磁導航組是即將舉辦的2010年第五屆全 國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競賽中首 次引入，新賽制規定，在賽道中心線(xiàn)下鋪設漆包線(xiàn)，其中通有f=20 kHz，I=100 mA的交變電流，頻率為（20±2）kHz，電流為50～150 mA，要求電磁組不允許通過(guò)獲取道路的光學(xué)信息進(jìn)行路徑檢測，只能通過(guò)檢測漆包線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)來(lái)引導小車(chē)沿著(zhù)載流線(xiàn)行駛。從工作頻率、輸出信號的大小、器件成本、磁場(chǎng)強度等方面綜合考慮，zui適合用于磁導航賽道檢測的傳感器就是感應線(xiàn)圈。檢測線(xiàn)圈安裝在智能車(chē)體上后，智能車(chē)前進(jìn)過(guò)程中線(xiàn)圈與導航載流線(xiàn)之間的空間方位決定了線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢，再配接適當的信號調理電路，將檢測線(xiàn)圈輸出的電信號經(jīng)過(guò)放大、檢波等處理，zui終轉換為智能車(chē)單片機能接收的信號，為智能車(chē)提供導航依據，這是磁導航智能車(chē)能夠正確尋道、高速行進(jìn)的重要基礎性工作。而到目前為止，磁導航的檢測研究還很少，本文將對檢測線(xiàn)圈配接的信號調理電路進(jìn)行探討。

1 檢測線(xiàn)圈中的感應電動(dòng)勢

由于比賽用車(chē)的尺度遠小于賽道長(cháng)度，可將載流導線(xiàn)近似看作無(wú)限長(cháng)直導線(xiàn)。載流長(cháng)直導線(xiàn)周?chē)拇鸥袘€(xiàn)是以導線(xiàn)為軸的同心圓環(huán)，B的方向為電流i的右螺旋切向，距離導線(xiàn)a的P點(diǎn)磁感應強度

式中μ0為真空磁導率，i為直導線(xiàn)中的交變電流，以正弦電流激勵（若為非正弦波，可看作是一系列正弦波的線(xiàn)性迭加），i=Ipsin2πft，故B為交變磁場(chǎng)，通過(guò)放置在導線(xiàn)周?chē)臋z測線(xiàn)圈將交變磁場(chǎng)轉化為感應電動(dòng)勢。

假設在載流導線(xiàn)正上方豎直放置面積為S，匝數為N的矩形檢測線(xiàn)圈，此時(shí)磁感應強度與線(xiàn)圈平面垂直，以線(xiàn)圈中心P點(diǎn)處的磁感應強度可估算出通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量φ

式（4）表明，當線(xiàn)圈繞制成型后，線(xiàn)圈匝數Ⅳ和面積S已確定。檢測線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢還與激勵電流的幅值，Ip和頻率f成正比。賽制規定的激勵電流頻率為（20±2）kHz，變化不超過(guò)10％。但電流范圍50～150 mA，變化可達3倍，這將對線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢產(chǎn)生很大影響。

若取N=20，μ0=4π×10-7N／A2，S=O．002 m2，f=20 kHz，Ip=150 mA，a=0．03m，則可估算出感應電動(dòng)勢的幅值E=5 mV，但這只是一個(gè)數量級估算，實(shí)際上，若線(xiàn)圈偏離載流導線(xiàn)，或載流導線(xiàn)中的激磁電流減小，或采用尺寸更小的檢測線(xiàn)圈時(shí)，感應電動(dòng)勢的幅值將迅速減小。

在小車(chē)尋道前進(jìn)過(guò)程中，小車(chē)和固定在小車(chē)上的檢測線(xiàn)圈總會(huì )左右偏離載流導線(xiàn)，檢測電路的任務(wù)就是要隨時(shí)判斷出小車(chē)與載流線(xiàn)賽道的相對位置，以便根據小車(chē)偏離賽道的程度和小車(chē)的速度控制小車(chē)上舵機的轉向角度。而要實(shí)現小車(chē)與載流線(xiàn)賽道的相對定位，就必須在小車(chē)上排列多個(gè)相同的檢測線(xiàn)圈，與此對應，每個(gè)檢測線(xiàn)圈都配接相同的信號調理電路，只有位于載流線(xiàn)賽道正上方的線(xiàn)圈對應的電路輸出信號zui大。

