▌无线信标功能

在 第十六届全国大学生智能车竞赛^[1] 竞速组比赛中，有一组节能信标组。它使用带有无线充电线圈的信号源，能够为比赛的车模提供：

• 最大功率100W无线充电^[2] ；

• 由无线充电高频磁场提供无线导航；

• 红色、红外灯光导航；

• 通过上面的霍尔传感器检测车模是否经过信标。

在最初发布的竞赛比赛规则中，对于信标无线充电的规格初步设定为无线充电频率为200kHz，满载功率为100W。根据 最近公布**《无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定》公开征求意见**^[3] 给出的 无线充电（电力传输）设备无线电管理  暂行规定^[4] 对于无线充电设备，特别是移动、便携式无线充电设备所使用的频率和额定功率给出了要求：

▲ 移动充电设备技术要求

为了满足无线充电设备管理规定，将无线信标的充电频率设定为150kHz，满载功率限制在50W。

下面对由龙邱公司提供的无线信标电路组件进行功能测试。

▲ 测试无线充电信标主板和发光盘

▌充电功率测试

1.无线电能接收

使用200股的Litz线制作的接收线圈，它的电感大约为29uH。可以计算出对于150kHz频率所对应的LC谐振电容的容量大约为：38.8nF。将接收线圈与发送线圈中心对齐，相距大约2.5厘米。

▲ 用于无线电能接收线圈

使用简单的LC串联再加上全波整流组成接收电路，后面接上有三个30Ω功率电阻并联（10Ω）组成的电阻负载。

▲ 使用简单的LC串联再加上全波整流组成接收电路

2.功率限制

为了测试无线充电电路对于功率的限制，使用 DH1766线性三路可编程直流电源^[5] 给无线充电板提供电压可调的工作电压。工作电压从10V逐步调到24V。通过测量10Ω负载上的电压可以达到接收到的电能功率。同时从DH1766中读取输出的电流值，确定电源输出功率。

下图显示了工作电压升高过程中，输出负载上的电压与功率变化曲线。可以看到当电压超过16V时，输出功率开始受到限制。最终当电压升高到24V，负载接受功率大约为38W。

▲ 随着母线电压变化，负载电压与功率变化

下图反映了发送电路板工作电流随着提供的电压升高而变化的情况。从它的变化曲线来看，可以更加直接反映出无线发送对于功率的限制。可以看到当电源输出电压为16V，输出电流便被限制在2.2A以下。当电源电压为24V时，输出电流被限制在2.1A。此时电源输出功率为：2.1×24=50.4W。再由负载的功率为38W，可以计算式此时电能传输效率为：75%左右。

▲ 母线电压与母线电流

如果要保证接受到的功率不小于50W，按照75%的传送效率，需要电源提供的功率应该为66.7W。在24V下，对于工作电流限制应该为2.8A。

▌发光盘功能测试

发光盘将会位于发送线圈的中间，与发送线圈一起摆放在地面上。其上将会由一块圆形缓慢隆起的塑料壳覆盖，这样便于无线车模行驶到信标上进行无线充电。

1.发光盘构造与功能

发光盘的结构如下图所示：

▲ 信标灯的灯盘，上面配置有红色LED，红外LED，HALL传感器

（1）光电引导

发光盘上包括有内外两圈LED。内圈是八组发射红色光的LED，红光LED闪烁的频率为5Hz；外圈是12个发送红外光线的LED。红外光线的LED闪烁的频率为40kHz。它们可以为竞赛车模提供可见光与红外光的引导。

如果使用普通的摄像头，通过红外滤波片，可以只对红外光线进行检测，这样便可以提高对于环境光线的适应度。下图是早期参赛同学们使用摄像头对于第一代光电信标拍摄的镜头。

▲ 使用红外滤波片之后摄像头获得信标的图像

（2）霍尔检测

传统的信标使用线圈对车模的触发磁铁进行检测。由于无线信标在平时工作时，发送高强度交变磁场，所以不能够在使用线圈对车模进行检测。在光盘的外圈设置了八个全极性霍尔传感器，用于检测到车模底盘上的磁铁。当车模经过发光盘上面，或者停止在发光盘上面时，任何一个霍尔传感器被触发之后，便可以告知信标控制器切换到下一个信标。

由于车模需要停留在信标上进行无线充电。所以只要检测到霍尔被磁铁触发，无线线圈便会始终工作，直到车模离开信标灯。

2.功能测试

无线信标的功能如下：

• 当信标在接收中控器命令点亮之后，它同时发送无线充电型号；此时无线充电信号与红外、红色光同时为导航信号；
• 当车模进入光盘上，触发HALL之后，信标停止发光。同时触发中控器点亮下一个信标。这个功能与传统的信标灯功能相同。
• 只要霍尔检测到车模磁铁，无线电能发送始终进行。当车模离开信标，无线发送停止。

下图显示了信标开始被命令点亮，同时发送无线电能信号。手持磁铁触发霍尔时，信标停止。只要霍尔被磁铁触发，无线电能发送始终进行。

▲ 基本功能测试

▌测试总结

通过初步测试了第一版无线信标灯的基本功能，确认了第十六届智能车竞赛无线节能组的基本工作参数和流程。相比与去年11月份公布的比赛规则，其中无线发送的频率改为150kHz，最大充电功率限制在50W。

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