01、无线定位

1.背景介绍

电磁定位[1]在很多工业定位领域都有广泛应用,比如在六自由度电磁跟踪与定位[2] 中的应用。在第十六届全国大学生智能车[3]中的竞速比赛[4]里有一个节能信标组[5],它利用给节能车模提供无线充电的线圈同时也提供了电磁导航信息。

 

利用电磁导航在早期的大学生智能车竞赛中已经存在,包括两种形式:一种是利用传统的PID控制方案,比如下面的这个电单车正沿着地板上的赛道运行。

 

▲在电磁引导下的电单车运行

 

第二种就是AI电磁组[6],利用AI技术完成车模运行控制。比如下面这个动图演示的就是通过训练AI模型之后控制车模沿着赛道上的电磁导引线行进中的车模。

 

▲将前排传感器去除之后完成赛道运行

 

在第十六届竞赛中的节能信标组,信标可以提供三种导航信号:

 

  • 红色LED灯红外LED等电磁线圈导航信号,200kHz的无线电导引。

 

利用电磁导引是以往信标组所不具备的,同时也区别于传统的赛道电磁线的导引方式。主要的区别包括:

 

  • 工作的频率点不同:传统的电磁导航使用20kHz的交变电流;而节能信标则使用200kHz(有可能修改为100kHz).车模运行模式不同:传统电磁导航是引导车模沿着赛道路径前进;节能信标则是引导车模进行定点搜寻

 

本文就对于利用电磁线圈进行位置定位的方法进行初步的讨论。

 

2.信标线圈

实验中所使用的线圈来自于无线功率发送器与接收实验:设定为200kHz[7]中的测试线圈。它使用多股利兹线(200股)自行绕制而成。它的基本参数为:

 

线圈参数:

 

线圈直径:17厘米

 

匝数:9匝电感:

 

L0=29uH静态电阻:

 

L0=0.0866Ω

 

▲实验所使用的线圈

 

利用在节能信标灯设计第一版本:预备实验[4]中的驱动板驱动线圈工作,工作频率为200kHz,母线电压选择24V。在工作时,线圈两端的交流电压有效值大约70V左右。

 

3.接收线圈

为了对比不同的电磁信号接收方案,选择一些手边可以得到的材料进行测试。它们包括普通中波收音机天线线圈、工字型电感、色码电感、空心线圈等。

 

▲实验中所使用的电感、磁棒等材料

 

根据它们不同的电感,配置相应的谐振电容,它们接收到信号的幅值、接收到信号的方向性等特点。

 

02、测试实验

1.中波收音机天线磁棒

(1)线圈基本参数

磁棒尺寸:

长:55mm宽:12.5mm厚:4.5mm

 

▲中波天线磁棒

 

为了方便测量,将天线上两个绕组焊接在PIN4的插针,固定在 面包板[8]上,根据博文为什么面包板不能够做射频电路实验?[9]中的测量结果,对于200kHz的信号,面包板的高频特性可以满足测量要求。

 

线圈参数:

线圈1的参数:L1=637.4uH;R1=3.87Ω

 

线圈2的参数:L2=11.46uH;R2=0.549Ω

 

▲利用面包板进行测试

 

(2)谐振电容

使用磁棒上线圈1,配置f0=200kHz的谐振LC回路,谐振电容C0=0.994nF。选择瓷片电容(102),实测电容为:1.108nF。

 

▲瓷片谐振电容:1.108nF

 

(3)接收信号

将线圈距离发送线圈1米距离,使用DM3068万用表交流档测量线圈的交流电压。实验中发送线圈的工作电压为12V。

 

随着磁棒长轴与线圈法向量的角度不同,测量得到的信号幅值发生变化:

 

测量信号幅值有效值:

 

最大值:大于33mV

 

最小值:小于1mV

 

当磁棒与线圈法向量平行时,测量信号幅值最大;当磁棒与线圈法向量垂直时,信号的幅值最小。

 