也就是說(shuō)，小車(chē)與載流線(xiàn)賽道的相對位置由多路檢測線(xiàn)圈中輸出信號的相對zui大值決定，而與每個(gè)檢測線(xiàn)圈輸出的信號大小無(wú)直接關(guān)系，找出各路線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢的zui大值，就可知賽道在該線(xiàn)圈下方。盡管激勵電流頻率和幅值的變化會(huì )顯著(zhù)影響線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢，但這些因素對所有檢測線(xiàn)圈的影響相同，上述“找zui大” 實(shí)現賽道定位的思路則不受影響，從而提高檢測電路對賽道的適應性。

2 智能車(chē)控制電路對檢測信號的要求

檢測線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢必須經(jīng)過(guò)放大和必要的處理，zui后提供給智能車(chē)的單片機進(jìn)行A／D轉換采樣，以獲取賽道的位置信息。智能車(chē)的單片機A／D輸入端需要O～5 V之間的單極性電壓，對此，可以為單片機提供兩種不同的信號類(lèi)型，單片機采用不同的方式采樣。

方式1：將檢測線(xiàn)圈輸出的頻率20 kHz、大約毫伏級的信號進(jìn)行放大，放大倍數約1 000倍（60 dB），然后進(jìn)行幅度檢波轉換為直流電壓。單片機對每路檢測信號只采樣一次就可知道信號大小，巡回采集多路電壓進(jìn)行比較，通過(guò)“找zui大”就能實(shí)現賽道定位。

方式2：直接采集放大后的20 kHz信號（迭加在直流偏置電壓上），但要求單片機的A／D采集速率遠大于20 kHz，單片機連續采集多個(gè)周期的電壓，根據信號的周期性從采集的數據中找出zui大值和zui小值，根據二者的差值獲得交流信號的峰峰值。此方式中，單片機對每路信號要快速采樣很多次才能獲取該路信號的大小。同樣，要巡回采集多路電壓，通過(guò)“找zui大”實(shí)現賽道定位。

為了實(shí)現小車(chē)與載流線(xiàn)賽道的準確定位，采用多個(gè)檢測線(xiàn)圈是必然的選擇．賽制規定。zui多可使用16個(gè)檢測傳感器。比較上述兩種方式，方式2的信號處理電路無(wú)需檢波功能，但占用單片機大量的工作時(shí)間，因此，方式1是合理的選擇。

3 信號調理

由前面的分析可見(jiàn)，信號調理電路的任務(wù)和工作條件是：1）帶寬和增益，對20 kHz、毫伏級的信號放大約1 000倍，且動(dòng)態(tài)范圍較大；2）供電電源，車(chē)載電池供電，使用單電源放大電路，電池額定電壓為7．2 V；3）信號轉換，對放大后的信號進(jìn)行幅度檢波。

使用分立元件搭建電路雖然能實(shí)現該功能，但電路復雜，調試不方便，并且電路性能會(huì )隨電池電壓的波動(dòng)而變化。常見(jiàn)的通用運放如OP07、LM324、 LM358等，對于20 kHz信號無(wú)法滿(mǎn)足帶寬和增益的要求，同時(shí)，其輸出擺幅較小。近年來(lái)出現的一些新的集成運算放大器能很好地承擔上述任務(wù)。如OPA228系列運放、 MAX445l系列運放。特別是MAX4451雙運放，-3 dB帶寬達210 MHz，可以在+4．5～+11 V單電源條件下工作，輸出擺幅大，具有軌到軌輸出，開(kāi)環(huán)增益大于50 dB，使用兩級放大外加負反饋完全能勝任。實(shí)際電路如圖1所示。

智能車(chē)是靠電池驅動(dòng)的，隨著(zhù)工作時(shí)間持續，電池電壓必然下降。由于運放MAX4451的共模抑制比極高，典型值CMRR=95 dB，所以在單電源條件下可正常工作，并且，電池電壓的波動(dòng)基本不影響運放的工作性能。

