基于鐵絲磁化的車(chē)模越界檢測(cè)

卓晴　魯暢　金浩哲

摘要：在智能車(chē)競(jìng)賽中，人工判斷高速運(yùn)行車(chē)模是否瞬間越過(guò)邊界線比較困難，容易產(chǎn)生誤判。本文提出了一種基于鐵絲磁化原理的車(chē)模越界檢測(cè)方案，可以替代人工裁判。方案中采用帶有偏置磁鐵的霍爾器件檢測(cè)鐵絲磁化時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，經(jīng)過(guò)放大后由單片機(jī)判斷是否車(chē)模越界。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模塊可以滿足精確檢測(cè)的要求。

關(guān)鍵詞：智能車(chē)比賽；霍爾傳感器；越界檢測(cè)

前言

一年一度的大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽以其競(jìng)賽內(nèi)容的挑戰(zhàn)性和比賽評(píng)價(jià)的客觀性吸引了很多國(guó)內(nèi)高校工科學(xué)生參加。十年以來(lái)，比賽的規(guī)模和參賽隊(duì)伍的競(jìng)技水平有了很大的提高。隨著車(chē)模運(yùn)行速度越來(lái)越快，現(xiàn)場(chǎng)依靠人工判斷車(chē)模是否越界變得越來(lái)越困難，特別是當(dāng)車(chē)模在比賽過(guò)程中瞬間越過(guò)賽道邊界又重新回到賽道上時(shí)，依靠人工判罰往往容易造成一些誤判。雖然可以依靠現(xiàn)場(chǎng)錄像進(jìn)行后期仲裁，但實(shí)踐中所拍攝的錄像很難滿足及時(shí)有效的判斷需求。

由于比賽場(chǎng)地面積比較大，賽道形狀不規(guī)整，所以通過(guò)傳統(tǒng)的攝像頭，或者光電等方法完成車(chē)模越界判斷相對(duì)困難。在改進(jìn)的比賽規(guī)則中給出了兩類解決方案。一種是基于路肩法，即在賽道兩側(cè)間斷放置高度1厘米，寬2.5厘米的軟泡沫材料。車(chē)模一旦沖出賽道會(huì)碰到泡沫材料。另一種則是在賽道兩旁導(dǎo)引線下鋪設(shè)直徑1毫米的鐵絲，同時(shí)在每輛車(chē)模兩側(cè)安裝專用檢測(cè)模塊。兩者結(jié)合起來(lái)用于判斷車(chē)模是否瞬間越過(guò)賽道邊緣。本文主要對(duì)此方法進(jìn)行介紹，其中檢測(cè)模塊安裝位置如1圖所示。

每當(dāng)車(chē)模兩側(cè)的檢測(cè)模塊經(jīng)過(guò)賽道邊緣鐵絲上方時(shí)，檢測(cè)模塊便通過(guò)LED和蜂鳴器指示車(chē)模越界了。

本文在分析檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，給出了檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了該方案的優(yōu)越性能。

1.檢測(cè)原理

由于鐵絲是鐵磁物質(zhì)，在磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生磁化。磁化后的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)疊加在原來(lái)磁場(chǎng)中，改變了原來(lái)磁場(chǎng)分布。鐵絲引起的磁場(chǎng)的變動(dòng)可以通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)出來(lái)。圖2示意了鐵絲對(duì)于永磁鐵周?chē)艌?chǎng)分布的影響。

為了使得鐵絲磁化，需要一個(gè)永磁鐵產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)。稱該永磁鐵為偏置磁鐵。

由于鐵絲相對(duì)比較細(xì)小，對(duì)原磁場(chǎng)改變很小。需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行有效的放大后然后再進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。由于車(chē)模在運(yùn)行中是動(dòng)態(tài)越過(guò)鐵絲，所以只對(duì)磁場(chǎng)波動(dòng)所產(chǎn)生的交變信號(hào)進(jìn)行放大即可。由于放大倍數(shù)比較大（大約一萬(wàn)倍左右），因此采用了兩級(jí)交流放大電路。電路如圖3所示。

為了減少電源噪聲的影響，由R1，D，組成2.5V的穩(wěn)壓電路給霍爾器件提供工作電壓。同時(shí)由R2，R3組成1.6V的工作參考電壓。霍爾輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)LMV358雙運(yùn)放組成的兩級(jí)交流放大電路放大后送至單片機(jī)進(jìn)行采集處理。為了濾除高頻干擾信號(hào)，運(yùn)放中還增加C5，C7進(jìn)行低通濾波。

單片機(jī)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)中，還包含著比較大的噪聲成分，如有環(huán)境磁場(chǎng)噪聲、電路板電源噪聲以及器件的熱噪聲。需要通過(guò)軟件進(jìn)行平滑濾波，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)的噪聲幅度，進(jìn)而提高檢測(cè)靈敏度。下圖顯示了原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)100點(diǎn)平滑濾波后的數(shù)據(jù)。通過(guò)濾波將原始數(shù)據(jù)的噪聲方差由65降低到了2.5。

2.檢測(cè)效果

為了檢驗(yàn)上述檢測(cè)原理的有效性，下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)不同形狀的偏置磁鐵、不同的檢測(cè)高度以及運(yùn)動(dòng)速度做了測(cè)試。