▲接收线圈的方位影响接收信号的幅值

 

2.自行绕制工字型电感

(1)电感基本参数

工字型电感尺寸:

 

高:9.87mm

 

半径:11.71mm

 

使用单股纱包线绕制电感,具体的匝数不详(在绕制的时候没有数)。形成如下的电感:

 

▲自行绕制工字型电感

 

绕制工字型电感参数:

 

电感:L0=148.9uH

 

等效串联电阻:Rs=0.344Ω

 

(2)谐振电容

根据LC谐振公式,可以计算谐振在频率f0=200kHz时的并联谐振电容为4.253nF。使用两个102瓷片电容与一个222涤纶电容并联,形成谐振电容。

 

▲自绕制电感与谐振电容

 

实际测量三个并联的谐振电容的电容为:C0=4.382。

 

(3)接收信号

测量不同方向的感应信号有效值:

 

测量信号幅值:

 

最大幅值:大于20mV

 

最小幅值:小于0.1mV

 

▲不同方向测量得到的信号

 

对比前面的磁棒接收信号,使用工字电感接收到的信号幅值减少了。

 

(4)改变工作电压

改变无线发送电路板的工作点电压,改变了发送信号的强度。记录工作电压从5V增加到24V,对应的LC谐振线圈接收到的信号变化。如下图所示:

 

▲不同工作电压对应检测信号的幅值

 

可以看到接收信号的强度与发送线圈工作电压成正比。

 

3.色环电感

使用一个10uH的色环电感来接收导航200kHz的电磁信号。

 

▲色环电感与谐振电容

 

经过计算,10uH色环电感对应的谐振电容为:63.32nF。

 

使用三个223瓷片电容并联作为谐振电容。实际测量对应的并联电容容值为:61.87nF。

 

使用数字万用表交流档,实测LC谐振信号小于0.1V。这说明使用色环电感无法接收导航信号。

 

4.工字电感

使用中型的工字型电感,电感值320uH。计算它的谐振电容为:1.979nF。

 

使用两个102的瓷片电容并联形成谐振电容:

 

▲工字型电感及其匹配电容

 

实际测量两个102电容并联之后的容值为:2.223nF。

 

在无线电发射板工作在24V下,测量到的LC谐振电容的最大值大约为:7.6mV。

 

5.空心线圈

使用一个空心线圈来接收导航信号。空心线圈的参数:

 

空心线圈参数:

 

直径:42mm

 

匝数:不详

 

电感:367.4uH

 

电阻:5.768Ω

 

▲空心线圈及其谐振电容

 

计算对应的谐振电容为1.723nF。通过三个瓷片电容的串并来实现谐振电容。

 

通过数字万用表测量发射线圈工作在12V时,最大接收到的谐振信号为38mV。

 

▲谐振LC信号

 

结论

通过对于几种典型的电感来接收200kHz导航信号。通过匹配在200kHz下谐振电容,可以提高接收信号的信噪比。影响接收信号的幅度除了与电感种类有关系之外,还和电感与发射线圈的距离以及方向有关系,可以利用这些关系来进行导航。

 

下表给出了不同电感在大体相同距离情况下,所能够接收到信号的幅值:(都换算到发射板工作在12V情况下的数值)

 

电感类型 LC信号强度
中波天线 33mV
自制工字型电感 20mV
色环电感 小于0.1mV
工字型电感 7.6mV
空心线圈 38mV

 

通过部署多个接收线圈,可以为测量发射线圈的方位提供数据支撑。

 

参考资料

[1]电磁定位:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134054

 

[2]六自由度电磁跟踪与定位:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108909047

 

[3]全国大学生智能车:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107256496

 

[4]竞赛比赛:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

 

[5]节能信标组:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113816105

 

[6]AI电磁组:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105055375

 

[7]无线功率发送器与接收实验:设定为200kHz:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113816303

 

[8]面包板:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106269740

 

[9]为什么面包板不能够做射频电路实验?:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106103762