基于MATLAB的循线智能车传感器设计

1、 河南大学民生学院学院本科毕业论文 学号：1003618毕 业 论 文（ 2014 届）年 级 10级 专 业 班 级 电子信息科学与技术 学 生 姓 名 指导教师姓名 指导教师职称 讲师 论文完成时间 2014年5月8日 河南大学民生学院教务部目 录摘 要：10 前言21 飞思卡尔智能车大赛介绍21.1 历史沿革21.2 器材规定21.3 道路信息简介52 基于matlab的赛道磁场仿真72.1 matlab平台简介72.2 赛道抽象72.3 matlab仿真及结果113 传感器的设计153.1 电磁传感器的原理153.2 电磁传感器模块设计153.3 传感器的布局164 结论与展望17参考

2、文献1717基于MATLAB的循线智能车传感器设计王丰艺（河南大学民生学院，河南 开封，475004）摘 要： 可以自主在规定路径下进行运动的智能车被称为循线智能车。设计循线智能车需要对动力系统，数据采集系统，控制系统等多个模块进行设计，能够使学生知行结合，充分锻炼学生动手能力。所以设计循线智能车成为了校园学生广泛参与的一项活动。本文以飞思卡尔智能汽车大赛电磁组小车为研究对象，对飞思卡尔智能汽车大赛的总体情况、道路信息等做了详细的论述。着重对赛道路径进行了磁场仿真，并基于仿真结果设计了相应的传感器，力图使其能够在实际应用中取得良好的效果。关键词： 循线智能车；MATLAB仿真；传感器设计；De

3、sign of intelligent vehicle sensor on line based on (School of Minsheng, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)Abstract: The car that can independently within the prescribed path for intelligent vehicle movement was known as the on line intelligent vehicle. Design of on line intelligent car

4、needs for power system, data acquisition system, multiple module control system design, to enable students to the combination of knowledge, to train the students practical ability. So the design of on line intelligent vehicle has become a campus wide participation in the activities of students. In t

5、his paper, we think of Carle smart car competition car electromagnetic group as the research object, the overall situation,the smart car contest Carle road information in detail. Focusing on the track path of the magnetic field simulation based on the simulation results, and design the corresponding

6、 sensor, trying to enable it to achieve good results in practical application.Key words: on-line intelligent vehicle; MATLAB simulation; sensor design;0 前言汽车智能，无人驾驶等技术的发展一日千里。几十年前只存在于小说和电影中的无人驾驶汽车已然变成现实，相信不久的将来一种全新的交通网络将会逐渐形成。 但“不积跬步无以至千里”，本文以一种循线智能车为研究对象，对其的器材用料、赛道情况进行了详尽介绍。并进一步对其进行了电磁仿真，基于仿真结果对传感器

7、进行了设计，对其布局进行了建议。希望本文能对汽车技术的研究起到促进作用。1 飞思卡尔智能车大赛介绍1.1 历史沿革大学生智能模型车竞赛最早是由在freescale的资助下的汉阳汽车控制实验室并举办的。比赛最初以HCS12单片机为基础，组委会将提供一个标准汽车模型、 一个直流电机和可充电的电池。 每个小组去创造一个小的智能车辆自主识别路线，在一个专门设计的轨迹自动识别的独立旅行的道路运行时间最短的日程，再加上技术报告评分较高的队为胜。自2000以来，智能汽车竞赛从韩国汉阳大学的第一次成功举行，受到社会，许多大学生的欢迎，也逐渐受到企业的高度重视，现在每年全韩国大约有100多个学生团队参加本项目。

8、 国内情况：我国于二零零六年举办第一届“飞思卡尔”杯全国智能车竞赛，当时吸引了来自全国几十所高校超过百支队伍的参与。此后竞赛队伍日益增多，规模日益增大，比赛状况越来越激烈。如今这项赛事已经成为高校学生非常热衷的一项赛事，得到了教育部领导、飞思卡尔公司和学校的高度重视。 2008年第三届飞思卡尔智能车大赛被教育部批准列入“国家教学质量与教学改革工程”项目中 9 个科技人文竞赛之一，2009 年第四届飞思卡尔智能车大赛被邀申请列入“国家教学质量与教学改革工程”资助项目。1.2 器材规定1.2.1 应使用指定的车模。编号车模规格和外观赛题组甲类车模车模型号：G768电机型号：RS380-ST/354

9、5， 舵机型号：FUTABA3010电磁组乙类车模电机型号：540，伺服器型号：S-D5摄像头组丙类车模电机型号RN-260光电平衡车组 各赛题组车模运行规则：(a) 电磁组：车模正向运行。使用甲类车模。车模运行方向为：转向轮位于车模前方，动力轮位于车模后方，见图1-1。图1-1甲类车模运行模式(b) 摄像头组：车模逆方向运行。 使用乙类车模。车模运行方向为：动力轮位于车模前方，转向轮位于车模后方，见图1-2。图1-2乙类车模运行模式(c) 光电平衡组：车模直立行走。使用丙类车模。运行时车模只允许动力轮着地，从而直立行走，见图1-31。图1-3光平衡组车模运行模式1.3 道路信息简介 图1-4

