飞思卡尔智能车比赛电磁组路径检测设计方案
基于飞思卡尔芯片电磁引导智能车设计
基于飞思卡尔芯片的电磁引导智能车设计飞思卡尔智能车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的全国大学生智能汽车竞赛。
所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型车，由组委会统一提供。
比赛跑道为表面白色，中心有0.1 mm～0.3mm直径的连续漆泡线作为引导线，其中漆泡线通有100ma交流电流。
比赛规则限定了跑道宽度50cm和拐角最小半径50cm。
飞思卡尔智能车竞赛一、硬件设计1.电磁传感器对于电磁组来说，传感器的选择是尤为重要的，最原始的办法用线圈产生磁场的办法去切割跑到上的磁场来检测道路信息，开始因为线圈的缠绕是有要求的，电感的大小也是有要求的，漆泡线的粗细也是有要求的，基于上面的问题，我们实验没有成功。
后来，围绕传感器做了很多的实验，做了两个传感器：一个是用三极管做放大的，另一个是用运放做放大的，但结果用运放成本高，运放要双电源而且一般的放大器频带窄满足不了要求，所以选择用三极管做放大。
在距离导线50mm的上方放置垂直于导线的10mh 电感，为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1v～5v左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）。
最简单的设计，可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求。
2.速度传感器车模的驱动力来源于一个直流电动机，为了能很好地控制车模的速度，我们引入了闭环控制系统，这就需要车体能实时地或者尽可能快地了解到速度变化，从而对驱动的电压电流进行调整，尽可能快地达到设定速度并且稳定在设定速度上。
从往届的参赛队伍经验得知，使用一个增量编码器能很好地解决以上问题，终选择了欧姆龙的180线增量型光电编码器。
这款编码器为2相输出。
在实际的测试中，让单片机每10ms返回一次传感器的值，当车模在1米/秒左右速度时能返回60～70多个脉冲，当大于2.5米能返回170多个脉冲，反复测试反馈准确，稳定。
飞思卡尔智能车 电磁组 技术报告
//#define K10
//#define Kp 1;//PID的//#define Kd 1;
#include <hidef.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <MC9S12XS128.h>
3.1.3
考虑到适当增加力臂来提高舵机的灵敏度和为了赛车布局的的紧凑，采取了如图3.2所示的安装方法。
图3.2舵机安装结构
3.1.4
采用接插件与焊接结合的方式连接传感器、主控板、编码器、电机驱动电路、电机、赛道起始检测等单元，既考虑可靠性，又兼顾结构调整与安装的便利性。具体安装结构如图3.3所示，
图3.3主控板安装结构
[6]卓晴.基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究[J].清华大学.2009
[7]杨延玲.载流直导线的电磁场特性分析[J].山东师范大学.2007
[8]王毅敏.马丽英等.一种改进的数字PID控制算法及其在励磁系统中的应用电网技术[J].1998
[9]高金源，夏洁.计算机控制系统[M].清华大学出版社.2007
本校积极组队参加第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。从2010年底着手准备，历时半年多，经过不断试验设计，最终设计出较为完整的智能赛车。在赛区比赛中获得了较好的综合性能和成绩。
在本次比赛中，采用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元，构思控制方案及系统设计，进行包括机械结构的调整与优化，硬件的设计与组装、软件控制算法的编写与改进等过程（小车上的具体方案模块有传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等）从而实现小车智能化的识别道路，最终实现智能化竞速。
飞思卡尔电磁组
智能车简介
飞思卡尔智能车大赛分三种赛组：
摄像头组
光电组
电磁组
调试视频
调试视频
电磁组原理概述
车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两
个后轮 驱动进行直立行走。 在电磁组比赛中，利用 车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走。相 对于传统的四轮行走的车 模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件开发 以及现场调试等方面提出了更高 的要求。
原理篇
原理篇
• 1.路径检测 • 2.直立控制 • 3.算法设计
• 路径检测的整体思路流程：
• 磁场感应 选频 放大 检波 A/D采集（单片机萨法尔定律可求得通电的导线周 围空间上某一定点的磁场强度。
• 再由法拉利定律和楞次定律可得处在该点处磁感线圈的感应 电动势大小
算法设计
• 在车模控制中的直立、速度和方向控制三个环节中，都使用 了比例微分（PD）控制，这三种控制算法的输出量最终通过 叠加通过电机运动来完成。 • （1）车模直立控制：使用车模倾角的PD（比例、微分）控 制；
