馬 同，楊 熙

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221006

0 引言

路徑檢測(cè)傳感器是針對(duì)于特種路線識(shí)別的傳感器，工業(yè)上應(yīng)用自動(dòng)導(dǎo)引小車的定線尋跡進(jìn)行貨物的裝卸和運(yùn)輸，對(duì)降低運(yùn)輸成本，提高效率具有重要意義。路徑檢測(cè)傳感器的種類有多種，包括電磁感應(yīng)、光電感應(yīng)和CCD識(shí)別。電磁引導(dǎo)成功應(yīng)用于無(wú)軌引導(dǎo)方式，這種方式需要預(yù)埋的電纜，通過電磁傳感器感應(yīng)電纜中高頻信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)尋跡。

1 磁場(chǎng)特征與檢測(cè)

根據(jù)電磁學(xué)，在導(dǎo)線中通入變化的電流，則導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場(chǎng)中置一由線圈組成的電感，則該電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也應(yīng)該是不同。據(jù)此，則可以確定電感的大致位置。圖1 通電導(dǎo)體周圍磁感線分布圖

首先，由比奧薩法爾定律知：通有穩(wěn)恒電流I長(zhǎng)度為L(zhǎng)的直導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離導(dǎo)線距離為r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

磁感應(yīng)強(qiáng)度方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?。于是，它的磁力線是在垂直于導(dǎo)線的平面內(nèi)以導(dǎo)線為軸的一系列同心圓，圓上的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相同。

對(duì)于通有電流的弧形線圈，根據(jù)比奧薩法爾定律明顯可以得出弧線內(nèi)側(cè)的磁感線密度大于弧線外側(cè)的結(jié)論。如果在通電直導(dǎo)線和弧形導(dǎo)線兩邊的正上方豎直放置兩個(gè)與電流方向一致的線圈，則兩個(gè)線圈中會(huì)通有磁通量。

導(dǎo)線中的電流按一定的規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，則線圈中將感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通有導(dǎo)體回路的磁通量的變化速率成正比：

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可以用楞次定律來(lái)確定。由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線中通過的電流頻率較低，為20KHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為r，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布式均勻的，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為：

即線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于電流的變化速率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。其中為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理量有關(guān)的一個(gè)量。具體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)須實(shí)際測(cè)定來(lái)確定。

2 傳感器的選擇比較

電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

電感式傳感器具有以下特點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)；

2）靈敏度和分辨力高，能測(cè)出0.01μm的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)；

3）線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%～0.1%。

磁阻效應(yīng)傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成的。磁性材料具有各向異性，對(duì)它進(jìn)行磁化時(shí)，其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場(chǎng)的方向。在被測(cè)磁場(chǎng)B作用下，電橋中位于相對(duì)位置的兩個(gè)電阻阻值增大，另外兩個(gè)電阻的阻值減小。在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)成正比。

在經(jīng)過多次試驗(yàn)與調(diào)試之后發(fā)現(xiàn)，在本次設(shè)計(jì)中，感應(yīng)線圈傳感器可以通過增加線圈面積與線圈圈數(shù)來(lái)增加輸出的信號(hào)提高了結(jié)果的可控性，同時(shí)其靈敏度高，線性度好，測(cè)量范圍廣。

3 傳感器的布局分析

傳感器的布局直接影響了整體方案設(shè)計(jì)，傳感器布局的原則是在系統(tǒng)所能達(dá)到的能力下盡量提高控制的精度系統(tǒng)的響應(yīng)速度。下面對(duì)三種傳感器布局進(jìn)行比較和分析，分別是雙傳感器“卡線”分布、“一”字形分布和“二”型分布。

對(duì)于尋跡線的識(shí)別，最簡(jiǎn)單的傳感器布局是使用兩個(gè)傳感器分別布置在尋跡線的兩側(cè)，通過兩個(gè)傳感器卡在線上，實(shí)現(xiàn)尋跡。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合于差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到偏離尋跡線的時(shí)候，系統(tǒng)可以通過差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在較小的轉(zhuǎn)彎半徑下轉(zhuǎn)向，調(diào)整偏差。而在后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，這種布局方式的尋跡效果較差。因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需要較大的轉(zhuǎn)彎半徑，不能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。而且傳感器的采集點(diǎn)較少，對(duì)道路環(huán)境的適應(yīng)性差。這種布局導(dǎo)致尋跡車必須完全按照尋跡線行駛，整體速度較慢。

“一”字形分布方式是使用較多的一種排列方式，它是把一定數(shù)量的傳感器排列成一排，通過傳感器返回的數(shù)據(jù)判斷尋跡線的位置，利用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。這種排列方式多為布置在車體之前，這樣可以提供一定的前瞻距離，有利于車速的提高。通過分析傳感器采集數(shù)據(jù)的變化率，可以得出當(dāng)前遇到彎道的半徑，然后調(diào)用不同的程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。

為了能夠進(jìn)一步提高前探距離與保持車速，傳感器可以呈“二”狀。這種分布增加了傳感器陣列的縱向特性，使其能夠在二維空間中分析當(dāng)前車體的不同狀態(tài)，傳感器的判別方式更為多樣化，在算法實(shí)現(xiàn)上也能夠做到更加的靈活與多樣化。通過傳感器布局從而建立傳感器陣列的二維空間模型，利用算法可以求出當(dāng)前時(shí)刻賽道對(duì)于車體的偏差距離與偏差角度，更進(jìn)一步的確定了車體的狀態(tài)，使精確控制能夠更加穩(wěn)定的執(zhí)行。

經(jīng)過比較分析，“二”型分布前瞻性好，對(duì)賽道的判斷準(zhǔn)確，可以利用復(fù)雜的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，適合與高速的賽道檢測(cè)。

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