CN106066148A - 基于三线圈的无线供电电动车定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三线圈的无线供电电动车定位装置及定位方法，其中的定位装置包括：安装在电动车底盘上的三个相同的圆形定位线圈，三个定位线圈的圆心形成一个等腰直角三角形，等腰直角三角形的两条直角边的长度等于两根通电导轨之间的宽度；初始时刻时，位于等腰直角三角形直角顶点的定位线圈的圆心正对一根通电导轨，另外两个定位线圈的圆心分别向两根通电导轨的同侧偏移预设的距离，与直角顶点正对的通电导轨与其偏移角度最小的直角边在水平方向上形成的夹角α。本发明通过分析三个定位线圈的拾取电压的变化趋势能更好的使电动车与通电导轨对中，从而达到最强能量，同时能够精确判断出电动车的偏移方向及偏移程度。

Description

基于三线圈的无线供电电动车定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及电动车无线供电技术领域，更为具体地，涉及一种基于三线圈的无线供电电动车定位装置及定位方法。

背景技术

与传统汽车相比，电动汽车具有环保、效率高、维修方便、噪音低、维护成本低等绝对优势。但同时，相比于传统汽车技术，电动汽车的技术特别是供电技术方面还并不完善。无线供电技术作为一种新型电力传输技术，它的应用不仅可以增加充电的安全性和可靠性，当发射功率足够大时，甚至可以让电动车脱离锂电池，实现全程在线供电。

然而无线供电电动车并非像交通轨道车一样只能在给定轨道上运行，它允许有一定的偏移自由度，当电动车偏移供电导轨的偏移角度在允许范围内仍可正常工作，当偏移角度太大将会降低电能的传输能力。人工驾驶电动车在行进过程中一般采用导轨式发射装置。当电动车沿着导轨运行时，就可以从导轨上获取持续的电能，从而可以大大减小电池的容量，甚至完全取消电池。

基于此，设计一套合理的电动车位置检测系统可以为驾驶员实时提供电动车偏离轨道的状态，从而使得电动车更好地运行在预设轨道上、稳定地拾取电能。目前已有的电动车定位引导方式有激光引导、惯性引导、视觉引导、电磁引导、超声定位等等。激光引导是利用激光扫描器识别设置在电动车活动范围内的若干个定位标志来确定其坐标位置，其缺点是抗光干扰能力较差；惯性引导针是通过在路径上每隔一段距离设置一对磁钉，由磁栅尺检测进行位置检测与校准，其缺点是抗震动能力差；视觉引导是通过电动车在行进过程中摄像头实时获取前方参考物的位置进行电动车的位置分析，其缺点是成本较为昂贵；超声定位是利用超声波检测法实现放电点的定位，但其缺点是超声波受多径效应和非视距传播影响很大。此外，由于无线供电电动车在行驶过程中始终处于一个高磁场的环境当中，额外增加附件会受到磁场的影响且无法充分利用已有资源，相比之下电磁引导在无线供电电动车定位方面应用较多，其原理是通过设置在车身上的电磁传感器感受到周围磁场的强弱来进行位置检测。

对于电磁引导定位方式，已有的设计针对的均为单根导轨通过电磁引导的方式进行路径选择，无法解决实际情况中驾驶员驾驶电动车在双导轨发射线圈上行驶时定位的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于三线圈的无线供电电动车定位装置及定位方法，以解决无线供电电动车在通电导轨上运行时偏移角度的大小会影响电能传输能力的问题。

本发明提供一种基于三线圈的无线供电电动车定位装置，包括安装在无线供电电动车底盘上的三个相同的圆形的定位线圈，三个定位线圈的圆心形成一个等腰直角三角形，等腰直角三角形的两条直角边的长度等于两根通电导轨之间的宽度；其中，初始时刻时，位于等腰直角三角形直角顶点的定位线圈的圆心正对一根通电导轨，另外两个定位线圈的圆心分别向两根通电导轨的同侧偏移预设的距离，与直角顶点正对的通电导轨与其偏移角度最小的直角边在水平方向上形成的夹角α的取值范围为：

