無線定位

1.背景介紹

電磁定位[1]在很多工業(yè)定位領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，比如在六自由度電磁跟蹤與定位[2]中的應(yīng)用。在第十六屆全國(guó)大學(xué)生智能車[3]中的競(jìng)速比賽[4]里有一個(gè)節(jié)能信標(biāo)組[5]，它利用給節(jié)能車模提供無線充電的線圈同時(shí)也提供了電磁導(dǎo)航信息。

利用電磁導(dǎo)航在早期的大學(xué)生智能車競(jìng)賽中已經(jīng)存在，包括兩種形式：一種是利用傳統(tǒng)的PID控制方案，比如下面的這個(gè)電單車正沿著地板上的賽道運(yùn)行。

▲在電磁引導(dǎo)下的電單車運(yùn)行

第二種就是AI電磁組[6]，利用AI技術(shù)完成車模運(yùn)行控制。比如下面這個(gè)動(dòng)圖演示的就是通過訓(xùn)練AI模型之后控制車模沿著賽道上的電磁導(dǎo)引線行進(jìn)中的車模。

▲將前排傳感器去除之后完成賽道運(yùn)行

在第十六屆競(jìng)賽中的節(jié)能信標(biāo)組，信標(biāo)可以提供三種導(dǎo)航信號(hào)：

紅色LED燈紅外LED等電磁線圈導(dǎo)航信號(hào)，200kHz的無線電導(dǎo)引。

利用電磁導(dǎo)引是以往信標(biāo)組所不具備的，同時(shí)也區(qū)別于傳統(tǒng)的賽道電磁線的導(dǎo)引方式。主要的區(qū)別包括：

工作的頻率點(diǎn)不同：傳統(tǒng)的電磁導(dǎo)航使用20kHz的交變電流；而節(jié)能信標(biāo)則使用200kHz（有可能修改為100kHz）.車模運(yùn)行模式不同：傳統(tǒng)電磁導(dǎo)航是引導(dǎo)車模沿著賽道路徑前進(jìn)；節(jié)能信標(biāo)則是引導(dǎo)車模進(jìn)行定點(diǎn)搜尋

本文就對(duì)于利用電磁線圈進(jìn)行位置定位的方法進(jìn)行初步的討論。

2.信標(biāo)線圈

實(shí)驗(yàn)中所使用的線圈來自于無線功率發(fā)送器與接收實(shí)驗(yàn)：設(shè)定為200kHz[7]中的測(cè)試線圈。它使用多股利茲線(200股)自行繞制而成。它的基本參數(shù)為：

線圈參數(shù)：

線圈直徑：17厘米

匝數(shù)：9匝電感：

L0=29uH靜態(tài)電阻：

L0=0.0866Ω

▲實(shí)驗(yàn)所使用的線圈

利用在節(jié)能信標(biāo)燈設(shè)計(jì)第一版本：預(yù)備實(shí)驗(yàn)[4]中的驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)線圈工作，工作頻率為200kHz，母線電壓選擇24V。在工作時(shí)，線圈兩端的交流電壓有效值大約70V左右。

3.接收線圈

為了對(duì)比不同的電磁信號(hào)接收方案，選擇一些手邊可以得到的材料進(jìn)行測(cè)試。它們包括普通中波收音機(jī)天線線圈、工字型電感、色碼電感、空心線圈等。

▲實(shí)驗(yàn)中所使用的電感、磁棒等材料

根據(jù)它們不同的電感，配置相應(yīng)的諧振電容，它們接收到信號(hào)的幅值、接收到信號(hào)的方向性等特點(diǎn)。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.中波收音機(jī)天線磁棒

（1）線圈基本參數(shù)

磁棒尺寸：

長(zhǎng)：55mm寬：12.5mm厚：4.5mm

▲中波天線磁棒

為了方便測(cè)量，將天線上兩個(gè)繞組焊接在PIN4的插針，固定在面包板[8]上，根據(jù)博文為什么面包板不能夠做射頻電路實(shí)驗(yàn)？[9]中的測(cè)量結(jié)果，對(duì)于200kHz的信號(hào)，面包板的高頻特性可以滿足測(cè)量要求。

線圈參數(shù)：

線圈1的參數(shù)：L1=637.4uH；R1=3.87Ω

線圈2的參數(shù)：L2=11.46uH；R2=0.549Ω

▲利用面包板進(jìn)行測(cè)試

（2）諧振電容

使用磁棒上線圈1，配置f0=200kHz的諧振LC回路，諧振電容C0=0.994nF。選擇瓷片電容（102），實(shí)測(cè)電容為：1.108nF。

▲瓷片諧振電容：1.108nF

（3）接收信號(hào)

將線圈距離發(fā)送線圈1米距離，使用DM3068萬用表交流檔測(cè)量線圈的交流電壓。實(shí)驗(yàn)中發(fā)送線圈的工作電壓為12V。

隨著磁棒長(zhǎng)軸與線圈法向量的角度不同，測(cè)量得到的信號(hào)幅值發(fā)生變化：

測(cè)量信號(hào)幅值有效值：

最大值：大于33mV

最小值：小于1mV

當(dāng)磁棒與線圈法向量平行時(shí)，測(cè)量信號(hào)幅值最大；當(dāng)磁棒與線圈法向量垂直時(shí)，信號(hào)的幅值最小。

▲接收線圈的方位影響接收信號(hào)的幅值

2.自行繞制工字型電感

（1）電感基本參數(shù)

