2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、基于電磁場檢測的尋線智能車設(shè)計(模版)DesignofIntelligenceAutomotiveTracekeepingBasedonDetectionofElectromagicField張昊飏,馬旭,卓晴(清華大學(xué),XXXX一隊)摘要:本設(shè)計以“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽為背景,提出了一種根據(jù)電磁場信號引導(dǎo)小車循跡行駛的方案。本文介紹了這一方案的基本思想,所依據(jù)的物理原理,給出了對電感線圈得到的信號進行調(diào)理放大和控制小車舵機

2、運行的電路,并根據(jù)方案實際制作了小車。實踐證明該方案是可行的。關(guān)鍵詞:智能車;磁場;線圈;磁感應(yīng)強度;感應(yīng)電動勢I.引言以往的智能車競賽分為光電組和攝像頭組,其中光電組主要是使用光電傳感器如紅外傳感器采集路徑信息,攝像頭組主要通過采集圖像信息識別路徑。本文則采用通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場對智能車進行引導(dǎo)。使用磁場信號引導(dǎo)車沿一定軌跡行走的優(yōu)點主要體現(xiàn)在磁場信號具有很好的環(huán)境適應(yīng)性,不受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。II.設(shè)計原理根據(jù)電磁學(xué)

3、,我們知道在導(dǎo)線中通入變化的電流(如按正弦規(guī)律變化的電流),則導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生變化的磁場,且磁場與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場中置一由線圈組成的電感,則該電感上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,且該感應(yīng)電動勢的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置,磁感應(yīng)強度的大小和方向不同,所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也應(yīng)該是不同。據(jù)此,則可以確定電感的大致位置。首先,由畢奧薩伐爾定律知:通有穩(wěn)恒電流I長度為L的直導(dǎo)線周圍會

4、產(chǎn)生磁場,距離無限長直導(dǎo)線距離為r處P點的磁感應(yīng)強度為:它的磁力線是在垂直于導(dǎo)線的平面內(nèi)以導(dǎo)線為軸的一系列同心圓,圓上的磁感應(yīng)強度大小相同。圖1直導(dǎo)線兩側(cè)的線圈對于通有電流的弧形導(dǎo)線,根據(jù)畢奧薩伐爾定律明顯可以得出弧線內(nèi)側(cè)的磁感線密度大于弧線外側(cè)的結(jié)論。如果在通電直導(dǎo)線和弧形導(dǎo)線兩邊的正上方豎直放置兩個與電流方向一致的線圈如圖1示,則兩個線圈中會通過磁通量。導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時,導(dǎo)線周圍的磁場也將發(fā)生變化,則線圈中將感應(yīng)出一定的

5、電動勢。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電動勢的大小和通過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比。感應(yīng)電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于本設(shè)計中導(dǎo)線中通過的電流頻率較低,為20kHz,且線圈較小,令線圈中心到導(dǎo)線的距離為r,認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的,則線圈中感應(yīng)電動勢可近似為:即線圈中感應(yīng)電動勢的大小正比于電流的變化率,反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。其中k為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個量。具體的感應(yīng)電動勢須實際測定來確定。

6、本設(shè)計中順著電流方向豎直放置線圈,這是由于對于放置在導(dǎo)線上方h處的,與導(dǎo)線水平距離為x的線圈(如圖2示)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小與成正比,其中是傳感器所在平面與導(dǎo)線的夾角。由于車身可能會與導(dǎo)線成一定的夾角,因此不一定為0。圖2線圈中感應(yīng)電動勢與它距導(dǎo)線x的函數(shù)關(guān)系圖對于直導(dǎo)線,當裝有小車的中軸線對稱的兩個線圈的小車沿其直線行駛,即兩個線圈的位置關(guān)于導(dǎo)線對稱時,則兩個線圈中感應(yīng)出來的電動勢大小應(yīng)相同、且方向亦相同。若小車偏離直導(dǎo)線,即兩個線

