▌01 無線定位

1.背景介紹

電磁定位 在很多工業定位領域都有廣泛應用，比如在 六自由度電磁跟蹤與定位 ，在 第十六屆全國大學生智能車 中的 競賽比賽 里有一個 節能信標組 ，它利用給節能車模提供無線充電的線圈同時也提供了電磁導航資訊，

利用電磁導航在傳統的大學生智能車競賽中已經存在，現在也出現了兩種形式：一種是利用傳統的PID控制方案，比如下面的這個電單車正沿著地板上的賽道運行，

第二種就是 AI電磁組 ，利用AI技術完成車模運行控制，比如下面這個動圖演示的就是通過訓練AI模型之后控制車模沿著賽道上的電磁導引線行進中的車模，

在第十六屆競賽中的節能信標組，信標可以提供三種導航信號：

• 紅色LED燈
• 紅外LED等
• 電磁線圈導航信號，200kHz的無線電導引，

利用電磁導引是以往信標組所不具備的，同時也區別于傳統的賽道電磁線的導引方式，主要的區別包括：

• 作業的頻率點不同：傳統的電磁導航使用20kHz的交變電流；而節能信標則使用200kHz（有可能修改為100kHz）.
• 車模運行模式不同：傳統電磁導航是引導車模沿著賽道路徑前進；節能信標則是引導車模進行定點搜尋

本文就對于利用電磁線圈進行位置定位的方法進行初步的討論，

2.信標線圈

實驗中所使用的線圈來自于 無線功率發送器與接收實驗：設定為200kHz 中的測驗線圈，它使用 多股利茲線(200股)自行繞制而成 ，它的基本引數為：

線圈引數：

線圈直徑：17厘米
匝數：9匝
電感：L0=29uH
靜態電阻：L0=0.0866Ω

利用在 節能信標燈設計第一版本：預備實驗 中的驅動板驅動線圈作業，作業頻率為200kHz，母線電壓選擇24V，在作業時，線圈兩端的交流電壓有效值大約70V左右，

3.接收線圈

為了對比不同的電磁信號接收方案，選擇一些手邊可以得到的材料進行測驗，它們包括普通中波收音機天線線圈、工字型電感、色嗎電感、空心線圈等，

根據它們不同的電感，配置相應的諧振電容，它們接收到信號的幅值、接收到信號的方向性等特點，

▌02 測驗實驗

1.中波收音機天線磁棒

（1）線圈基本引數

磁棒尺寸：

長： 55mm
寬： 12.5mm
厚： 4.5mm

為了方便測量，將天線上兩個繞組焊接在PIN4的插針，固定在 面包板 上，根據博文為什么面包板不能夠做射頻電路實驗？ 中的測量結果，對于200kHz的信號，面包板的高頻特性可以滿足測量要求，

線圈引數：

線圈1的引數：L1=637.4uH；R1=3.87Ω
線圈2的引數：L2=11.46uH；R2= 0.549Ω

（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：
C 0 = 1 ( 2 π f 0 ) 2 ? L 0 = 1 ( 2 π × 200 × 1 0 3 ) 2 × 637 × 1 0 ? 6 = 0.994 n F C_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 637 \times 10^{ - 6} }} = 0.994nF C0?=(2πf0?)2?L0?1?=(2π×200×103)2×637×10?61?=0.994nF

選擇瓷片電容（102），實測電容為：1.108nF，

（3）接收信號

將線圈距離發送線圈1米距離，使用DM3068萬用表交流檔測量線圈的交流電壓，實驗中發送線圈的作業電壓為12V，

隨著磁棒長軸與線圈法向量的角度不同，測量得到的信號幅值發生變化：

測量信號幅值有效值：

最大值：大于33mV
最小值：小于1mV

當磁棒與線圈法向量平行時，測量信號幅值最大；當磁棒與線圈法向量垂直時，信號的幅值最小，

2.自行繞制工字型電感

（1）電感基本引數

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，具體的匝數不詳（在繞制的時候沒有數），形成如下的電感：

