基于鐵絲磁化的車模越界檢測

摘要：在智能車競賽中，人工判斷高速運行車模是否瞬間越過邊界線比較困難，容易產(chǎn)生誤判。本文提出了一種基于鐵絲磁化原理的車模越界檢測方案，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鐵絲磁化時所產(chǎn)生的磁場變化，經(jīng)過放大后由單片機判斷是否車模越界。通過實驗驗證了模塊可以滿足精確檢測的要求。

前言

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

　　由于比賽場地面積比較大，賽道形狀不規(guī)整，所以通過傳統(tǒng)的攝像頭，或者光電等方法完成車模越界判斷相對困難。在改進的比賽規(guī)則中給出了兩類解決方案^[1~2]。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。車模一旦沖出賽道會碰到泡沫材料。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，同時在每輛車模兩側(cè)安裝專用檢測模塊。兩者結(jié)合起來用于判斷車模是否瞬間越過賽道邊緣。本文主要對此方法進行介紹，其中檢測模塊安裝位置如1圖所示。

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

　　本文在分析檢測原理的基礎(chǔ)上，給出了檢測模塊的設(shè)計方案。通過實驗檢測了該方案的優(yōu)越性能。

1 檢測原理

　　由于鐵絲是鐵磁物質(zhì)，在磁場作用下會發(fā)生磁化。磁化后的磁場反過來疊加在原來磁場中，改變了原來磁場分布。鐵絲引起的磁場的變動可以通過霍爾傳感器檢測出來。圖2示意了鐵絲對于永磁鐵周圍磁場分布的影響。

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

　　由于鐵絲相對比較細小，對原磁場改變很小。需要對檢測信號進行有效的放大后然后再進行信號檢測。由于車模在運行中是動態(tài)越過鐵絲，所以只對磁場波動所產(chǎn)生的交變信號進行放大即可。由于放大倍數(shù)比較大(大約一萬倍左右)，因此采用了兩級交流放大電路。電路如圖3所示。

　　為了減少電源噪聲的影響，由R1，D1組成2.5V的穩(wěn)壓電路給霍爾器件提供工作電壓。同時由R2，R3組成1.6V的工作參考電壓?；魻栞敵鲂盘柦?jīng)過LMV358雙運放組成的兩級交流放大電路放大后送至單片機進行采集處理。為了濾除高頻干擾信號，運放中還增加C5，C7進行低通濾波。

　　單片機采集到的信號數(shù)據(jù)中，還包含著比較大的噪聲成分，如有環(huán)境磁場噪聲、電路板電源噪聲以及器件的熱噪聲。需要通過軟件進行平滑濾波，進一步降低數(shù)據(jù)的噪聲幅度，進而提高檢測靈敏度。下圖顯示了原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過100點平滑濾波后的數(shù)據(jù)。通過濾波將原始數(shù)據(jù)的噪聲方差由65降低到了2.5。

2 檢測效果

　　為了檢驗上述檢測原理的有效性，下面通過實驗，分別對不同形狀的偏置磁鐵、不同的檢測高度以及運動速度做了測試。

2.1 偏置永磁鐵

　　偏置磁鐵是使得鐵絲的必要條件。由于實際應(yīng)用中檢測模塊需要固定在車模底盤上，所以要求磁鐵尺寸小，且呈扁平狀。為了研究不同磁鐵對于檢測信號的影響，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橫掃過檢測電路，模擬車?？缭借F絲的過程。如下圖6所示。

　　實驗中檢測高度為15毫米，鐵絲的直徑為1毫米，速度大約為1米/秒。通過單片機AD端口采集放大后的信號波形數(shù)據(jù)，繪制成波形如圖6所示。

　　圖7中的1、2、3、4號波形曲線對應(yīng)的四種磁鐵分別是長方形磁鐵、直徑分別為10、8、5毫米圓形的磁鐵?？梢钥闯觯叫未盆F所產(chǎn)生的信號幅度遠高于其它三種圓形磁鐵。這說明磁鐵體積越大，對于鐵絲磁化效果越明顯，進而產(chǎn)生的磁鐵波動變大。不過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限制增大。

2.2 檢測高度

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

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

2.3 運動速度

　　當(dāng)檢測高度為10毫米時，將鐵絲以不同的速度通過檢測模塊，測量得到的信號波形如圖9所示。

　　由圖9可知，鐵絲運動相對速度越高，產(chǎn)生的信號峰值越大，檢測準(zhǔn)確度高。通過上面波形可以預(yù)測，即使鐵絲相對于車模速度減小到0.2米/秒，波形的峰值高度仍然滿足檢測要求。

　　通過實驗表明，利用直徑1毫米鐵絲作為賽道邊界標(biāo)志，通過帶有偏置磁鐵的霍爾器件可以在距離20毫米內(nèi)，準(zhǔn)確檢測到鐵絲是否經(jīng)過檢測模塊。而且速度越快，檢測精度越高。

3 檢測模塊

3.1 電路框圖

　　以單片機STM32F030F4為核心，集成霍爾信號放大電路、穩(wěn)壓電路、蜂鳴器、按鈕和LED，通過合理的元器件布局，可以形成體積很小的檢測模塊。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行充電。一次充電后，模塊可以連續(xù)工作八個小時，足夠滿足一天比賽的要求。

3.2 系統(tǒng)功能

　　打開電源開關(guān)K，系統(tǒng)上電后將自動進行放大電路零點矯正。矯正完畢后進入檢測狀態(tài)。

　　當(dāng)模塊下有鐵絲通過時，引起磁場波動大于設(shè)定閾值后，單片機驅(qū)動蜂鳴器和LED進行報警，顯示檢測結(jié)果，并一直保持該狀態(tài)。通過按鈕可以消除報警，重新恢復(fù)到檢測狀態(tài)。

4 結(jié)論

　　在賽道兩側(cè)鋪設(shè)鐵絲邊界，通過自動檢測模塊進行車模越界檢測，替代人工判罰過程，減少了現(xiàn)場誤判概率，提高了比賽的客觀性和公平性。

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

參考文獻：

　　[1]競賽組委會，第十一屆全國大學(xué)生智能汽車競賽競賽比賽規(guī)則，2015，11

　　[2]競賽組委會，第十一屆全國大學(xué)生智能汽車競賽競賽通知，2015,11

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第57頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。