0＜α≤α_max，时，从无线供电电动车的前后方向看，使位于前方的两个定位线圈在初始时刻的拾取电压达到最大，另一个定位线圈在初始时刻的拾取电压为零；

其中，d为两根通电导轨之间的宽度，h为三个定位线圈构成的平面到所述两根通电导轨所在平面的距离。

本发明还提供一种基于三线圈的无线供电电动车定位方法，利用基于三线圈的无线供电电动车定位装置对无线供电电动车进行定位，基于三线圈的无线供电电动车定位装置中的三个定位线圈分别为第一定位线圈、第二定位线圈和第三定位线圈，两根通电导轨分别为第一通电导轨和第二通电导轨，第一通电导轨相对于无线供电电动车的行驶方向位于第二通电导轨的左侧，初始时刻时，第一定位线圈的圆心正对第一通电导轨，从无线供电电动车的前后方向看，第三定位线圈位于第一定位线圈的后侧，该定位方法具体包括：

分别采集第一定位线圈的电压u_a、第二定位线圈的电压u_b和第三定位线圈的电压u_c；

当u_b-Δ≤u_a≤u_b+Δ且u_c≤Δ时，无线供电电动车未偏移两根通电导轨；

当u_a[i]+Δ≤u_a[i-n]或u_b[i-n]-Δ≤u_b[i]≤u_b[i-n]+Δ或u_c[i]≥u_c[i-n]+Δ时，无线供电电动车向两根通电导轨的一侧偏移；

当u_a[i]+Δ≤u_a[i-n]或u_b[i]≥u_b[i-n]+Δ或u_c[i]≥u_c[i-n]+Δ时，无线供电电动车向两根通电导轨的另一侧偏移；

在电动车相对于两根通电导轨发生偏移时，定义三个偏移等级，分别为：ε_min偏移角度较小、ε_mid偏移角度略大和ε_max偏移角度较大，且三个偏移角度均小于90°；以及，

当u_a[i]+Δ≤u_a[i-n]且u_a≤Δ时，无线供电电动车向两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_min；

当u_b-Δ≤u_a≤u_b+Δ且u_c﹥Δ时，无线供电电动车向两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_mid；

当u_a≤Δ且u_b[i-n]-Δ≤u_b[i]≤u_b[i-n]+Δ时，无线供电电动车向两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_max；

当u_b[i]+Δ≤u_b[i-n]且u_b≤Δ时，无线供电电动车向两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_min；

当u_b[i]﹥u_b[i-n]+Δ且u_b[i]﹥u_b[i+n]+Δ时，无线供电电动车向两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_mid；

当u_a≤Δ时，无线供电电动车向两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_max；

其中，Δ为第一定位线圈、第二定位线圈和第三定位线圈的实际合成电压Δu与理论合成电压Δu₀的偏差，通过反复迭代的方式对Δ进行优化，从而使无线供电电动车定位装置达到更高的精度。

本发明还提供一种无线供电电动车的位置检测系统，包括前述的基于三线圈的无线供电电动车定位装置、电压放大装置、整流装置和控制板，其中，基于三线圈的无线供电电动车定位装置用于拾取无线供电电动车的定位数据；电压放大装置用于放大所述定位数据；整流装置用于整流放大后的定位数据；控制板用于根据整流后的定位数据控制无线供电电动车的偏移。

本发明提供的基于三线圈的无线供电电动车定位装置及定位方法，具有稳定性强、灵敏度高、成本较低、实用性高等优点，通过分析拾取的三个定位线圈的电压的变化趋势，能更好的使无线供电电动车与通电导轨对中，从而达到最强能量，同时能够精确判断出电动车的偏移方向及偏移程度。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1a和图1b为中间型拾取电压的变化趋势图；