• （2）车模速度控制：使用PD（比例、微分）控制； • （3）车模方向控制：使用PD（比例、微分）控制。
单 管 共 射 交 流 放 大 电 路
检波电路
• 测量放大后的感应电动势的幅值E可以有多种方法。最简单的 方法就是使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直 流信号，然后再通过单片机的AD采集获得正比于感应电压幅 值的数值。
A/D输入
单片机
检测部分的系统框图
直立行走的原理
• 车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式， 让车模以两个后轮驱动进行直立行走。
车模控制任务分解图
• 三个分解后的任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一 个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着 耦合。这三个任务中保持车模平衡是关键。由于车模同时受 到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个 控制就成为它的干扰。因此对车模速度、方向的控制应该尽 量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰
飞思卡尔智能车竞赛策略和比赛方案综述
飞思卡尔智能车竞赛策略和比赛方案综述一、竞赛简介起源：“飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。
组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。
其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。
因而该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛。
该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，自2006年首届举办以来，成功举办了五届，得到了教育部吴启迪副部长、张尧学司长及理工处领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区200余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。
2008年第三届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中9个科技人文竞赛之一（教高函[2007]30号文，附件2），2009年第四届被邀申请列入国家教学质量与教学改革工程资助项目。
分赛区、决赛区比赛规则在分赛区、决赛区进行现场比赛规则相同，都分为初赛与决赛两个阶段。
在计算比赛成绩时，分赛区只是通过比赛单圈最短时间进行评比。
决赛区比赛时，还需结合技术报告分数综合评定。
1．初赛与决赛规则1）初赛规则比赛场中有两个相同的赛道。
参赛队通过抽签平均分为两组，并以抽签形式决定组内比赛次序。
(整理)飞思卡尔智能车比赛电磁组路径检测设计方案
精品文档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 ，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。
精品文档由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流I长度为L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：精品文档图 2 直线电流的磁场⎝1 4 r由此得: B = cos⎝4 r对于无限长直电流来说，上式中⎝1 = 0 ，⎝ 2 = ，则有B = （1）。
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。
基于电感的智能小车电磁循迹方案
基于电感的智能小车电磁循迹方案作者：罗茜唐鼎明来源：《中小企业管理与科技·中旬刊》2020年第06期【摘; 要】在飞思卡尔智能车竞赛中，传感器的不同，对于赛道的识别方式也就不同，常用的循迹方式有摄像头循迹和电磁循迹。
摄像头循迹主要依靠摄像头收集赛道信息完成比赛，摄像头小车速度快但极易受周围因素的影响。
电磁循迹主要依靠电感收集导线周围产生的磁场信息，跟随电磁引导线完成比赛，电磁小车的速度可能没有摄像头小车的速度，但不会受除电磁场以外的影响，而且电磁循迹有原理简单、价格便宜、体积小等优点，因此，电磁循迹小车比摄像头小车更有优势。
