電軌組路徑檢測參考方案剖析

1、電軌組路徑檢測參考方案智能車競賽秘書處一、前言在第十一屆全國大學生智能車競賽1中的基礎類電軌組（B4）以及創(chuàng)意類的節(jié)能創(chuàng)意組要求參賽車模能夠識別賽道中央鋪設的鋁膜膠帶并沿著賽道運行。相對于光電和攝像頭賽題組，電軌組中賽道識別不受環(huán)境光線影響，容易選擇比賽場地。賽道中心鋪設的鋁膜膠帶，一方面能夠作為賽車尋道的標志線，另一方面可以為創(chuàng)意節(jié)能組從鋁膜中受電從而驅動車模運行。精確識別賽道上鋁膜膠帶的位置是引導車模正常運行的關鍵。本文將會介紹一種基于電磁感應的金屬鋁膜檢測方案，能夠導引車模在賽道上正常運行。賽道中的鋁膜鋪設是采用通用的鋁膜膠帶鋪設，如下圖所示：圖 1 電軌組賽道結構 （摘自競賽細則圖11

2、）詳細的鋪設要求請參見競賽細則中的敘述。二、金屬位置檢測綜述由于鋁膜膠帶的顏色是銀色的，與賽道表面的顏色相近，所以使用普通的攝像頭檢測鋁膜膠帶的位置相對比較困難。利用鋁膜的金屬特性，可以采用金屬檢測的方法檢測鋁膜的位置。檢測金屬位置的方法可以根據金屬的不同特性分為以下幾種2：1）利用金屬的導電特性：利用接觸電極觸碰到鋁膜，通過電極之間是否導電獲得金屬是否位于電極下面。由于這種方式需要接觸鋁膜，對于車模運行會產生一定的阻力，所以該方式不適合用于車模競賽中。2）利用金屬在交變磁場感應渦流的特性：這種檢測方式應用比較廣泛。從安檢過程中所使用的手持金屬探測儀到工業(yè)中渦流距離傳感器都是使用的類似的原理。

3、當通有交變電流（頻率小于一定數值）線圈靠近金屬物體的時候，線圈周圍的交變磁場會在金屬物體中感應出渦流。渦流所產生的二次磁場疊加在原來磁場中則會改變原有線圈中的感應電動勢，進而可以等效改變原線圈的電抗。如下所示：圖 2扁平線圈在導電板中感應渦流示意圖 線圈的電抗改變的大小與線圈的形狀、振蕩頻率、線圈與金屬相對位置以及金屬的電導率、磁導率有關系。如果在線圈形狀、振蕩頻率以及金屬種類都確定的情況下，線圈電抗的變化則能夠反映線圈與金屬之間的相對位置。檢測線圈電抗改變的簡單方法是采用諧振電路。將線圈放在正弦波振蕩電路的諧振回路中，當線圈的電抗改變，則諧振電路的頻率會隨之改變。通過震蕩信號的頻率變化反映出

4、線圈的電抗的變化，進而可以檢測線圈與金屬之間的相對位置。檢測線圈與金屬之間的相對位置參數主要包括距離和重合面積。下圖顯示的一個矩形線圈與金屬平板之間相對位置。如果維持距離不變，則相對位置主要由線圈與金屬平板之間的重合距離決定了。本文所給出的參考方案就是利用這個特點來測量線圈與金屬之間的相對重合距離，進而反映了車模與賽道的偏移量。圖 3 矩形線圈與金屬平板之間測相對位置3）利用金屬板極之間的電容效應。圖4所示的是利用金屬極板之間電容效應的位移傳感器。兩個金屬極板之間的電容由如下公式表示：圖 4 橫向錯位時電容位移傳感器其中：真空介電常數； ：極板之間材料的相對介電常數；：基板有效重疊面積；：基板