10、飞思卡尔智能汽车大赛现场图像（1）比赛道路表面由白色KT基板制作，初赛时，赛道所占面积在5米7米附近，决赛时赛道面积可以视情况增大。比赛道路宽度不小于45cm。赛道与中心线间距不应小于60cm，见图1-5。图1-5赛道宽度及间距（2） 铺设赛道地板颜色不作要求。（3） 赛道表面为白色，跑道两边应有黑线，黑色线宽25毫米左右，见图 1-6。图 1-6赛道颜色及边线（4）小S弯道赛道上会出现虚线赛道。虚线赛道规格参数如图 1-1 ：图 1-2 小S虚线赛道 虚线赛道只会出现在摄像头组和光电平衡组上，电磁组没有虚线赛道段区。且最多出现2段虚线赛道。（5）比赛道路上最多出现2段路障区域。路障由单层KT

11、板制成。其长度与赛道宽度一样，路障宽度10cm，高小于0.5cm，间距为10cm。 （6）交叉路口边缘线可表示如图 1-8：图 1-8十字路口2 基于matlab的赛道磁场仿真2.1 matlab平台简介 MATLAB是MathWorks公司推向市场的数学软件，可用于数据分析、算法开发等，其包括MATLAB和Simulink两大部分2。 MATLAB在数学数值计算方面能力突出，可进行矩阵运算，图形绘制，算法实现，仿真模拟等诸多功能。在工程控制，数值运算，信号图像处理，建模仿真等方面非常受到欢迎。2.2 赛道抽象基于第二章道路信息简介的分析，我们可以把赛道抽象为3种模型，即直道，弯道，波浪道。图

12、2-12.2.1圆形导线磁场研究现在设弯道为一个半径为R的圆环形载流导线环，通过电流为I，现在分析载流导线环生成的磁感强度B的空间分布。现在把赛道的导线可以想象为无数个电流元 |d|连接组成的赛道。 所以由叠加原理， 求解载流导线在磁场中某一点的磁感应强度等于所有电流元在这一点的叠加。 根据毕奥萨伐尔定律， 每个电流元在距离其 r 处产生的磁感应强度dB为 3 因为载流圆环轴线的dB存在对称性，可以轻易求出解。 对于其他空间，因为不具有对称性很难求出其解，所以需要利用计算机求出解， 然后利用绘图直观得展现磁场分布。 分析载流圆环磁场时， 可以假设载流圆环的轴线取为 z 轴，因为安培定律，所以磁

13、感应强度的方向垂直于圆形线圈平面沿 Oz 轴 图2-2圆环磁场分析图4据图2-2求出矢量积在此坐标系中为 进行整理得： 由上式可知z=0时即XY平面可得，。并且方向垂直于XY平面，在此不予讨论。 在飞思卡尔赛道上，车身两侧的电磁传感器应该可以实现检测路径电磁导线磁场强度且将所得数据传输给控制模块从而控制小车， 因为车体距地面有一定的高度，所以非常有效的方法是讨论 YZ 平面的磁场分布状况， 并且XZ 平面具有对称性，所以只需要考虑 YZ 平面内dB二维分布的情况， 可以设x=0 ， 这样只需求解 和。 进行对式和式 积分， 即可得到磁场在 YZ 平面内的周期分布规律。2.2.2 长直导线磁场研

14、究 已知电流元在对距离其 r 产生的为 5 对于长直流导线， 最简单的方法是将直导线划分成很多电流元， 然后分别对其使用利用叠加原理就可得到长直导线的磁场。 图2-3 研究垂直于长直导线平面的磁场分布情况，首先应该建立直角坐标系图2-3： 矢量积在此坐标系中有 6 把矢量乘积化简为： 只需对磁感应强度沿坐标轴方向的磁感应强度分量值进行积分，便可以得长直流导线的磁感应强度的分布情况。其中积分的式子如下： 且 ，将式子算出来的结果带入此式 便可以得到最后所求的磁场强度。2.3 MATLAB 仿真及结果2.3.1 圆环导线仿真MATLAB 模拟仿真：1. 先调用数据网格指令 meshgrid 求出

15、yz 平面内的场点2. y=-0.5:0.1:0.5;z=0.5:0.1:-0.5;3. Y,Z= meshgrid(y,z)7; 2. 然后再利用式 结合用积分指令 trapz 求出By和Bz的空间分布值； 3. 利用求出的数据用指令streamline 绘制出磁场线分布情况。为了能够让我们分析出磁场的空间分布特征，程序中还应调用了指令 mesh， 从而将磁场的 y 分量和 z 分量的分布情况及磁场的大小的空间分布绘出。运行的结果如下：图2-4载流圆环在 y-z 平面磁场分布图图2-5磁场 Z 分量分布图 图2-6磁场 Y 分量分布图 图2-7圆环磁场大小分布2.3.2 长直导线程序MATL