工字型電感尺寸：

高：9.87mm

半徑：11.71mm

使用單股紗包線繞制電感，具體的匝數(shù)不詳（在繞制的時(shí)候沒有數(shù)）。形成如下的電感：

▲自行繞制工字型電感

繞制工字型電感參數(shù)：

電感：L0=148.9uH

等效串聯(lián)電阻：Rs=0.344Ω

（2）諧振電容

根據(jù)LC諧振公式，可以計(jì)算諧振在頻率f0=200kHz時(shí)的并聯(lián)諧振電容為4.253nF。使用兩個(gè)102瓷片電容與一個(gè)222滌綸電容并聯(lián)，形成諧振電容。

▲自繞制電感與諧振電容

實(shí)際測(cè)量三個(gè)并聯(lián)的諧振電容的電容為：C0=4.382。

（3）接收信號(hào)

測(cè)量不同方向的感應(yīng)信號(hào)有效值：

測(cè)量信號(hào)幅值：

最大幅值：大于20mV

最小幅值：小于0.1mV

▲不同方向測(cè)量得到的信號(hào)

對(duì)比前面的磁棒接收信號(hào)，使用工字電感接收到的信號(hào)幅值減少了。

（4）改變工作電壓

改變無線發(fā)送電路板的工作點(diǎn)電壓，改變了發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度。記錄工作電壓從5V增加到24V，對(duì)應(yīng)的LC諧振線圈接收到的信號(hào)變化。如下圖所示：

▲不同工作電壓對(duì)應(yīng)檢測(cè)信號(hào)的幅值

可以看到接收信號(hào)的強(qiáng)度與發(fā)送線圈工作電壓成正比。

3.色環(huán)電感

使用一個(gè)10uH的色環(huán)電感來接收導(dǎo)航200kHz的電磁信號(hào)。

▲色環(huán)電感與諧振電容

經(jīng)過計(jì)算，10uH色環(huán)電感對(duì)應(yīng)的諧振電容為：63.32nF。

使用三個(gè)223瓷片電容并聯(lián)作為諧振電容。實(shí)際測(cè)量對(duì)應(yīng)的并聯(lián)電容容值為：61.87nF。

使用數(shù)字萬用表交流檔，實(shí)測(cè)LC諧振信號(hào)小于0.1V。這說明使用色環(huán)電感無法接收導(dǎo)航信號(hào)。

4.工字電感

使用中型的工字型電感，電感值320uH。計(jì)算它的諧振電容為：1.979nF。

使用兩個(gè)102的瓷片電容并聯(lián)形成諧振電容：

▲工字型電感及其匹配電容

實(shí)際測(cè)量?jī)蓚€(gè)102電容并聯(lián)之后的容值為：2.223nF。

在無線電發(fā)射板工作在24V下，測(cè)量到的LC諧振電容的最大值大約為：7.6mV。

5.空心線圈

使用一個(gè)空心線圈來接收導(dǎo)航信號(hào)?？招木€圈的參數(shù)：

空心線圈參數(shù)：

直徑：42mm

匝數(shù)：不詳

電感：367.4uH

電阻：5.768Ω

▲空心線圈及其諧振電容

計(jì)算對(duì)應(yīng)的諧振電容為1.723nF。通過三個(gè)瓷片電容的串并來實(shí)現(xiàn)諧振電容。

通過數(shù)字萬用表測(cè)量發(fā)射線圈工作在12V時(shí)，最大接收到的諧振信號(hào)為38mV。

▲諧振LC信號(hào)

結(jié)論

通過對(duì)于幾種典型的電感來接收200kHz導(dǎo)航信號(hào)。通過匹配在200kHz下諧振電容，可以提高接收信號(hào)的信噪比。影響接收信號(hào)的幅度除了與電感種類有關(guān)系之外，還和電感與發(fā)射線圈的距離以及方向有關(guān)系，可以利用這些關(guān)系來進(jìn)行導(dǎo)航。

下表給出了不同電感在大體相同距離情況下，所能夠接收到信號(hào)的幅值：（都換算到發(fā)射板工作在12V情況下的數(shù)值）

通過部署多個(gè)接收線圈，可以為測(cè)量發(fā)射線圈的方位提供數(shù)據(jù)支撐。

參考資料

[1]電磁定位:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134054

[2]六自由度電磁跟蹤與定位:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108909047

[3]全國(guó)大學(xué)生智能車:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107256496

[4]競(jìng)賽比賽:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

[5]節(jié)能信標(biāo)組:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113816105

[6]AI電磁組:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105055375

[7]無線功率發(fā)送器與接收實(shí)驗(yàn)：設(shè)定為200kHz:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113816303

[8]面包板:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106269740

[9]為什么面包板不能夠做射頻電路實(shí)驗(yàn)？:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106103762
編輯：hfy