繞制工字型電感引數：

電感：L0=148.9uH
等效串聯電阻：Rs=0.344Ω

（2）諧振電容

根據LC諧振公式，可以計算諧振在頻率f0=200kHz時的并聯諧振電容為：

C 0 = 1 ( 2 π f 0 ) 2 ? L 0 = 1 ( 2 π × 200 × 1 0 3 ) 2 × 148.9 × 1 0 ? 6 = 4.253 n F C_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 148.9 \times 10^{ - 6} }} = 4.253nF C0?=(2πf0?)2?L0?1?=(2π×200×103)2×148.9×10?61?=4.253nF

使用兩個102瓷片電容與一個222滌綸電容并聯，形成諧振電容，

實際測量三個并聯的諧振電容的電容為：C0=4.382，

（3）接收信號

測量不同方向的感應信號有效值：

測量信號幅值：

最大幅值：大于20mV
最小幅值：小于0.1mV

對比前面的磁棒接收信號，使用工字電感接收到的信號幅值減少了，

（4）改變作業電壓

改變無線發送電路板的作業點電壓，改變了發送信號的強度，記錄作業電壓從5V增加到24V，對應的LC諧振線圈接收到的信號變化，如下圖所示：

可以看到接收信號的強度與發送線圈作業電壓成正比，

3.色環電感

使用一個10uH的色環電感來接收導航200kHz的電磁信號，

經過計算，10uH色環電感對應的諧振電容為：

C 0 = 1 ( 2 π f 0 ) 2 ? L 0 = 1 ( 2 π × 200 × 1 0 3 ) 2 × 10 × 1 0 ? 6 = 63.32 n F C_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 10 \times 10^{ - 6} }} = 63.32nF C0?=(2πf0?)2?L0?1?=(2π×200×103)2×10×10?61?=63.32nF

使用三個223瓷片電容并聯作為諧振電容，實際測量對應的并聯電容容值為：61.87nF，

使用數字萬用表交流檔，實測LC諧振信號小于0.1V ，這說明使用色環電感無法接收導航信號，

4.工字電感

使用中型的工字型電感，電感值320uH，計算它的諧振電容為：

C 0 = 1 ( 2 π f 0 ) 2 ? L 0 = 1 ( 2 π × 200 × 1 0 3 ) 2 × 320 × 1 0 ? 6 = 1.979 n F C_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 320 \times 10^{ - 6} }} = 1.979nF C0?=(2πf0?)2?L0?1?=(2π×200×103)2×320×10?61?=1.979nF

使用兩個102的瓷片電容并聯形成諧振電容：

實際測量兩個102電容并聯之后的容值為：2.223nF，

在無線電發射板作業在24V下，測量到的LC諧振電容的最大值大約為：7.6mV，

5.空心線圈

使用一個空心線圈來接收導航信號，空心線圈的引數：

空心線圈引數：

直徑：42mm
匝數：不詳
電感：367.4uH
電阻：5.768Ω

計算對應的諧振電容為：

C 0 = 1 ( 2 π f 0 ) 2 ? L 0 = 1 ( 2 π × 200 × 1 0 3 ) 2 × 367 × 1 0 ? 6 = 1.723 n F C_0 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^2 \times 367 \times 10^{ - 6} }} = 1.723nF C0?=(2πf0?)2?L0?1?=(2π×200×103)2×367×10?61?=1.723nF

通過三個瓷片電容的串并來實作諧振電容，

通過數字萬用表測量發射線圈作業在12V是，最大接收到的諧振信號為38mV，

▌結論

通過對于幾種典型的電感來接收200kHz導航信號，通過匹配在200kHz下諧振電容，可以提高接收信號的信噪比，影響接收信號的幅度除了與電感種類有關系之外，還和電感與發射線圈的距離以及方向有關系，可以利用這些關系來進行導航，

下表給出了不同電感在大體相同距離情況下，所能夠接收到信號的幅值：（都換算到發射板作業在12V情況下的數值）

通過部署多個接收線圈，可以為測量發射線圈的方位提供資料支撐，

■ 相關文獻鏈接:

• 電磁定位
• 六自由度電磁跟蹤
• 智能車競賽相關的教高司公函：公函[2005]201號文、教高司[2005]13號
• 第十六屆全國大學智能汽車競賽競速比賽規則
• 節能信標燈設計第一版本：預備實驗
• AI電磁組中的NN到底有什么優勢？
• 無線功率發送器與接收實驗：設定為200kHz
• 多股Litz線制作無線耦合線圈測驗
• 面包板
• 為什么面包板不能夠做射頻電路實驗？