7、圈關(guān)于導(dǎo)線不對稱時,則通過兩個線圈的磁通量是不一樣的。根據(jù)這兩個不對稱的信號的差值,即可調(diào)整小車的方向,引導(dǎo)其沿直線行駛。對于弧形導(dǎo)線,即路徑的轉(zhuǎn)彎處,由于弧線兩側(cè)的磁力線密度不同,則當載有線圈的小車行駛至此處時,弧線內(nèi)側(cè)線圈的感應(yīng)電動勢大于弧線外側(cè)線圈的,據(jù)此信號可以引導(dǎo)小車拐彎。由于磁感線的閉合性和方向性,通過兩線圈的磁通量的變化方向具有一致性,即產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同,所以由以上分析,比較兩個線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小即可判斷小

8、車相對于導(dǎo)線的位置,進而做出調(diào)整,引導(dǎo)小車大致循線行駛。III.設(shè)計方案本設(shè)計使用一普通玩具小車作為車模,采用PWM信號驅(qū)動,當PWM信號脈寬處于(1ms1.5ms)區(qū)間時舵機控制小車向左行駛,脈寬處于(1.5ms2ms)時小車向右行駛,脈寬約為1.5ms時小車沿直線行駛。本方案使用兩個10mH的電感置于車模頭部作為確定小車位置的傳感器。然后,設(shè)計了一個模擬電路,采集、調(diào)理、放大由電感得到的電動勢信號。具體電路如圖3所示。該電路采用電壓

9、并聯(lián)負反饋電路,電感信號從PL進入。考慮到單獨電感感應(yīng)出的電動勢很小,本設(shè)計使用電感和電容諧振放大感應(yīng)電動勢。由于使用的是10mH的電感,導(dǎo)線中電流頻率為20kHz,因此使用6.3nF的電容。這樣在電容上得到的電壓將會比較大,便于三極管進行放大。整個電路的具體放大倍數(shù)需要根據(jù)實際負載進行計算。本設(shè)計的小車控制電路如圖4所示。圖3檢波電路圖圖4小車的控制電路首先,把由兩個電感得到的感應(yīng)電動勢經(jīng)調(diào)理、放大后得到的電壓輸出u1和u2送入由運放

10、組成的減法器中進行減法運算,然后再經(jīng)由運放組成的電壓跟隨器送給下一級電路。經(jīng)過分析,這一級電路的輸出大致可由下式進行計算:后一級電路由兩個555定時器組成,其中下方的555構(gòu)成一個占空比非常接近于1的脈沖發(fā)生器,作為上方555的觸發(fā)脈沖。因為此觸發(fā)脈沖的低電平信號非常窄,所以能很好的保證上方555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路正常運行。該脈沖信號頻率為:上方的555定時器構(gòu)成一個單穩(wěn)型壓控振蕩器,它的脈寬受輸入V1的控制,輸出即PWM信號。當V1較大

11、時,即兩個電感線圈中的感應(yīng)電動勢相差較大時,亦即小車偏離導(dǎo)線向左行駛時,則脈寬較大,舵機將控制小車向右行駛;當V1適中時,接近,即小車沿導(dǎo)線行駛時,則脈寬接近1.5ms,小車按直線行駛;當V1較小時,即小車偏離導(dǎo)線向右行駛時,則脈寬較小,舵機將控制小車向左行駛。從而,控制小車大致循著導(dǎo)線行駛。另外,改變構(gòu)成減法器的電阻的值,可以調(diào)整小車反應(yīng)的靈敏度,進而防止出現(xiàn)小車以導(dǎo)線為中軸線左右搖擺的現(xiàn)象。主要參考文獻[1]張三慧,主編.大學(xué)物理學(xué)