【Abstract】In Freescale intelligent car race， the different sensors， the way to identify the track is different. The common tracking methods include camera tracking and electromagnetic tracking. The camera tracking mainly relies on the camera to collect track information to complete the race. The camera car is fast but vulnerable to the influence of surrounding factors. Electromagnetic tracking mainly relies on the inductance wires of the magnetic field generated around information collection， follow the electromagnetic guide line finished the race. The speed of electromagnetic car may not have the speed of camera car， but will not be affected in addition to electromagnetic field，and the electromagnetic tracking has the advantages of simple principle， cheap price and small size， so the electromagnetic tracking car has more advantages than the camera car.【關键词】电磁循迹;智能小车;感应线圈【Keywords】electromagnetic tracing; intelligent car; induction coil【中图分类号】TP23; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 【文献标志码】A; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;【文章编号】1673-1069（2020）06-0172-021 引言随着飞思卡尔智能车竞赛的发展，赛道元素越来越多，竞赛项目也是越来越精彩，电磁循迹是飞思卡尔智能车竞赛经典项目之一，近年来几乎每一届飞思卡尔智能车竞赛都会有电磁循迹的身影。
飞思卡尔智能车竞赛设计方案
飞思卡尔智能车竞赛设计⽅案“神马”队设计⽅案摘要本⽂以“飞思卡尔”杯全国⼤学⽣智能车竞赛为主题，介绍了智能赛车从机械结构设计到控制系统的软硬件设计流程。
本次⽐赛使⽤竞赛秘书处统⼀指定的竞赛车模及套件，采⽤飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核⼼控制单元，配合不同类型的传感器、驱动电机、转向舵机、直流电池、以及相应的驱动电路，使赛车能够⾃主识别路径，并控制模型车⾼速稳定地在跑道上运⾏，在规定时间内完成跑完赛道的任务。
第⼀章背景1.1“飞思卡尔”杯背景介绍“飞思卡尔”杯全国⼤学⽣智能车竞赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以S12 单⽚机为核⼼的⼤学⽣课外科技竞赛。
使⽤⼤赛组委会统⼀提供的竞赛车模、转向舵机、直流电机和可充电式电池，采⽤飞思卡尔 16 位微控制器MC9S12DB128B作为核⼼控制单元，⾃主构思控制⽅案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执⾏、电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车⼯程制作及调试，于指定⽇期与地点参加场地⽐赛。
⽐赛成绩主要由赛车在现场成功⾏驶完赛道的时间为主。
全国⼤学⽣智能汽车竞赛所使⽤的车模是⼀款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由⼤赛组委会统⼀提供。
参赛队伍通过设计单⽚机的⾃动控制器控制模型车在封闭的跑道上⾃主循线运⾏。
在保证模型车运⾏稳定，即不冲出跑道的前提下，跑完两圈的时间越⼩成绩越好。
设计⾃动控制器是制作智能车的核⼼环节。
⾃动控制器是以单⽚机为核⼼，配合有传感器、电机、舵机、电池、以及相应的驱动电路，它能够⾃主识别路径，控制模型车⾼速稳定运⾏在跑道上。
⽐赛跑道表⾯为⽩⾊，中⼼有连续⿊线作为引导线，⿊线宽 25cm。
⽐赛规则限定可赛道宽度和拐弯最⼩半径等参数，赛道具体形状在⽐赛当天现场公布。
控制器⾃主识别引导线并控制模型车沿着赛道运⾏。
在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运⾏前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提⾼智能车的灵活性，同时坚持充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为⾸要前提，实现智能车快速运⾏。
飞思卡尔智能车电磁组分区算法介绍
飞思卡尔智能车电磁组分区算法介绍写在之前的话:1、⽬前我是⼀名在校学⽣，这也是我第⼀次写博客，不周之处，请多谅解；2、此算法并⾮原创，借鉴⾃⼭东德州学院第⼋届⽩杨队（PS：个⼈看法，对于⼀些⼈把别⼈的开源东西改头换⾯⼀下就说是⾃⼰的原创⾏为⼗分鄙视）；3、对于此算法的理解和说明并⾮纸上谈兵，算法已经被我运⽤到了⼩车⽐赛中并取得好的成绩（具体就不多说了，⽐赛时车莫名其妙坏了，⽐赛前调试的速度绝对能进国赛，⽐较遗憾），总之这算法是我尝试过的最好的算法；4、这⼀次所介绍的只是路径算法和⼀些知识普及，后⾯有时间会介绍其余部分算法及许多好的思路（舵机电机控制思路（不只是简单的PID），双车策略）；5、希望对于这⽅⾯有涉及的⼈能与我联系并交流或指出不⾜之处。
