一种电感传感器在智能小车路径识别中的应用方案设计

（苏州工业园区职业技术学院，江苏 苏州 215021）

0 引言

智能交通工具的研究是当今人们关注的一个热点，智能小车的研究是其中一个典型的代表。智能小车集路面环境探测、自动行驶以及自主决策能力于一体。在电磁感应智能小车中，用电感传感器来负责作为智能车的“眼晴”，进行路面环境探测，“眼睛”能否准确的判断位置决定了智能小车运行的准确性[1]。

1 电感传感器的原理

将变化的电流通入导线中，那么导线周围就会形成一个磁场，该磁场会随着电流的变幻发生改变，且二者变化的规律是一致的。倘若该磁场中存在一个由线圈组成的电感，那么电感表面就会形成相应的感应电动势，同时电感中线圈的磁通量与电动势的大小二者呈现正相关关系。磁感应的强度大小以及方向会随着导线位置的变化，与之相关的感应电动势也会发生改变。通过掌握感应电动势的变化规律，我们可以估计电感的大致位置[2]。

2 电感传感器信号处理硬件电路设计

若使用20kHz的电磁线作为导引路径，选用感应电动势曲线是较为规整的正弦波，频率和引导路径的电源频率一致的10mH电感，用来对导线进行检测，然而，由于存在信号差、杂波干扰等问题，因此需要对使用的信号进行处理。其主要处理步骤为以下三点：信号的滤波、放大以及检波[3]。

2.1 信号的滤波

通过将路径导航信号转变为20kHz的交变磁场，就能防止其他磁场在频谱上对其产生影响，因此可以依靠放大选频范围来加强信号，这样就能让20kHz的信号进一步增大，同时避免了绝大部分干扰信号的因素。综上所述，可以利用LC并联谐振电路来进行电路的选频[4]。

通常，感应电动势用E来表示，另外，L表示的是感应线圈的电感值，电感内阻为R0，C代表并联谐振电容。电路谐振频率如下式所示：

其中，感应电动势的频率f值为20kHz，感应线圈电感L为10mH，将其带入相应的关系式可以得到谐振电容C的最终值为6.33×10-9F。目前可以在市场上买到的，与上述数值最相近的电容为6.8nF，因此，一般会选用6.8nF的电容作为标准电容。

2.2 信号的放大

对于信号的放大，本文采用集成运放，原因是其具有实用性强、受温度影响小等优点。使用反相比例运算电路。运放使用单电源供电，故在同相端加VCC/2的基准电位，基准电位由电阻分压得到[5]。

2.3 信号的检波

目前，对于放大处理后的电动势的增幅值大小有许多测量方法。本次研究采用的是二极管检波电路的手段。通过运用两个二极管来对信号波纹进行倍压处理，依靠电路来获取同比与正交流电路的直流信号数值。为增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度。本文选用了肖特基二极管1N5817[6]。整个电感传感器信号处理硬件电路的原理图如图1所示。

2.4 电感传感器的布局分析

假设有一辆小车正在行驶，其内部装有两个以导线为中轴对称的线圈，这时两个线圈中产生的电动势地方向和大小都相等。当两个线圈不再以导线对称时就会导致小车的行驶轨迹发生偏离，这时两个线圈内的磁通量截然不同。观察发现，距离导线近的线圈，其产生的电动势比距离远的线圈产生的电动势要大。因此，可以通过改变线圈与小车导线的距离，来控制小车的走向，实现直线行驶的目的[7]。

当小车行驶至转弯处，则需要用到弧形导线，这是因为弧线导线的磁力线密度在其两侧彼此不同，当小车行驶到转弯处时，弧形导线内测的线圈产生的电动势大于外侧，从而产生让小车进行转弯活动的信号。

