▌無線信標(biāo)功能

在 第十六屆全國大學(xué)生智能車競賽^[1] 競速組比賽中，有一組節(jié)能信標(biāo)組。它使用帶有無線充電線圈的信號源，能夠為比賽的車模提供：

• 最大功率100W無線充電^[2] ；

• 由無線充電高頻磁場提供無線導(dǎo)航；

• 紅色、紅外燈光導(dǎo)航；

• 通過上面的霍爾傳感器檢測車模是否經(jīng)過信標(biāo)。

在最初發(fā)布的競賽比賽規(guī)則中，對于信標(biāo)無線充電的規(guī)格初步設(shè)定為無線充電頻率為200kHz，滿載功率為100W。根據(jù) 最近公布**《無線充電（電力傳輸）設(shè)備無線電管理暫行規(guī)定》公開征求意見**^[3] 給出的 無線充電（電力傳輸）設(shè)備無線電管理  暫行規(guī)定^[4] 對于無線充電設(shè)備，特別是移動、便攜式無線充電設(shè)備所使用的頻率和額定功率給出了要求：

▲ 移動充電設(shè)備技術(shù)要求

為了滿足無線充電設(shè)備管理規(guī)定，將無線信標(biāo)的充電頻率設(shè)定為150kHz，滿載功率限制在50W。

下面對由龍邱公司提供的無線信標(biāo)電路組件進(jìn)行功能測試。

▲ 測試無線充電信標(biāo)主板和發(fā)光盤

▌充電功率測試

1.無線電能接收

使用200股的Litz線制作的接收線圈，它的電感大約為29uH?？梢杂嬎愠鰧τ?50kHz頻率所對應(yīng)的LC諧振電容的容量大約為：38.8nF。將接收線圈與發(fā)送線圈中心對齊，相距大約2.5厘米。

▲ 用于無線電能接收線圈

使用簡單的LC串聯(lián)再加上全波整流組成接收電路，后面接上有三個30Ω功率電阻并聯(lián)（10Ω）組成的電阻負(fù)載。

▲ 使用簡單的LC串聯(lián)再加上全波整流組成接收電路

2.功率限制

為了測試無線充電電路對于功率的限制，使用 DH1766線性三路可編程直流電源^[5] 給無線充電板提供電壓可調(diào)的工作電壓。工作電壓從10V逐步調(diào)到24V。通過測量10Ω負(fù)載上的電壓可以達(dá)到接收到的電能功率。同時從DH1766中讀取輸出的電流值，確定電源輸出功率。

下圖顯示了工作電壓升高過程中，輸出負(fù)載上的電壓與功率變化曲線?？梢钥吹疆?dāng)電壓超過16V時，輸出功率開始受到限制。最終當(dāng)電壓升高到24V，負(fù)載接受功率大約為38W。

▲ 隨著母線電壓變化，負(fù)載電壓與功率變化

下圖反映了發(fā)送電路板工作電流隨著提供的電壓升高而變化的情況。從它的變化曲線來看，可以更加直接反映出無線發(fā)送對于功率的限制。可以看到當(dāng)電源輸出電壓為16V，輸出電流便被限制在2.2A以下。當(dāng)電源電壓為24V時，輸出電流被限制在2.1A。此時電源輸出功率為：2.1×24=50.4W。再由負(fù)載的功率為38W，可以計算式此時電能傳輸效率為：75%左右。

▲ 母線電壓與母線電流

如果要保證接受到的功率不小于50W，按照75%的傳送效率，需要電源提供的功率應(yīng)該為66.7W。在24V下，對于工作電流限制應(yīng)該為2.8A。

▌發(fā)光盤功能測試

發(fā)光盤將會位于發(fā)送線圈的中間，與發(fā)送線圈一起擺放在地面上。其上將會由一塊圓形緩慢隆起的塑料殼覆蓋，這樣便于無線車模行駛到信標(biāo)上進(jìn)行無線充電。

1.發(fā)光盤構(gòu)造與功能

發(fā)光盤的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

▲ 信標(biāo)燈的燈盤，上面配置有紅色LED，紅外LED，HALL傳感器

（1）光電引導(dǎo)

發(fā)光盤上包括有內(nèi)外兩圈LED。內(nèi)圈是八組發(fā)射紅色光的LED，紅光LED閃爍的頻率為5Hz；外圈是12個發(fā)送紅外光線的LED。紅外光線的LED閃爍的頻率為40kHz。它們可以為競賽車模提供可見光與紅外光的引導(dǎo)。

如果使用普通的攝像頭，通過紅外濾波片，可以只對紅外光線進(jìn)行檢測，這樣便可以提高對于環(huán)境光線的適應(yīng)度。下圖是早期參賽同學(xué)們使用攝像頭對于第一代光電信標(biāo)拍攝的鏡頭。

▲ 使用紅外濾波片之后攝像頭獲得信標(biāo)的圖像

（2）霍爾檢測

傳統(tǒng)的信標(biāo)使用線圈對車模的觸發(fā)磁鐵進(jìn)行檢測。由于無線信標(biāo)在平時工作時，發(fā)送高強度交變磁場，所以不能夠在使用線圈對車模進(jìn)行檢測。在光盤的外圈設(shè)置了八個全極性霍爾傳感器，用于檢測到車模底盤上的磁鐵。當(dāng)車模經(jīng)過發(fā)光盤上面，或者停止在發(fā)光盤上面時，任何一個霍爾傳感器被觸發(fā)之后，便可以告知信標(biāo)控制器切換到下一個信標(biāo)。

由于車模需要停留在信標(biāo)上進(jìn)行無線充電。所以只要檢測到霍爾被磁鐵觸發(fā)，無線線圈便會始終工作，直到車模離開信標(biāo)燈。

2.功能測試

無線信標(biāo)的功能如下：

• 當(dāng)信標(biāo)在接收中控器命令點亮之后，它同時發(fā)送無線充電型號；此時無線充電信號與紅外、紅色光同時為導(dǎo)航信號；
• 當(dāng)車模進(jìn)入光盤上，觸發(fā)HALL之后，信標(biāo)停止發(fā)光。同時觸發(fā)中控器點亮下一個信標(biāo)。這個功能與傳統(tǒng)的信標(biāo)燈功能相同。
• 只要霍爾檢測到車模磁鐵，無線電能發(fā)送始終進(jìn)行。當(dāng)車模離開信標(biāo)，無線發(fā)送停止。

下圖顯示了信標(biāo)開始被命令點亮，同時發(fā)送無線電能信號。手持磁鐵觸發(fā)霍爾時，信標(biāo)停止。只要霍爾被磁鐵觸發(fā)，無線電能發(fā)送始終進(jìn)行。

▲ 基本功能測試

▌測試總結(jié)

通過初步測試了第一版無線信標(biāo)燈的基本功能，確認(rèn)了第十六屆智能車競賽無線節(jié)能組的基本工作參數(shù)和流程。相比與去年11月份公布的比賽規(guī)則，其中無線發(fā)送的頻率改為150kHz，最大充電功率限制在50W。

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