---------------------------------------------------------------分割线-----------------------------------------------------------------------------⼀、没有这⽅⾯了解的可以看看 飞思卡尔智能车分为三组：摄像头、光电、电磁，我做的是电磁车，三种车队区别在于传感器的不同，所以获得路径信息的⽅法也不⼀样，摄像头和光电识别的是赛道上的⿊线（⽩底赛道），⽽电磁车则是检测埋在赛道下的通⼊100mh电流的漆包线，摄像头和光电采⽤的是摄像头和ccd作为传感器，电磁则是⽤电感放在漆包线周围，则电感上就会产⽣感应电动势，且感应电动势的⼤⼩于通过线圈回路的磁通量成正⽐，⼜因为漆包线周围的磁感应强度不同，因此不同位置的电感的感应电动势就不同，因此就可以去确定电感位置；因此在车⼦前⾯设置了50cm的前瞻，电感布局如下(怎么发不了图⽚)：分为两排，前排3个，编号0，1，2（前期还加了两个竖直电感⽤来帮助过直⾓弯，后来改为了⼋字电感）；后排2个，编号3，4；现在车⼦获得了不同位置的感应电动势的⼤⼩了，但这些值是不能处理的:1、感应电动势太微弱；2、是模拟信号，信号太微弱就放⼤它；这就涉及到模拟电路的知识了，就不多说了（因为要把这讲完到PCB绘制的篇幅就⾜够写另开⼀号专门写这些⽅⾯来（PS：题外话（我的题外话⽐较多））：放⼤部分外围你设计的再好也抵不过⼀个更好的芯⽚，有两个例⼦，⼀个是我⾃⼰的:之前⽤的是NE5532，但是效果不理想，加了好多什么滤波，补偿，都⽤上，没⽤，软件⾥处理后⾯再说，后来⼀狠⼼换了AD620，感觉像是春天来了，因为它是仪⽤放⼤器，还有就是贵。
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飞思卡尔智能车比赛电磁组路径检测设计方案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，，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 长度为 L 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 sin直线电流的磁场 , d, ,(0 , 4 10, 7 TmA 1 ) B , ，， cos,12 ，。
(1) ,1 4 r 由此得: B , cos, 4 r 4 r。
对于无限长直电流来说，上式中,1 , 0 ，, 2 , ，则有 B ,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)磁场测量方法。
(4) 载流子自旋相互作用磁场测量方法:自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。
(5) 超导量子干涉(SQUID)磁场测量方法:SQUID 薄膜磁敏元件。
(6) 光泵磁场测量方法:光泵磁场传感器。
(7) 质子磁进动磁场测量方法。
(8) 光导纤维磁场测量方法。
以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，测量的磁场精度和范围相差-11-107G。
我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的也很大，10精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。
在下面所介绍的检测方法中，我们选取最为传统的电磁感应线圈的方案。
它具有原理简单、价格便宜、体积小(相对小)、频率响应快、电路实现简单等特点，适应于初学者快速实现路经检测的方案。
通电导线周围的磁场是一个矢量场，场的分布如图四所示。
如果在通电直导线两边的周围竖直放置两个轴线相互垂直并位于与导线相垂直平面内的线圈，则可以感应磁场向量的两个垂直分量，进而可以获得磁场的强度和方向。
图 4:导线周围的感应电磁场导线中的电流按一定规律变化时，导线周围的磁场也将发生变化，则线圈中将感应出一定的电动势。
根据法拉第定律，线圈磁场传感器的内部感应电压 E 与, 磁场 B(t N 、截面积 A 的关系有: ) 、电磁线圈的圈数dB(t) d ,(t )E , ( NA ,) (,0 ,r ) dt dt感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。
由于本设计中导线中通过的电流频率较低，为 20kHz，且线圈较小，令线圈E , , , 中心到导线的距离为 r ，认为小范围内磁场分布是均匀的。
再根据图 3 所示的导线周围磁场分布规律，则线圈中感应电动势可近似为:d ,(t ) k dI K (2) dt r dt r即线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化率，反比于线圈中心到导线的距离。
其中常量 K 为与线圈摆放方法、线圈面积和一些物理常量有关的一个量，具体的感应电动势常量须实际测定来确定。
3、双水平线圈检测方案不同的线圈轴线摆放方向，可以感应不同的磁场分量。
我们先讨论一种最简单的线圈设置方案:双水平线圈检测方案。
在车模前上方水平方向固定两个相距 L 的线圈，两个线圈的轴线为水平，高度为 h ，如下图所示:引脚线圈磁性 10mH 材料运动方向 Lh模型车赛道中心线电流/100mA图5 双水平线圈检测方案为了讨论方便，我们在跑道上建立如下的坐标系，假设沿着跑道前进的方向为z轴，垂直跑道往上为y轴，在跑道平面内垂直于跑到中心线为x轴。