图2为双线圈拾取电压的变化趋势图；

图3a-图3c为本发明实施例的双通电导轨与空间中某点P的示意图；

图4为本发明实施例的三定位线圈的摆放位置图；

图5a-图5c为本发明实施例的电动车直线行走时的电压变化图；

图6为图5a-图5c的电压合成图；

图7为合成电压与偏移角度的关系图；

图8为电动车定位装置的定位模型图；

图9为桥式整流电路的电路图；

图10为Lf353P型号的差分放大电路的电路图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

需要说明的是，本发明所涉及的无线供电电动车(为了方便表述，以下简称为电动车)的能量发射装置是双通电导轨式发射装置。两个通电导轨平行设置，电动车在两个通电导轨的正上方沿着两个通电导轨运行时，就可以从两个通电导轨上获取持续的电能。因此，检测电动车的位置的目的在于判断电动车是否偏离通电导轨，一旦电动车偏离通电导轨，电能的传输能力将会下降。本发明可以告知驾驶员，电动车偏离的方向和程度，从而使驾驶员能更好的控制电动车与通电导轨的对中，从而达到最强能量，从而使电动车稳定的拾取电能。

本发明提供的基于三线圈的无线供电电动车定位装置包括三个相同的圆形定位线圈，这三个定位线圈可以安装在电动车底盘下方，三个定位线圈的圆心形成一个等腰直角三角形，该等腰直角三角形的两条直角边的长度等于两根通电导轨之间的宽度。其中，有一个定位线圈位于其中一根通电导轨的正上方，另外两个定位线圈分别向通电导轨的同侧偏移预设的距离，且，两个定位线圈中的一个位于另外两个定位线圈的后部位置(相对于电动车的行驶方向)，三个定位线圈形成一个等腰直角三角形，初始时刻时，位于等腰直角三角形直角顶点的定位线圈的圆心正对一根通电导轨，与直角顶点正对的通电导轨与其偏移角度最小的直角边在水平方向上形成的夹角α的取值范围为：

0＜α≤α_max，时，从无线供电电动车的前后方向看，使位于前方的两个定位线圈在初始时刻的拾取电压达到最大，另一个定位线圈在初始时刻的拾取电压为零；

其中，d为两根通电导轨之间的宽度，h为三个定位线圈构成的平面到所述两根通电导轨所在平面的距离。

在这一偏移角度的限定下，相对于电动车的行驶方向，设置在前方的两个定位线圈的初始时刻拾取电压相同且达到最大，而设置在后方的定位线圈(即第三个定位线圈)的拾取电压极小，约等于零。

只要α角在0＜α≤α_max内，第三个线圈的拾取电压极小约等于0，α角不在0＜α≤α_max范围内时，第三个线圈的拾取电压不等于0，即第三个线圈的拾取电压从无到有并逐渐变大。

三个定位线圈摆放在电动车的底盘上，在摆放完成后三个定位线圈的位置相对于电动车是固定的，且三个定位线圈摆放的位置为初始时刻的摆放位置，当电动车相对于通电导轨发生偏移时，三个定位线圈也会随着电动车相对于通电导轨发生偏移，当三个定位线圈相对于通电导轨发生偏移时，位于通电导轨正上方的定位线圈会偏移通电导轨的正上方，其他两个定位线圈也会相对于通电导轨发生位置变化，从而引起α角的变化，只要α角不在0＜α≤α_max范围内，且第一定位线圈和第二定位线圈的拾取电压不相等，认为电动车相对于通电导轨发生了偏移。

下面首先对本发明采用三个定位线圈的缘由做出说明。

如果定位装置采用单个定位线圈，则有两种放置方法，分别为中间型和边缘型，中间型放置方法是将定位线圈放置在两根通电导轨的中心线上方，而边缘型放置方法是将定位线圈放置在两根通电导轨中一根通电导轨的正上方，两种放置方法拾取的定位线圈的压力的变化趋势分别如图1a和图1b所示，分析图1a可知，电动车左右移动时电压的变化趋势基本一致，因此，中间型放置方法存在的问题是，无法通过电压的变化趋势判断出电动车的偏移方向；分析图1b可知，电动车在偏移过程中出现过多次峰值，并且每个峰值左右的变化趋势都相同，因此，边缘型放置方法存在的问题是，虽然能判断出电动车的偏移方向，但无法判断出电动车是否沿通电导轨直线行走。综上所述，本发明的电动车定位装置不采用单个定位线圈对电动车进行定位。

