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电磁组竞赛车模
路径检测设计参考方案
(竞赛秘书处 2010-1,版本 1.0)
一、 前言
第五届全国大学生智能汽车竞赛新增加了电磁组比赛。竞赛车模需要能够通
过自动识别赛道中心线位置处由通有 100mA 交变电流的导线所产生的电磁场进
行路径检测。除此之外在赛道的起跑线处还有永磁铁标志起跑线的位置。具体要
求请参阅《第五届智能汽车竞赛细则》技术文档。
本文给出了一种简便的交变磁场的检测方案,目的是使得部分初次参加比赛
的队伍能够尽快有一个设计方案,开始制作和调试自己的车模。本方案通过微型
车模实际运行,证明了它的可行性。微型车模运行录像参见竞赛网站上视频文件。
二、设计原理
1、导线周围的电磁场
根据麦克斯韦电磁场理论,交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽车
竞赛使用路径导航的交流电流频率为 20kHz ,产生的电磁波属于甚低频(VLF )
电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间,为3kHz~30kHz,波长为
100km~10km。如下图所示:
图 1:电流周围的电磁场示意图
导线周围的电场和磁场,按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度
和方向可以反过来获得距离导线的空间位置,这正是我们进行电磁导航的目的。
由于赛道导航电线和小车尺寸l 远远小于电磁波的波长λ,电磁场辐射能量
很小(如果天线的长度l 远小于电磁波长,在施加交变电压后,电磁波辐射功率
正比于天线长度的四次方),所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此,我们
将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场,按照检测静态磁场的方法获取导线周围
的磁场分布,从而进行位置检测。
由毕奥-萨伐尔定律知:通有稳恒电流I L
长度为 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:
图2 直线电流的磁场
θ2 μ0I −7 −1
B sinθdθ (μ 4π=×10 TmA ) (1)
∫θ1 4πr 0
μ0I
由此得: B (cosθ =−cosθ )。
1 2
4πr
μ I
对于无限长直电流来说,上式中θ 0 ,θ π ,则有B 0 。
1 2
4πr
图3:无限长导线周围的磁场强度
在上面示意图中,感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的
磁场强度大小相同,并随着距离导线的半径r 增加成反比下降。
2 、磁场检测方法:
人类对于磁场的认识和检测起源很早,我国古代人民很早就通过天然磁铁来
感知地球磁场的方向,从而发明了指南针。但是对于磁场定量精确的测量以及更
多测量方法的发现还是在二十世纪初期才得到了突飞猛进的进展。
现在我们有很多测量磁场的方法,磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种
物理效应:磁电效应(电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应)、磁机械效应、磁
光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理
以及相应的传感器:
(1) 电磁感应磁场测量方法:电磁线磁场传感器,磁通门磁场传感器,磁
阻抗磁场传感器。
(2 ) 霍尔效应磁场测量方法:半导体霍尔传感器、磁敏二极管,磁敏三极
管。
(3 ) 各向异性电阻效应(AMR )磁场测量
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