節(jié)能信標(biāo)無線感應(yīng)定位

▌01 無線定位

1.背景介紹

電磁定位^[1] 在很多工業(yè)定位領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，比如在 六自由度電磁跟蹤與定位^[2] 中的應(yīng)用。在 第十六屆全國大學(xué)生智能車^[3] 中的 競速比賽^[4] 里有一個(gè) 節(jié)能信標(biāo)組^[5] ，它利用給節(jié)能車模提供無線充電的線圈同時(shí)也提供了電磁導(dǎo)航信息。

利用電磁導(dǎo)航在早期的大學(xué)生智能車競賽中已經(jīng)存在，包括兩種形式：一種是利用傳統(tǒng)的PID控制方案，比如下面的這個(gè)電單車正沿著地板上的賽道運(yùn)行。

▲ 在電磁引導(dǎo)下的電單車運(yùn)行

第二種就是 AI電磁組^[6] ，利用AI技術(shù)完成車模運(yùn)行控制。比如下面這個(gè)動圖演示的就是通過訓(xùn)練AI模型之后控制車模沿著賽道上的電磁導(dǎo)引線行進(jìn)中的車模。

▲ 將前排傳感器去除之后完成賽道運(yùn)行

在第十六屆競賽中的節(jié)能信標(biāo)組，信標(biāo)可以提供三種導(dǎo)航信號：

• 紅色LED燈
• 紅外LED等
• 電磁線圈導(dǎo)航信號，200kHz的無線電導(dǎo)引。

利用電磁導(dǎo)引是以往信標(biāo)組所不具備的，同時(shí)也區(qū)別于傳統(tǒng)的賽道電磁線的導(dǎo)引方式。主要的區(qū)別包括：

• 工作的頻率點(diǎn)不同：傳統(tǒng)的電磁導(dǎo)航使用20kHz的交變電流；而節(jié)能信標(biāo)則使用200kHz（有可能修改為100kHz）.
• 車模運(yùn)行模式不同：傳統(tǒng)電磁導(dǎo)航是引導(dǎo)車模沿著賽道路徑前進(jìn)；節(jié)能信標(biāo)則是引導(dǎo)車模進(jìn)行定點(diǎn)搜尋

本文就對于利用電磁線圈進(jìn)行位置定位的方法進(jìn)行初步的討論。

2.信標(biāo)線圈

實(shí)驗(yàn)中所使用的線圈來自于 無線功率發(fā)送器與接收實(shí)驗(yàn)：設(shè)定為200kHz^[7] 中的測試線圈。它使用 多股利茲線(200股)自行繞制而成 。它的基本參數(shù)為：

• 線圈參數(shù)：

  線圈直徑：17厘米

  匝數(shù)：9匝 電感：

  L0=29uH 靜態(tài)電阻：

  L0=0.0866Ω

利用在 節(jié)能信標(biāo)燈設(shè)計(jì)第一版本：預(yù)備實(shí)驗(yàn)^[4] 中的驅(qū)動板驅(qū)動線圈工作，工作頻率為200kHz，母線電壓選擇24V。在工作時(shí)，線圈兩端的交流電壓有效值大約70V左右。

3.接收線圈

為了對比不同的電磁信號接收方案，選擇一些手邊可以得到的材料進(jìn)行測試。它們包括普通中波收音機(jī)天線線圈、工字型電感、色碼電感、空心線圈等。

▲ 實(shí)驗(yàn)中所使用的電感、磁棒等材料

根據(jù)它們不同的電感，配置相應(yīng)的諧振電容，它們接收到信號的幅值、接收到信號的方向性等特點(diǎn)。

▌02 測試實(shí)驗(yàn)

1.中波收音機(jī)天線磁棒

（1）線圈基本參數(shù)

• 磁棒尺寸：

  長：55mm 寬：12.5mm 厚：4.5mm

▲ 中波天線磁棒

為了方便測量，將天線上兩個(gè)繞組焊接在PIN4的插針，固定在 面包板^[8] 上，根據(jù)博文為什么面包板不能夠做射頻電路實(shí)驗(yàn)？^[9] 中的測量結(jié)果，對于200kHz的信號，面包板的高頻特性可以滿足測量要求。