12、(第三冊)電磁學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社2005.[2]張營.智能車輛定位技術(shù)研究[D].上海:上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院2008.[3]邵貝貝.單片機嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京:清華大學(xué)出版社.2004年10月第1版[4]卓晴黃開勝邵貝貝.學(xué)做智能車[M].北京:北航出版社2007.3ContractInfmationXiaoguangYueghua.MingZengzengming@tsinghua.基于電磁場檢測

13、的尋線智能車設(shè)計(模版)DesignofIntelligenceAutomotiveTracekeepingBasedonDetectionofElectromagicField張昊飏,馬旭,卓晴(清華大學(xué),XXXX一隊)摘要:本設(shè)計以“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽為背景,提出了一種根據(jù)電磁場信號引導(dǎo)小車循跡行駛的方案。本文介紹了這一方案的基本思想,所依據(jù)的物理原理,給出了對電感線圈得到的信號進行調(diào)理放大和控制小車舵機運行的電路,并

14、根據(jù)方案實際制作了小車。實踐證明該方案是可行的。關(guān)鍵詞:智能車;磁場;線圈;磁感應(yīng)強度;感應(yīng)電動勢I.引言以往的智能車競賽分為光電組和攝像頭組,其中光電組主要是使用光電傳感器如紅外傳感器采集路徑信息,攝像頭組主要通過采集圖像信息識別路徑。本文則采用通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場對智能車進行引導(dǎo)。使用磁場信號引導(dǎo)車沿一定軌跡行走的優(yōu)點主要體現(xiàn)在磁場信號具有很好的環(huán)境適應(yīng)性,不受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。II.設(shè)計原理根據(jù)電磁學(xué),我們知道在導(dǎo)

15、線中通入變化的電流(如按正弦規(guī)律變化的電流),則導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生變化的磁場,且磁場與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場中置一由線圈組成的電感,則該電感上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,且該感應(yīng)電動勢的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置,磁感應(yīng)強度的大小和方向不同,所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也應(yīng)該是不同。據(jù)此,則可以確定電感的大致位置。首先,由畢奧薩伐爾定律知:通有穩(wěn)恒電流I長度為L的直導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場,距離

16、無限長直導(dǎo)線距離為r處P點的磁感應(yīng)強度為:它的磁力線是在垂直于導(dǎo)線的平面內(nèi)以導(dǎo)線為軸的一系列同心圓,圓上的磁感應(yīng)強度大小相同。圖1直導(dǎo)線兩側(cè)的線圈對于通有電流的弧形導(dǎo)線,根據(jù)畢奧薩伐爾定律明顯可以得出弧線內(nèi)側(cè)的磁感線密度大于弧線外側(cè)的結(jié)論。如果在通電直導(dǎo)線和弧形導(dǎo)線兩邊的正上方豎直放置兩個與電流方向一致的線圈如圖1示,則兩個線圈中會通過磁通量。導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時,導(dǎo)線周圍的磁場也將發(fā)生變化,則線圈中將感應(yīng)出一定的電動勢。根據(jù)法

17、拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電動勢的大小和通過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比。感應(yīng)電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于本設(shè)計中導(dǎo)線中通過的電流頻率較低,為20kHz,且線圈較小,令線圈中心到導(dǎo)線的距離為r,認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的,則線圈中感應(yīng)電動勢可近似為:即線圈中感應(yīng)電動勢的大小正比于電流的變化率,反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。其中k為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個量。具體的感應(yīng)電動勢須實際測定來確定。本設(shè)計中順著電

18、流方向豎直放置線圈,這是由于對于放置在導(dǎo)線上方h處的,與導(dǎo)線水平距離為x的線圈(如圖2示)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小與成正比,其中是傳感器所在平面與導(dǎo)線的夾角。由于車身可能會與導(dǎo)線成一定的夾角,因此不一定為0。圖2線圈中感應(yīng)電動勢與它距導(dǎo)線x的函數(shù)關(guān)系圖對于直導(dǎo)線,當裝有小車的中軸線對稱的兩個線圈的小車沿其直線行駛,即兩個線圈的位置關(guān)于導(dǎo)線對稱時,則兩個線圈中感應(yīng)出來的電動勢大小應(yīng)相同、且方向亦相同。若小車偏離直導(dǎo)線,即兩個線圈關(guān)于導(dǎo)線不對

