利用無線輸電技術(shù)和循跡結(jié)合 擴大循跡小車應用功能

無線供電技術(shù)隨著氣候變化、能源枯竭和環(huán)境保護的日趨嚴峻而不斷發(fā)展，而電磁所具有的功率大、輸電效率高的特點，各高校和研究機構(gòu)先后投入該領(lǐng)域的研究和應用。但目前主要研究成果仍然集中在美國、日本、韓國等國家。我國的研究主要集中在實驗和驗證、應用推廣領(lǐng)域。各高校也將無線供電作為課程設計和畢業(yè)設計引入到教學當中，并組件相關(guān)的興趣小組。而循跡小車作為典型的機器人技術(shù)，應用領(lǐng)域越來越廣泛，將無線輸電技術(shù)和循跡結(jié)合起來，是實現(xiàn)擴大循跡小車應用功能的一個思路。

1設計概要

小車的設計與制作共分為四個部分，首先制作實驗模型的框架，尺寸為50CM*50CM，材料為木制框架及PT板臺面，同時進行技術(shù)析，包括線圈排布，變壓器位置等進行初步設計。其次選定循跡方式，在設計過程中初次方案為基于C51單片機平臺的循跡，為降低負載功率，選用基于ATS51平臺的紅外探測比較循跡方式。選定方案后，進行小車的焊接與制作。再次是選定充放電電路，進行比較后制作供電系統(tǒng)模塊。最后對供電系統(tǒng)與循跡小車的配合進行仿真，進行參數(shù)修正，并形成成品。

2循跡模塊設計

2.1小車循跡原理

循跡小車的循跡原理是在制作好的模型框架上，可以用記號筆等進行自由的軌道繪制，由于黑線與白底對光的反射系統(tǒng)不同，傳感器可根據(jù)接收到的反射光來進行判斷，并將判斷結(jié)果輸送給電機。

2.2檢測電路

在循跡的方式中，利用紅外探測是一種經(jīng)濟有效的方法，由于設計對精度的要求不高，因此采用紅外探測的方法。即紅外線對不同顏色物體的表面有著不同的反射性質(zhì)，當遇到白色底板時候，發(fā)生漫反射現(xiàn)象，反射光被接收管接收，若為黑線，則接收管無信號。為提高可靠性，采用集成式的ST系列探頭，該系列探頭具有價廉、方便、可靠等優(yōu)點，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路。(見圖1)

圖2中R1限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流影響，用R1=150的電阻作為限流電阻，Vcc=5V作為電源電壓，測試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率滿足檢測需要;R2限制接收電路電流，保護接收紅外管和檢測電路的靈敏度的調(diào)節(jié)。在輸出端增加了比較器，先將ST168輸出電壓與2.5V進行比較，再送給單片機處理和控制。

高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體管是ST168的主要組成部分，檢測方式為非接觸式。當然也存在檢測距離小(8～15mm)，8mm以下為檢測盲區(qū)，大于15mm干擾過大。經(jīng)過反復比較和測試，距離檢測表面為11mm為最佳檢測距離。安裝的排列方式如圖2所示。在底盤裝設4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。

2.3軟件控制單元

軟件控制是循跡小車制作的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用，主要表現(xiàn)為循跡程序的設計與編寫。當小車進入循跡模式，程序不間斷讀取與傳感器連接的I/O接口，若檢測到接口有信號變化，則啟動判斷程序，同將輸出的結(jié)果輸送給電機，通過電機的動作糾正小車的狀態(tài)。其程序控制方框圖。(見圖3)

2.4車速的控制

車速控制是設計中比較重要的部分，一般可以通過步進電機代替直流電機，實現(xiàn)車速調(diào)節(jié)。另外一種做法是在原有直流電機的基礎上，采用PWM調(diào)速法進行調(diào)速。若采用前一種，則在機械裝置的設計時需要進行預先設計與制作，因此采用后一種方式，利用輸出端高電平的脈寬及占空比的大小來控制電機的轉(zhuǎn)速度。通過實驗不斷調(diào)整相應的參數(shù)，使小車能夠較為平穩(wěn)地進行動作，克服在尋循跡時搖擺的問題。

2.5電機驅(qū)動單元

由于單片機接口輸出的信號功率很低，在無多余負載時也無法驅(qū)動電機，在實際應用往往加入驅(qū)動芯片，用來提高驅(qū)動功率，使能夠根據(jù)實際需求來控制電機轉(zhuǎn)動，在設計中根據(jù)驅(qū)動功率大小的需求選擇L298N驅(qū)動芯片。

3無線供電模塊設計

3.1無線供電概述

無線電能傳輸(WirelessPowerTransmission,WPT)，就是在無任何物理上的連接或接觸(不用導線)的情況下，通過電磁場、電磁波進行電能傳輸?shù)囊环N技術(shù)。美國麻省理工學院于2007年發(fā)表其研究成果后，無線電能傳輸技術(shù)作為一種中等距離無線電能傳輸技術(shù)，受到了越來越廣泛的關(guān)注。該成果中所敘述的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)也就成為了研究熱點問題。

3.2無線供電模塊設計

3.2.1電磁感應充電原理

其工作原理與變壓器相似，但原邊和副邊是分離的，沒有任何物理上的連接接觸，當發(fā)送線圈中通以交變電流，該電流在將在周圍介質(zhì)中形成一個交變磁場，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。接收線圈中產(chǎn)生的感應電動勢可驅(qū)動小車型。

系統(tǒng)通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻等幅交流信號驅(qū)動原邊繞組，副邊繞組磁通量的高頻變化使得副邊繞組中產(chǎn)生一定幅值的高頻感應電動勢，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓可得到具有一定驅(qū)動能力的直流電。

3.2.2電路設計

設計中由于原、副邊線圈存在很大的漏感，所以要提高系統(tǒng)的效率，需要加入適當?shù)难a償，減小漏感的能量消耗，使電路工作在諧振的狀態(tài)，可以有效降低電源的電壓電流定額，使得原邊電壓電流同相位，輸入具有高功率因數(shù)。選用XKT-408A集成PWM方波調(diào)制發(fā)生器芯片完成高頻振蕩，用T5336集成晶閘管芯片做功率放大電路，綜合考慮電能發(fā)射模塊的復雜程度、體積、成本以及小車模型的工作電壓和工作電流需求，設計電能發(fā)射的原邊電路如圖4所示。

副邊電路用肖特基二極管進行整流后經(jīng)T3168開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片變壓后輸出5V給小車供電，電路。(見圖5)

3.2.3電路的仿真與實驗

(1)仿真

利用MULTISIM繪制出仿真實驗電路：按圖設置各元件的參數(shù)，打開仿真開關(guān)，從示波器上兩個通道觀察輸出波形及其與輸入信號的關(guān)系。

(2)實際電路的測試。

為分析各個因素對傳輸效率的影響,參數(shù)選擇時，根據(jù)實際應用情況,首先確定發(fā)射線圈用線徑Φ0.7mm，外徑50mm，電感量30uH，接收線圈線徑Φ0.7mm，直徑為50mm。

4結(jié)語

為可行性探索實驗的樣機，目標功能為驅(qū)動小功率汽車模型，如果將該設計推廣到電動汽車上為大容量電池充電，從理論上還需要有相當長的時間，同時存在功率穩(wěn)定和電磁輻射的問題。通過實驗模型驗證，初步概想作為新型玩具，或者應用到現(xiàn)代工廠中的智能循跡小車，具備一定的應用價值，當然還有如供電功率、線徑、傳輸效率等諸多因素要考慮，在后續(xù)的研究中加以深入探討。