圖1中L1是檢測線(xiàn)圈。R1、R2分壓為運放提供輸入偏置電壓，適當調節R2可改變放大器的輸入偏置電壓。由于第2級放大電路的增益設定為 （R5／R4）=30倍，可根據檢測線(xiàn)圈L1輸出感應電動(dòng)勢的大小，適當選擇R3改變第1級的放大倍數，從而使總增益滿(mǎn)足要求。引入R7是為了降低第1級放大電路的直流增益，從而提高靜態(tài)工作點(diǎn)的穩定性。但R7的引入降低了第1級電路的交流放大能力，故接人C4=0．47μF實(shí)現交流旁路。VD1、R6和 C3構成幅度檢波電路，VD4選擇壓降較小的高頻鍺二極管，檢波電路的時(shí)間常數τ=R6C3一般選擇為激磁電流（f=20 kHz）周期的3～5倍，C3的容量越大，輸出到單片機A／D端的直流電壓中的20 kHz波紋越小，但C3的容量過(guò)大將導致電路響應時(shí)間長(cháng)，對智能車(chē)與賽道的偏離反應遲鈍．C3的實(shí)際取值應在此估算的基礎上通過(guò)測試確定。

此外，按常理，R1=R2分壓為運放提供輸入偏置應該為電源電壓VCC的一半，約3．6 V。但由于VD1、R6和C3構成的是正半周峰值包絡(luò )檢波電路，檢測線(xiàn)圈L1的感應電動(dòng)勢越大，檢波電路輸出的直流電位越高。如前所述，線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢受多種因素影響變化范圍較大，為增大此電路的輸出擺幅，選擇R1=20 kΩ，R2=5．1kΩ，使運放同相端的輸入偏置電壓降低到約1．8 V，以降低檢波電路輸出端的初始直流電位，增大電路的動(dòng)態(tài)范圍。

4 結論

上述電路能滿(mǎn)足磁導航智能車(chē)對信號檢測的要求。電路調節方法：靜態(tài)條件下，調節R2使檢波電路輸出電壓約為1V；動(dòng)態(tài)條件下，當豎直放置的檢測線(xiàn)圈距離賽道載流線(xiàn)zui近，且激磁電流為150 mA時(shí)，調節R3使檢波電路輸出電壓接近但不超過(guò)5 V，以滿(mǎn)足單片機A／D端采集電壓的要求。

由于檢測線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢會(huì )隨著(zhù)線(xiàn)圈與賽道載流線(xiàn)之間距離增大而迅速減小，為提高賽道檢測的靈敏度和準確性．使用一個(gè)檢測線(xiàn)圈是不行的。實(shí)際上，可以在小車(chē)的前端平行放置多個(gè)豎直檢測線(xiàn)圈，每個(gè)檢測線(xiàn)圈都配接相同的信號調理電路，智能車(chē)上的單片機必須快速巡回采集每個(gè)調理電路的輸出電壓，找出輸出電壓zui大值，就可判斷出的賽道載流線(xiàn)就在該路檢測線(xiàn)圈的正下方。

單片機巡回采集各個(gè)調理電路的輸出電壓時(shí)，只需要比較哪一路輸出電壓zui大，就能實(shí)現尋道，并不關(guān)心具體電壓的數值。這種“找zui大”方法的優(yōu)點(diǎn)是：信號調理電路的輸出電壓與賽道激磁頻率（（20±2）kHz）、激磁電流（50～150 mA）有關(guān)，但激磁頻率和激磁電流對各路檢測電壓的影響是相同的，上述“找zui大”方法始終能夠根據輸出電壓的相對zui大值判斷出賽道位置，這就使得尋道檢測電路對賽道有很好的適應能力。

多個(gè)檢測線(xiàn)圈也可以采用水平放置的方式，配接電路相同。但不難看出，若檢測線(xiàn)圈水平放置在載流導線(xiàn)正上方時(shí)，感應電動(dòng)勢為零；檢測線(xiàn)圈位于載流導線(xiàn)上方的一側時(shí)，感應電動(dòng)勢較大；檢測線(xiàn)圈位于載流導線(xiàn)上方的一側，且偏離較遠時(shí)，感應電動(dòng)勢減小。此時(shí)，智能車(chē)上的單片機應該快速巡回采集每個(gè)調理電路的輸出電壓，找出輸出電壓zui小值，就可判斷出賽道載流線(xiàn)就在該路檢測線(xiàn)圈的正下方。