通过传统的PID控制的无线电磁定位技术

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。

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
编辑：hfy