無線定位

1.背景介紹

電磁定位[1]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[2]中的應用。在第十六屆全國大學生智能車[3]中的競速比賽[4]里有一個節能信標組[5]，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信息。

利用電磁導航在早期的大學生智能車競賽中已經存在，包括兩種形式：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。

▲在電磁引導下的電單車運行

第二種就是AI電磁組[6]，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。

▲將前排傳感器去除之后完成賽道運行

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：

工作的頻率點不同：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[7]中的測試線圈。它使用多股利茲線(200股)自行繞制而成。它的基本參數為：

線圈參數：

線圈直徑：17厘米

匝數：9匝電感：

L0=29uH靜態電阻：

L0=0.0866Ω

▲實驗所使用的線圈

利用在節能信標燈設計第一版本：預備實驗[4]中的驅動板驅動線圈工作，工作頻率為200kHz，母線電壓選擇24V。在工作時，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試。它們包括普通中波收音機天線線圈、工字型電感、色碼電感、空心線圈等。

▲實驗中所使用的電感、磁棒等材料

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。

測試實驗

1.中波收音機天線磁棒

（1）線圈基本參數

磁棒尺寸：

長：55mm寬：12.5mm厚：4.5mm

▲中波天線磁棒

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[8]上，根據博文為什么面包板不能夠做射頻電路實驗？[9]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。

線圈參數：

線圈1的參數：L1=637.4uH；R1=3.87Ω

線圈2的參數：L2=11.46uH；R2=0.549Ω

▲利用面包板進行測試

（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），實測電容為：1.108nF。

▲瓷片諧振電容：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。實驗中發送線圈的工作電壓為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。

▲接收線圈的方位影響接收信號的幅值

2.自行繞制工字型電感

（1）電感基本參數

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：

▲自行繞制工字型電感

繞制工字型電感參數：

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。

▲自繞制電感與諧振電容

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

▲不同方向測量得到的信號

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）改變工作電壓

改變無線發送電路板的工作點電壓，改變了發送信號的強度。記錄工作電壓從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：

▲不同工作電壓對應檢測信號的幅值

可以看到接收信號的強度與發送線圈工作電壓成正比。

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。

▲色環電感與諧振電容

經過計算，10uH色環電感對應的諧振電容為：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：1.979nF。

使用兩個102的瓷片電容并聯形成諧振電容：

▲工字型電感及其匹配電容

實際測量兩個102電容并聯之后的容值為：2.223nF。

在無線電發射板工作在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。空心線圈的參數：

空心線圈參數：

直徑：42mm

匝數：不詳

電感：367.4uH

電阻：5.768Ω

▲空心線圈及其諧振電容

計算對應的諧振電容為1.723nF。通過三個瓷片電容的串并來實現諧振電容。

通過數字萬用表測量發射線圈工作在12V時，最大接收到的諧振信號為38mV。

▲諧振LC信號

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：（都換算到發射板工作在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數據支撐。

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]全國大學生智能車:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107256496

[4]競賽比賽:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

[5]節能信標組:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113816105

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

[7]無線功率發送器與接收實驗：設定為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驗？:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106103762
編輯：hfy