19、稱時,則通過兩個線圈的磁通量是不一樣的。根據(jù)這兩個不對稱的信號的差值,即可調(diào)整小車的方向,引導(dǎo)其沿直線行駛。對于弧形導(dǎo)線,即路徑的轉(zhuǎn)彎處,由于弧線兩側(cè)的磁力線密度不同,則當載有線圈的小車行駛至此處時,弧線內(nèi)側(cè)線圈的感應(yīng)電動勢大于弧線外側(cè)線圈的,據(jù)此信號可以引導(dǎo)小車拐彎。由于磁感線的閉合性和方向性,通過兩線圈的磁通量的變化方向具有一致性,即產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同,所以由以上分析,比較兩個線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小即可判斷小車相對于導(dǎo)線的

20、位置,進而做出調(diào)整,引導(dǎo)小車大致循線行駛。III.設(shè)計方案本設(shè)計使用一普通玩具小車作為車模,采用PWM信號驅(qū)動,當PWM信號脈寬處于(1ms1.5ms)區(qū)間時舵機控制小車向左行駛,脈寬處于(1.5ms2ms)時小車向右行駛,脈寬約為1.5ms時小車沿直線行駛。本方案使用兩個10mH的電感置于車模頭部作為確定小車位置的傳感器。然后,設(shè)計了一個模擬電路,采集、調(diào)理、放大由電感得到的電動勢信號。具體電路如圖3所示。該電路采用電壓并聯(lián)負反饋電路

21、,電感信號從PL進入??紤]到單獨電感感應(yīng)出的電動勢很小,本設(shè)計使用電感和電容諧振放大感應(yīng)電動勢。由于使用的是10mH的電感,導(dǎo)線中電流頻率為20kHz,因此使用6.3nF的電容。這樣在電容上得到的電壓將會比較大,便于三極管進行放大。整個電路的具體放大倍數(shù)需要根據(jù)實際負載進行計算。本設(shè)計的小車控制電路如圖4所示。圖3檢波電路圖圖4小車的控制電路首先,把由兩個電感得到的感應(yīng)電動勢經(jīng)調(diào)理、放大后得到的電壓輸出u1和u2送入由運放組成的減法器中

22、進行減法運算,然后再經(jīng)由運放組成的電壓跟隨器送給下一級電路。經(jīng)過分析,這一級電路的輸出大致可由下式進行計算:后一級電路由兩個555定時器組成,其中下方的555構(gòu)成一個占空比非常接近于1的脈沖發(fā)生器,作為上方555的觸發(fā)脈沖。因為此觸發(fā)脈沖的低電平信號非常窄,所以能很好的保證上方555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路正常運行。該脈沖信號頻率為:上方的555定時器構(gòu)成一個單穩(wěn)型壓控振蕩器,它的脈寬受輸入V1的控制,輸出即PWM信號。當V1較大時,即兩個電感

23、線圈中的感應(yīng)電動勢相差較大時,亦即小車偏離導(dǎo)線向左行駛時,則脈寬較大,舵機將控制小車向右行駛;當V1適中時,接近,即小車沿導(dǎo)線行駛時,則脈寬接近1.5ms,小車按直線行駛;當V1較小時,即小車偏離導(dǎo)線向右行駛時,則脈寬較小,舵機將控制小車向左行駛。從而,控制小車大致循著導(dǎo)線行駛。另外,改變構(gòu)成減法器的電阻的值,可以調(diào)整小車反應(yīng)的靈敏度,進而防止出現(xiàn)小車以導(dǎo)線為中軸線左右搖擺的現(xiàn)象。主要參考文獻[1]張三慧,主編.大學(xué)物理學(xué)(第三冊)電磁

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