16、AB 模拟仿真： 以以上数据为依据，从而使我们能够对模型进行计算机模拟。在编写程序时，第一步使用meshgrid 指令求出在 xy 平面的场点， 第二步使用 quiver 函数绘制长直导线在 xy 平面的磁场矢量空间分布图。求 出B 的表达式。因为小车可以检测到的范围相对于整个空间能过忽略不计，遂可看成是求解无限长导线的磁场强度，我们将对式积分求出BxBy表达式，最后利用式8求出B值。图2-8长直导线磁场矢量图2-9长直导线磁场大小分布图2.4 结果分析2.4.1 载流圆环结果分析(1) 圆环电流磁场方向分析 分析积分结果可得， 圆环电流在坐标为(0， y ， z )点所产生的磁场在其X 轴上

17、分量 Bx=0，说明圆环电流周围任一点的磁场方向都在 YZ 面内，其磁场可分解到轴向和径向(圆环电流的径向，如上边的 Y 方向)这两个垂直方向上来。(2) 圆环电流磁场大小分析 从图来看，不管是径向还是轴向，都是在 z=0，y=0.1 附近磁场非常强，并有规律向周围扩散，磁场衰减速度非常快，分析其数值也可以直接的得到此结论。而其他区域dB较弱， 磁场变化速度较小。 可以看到(z=0， y=0.1)B 为无穷大， 这是由式可知，该位置对应的电流元 r=0，这样 B 为无穷大。2.4.2 长直导线结果分析(1) 长直导线磁场方向分析 显而易见长直导线其磁场方向符合安培定则， 大拇指指向电流的方向即

18、Z 轴无限长导线的方向，手指弯曲的方向即为长直导线周围的磁场方向。 (2) 长直导线磁场大小分析 长直导线的磁场在 x=0.1，y=0.1 附近磁场强度B非常大， 磁场线分布很密集，并且向外延伸磁场强度衰减很快，磁场强度的变化率很大。观察图像可知(x=0 ，y=0)B 为无穷大，这是因为该位置对应的电流元 r=0。3 传感器的设计3.1 电磁传感器的原理 赛车能够在规定赛道上安全、平稳地运行，就需要有传感器能够及时、快速、稳定地将赛道的信息收集起来送给处理器9。 我们采用电感线圈作为传感器，电感线圈工作的基本原理是当电感线圈上通过交流电时，线圈内部的磁力线将随电流的交变而不断变化，导致线圈不断

19、发生电磁感应现象10。我们把因线圈本身电流的变化而产生的电动势，称为“自感电动势”。由此可见，电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量，它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。3.2 电磁传感器模块设计3.2.1 电磁传感器设计 因为小车的长度相比赛道的长度远远不如， 显而易见我们可以把赛道看作一个无限长的载流直导线。 在载流无限长直导线周围的磁感应强度 B 与距离r的一次方程反比 根据法拉第定律， 当穿过导体回路的磁通量发生变化时， 回路中就会产生感应电动势11。因为赛道中间铺设有漆包线，而且已知所过电流I=100mA，F=20kHz 12。根据比赛道路上磁场的频率，可以采用

20、 LC 电路来实现对赛道情况的实时监控。由 LC 并联谐振产生的频率公式： 可以得到电容值C=6.33nF 由于没有 6.33nF 容值的电容出售，所以选用了 6.8nF 容值的电容。 综上所述，在实际电路中采用了 6.8nF 容值的电容和电感并联来实现赛道情况的实时监控。 传感器由滤波，放大，检波三部分组成。滤波部分选用 LC 并联来实现放大部分采用运算放大器。检波部分由举办方统一提供。 图3-1电磁传感器原理图3.3传感器的布局 首先我们对小车和赛道抽象成以下模型如图3-2 图3-2车体坐标系 显而易见直道附近的磁场分布可以看成为无限长直导线上的磁场分布， 非常简单可以得到距离长直导线距离为 r 的点B值：进而可以推出 由此可得Bx是关于x的偶函数，在y轴两侧单调；Bz是x的奇函数在y轴两侧没有单调关系。在相同高度下，Bx幅值是Bz的两倍，但在X=20时Bx只有Bz的一半左右，因此Bx的衰减较为Bz快很多说明水平线圈对远处道路状况相对比较敏感， 可以用来预测前方的弯道。 此外感应电动势与线圈匝数成正比。 所以，增加线圈匝数是提高灵敏度的通常选择，前提是传感器安放位置，传感器重量等其他条件均在正常范围内。综述，传感器排列我们应采取混合排列方式。4 结论与展望本文以飞思卡尔智能汽车大赛电磁组小车为研究对象，对飞思卡尔智能汽车大赛的总体情况、道路信息等做了详细的论述