2.1偏置永磁鐵

偏置磁鐵是使得鐵絲的必要條件。由于實(shí)際應(yīng)用中檢測(cè)模塊需要固定在車(chē)模底盤(pán)上，所以要求磁鐵尺寸小，且呈扁平狀。為了研究不同磁鐵對(duì)于檢測(cè)信號(hào)的影響，選擇了四種不同形狀尺寸的坡莫合金永磁鐵作為偏置磁鐵。一種是長(zhǎng)方形的磁鐵，另外三種為直徑分別是10、8、5毫米的圓形磁鐵。如圖5所示。

將偏置磁鐵放置在電路基板下面，中心與霍爾器件對(duì)齊。將鐵絲在電路基板下高度為H的距離以一定速度V橫掃過(guò)檢測(cè)電路，模擬車(chē)?？缭借F絲的過(guò)程。如下圖6所示。

實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)高度為15毫米，鐵絲的直徑為1毫米，速度大約為1米/秒。通過(guò)單片機(jī)AD端口采集放大后的信號(hào)波形數(shù)據(jù)，繪制成波形如圖6所示。

圖7中的1、2、3、4號(hào)波形曲線對(duì)應(yīng)的四種磁鐵分別是長(zhǎng)方形磁鐵、直徑分別為10、8、5毫米圓形的磁鐵?？梢钥闯?，方形磁鐵所產(chǎn)生的信號(hào)幅度遠(yuǎn)高于其它三種圓形磁鐵。這說(shuō)明磁鐵體積越大，對(duì)于鐵絲磁化效果越明顯，進(jìn)而產(chǎn)生的磁鐵波動(dòng)變大。不過(guò)由于受到電路板整體尺寸的限制，偏置磁鐵的體積也不能夠無(wú)限制增大。

2.2檢測(cè)高度

采用方形偏置磁鐵，測(cè)量鐵絲以1米/秒的速度，檢測(cè)高度從10毫米至25毫米范圍內(nèi)選擇十種不同高度下檢測(cè)到信號(hào)峰值高度值。測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

當(dāng)模塊靜止時(shí)，測(cè)量信號(hào)的噪聲方差值為28左右。當(dāng)檢測(cè)距離10毫米時(shí)，放大電路基本進(jìn)行飽和。當(dāng)檢測(cè)高度為25毫米的時(shí)候，峰值高度值為88，接近本底噪聲方差的3倍。因此超過(guò)25毫米后，檢測(cè)是否通過(guò)鐵絲邊界的結(jié)果變得不可靠。要求檢測(cè)模塊距離地面的距離應(yīng)該小于25毫米。實(shí)際中車(chē)模底盤(pán)距離地面的距離都小于20毫米，所以固定在車(chē)模底盤(pán)上的檢測(cè)模塊能夠保證檢測(cè)距離在合適的范圍內(nèi)。

2.3運(yùn)動(dòng)速度

當(dāng)檢測(cè)高度為10毫米時(shí)，將鐵絲以不同的速度通過(guò)檢測(cè)模塊，測(cè)量得到的信號(hào)波形如圖9所示。

由圖9可知，鐵絲運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度越高，產(chǎn)生的信號(hào)峰值越大，檢測(cè)準(zhǔn)確度高。通過(guò)上面波形可以預(yù)測(cè)，即使鐵絲相對(duì)于車(chē)模速度減小到0.2米/秒，波形的峰值高度仍然滿足檢測(cè)要求。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，利用直徑1毫米鐵絲作為賽道邊界標(biāo)志，通過(guò)帶有偏置磁鐵的霍爾器件可以在距離20毫米內(nèi)，準(zhǔn)確檢測(cè)到鐵絲是否經(jīng)過(guò)檢測(cè)模塊。而且速度越快，檢測(cè)精度越高。

3.檢測(cè)模塊

3.1電路框圖

以單片機(jī)STM32F030F4為核心，集成霍爾信號(hào)放大電路、穩(wěn)壓電路、蜂嗚器、按鈕和LED，通過(guò)合理的元器件布局，可以形成體積很小的檢測(cè)模塊。電路結(jié)構(gòu)如圖10所示。

整體電路由一小塊可充電鋰電池供電。鋰電池由外部充電器進(jìn)行充電。一次充電后，模塊可以連續(xù)工作八個(gè)小時(shí)，足夠滿足一天比賽的要求。

3.2系統(tǒng)功能

打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)K，系統(tǒng)上電后將自動(dòng)進(jìn)行放大電路零點(diǎn)矯正。矯正完畢后進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)。

當(dāng)模塊下有鐵絲通過(guò)時(shí)，引起磁場(chǎng)波動(dòng)大于設(shè)定閾值后，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂嗚器和LED進(jìn)行報(bào)警，顯示檢測(cè)結(jié)果，并一直保持該狀態(tài)。通過(guò)按鈕可以消除報(bào)警，重新恢復(fù)到檢測(cè)狀態(tài)。

4.結(jié)論

在賽道兩側(cè)鋪設(shè)鐵絲邊界，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)模塊進(jìn)行車(chē)模越界檢測(cè)，替代人工判罰過(guò)程，減少了現(xiàn)場(chǎng)誤判概率，提高了比賽的客觀性和公平性。

本文提出的檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)方案，體積小，檢測(cè)精度高，能夠滿足正常比賽的要求。