5、之間的距離。如果極板的形狀，相對距離不變，電容的大小與兩個極板之間錯位位移有關系。 由于在競賽賽道上，沒有接地的參考電極，因此利用上述原理檢測極板偏移距離的時可以采用雙極板模式進行檢測。如下圖所示：圖 5 利用電容效應檢測位置偏移量兩個極板中，一個是參考極板，它全部位于鋁膜的上方；另外一個是感應極板，它與鋁膜重疊面積與位置偏移量有關系。在這個兩個極板之間施加交變電壓是，可以將兩個極板與底層鋁膜之間形成的電容看成串聯的關系。用、分別表示感應極板和參考極板與鋁膜之間形成的電容。其中與感應極板的偏移量有關系；為參考極板對應的電容。由于參考極板始終在鋁膜上方，所以它的容值基本保持不變?？偟碾娙轂椋荷鲜?/p>

6、總的電容容量反映了感應極板的相對偏移距離?？梢酝ㄟ^諧振電路的方式檢測電容的變化，進而可以得到感應電極的偏移量。由于在實際的電歸賽道鋪設中，兩條鋁膜之間有5毫米的間距，不是一整塊導體，這使得參考電極對應的電容也會發(fā)生變化，進而會影響測量的精度?？偨Y以上三種形式，采用非接觸型渦流感應方式比較適合競賽的應用。下面將會介紹具體的實現電路和安裝方式。三、檢測電路 利用感應渦流的原理，檢測線圈電感量的變化，從而獲得線圈與鋁膜之間的相對位置。實現的電路的方式有很多種。下面給出一種基于電容三點振蕩電路形式的檢測方式。電路本身既是檢測驅動信號源，同時又信號檢測電路，所以比較簡單。詳細電路如下圖所示：圖 6 金屬

7、檢測電路上面電路包括兩部分。第一部分是以PNP三極管T1為核心的振蕩電路；第二部分是利用LM311比較器獲得頻率脈沖信號。該脈沖信號送入單片機的定時器進行頻率測量。電路中既為檢測線圈。它與構成振蕩電路的諧振回路。通過簡化，上面振蕩電路的形式可以化成電容三點式標準形式。圖 7 振蕩電路的等效標準形式標準的電容三點式振蕩電路應該在T1的基極對地之間連接一個較大的旁路電容，方便振蕩電路起振。通過實驗發(fā)現，不連接該電容，在T1集電極（圖中標志為1處）的輸出信號幅度更大，所以上述電路中沒有增加該電容。電路中使用PNP晶體管組成振蕩電路的目的是能夠與后級比較器電路能夠直接相連。檢測線圈采用的是矩形的線圈。

8、其電感參數經過測量后約為510微亨。在上述電路參數下振蕩頻率約為290kHz左右。下圖是該電路的測試電路。圖 8 振蕩電路的測試電路 在電路的（1）和（2）處的信號波形如下圖所示：圖 9 電路中關鍵點的信號波形。左邊是位置1處的波形；右邊是位置2處的波形比較器輸出的數字信號可以直接輸入到單片機的計數器接口進行脈沖頻率的測量。使用該脈沖信號作為計數器的時鐘信號，單片機在相同周期內讀取計數器數值并對其清零。讀取數值正比于脈沖頻率。算法流程圖如下圖所示：圖 10 利用計數器測量脈沖頻率電路中電阻R7上接+5V還是3.3V電壓取決于后面單片機的工作電壓。如果單機輸入信號可以同時接受+5V和3.3V，例

9、如3.3V工作的單片機的IO具有5V tolerance，則R7上接電壓可以任意選擇。由于影響電感的位置因素包括線圈距離鋁膜的高度和線圈在鋁膜上的重疊面積。為了避免車模運行過程中鋁膜高度引起的電感變化產生的干擾，可以制作兩路檢測電路，通過兩路脈沖信號的頻率差來反映車模偏移量。如下圖所示：圖 11 采用雙線圈方式檢測車模偏移量 當兩路檢測線圈參數一致的情況下，車模的上下震動所引起的兩路頻率變化一致。通過這兩路的頻率差值可以有效減弱線圈到鋁箔距離變化所引起的影響?？梢詫陕废嗤木€圈檢測電路制作在一個電路板中，如下圖所示：圖 12 兩路對稱的線圈檢測電路相比于電磁組中的電感線圈，電軌組的線圈為了能

