单调性发生变化，这样存在一个定位不清的区域（如图3.9箭头所指）。同一个差值，会对应多个位置，不利于定位。另外，受单个线圈感应电动势的最大距离限制，两个线圈的检测广度很有限。
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图3.9 双线圈差值法有定位不清区域
三个垂直放置的电感按“一”字排布，每个电感相距约为12.5cm（见图3.10），这样覆盖赛道范围约为25cm。三个电感可以提高检测密度和广度。
图3.10 三电感“一”字排布检测方案
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