节能信标无线感应定位

节能信标无线感应定位

卓晴 TsinghuaJoking

▌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。

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）

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