节能信标无线感应定位测试:200kHz
▌01 无线定位
1.背景介绍
电磁定位 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 。在 第十六届全国大学生智能车 中的 竞赛比赛 里有一个 节能信标组 ,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。
利用电磁导航在传统的大学生智能车竞赛中已经存在,现在也出现了两种形式: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 ,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 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 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、色吗电感、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 上,根据博文为什么面包板不能够做射频电路实验? 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:
C0=1(2πf0)2⋅L0=1(2π×200×103)2×637×10−6=0.994nFC_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 637 \times 10^{ - 6} }} = 0.994nFC0=(2πf0)2⋅L01=(2π×200×103)2×637×10−61=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:
C0=1(2πf0)2⋅L0=1(2π×200×103)2×148.9×10−6=4.253nFC_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 148.9 \times 10^{ - 6} }} = 4.253nFC0=(2πf0)2⋅L01=(2π×200×103)2×148.9×10−61=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:
C0=1(2πf0)2⋅L0=1(2π×200×103)2×10×10−6=63.32nFC_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 10 \times 10^{ - 6} }} = 63.32nFC0=(2πf0)2⋅L01=(2π×200×103)2×10×10−61=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:
C0=1(2πf0)2⋅L0=1(2π×200×103)2×320×10−6=1.979nFC_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 320 \times 10^{ - 6} }} = 1.979nFC0=(2πf0)2⋅L01=(2π×200×103)2×320×10−61=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
▲ 空闲线圈及其谐振电容
计算对应的谐振电容为:
C0=1(2πf0)2⋅L0=1(2π×200×103)2×367×10−6=1.723nFC_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 367 \times 10^{ - 6} }} = 1.723nFC0=(2πf0)2⋅L01=(2π×200×103)2×367×10−61=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是,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。
■ 相关文献链接:
- 电磁定位
- 六自由度电磁跟踪
- 智能车竞赛相关的教高司公函:公函[2005]201号文、教高司[2005]13号
- 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
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- 面包板
- 为什么面包板不能够做射频电路实验?
- 《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定(征求意见稿)》.pdf
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