• 線圈參數(shù)：

  線圈1的參數(shù)：L1=637.4uH；R1=3.87Ω

  線圈2的參數(shù)：L2=11.46uH；R2= 0.549Ω

▲ 利用面包板進(jìn)行測試

（2）諧振電容

使用磁棒上線圈1，配置f0=200kHz的諧振LC回路，諧振電容C0=0.994nF。選擇瓷片電容（102），實(shí)測電容為：1.108nF。

▲ 瓷片諧振電容：1.108nF

（3）接收信號

將線圈距離發(fā)送線圈1米距離，使用DM3068萬用表交流檔測量線圈的交流電壓。實(shí)驗(yàn)中發(fā)送線圈的工作電壓為12V。

隨著磁棒長軸與線圈法向量的角度不同，測量得到的信號幅值發(fā)生變化：

• 測量信號幅值有效值：

  最大值：大于33mV

  最小值：小于1mV

當(dāng)磁棒與線圈法向量平行時(shí)，測量信號幅值最大；當(dāng)磁棒與線圈法向量垂直時(shí)，信號的幅值最小。

▲ 接收線圈的方位影響接收信號的幅值

2.自行繞制工字型電感

（1）電感基本參數(shù)

• 工字型電感尺寸：

  高：9.87mm

  半徑：11.71mm

使用單股紗包線繞制電感，具體的匝數(shù)不詳（在繞制的時(shí)候沒有數(shù)）。形成如下的電感：

▲ 自行繞制工字型電感

• 繞制工字型電感參數(shù)：

  電感：L0=148.9uH

  等效串聯(lián)電阻：Rs=0.344Ω

（2）諧振電容

根據(jù)LC諧振公式，可以計(jì)算諧振在頻率f0=200kHz時(shí)的并聯(lián)諧振電容為4.253nF。使用兩個(gè)102瓷片電容與一個(gè)222滌綸電容并聯(lián)，形成諧振電容。

▲ 自繞制電感與諧振電容

實(shí)際測量三個(gè)并聯(lián)的諧振電容的電容為：C0=4.382。

（3）接收信號

測量不同方向的感應(yīng)信號有效值：

• 測量信號幅值：

  最大幅值：大于20mV

  最小幅值：小于0.1mV

▲ 不同方向測量得到的信號

對比前面的磁棒接收信號，使用工字電感接收到的信號幅值減少了。

（4）改變工作電壓

改變無線發(fā)送電路板的工作點(diǎn)電壓，改變了發(fā)送信號的強(qiáng)度。記錄工作電壓從5V增加到24V，對應(yīng)的LC諧振線圈接收到的信號變化。如下圖所示：

▲ 不同工作電壓對應(yīng)檢測信號的幅值

可以看到接收信號的強(qiáng)度與發(fā)送線圈工作電壓成正比。

3.色環(huán)電感

使用一個(gè)10uH的色環(huán)電感來接收導(dǎo)航200kHz的電磁信號。

▲ 色環(huán)電感與諧振電容

經(jīng)過計(jì)算，10uH色環(huán)電感對應(yīng)的諧振電容為：63.32nF 。

使用三個(gè)223瓷片電容并聯(lián)作為諧振電容。實(shí)際測量對應(yīng)的并聯(lián)電容容值為：61.87nF。

使用數(shù)字萬用表交流檔，實(shí)測LC諧振信號小于0.1V 。這說明使用色環(huán)電感無法接收導(dǎo)航信號。

4.工字電感

使用中型的工字型電感，電感值320uH。計(jì)算它的諧振電容為：1.979nF 。

使用兩個(gè)102的瓷片電容并聯(lián)形成諧振電容：

▲ 工字型電感及其匹配電容

實(shí)際測量兩個(gè)102電容并聯(lián)之后的容值為：2.223nF。

在無線電發(fā)射板工作在24V下，測量到的LC諧振電容的最大值大約為：7.6mV。

5.空心線圈

使用一個(gè)空心線圈來接收導(dǎo)航信號。空心線圈的參數(shù)：

• 空心線圈參數(shù)：

  直徑：42mm

  匝數(shù)：不詳

  電感：367.4uH

  電阻：5.768Ω

▲ 空心線圈及其諧振電容

計(jì)算對應(yīng)的諧振電容為1.723nF 。通過三個(gè)瓷片電容的串并來實(shí)現(xiàn)諧振電容。

通過數(shù)字萬用表測量發(fā)射線圈工作在12V時(shí)，最大接收到的諧振信號為38mV。

▲ 諧振LC信號

▌結(jié)論

通過對于幾種典型的電感來接收200kHz導(dǎo)航信號。通過匹配在200kHz下諧振電容，可以提高接收信號的信噪比。影響接收信號的幅度除了與電感種類有關(guān)系之外，還和電感與發(fā)射線圈的距離以及方向有關(guān)系，可以利用這些關(guān)系來進(jìn)行導(dǎo)航。

下表給出了不同電感在大體相同距離情況下，所能夠接收到信號的幅值：（都換算到發(fā)射板工作在12V情況下的數(shù)值）

通過部署多個(gè)接收線圈，可以為測量發(fā)射線圈的方位提供數(shù)據(jù)支撐。

參考資料

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