此外，小车驶离路线会导致内部的两个线圈移动至同一侧，这时距离导线较近的线圈产生的电动势要高于距离较远的线圈，从而让小车纠正方向，重新回到导线原位。基于磁感线具有闭合性和方向性两个特性，了解到穿过导线两侧线圈的感应电动势方向是一致的，因此，根据小车内线圈产生的感应电动势强度，能够对其位于导线的哪个位置进行判断，并对此最初相应的调整，最大程度地控制小车的行驶路线。

由以上原因，本文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。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。

用以下方案改进：横向放置的电感按“一”字排布，可以大大提高检测密度和广度。竖向放置的电感，可以提高前瞻，改善小车入弯状态和路径。选择在碳杆的横杆杆上分别放置两组电感，两横一竖。

3 软件设计

3.1 传感器采集处理算法

编写采集电感电压值的采集函数，为了消除过程中产生的噪声，就需要运用算法滤波的手段来减少干扰。本次实验就采用了“加权递推平均滤波法”。其主要内容为：模拟一个循环队列，将多次不放回抽取的N个采样放入队列中，用N代表该队列长度，把每一个新采集的数据放置于队尾，在队伍数据过多时将队列之前的数据取出并放置于队尾并，目的是为了确保队伍前N个数据始终为最新数据。越具有实时性的数据其取权就越大。运用加权平均运算对前N个数据进行取权，从而得到全新的滤波。这种方法的特点在于新的采样的权系数较大，那么相应的灵敏度也就越高，但随之而来的是信号平滑度的下降[8]。

3.2 寻线行驶算法实现

通过实践研究，发现电感感应中心导线的磁场有如下规律（建立XYZ坐标系，VX，VY，VZ来表示坐标轴上各方向的感应电压值）：

（1）当电感轴心同X方向保持平行时，这时电感同直导线间距离越短，VX就越大，距离越长则VX越小。

（2）当电感轴心同Y方向保持平行时，电感传感器对弯道有着一定的预知性，能够准确地感应到弯道的存在，而处于直道时其VY较小。

（3）当电感轴心同Z方向保持平行时，小车从导线逐渐往跑道边沿靠近，其V Z将呈现初期增大后期减小的现象。

在特定条件下，可以依靠组成四个“一”字排布的电感，对其产生的感应电动势进行观察与研究，最终找出其中拥有最大的电感M，能够发现这个电感与导线间的距离最短。此时记录下与该电感左右相邻的两个电感的数值，分别用L和R来表示。通常会存在以下三种情况：当L值>R值时，说明导线所处位置在L和M间；当L值

假如出现电感M没有与之相邻的电感L或R这类特殊状况，这说明小车在赛道行驶过程中已出现位置偏离的现象，需要将导线位置进行固定处理，将其固定在M所在处，并通过观测M值大小来判断导线的远离程度。

以上这种通过找感应电动势最大的电感M和相邻电感L和R在确定电感和导线的相对位置的方法，是一种初步的定位方法。这里再次深化讨论，先设立一个阈值T，分两种情况：当|L值-R值|＜T，即L值约等于R值，说明导线在M正上，得出确切位置；当|L值-R值|＞T，说明导线在M和L或者M和R之间。

此定位算法，在直道上的作用比较明显，然而并不是用于所有类型的弯道。在此基础上，运用中间标定差值法对位于直道处的电感M进行标定处理，将其标定值同实时测量的数值相减。用此方法得到的在弯道处偏移的曲线。

将以上四电感位移算法与中间电感标定差值算法综合计算，即可得到直道和弯道同样灵敏的控制量。

4 结论

电磁智能小车设计中电磁感应电路一直是设计的重点，电感感应器比较敏感，参数容易受到多种影响而发生变化，从而导致智能小车的性能不稳定，本方案仅给出了以20kHz的电磁线作为导引路径的电磁感应电路设计方案，取得较好的测试效果，但是其他频率电磁线作为导引路径的电磁感应电路设计方案未做讨论。在后续的研究中，将加以完善，以使得智能小车适应更复杂的运行环境。