基于铁丝磁化的车模越界检测

卓晴　鲁畅　金浩哲

摘要：在智能车竞赛中，人工判断高速运行车模是否瞬间越过边界线比较困难，容易产生误判。本文提出了一种基于铁丝磁化原理的车模越界检测方案，可以替代人工裁判。方案中采用带有偏置磁铁的霍尔器件检测铁丝磁化时所产生的磁场变化，经过放大后由单片机判断是否车模越界。通过实验验证了模块可以满足精确检测的要求。

关键词：智能车比赛；霍尔传感器；越界检测

前言

一年一度的大学生智能汽车竞赛以其竞赛内容的挑战性和比赛评价的客观性吸引了很多国内高校工科学生参加。十年以来，比赛的规模和参赛队伍的竞技水平有了很大的提高。随着车模运行速度越来越快，现场依靠人工判断车模是否越界变得越来越困难，特别是当车模在比赛过程中瞬间越过赛道边界又重新回到赛道上时，依靠人工判罚往往容易造成一些误判。虽然可以依靠现场录像进行后期仲裁，但实践中所拍摄的录像很难满足及时有效的判断需求。

由于比赛场地面积比较大，赛道形状不规整，所以通过传统的摄像头，或者光电等方法完成车模越界判断相对困难。在改进的比赛规则中给出了两类解决方案。一种是基于路肩法，即在赛道两侧间断放置高度1厘米，宽2.5厘米的软泡沫材料。车模一旦冲出赛道会碰到泡沫材料。另一种则是在赛道两旁导引线下铺设直径1毫米的铁丝，同时在每辆车模两侧安装专用检测模块。两者结合起来用于判断车模是否瞬间越过赛道边缘。本文主要对此方法进行介绍，其中检测模块安装位置如1图所示。

每当车模两侧的检测模块经过赛道边缘铁丝上方时，检测模块便通过LED和蜂鸣器指示车模越界了。

本文在分析检测原理的基础上，给出了检测模块的设计方案。通过实验检测了该方案的优越性能。

1.检测原理

由于铁丝是铁磁物质，在磁场作用下会发生磁化。磁化后的磁场反过来叠加在原来磁场中，改变了原来磁场分布。铁丝引起的磁场的变动可以通过霍尔传感器检测出来。图2示意了铁丝对于永磁铁周围磁场分布的影响。

为了使得铁丝磁化，需要一个永磁铁产生激励磁场。称该永磁铁为偏置磁铁。

由于铁丝相对比较细小，对原磁场改变很小。需要对检测信号进行有效的放大后然后再进行信号检测。由于车模在运行中是动态越过铁丝，所以只对磁场波动所产生的交变信号进行放大即可。由于放大倍数比较大（大约一万倍左右），因此采用了两级交流放大电路。电路如图3所示。

为了减少电源噪声的影响，由R1，D，组成2.5V的稳压电路给霍尔器件提供工作电压。同时由R2，R3组成1.6V的工作参考电压。霍尔输出信号经过LMV358双运放组成的两级交流放大电路放大后送至单片机进行采集处理。为了滤除高频干扰信号，运放中还增加C5，C7进行低通滤波。

单片机采集到的信号数据中，还包含着比较大的噪声成分，如有环境磁场噪声、电路板电源噪声以及器件的热噪声。需要通过软件进行平滑滤波，进一步降低数据的噪声幅度，进而提高检测灵敏度。下图显示了原始数据和经过100点平滑滤波后的数据。通过滤波将原始数据的噪声方差由65降低到了2.5。

2.检测效果

为了检验上述检测原理的有效性，下面通过实验，分别对不同形状的偏置磁铁、不同的检测高度以及运动速度做了测试。

2.1偏置永磁铁

偏置磁铁是使得铁丝的必要条件。由于实际应用中检测模块需要固定在车模底盘上，所以要求磁铁尺寸小，且呈扁平状。为了研究不同磁铁对于检测信号的影响，选择了四种不同形状尺寸的坡莫合金永磁铁作为偏置磁铁。一种是长方形的磁铁，另外三种为直径分别是10、8、5毫米的圆形磁铁。如图5所示。

将偏置磁铁放置在电路基板下面，中心与霍尔器件对齐。将铁丝在电路基板下高度为H的距离以一定速度V横扫过检测电路，模拟车模跨越铁丝的过程。如下图6所示。

实验中检测高度为15毫米，铁丝的直径为1毫米，速度大约为1米/秒。通过单片机AD端口采集放大后的信号波形数据，绘制成波形如图6所示。

图7中的1、2、3、4号波形曲线对应的四种磁铁分别是长方形磁铁、直径分别为10、8、5毫米圆形的磁铁。可以看出，方形磁铁所产生的信号幅度远高于其它三种圆形磁铁。这说明磁铁体积越大，对于铁丝磁化效果越明显，进而产生的磁铁波动变大。不过由于受到电路板整体尺寸的限制，偏置磁铁的体积也不能够无限制增大。

2.2检测高度

采用方形偏置磁铁，测量铁丝以1米/秒的速度，检测高度从10毫米至25毫米范围内选择十种不同高度下检测到信号峰值高度值。测量结果如图8所示。

当模块静止时，测量信号的噪声方差值为28左右。当检测距离10毫米时，放大电路基本进行饱和。当检测高度为25毫米的时候，峰值高度值为88，接近本底噪声方差的3倍。因此超过25毫米后，检测是否通过铁丝边界的结果变得不可靠。要求检测模块距离地面的距离应该小于25毫米。实际中车模底盘距离地面的距离都小于20毫米，所以固定在车模底盘上的检测模块能够保证检测距离在合适的范围内。

2.3运动速度

当检测高度为10毫米时，将铁丝以不同的速度通过检测模块，测量得到的信号波形如图9所示。

由图9可知，铁丝运动相对速度越高，产生的信号峰值越大，检测准确度高。通过上面波形可以预测，即使铁丝相对于车模速度减小到0.2米/秒，波形的峰值高度仍然满足检测要求。

通过实验表明，利用直径1毫米铁丝作为赛道边界标志，通过带有偏置磁铁的霍尔器件可以在距离20毫米内，准确检测到铁丝是否经过检测模块。而且速度越快，检测精度越高。

3.检测模块

3.1电路框图

以单片机STM32F030F4为核心，集成霍尔信号放大电路、稳压电路、蜂呜器、按钮和LED，通过合理的元器件布局，可以形成体积很小的检测模块。电路结构如图10所示。

整体电路由一小块可充电锂电池供电。锂电池由外部充电器进行充电。一次充电后，模块可以连续工作八个小时，足够满足一天比赛的要求。

3.2系统功能

打开电源开关K，系统上电后将自动进行放大电路零点矫正。矫正完毕后进入检测状态。

当模块下有铁丝通过时，引起磁场波动大于设定阈值后，单片机驱动蜂呜器和LED进行报警，显示检测结果，并一直保持该状态。通过按钮可以消除报警，重新恢复到检测状态。

4.结论

在赛道两侧铺设铁丝边界，通过自动检测模块进行车模越界检测，替代人工判罚过程，减少了现场误判概率，提高了比赛的客观性和公平性。

本文提出的检测模块设计方案，体积小，检测精度高，能够满足正常比赛的要求。