10、夠準確反映線圈的偏移量，需要距離賽道表面比較近。因此需要在線圈的固定方式上設計比較靈活的結構，使其能夠盡量伸出車體比較遠的前方。相應的設計方法在下節(jié)進行討論。上面介紹的安裝兩個對稱線圈是基本的方案，參賽隊伍可以在此基礎上進行進一步的拓展。四、線圈制作及安裝機械1、線圈制作用于金屬膜檢測的線圈可以購買RF卡線圈成品（如下圖所示），也可以通過自行繞制制作不同尺寸、電感的線圈。RF卡成品線圈通常尺寸較小，感應的距離短。但是這種定制的線圈繞組中的漆包線都通過膠水黏在一起，整體比較牢固，參數比較穩(wěn)定。圖 13 形狀各異的RF卡線圈如果自制感應線圈，為了使得線圈的參數穩(wěn)定，需要對于繞制線圈進行加固。比如采

11、用捆扎、膠粘、塑封等方式。另外通過和車模上線圈固定支架和或者固定板進行加固，提高整體線圈的穩(wěn)定性。感應線圈也可以通過制作成PCB線路的形式。由于線圈制作在PCB板上，它的參數很穩(wěn)定，而且還可以將振蕩電路和比較電路與線圈一起制作，形成統(tǒng)一的傳感器模塊，則可以簡化線路連接和消除連線的分布參數的影響。圖 14 各種PCB線圈 2、線圈安裝（1）主動懸掛傳感器支架：由于感應線圈需要距離賽道表面比較近，因此容易與賽道中坡道元素相撞。比賽賽道兩邊的路肩也容易損壞感應線圈。為此在安裝線圈的時候需要考慮到這些危險因素，采取合理的保護方式避免傳感器損壞。圖 15 伸出的感應線圈與坡道相撞首先需要限制感應線圈伸出

12、長度。過長的前瞻距離雖然可以增加車模有效響應速度，但對于線圈保護的難度增加，同時由于車體運行的震動、上下坡道時線圈高度的變化都會大大增加檢測信號的干擾。其次，固定線圈的支架可以采用能夠上下活動的方式，使其能夠順應賽道伏而進行被動或者主動調節(jié)。為了能夠避免傳感器的震動以及和坡道的相撞，也可以在傳感器下面安裝支撐滑輪。圖 16 活動的傳感器支架和防撞滑輪 五、其它注意事項1、可以采用電感或者電容專用集成芯片制作檢測電路存在很多集成芯片可用于檢測電感和電容，比如NXP公司的 PCF8885、8885的系列的電容傳感器芯片；TI公司LDC1614系列的電感傳感器集成芯片；Microchip公司的MTC

13、H652等系列的電容傳感器。參賽隊伍可以選擇使用相應的集成芯片設計電軌檢測電路。 2、不允許購買其他商家提供的成品的電路模塊完成電軌賽道檢測傳感器模塊是智能車競賽制作的重要部分。電路模塊的設計與調試需要參賽隊伍自行完成。禁止購買成品的電路模塊用于智能車競賽。特別是那些專為智能車競賽而設計的檢測電路模塊。如果參賽隊伍對于所選購的模塊無法確定是否允許使用，可以將相應的電路模塊資料發(fā)送到競賽組委會，便于幫助判斷是否允許使用。 3、傳感器支架不能夠損壞賽道及其附屬物 固定感應線圈的機械支架在車模運行過程中不能夠損壞賽道表面鋁膜以及其它附屬物，比如路肩等。 4、傳感器支撐滑輪不能夠提供動力如果在傳感器支架上安裝有支撐滑輪等附屬物，需要保證該附屬物不對車模底盤本身產生支撐或者牽引力。六、總結良好的賽道檢測是車模穩(wěn)定運行的保障。電軌組的工程挑戰(zhàn)就是在于檢測精度和可靠性需要融合電子設計和機械制作的完美結合。本文所給出的基