基于旋轉(zhuǎn)多普勒及磁效應(yīng)的定位與控制方法研究

王學(xué)文 陳闊 董明慧

摘?要：對(duì)液體中物體的位置的測(cè)量在物理上一直有不同的方法。本實(shí)驗(yàn)是在模擬微重力的環(huán)境下，基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)對(duì)液體中的“氣包”的三維位置進(jìn)行測(cè)量，并利用電磁場(chǎng)對(duì)磁性物質(zhì)的作用力控制氣包的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用特殊點(diǎn)和空間幾何各物理量相互轉(zhuǎn)換的基本思想，精確利用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出液體中“氣包”的三維坐標(biāo)，同時(shí)利用激光掃描方法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣包大小的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng);定位;運(yùn)動(dòng)控制

在微重力條件下，由密度差所造成的浮力消失，液體主要受表面張力的作用。所以懸浮在空間的水包呈球形或近似球形，并且在水球內(nèi)的氣泡也呈球形或近似球形。在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中，將氣液界面測(cè)量的問題提取出來(lái)，以“氣包”代替太空中的“水包”，以自由液體環(huán)境代替失重的真空，控制氣包懸浮，通過近似模擬太空微重力環(huán)境，探究液體中的“氣包”運(yùn)動(dòng)軌跡并實(shí)現(xiàn)三維定位、自由控制、大小測(cè)量等功能。

1 基于旋轉(zhuǎn)多普勒的三維空間水下“氣包”定位基本原理

提取接收器作勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)在一周內(nèi)分別接收到信號(hào)頻率的不變值、最大值和最小值的位置信息，就可以確定定位點(diǎn)在定位區(qū)域內(nèi)的位置，這就是所謂的多普勒測(cè)向原理，也就是我們水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行水下目標(biāo)定位的基本原理。

本實(shí)驗(yàn)通過超聲波的多普勒效應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)了氣包定位功能。由于圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多普勒精確定位時(shí)，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈僅需用0.342466s便可采集到實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)，所需時(shí)間極短。在實(shí)驗(yàn)后期我們可以制作一個(gè)程序即時(shí)采集每個(gè)點(diǎn)的位置，于是在氣包運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，在實(shí)驗(yàn)可容許的誤差范圍內(nèi)，我們通過旋轉(zhuǎn)多普勒定位方法，不斷提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得氣包的實(shí)時(shí)位置，由點(diǎn)及線，描繪出氣包的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣包運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤。

2 利用電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液體中“氣包”控制基本原理

當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，會(huì)在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。應(yīng)用這性質(zhì)，將電流通過螺線管時(shí)，則會(huì)在螺線管之內(nèi)制成均勻磁場(chǎng)，而在螺線管的兩端則會(huì)有有向磁場(chǎng)。電磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小、線圈匝數(shù)，中心的鐵磁體以及距離和位置有關(guān)。通過調(diào)節(jié)電流的大小以及電磁鐵吸引端與小球的距離，來(lái)改變電磁鐵對(duì)氣包的作用力，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣包的運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)控。

本實(shí)驗(yàn)的電磁鐵鐵芯材料為鐵鎳合金。比起硅鋼材料做成的鐵芯，鐵鎳合金的磁導(dǎo)率比較高，含Ni78%的鐵鎳合金在弱磁場(chǎng)中的磁導(dǎo)率比硅鋼高約10～20倍。所以用鐵鎳合金材料的鐵芯做成的電磁鐵磁性會(huì)更強(qiáng)。電磁鐵的線圈用漆包銅線繞成，銅線通電、有彈性可繞成任意形狀，本實(shí)驗(yàn)選用直徑為0.44mm的漆包銅線用于制作電磁鐵，每一個(gè)鐵芯外面緊緊繞有4層漆包銅線，以保證有足夠的匝數(shù)，從而保證有足夠強(qiáng)的磁力。

通過調(diào)節(jié)通過兩個(gè)電磁鐵的電流I1、I2的大小和電磁鐵與氣包的距離來(lái)控制電磁鐵對(duì)氣包的作用力大小，從而使氣包所受的合力方向指向目標(biāo)位置。由于小球的運(yùn)動(dòng)具有慣性，在氣包運(yùn)動(dòng)過程中，通過不斷地控制兩端電磁鐵的電路通斷，使氣包最終在目標(biāo)位置做往返距離趨于0的運(yùn)動(dòng)，直至穩(wěn)定停留在目標(biāo)位置。

在實(shí)際的工作過程中，每隔一定時(shí)間（較短），通過多普勒定位不斷提取氣包的實(shí)時(shí)位置，并及時(shí)調(diào)整工作的電磁鐵的工作電流比例以使氣包在運(yùn)動(dòng)過程中位置變化后不斷地調(diào)整所受合力方向始終指向目標(biāo)位置，使氣包能向指向準(zhǔn)確的方向以較慢的速度運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。

3 激光掃描氣包邊緣測(cè)量大小原理及實(shí)現(xiàn)方法分析

本實(shí)驗(yàn)使兩個(gè)平行光管處于水平面上離球體一定距離的位置①上，再分別向不透明球體靠近，直到激光束剛好能通過，此時(shí)激光束處于與球體相切的位置②上，在與光管相對(duì)的水缸壁上可以看見光斑。此時(shí)兩個(gè)平行光管的距離有可能是直徑D，也有可能是某一條弦長(zhǎng)，需要進(jìn)一步確定。

將激光束垂直往上和往下微微移動(dòng)，若光斑始終存在，則此時(shí)平行光之間的距離就是球的直徑D;若光斑消失了，如圖中③的位置，則將光管稍微往兩邊移動(dòng)，然后再繼續(xù)往下（或往上），直至光斑重新出現(xiàn)在水缸壁上為止，此時(shí)就是圖中④的位置，則平行光之間的距離就是球的直徑D。再將兩個(gè)平行光射在玻璃缸上的光斑描出來(lái)，用精密測(cè)量工具測(cè)出長(zhǎng)度即可得到球的直徑，進(jìn)而求出大小。

4 總結(jié)

傳統(tǒng)方法在對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位時(shí)存在的缺點(diǎn)是受信道影響大存在多途干擾問題，而且一般需要幾個(gè)接收器。本實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)運(yùn)用超聲波定位的方法上做出改進(jìn)，根據(jù)聲波的多普勒效應(yīng)，僅利用一個(gè)接收器，加之很好地運(yùn)用變量控制、幾何轉(zhuǎn)化的思想，只需測(cè)量時(shí)間數(shù)據(jù)即可巧妙地實(shí)現(xiàn)“氣包”的三維定位。

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基金項(xiàng)目：齊魯理工學(xué)院2018年教學(xué)改革研究項(xiàng)目：應(yīng)用型高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革（JG201858）

作者簡(jiǎn)介：王學(xué)文（1994-），男，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué)。