基于电磁感应技术的智能车路径检测设计

马 同，杨 熙

中国矿业大学，江苏 徐州 221006

0 引言

路径检测传感器是针对于特种路线识别的传感器，工业上应用自动导引小车的定线寻迹进行货物的装卸和运输，对降低运输成本，提高效率具有重要意义。路径检测传感器的种类有多种，包括电磁感应、光电感应和CCD识别。电磁引导成功应用于无轨引导方式，这种方式需要预埋的电缆，通过电磁传感器感应电缆中高频信号产生的磁场变化调节驱动机构，实现寻迹。

1 磁场特征与检测

根据电磁学，在导线中通入变化的电流，则导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中置一由线圈组成的电感，则该电感上会产生感应电动势，且该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。图1 通电导体周围磁感线分布图

首先，由比奥萨法尔定律知：通有稳恒电流I长度为L的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r处P点的磁感应强度为：

磁感应强度方向为垂直纸面向里。于是，它的磁力线是在垂直于导线的平面内以导线为轴的一系列同心圆，圆上的磁感应强度大小相同。

对于通有电流的弧形线圈，根据比奥萨法尔定律明显可以得出弧线内侧的磁感线密度大于弧线外侧的结论。如果在通电直导线和弧形导线两边的正上方竖直放置两个与电流方向一致的线圈，则两个线圈中会通有磁通量。

导线中的电流按一定的规律变化时，导线周围的磁场也将发生变化，则线圈中将感应出一定的电动势。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小和通有导体回路的磁通量的变化速率成正比：

感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。由于本设计中导线中通过的电流频率较低，为20KHz，且线圈较小，令线圈中心到导线的距离为r，认为小范围内磁场分布式均匀的，则线圈中感应电动势可近似为：

即线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化速率，反比于线圈中心到导线的距离。其中为与线圈摆放方法、线圈面积和一些物理量有关的一个量。具体的感应电动势须实际测定来确定。

2 传感器的选择比较

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

电感式传感器具有以下特点：

1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长；

2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01μm的位移变化。传感器的输出信号；

3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围内，传感器非线性误差可达0.05%～0.1%。

磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的。磁性材料具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。在被测磁场B作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小。在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比。

在经过多次试验与调试之后发现，在本次设计中，感应线圈传感器可以通过增加线圈面积与线圈圈数来增加输出的信号提高了结果的可控性，同时其灵敏度高，线性度好，测量范围广。

3 传感器的布局分析

传感器的布局直接影响了整体方案设计，传感器布局的原则是在系统所能达到的能力下尽量提高控制的精度系统的响应速度。下面对三种传感器布局进行比较和分析，分别是双传感器“卡线”分布、“一”字形分布和“二”型分布。

对于寻迹线的识别，最简单的传感器布局是使用两个传感器分别布置在寻迹线的两侧，通过两个传感器卡在线上，实现寻迹。这种方式结构简单，适合于差速转向机构。当传感器检测到偏离寻迹线的时候，系统可以通过差速转向机构在较小的转弯半径下转向，调整偏差。而在后轮驱动前轮转向的机械结构中，这种布局方式的寻迹效果较差。因为这种转向机构需要较大的转弯半径，不能够实现原地转向。而且传感器的采集点较少，对道路环境的适应性差。这种布局导致寻迹车必须完全按照寻迹线行驶，整体速度较慢。

“一”字形分布方式是使用较多的一种排列方式，它是把一定数量的传感器排列成一排，通过传感器返回的数据判断寻迹线的位置，利用相应的算法实现转向控制。这种排列方式多为布置在车体之前，这样可以提供一定的前瞻距离，有利于车速的提高。通过分析传感器采集数据的变化率，可以得出当前遇到弯道的半径，然后调用不同的程序实现转向控制。

为了能够进一步提高前探距离与保持车速，传感器可以呈“二”状。这种分布增加了传感器阵列的纵向特性，使其能够在二维空间中分析当前车体的不同状态，传感器的判别方式更为多样化，在算法实现上也能够做到更加的灵活与多样化。通过传感器布局从而建立传感器阵列的二维空间模型，利用算法可以求出当前时刻赛道对于车体的偏差距离与偏差角度，更进一步的确定了车体的状态，使精确控制能够更加稳定的执行。

经过比较分析，“二”型分布前瞻性好，对赛道的判断准确，可以利用复杂的算法对数据进行处理，适合与高速的赛道检测。

[1]张三慧.大学物理学（第三册）电磁学[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[3][日]松井邦彦.传感器应用技巧141例[M].科学出版社，2006.

[4]刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].国防科技大学出版社，2006.