xyz轴满足右手方向。
假设在车模前方安装两个水平的线圈。
这两个线圈的间隔为L，线圈的高度为h，参见下图5所示。
左边的线圈的坐标为(x,h,z)，右边的线圈的位置(x-L,h,z)。
由于磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所以在计算磁场强度的时候我们仅仅考虑坐标(x,y)。
式(2)可以知道感应电动势大小与 2 2 成正比。
由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。
根据公hx ， h车模前进方向赛道y z中心 (x,h) L 导航 x 水平线圈电线 h 交变电流 (100mA) x (x-L,h) 水平线圈Y z 线圈 L h I/100mA X 0 x图6 感应线圈的布置方案h 随着线圈水平位假设 h , 5cm, x ( 15, ，15)cm ，计算感应电动势 E ,2置 x 的变化取值，如下图所示:感应电动势0.220.20.180.160.140.120.10.080.060.040.02 -15 -10 -5 0 5 10 15 x/cm图 7 线圈中感应电动势与它距导线水平位置 x 的函数如果只使用一个线圈，感应电动势 E 是位置 x 的偶函数，只能够反映到水平位置的绝对值 x 的大小，无法分辨左右。
为此，我们可以使用相距长度为 L 的两h ， x 2E/V个感应线圈，计算两个线圈感应电动势的差值: h ， x h2 ， ( x L)2h h Ed , E1 E2 , 2 2下面假设 L , 30cm ，计算两个线圈电动势差值 Ed 如下图所示:0.20.150.1 Ed/V 0.05-0.05-0.1-0.15 -0.2 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 x/cm图 8 感应电动势差值 Ed 与距离 x 之间的函数从上图可以看出，当左边线圈的位置 x , 15cm 的时候，此时两个线圈的中心恰好处于跑道中央，感应电动势差值 Ed 为0。
当线圈往左偏移， x (15,30) ，感应电动势差值小于零;反之，当线圈往右偏移， x (0,15) ，感应电动势大于零。
因此在位移 0 ? 30cm 之间，电动势差值 Ed 与位移 x 是一个单调函数。
可以使用这个量对于小车转向进行负反馈控制，从而保证两个线圈的中心位置跟踪赛道的中心线。
通过改变线圈高度 h ,线圈之间距离 L 可以调整位置检测范围以及感应电动势的大小。
三、电路设计原理从上面检测原理可以知道，测量磁场核心是检测线圈的感应电动势 E 的幅值。
下面将从感应线圈、信号选频放大、整流与检测等几个方面讨论电路设计的问题，最后给出电路设计系统框图和实际电路。
1、感应磁场线圈:检测线圈可以自行绕制，也可以使用市场上能够比较方便购买的工字型10mH 的电感。
如下图所示。
图 9 几种 10mH 电感这类电感体积小，Q 值高，具有开放的磁芯，可以感应周围交变的磁场。
如下图所示:磁场磁场线圈磁材料引脚图 10 工字磁材电感2、信号选频放大使用电感线圈可以对其周围的交变磁场感应出响应感应电动势。
这个感应电动势信号具有以下特点:(1) 信号弱:感应电压只有几十个毫伏。
在检测幅值之前必须进行有效的放大，放大倍数一般要大于 100 倍(40db)。
(2) 噪声多:一般环境下，周围存在着不同来源、不同变化频率的磁场。
如下表所示: 磁场环境磁场性质磁场强度(高斯) -3 -2 家用电器周围一米范围 50Hz 10 -10 表 1:典型的环境磁场强度范围地表面地球磁场恒定 0.2-0.5 工业电机和电缆周围十米范围 50Hz 1-100 -6 -3 长波通讯 > 30kHz 10 -10-4 -2 赛道中心导线周围 0.5 米范围 20kHz 10 -10比赛选择 20kHz 的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得 20kHz 的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。
可以使用 LC 串并联电路来实现选频电路(带通电路)，如下图所示:电感电路示意图等效电路图内阻R0/10ΩC L Vo Vo 谐振 L/10mH 电容 C/6.8nf 感应线圈 E感应电动势图 11:RLC 并联谐振电路上述电路中，E 是感应线圈中的感应电动势，L 是感应线圈的电感量，R0 是1 。
已知感电感的内阻，C 是并联谐振电容。
上述电路谐振频率为: f0 ,2 LC应电动势的频率 f0 , 20kHz ，感应线圈电感为 L , 10mH ，可以计算出谐振电容 , 6.33 ,10 (F ) 的容量为: ， 2 , 20 ,10 ， 1 1 9 , C , 2 3 3 3 ， 2 f0 ， ,10 ,10 L通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为 6.8nF，所以在实际电路中我们选用 6.8nF 的电容作为谐振电容。
为了验证 RLC 选频电路的效果，我们对比了在有和没有谐振电容两种情况下的电感输出的感应电压。
在导线中通有 20kHz 左右，100mA 左右方波电流，在距离导线 50mm 的上方放置垂直于导线的 10mH 电感，使用示波器测量输出电压波形。