如果定位装置采集双定位线圈，由于两个定位线圈分别置于两根通电导轨的边缘的上方时，电动车左右偏移时所拾取的电压的变化情况有着显著的不同，所以采用将两个定位线圈对称放置于两根通电导轨的正上方的电动车的底盘处。分析图2可知，在电动车左右偏移的过程中，第一个定位线圈的电压u_a与第二个定位线圈的电压u_b不止一次相等，并且，在电动车沿直线行走时不仅u_a＝u_b，同时两个定位线圈的拾取电压值都达到最大值，但由于峰值左右的波动并不大，在实际过程中，采集到的数据也具有在一定范围内的波动，因此，很难判断出峰值，也就无法判断出电动车是否沿直线行走，这是双定位线圈存在的一大问题。此外，双定位线圈可供设置电动车偏移角度的特殊点较为有限，成为双定位线圈的另一大问题。综上所述，本发明的电动车定位装置不采用双定位线圈对电动车进行定位。

综合考虑上述单个定位线圈和双定位线圈所存在问题，本发明提供的电动车定位装置采用三个定位圈对电动车进行定位。由于形状、大小、电感值不同的定位线圈切割磁场产生的感应电压不同，为了尽可能的减小其他因素对定位线圈的干扰，本发明选用了三个形状、大小、电感值完全相同的圆形定位线圈。采用三个定位线圈对电动车进行定位的优点在于，根据三个定位线圈特殊的位置，在初始时刻，其中一个定位线圈(称之为第三定位线圈)的拾取电压几乎为零，而另外两个定位线圈的拾取电压基本相同，在电动车发生偏移时，第三定位线圈的拾取电压会从无到有，并且持续不断的增大，直到达到峰值。由此可以判断出，当第三定位线圈具有拾取电压时，电动车发生偏移，而第三定位线圈的拾取电压为零时，且另外两个定位线圈电压相同并达到最大时，电动车沿通电导轨直线行走。而选取圆形的定位线圈主要是考虑定位线圈感应到的磁场应该均匀，只有圆形的定位线圈在哪个角度感应到的磁场都是均匀的。

判断电动车是否沿通电导轨直线行走包括两个条件，第一个条件为第三定位线圈的拾取电压为零，第二个条件为另外两个定位线圈电压相同并达到最大，如果电动车沿通电导轨直线行走，必须满足这两个条件，缺一不可。

下面对本发明中三个定位线圈的摆放位置进行说明。

首先，设定如下场景：三个定位线圈分别为第一定位线圈、第二定位线圈、第三定位线圈，第一定位线圈、第二定位线圈和第三定位线圈分别安装在电动车的底盘上，第一定位线圈的圆心、第二定位线圈的圆心和第三定位线圈的圆心所在的位置围成一个等腰直角三角形，第一定位线圈的圆心与第二定位线圈的圆心之间的距离为等腰直角三角形的第一直角边，第一定位线圈的圆心与第三定位线圈的圆心之间的距离为等腰直角三角形的第二直角边。两根通电导轨分别为第一通电导轨和第二通电导轨，第一通电导轨和第二通电导轨设置在电动车下方的地面上，第一通电导轨和第二通电导轨所在平面与地面平行，电动车在第一通电导轨和第二通电导轨上行驶，第一通电导轨相对于电动车的行驶方向位于第二通电导轨的左侧。

第一定位线圈放置于第一通电导轨的上方，且第一定位线圈的圆心正对第一通电导轨。根据图1a可知，电动车在左右偏移的过程中，处于两根通电导轨之间时，电压的变化趋势并不明显、波动范围较小，因此，第三定位线圈的放置位置仍旧考虑放于第一通电导轨的上方，并将其放置于第一定位线圈的后侧(从电动车的前后方向看)，且，第三定位线圈的圆心向第一通电导轨远离第二通电导轨的方向偏移预设的距离，第二定位线圈放置于第二通电导轨的上方，且第二定位线圈的圆心向第二通电导轨的靠近第一通电导轨的方向偏移一定的距离，第二定位线圈的圆心偏移的距离与第三定位线圈的圆心偏移的距离相同。考虑到定位线圈之间存在一定磁场的干扰，为了尽可能减小干扰，同时也为了电动车在偏移过程中三个定位线圈的变化趋势明显不同，第三定位线圈距离第一定位线圈不宜太近，因此，将第三定位线圈放置在一个特殊位置，使第三定位线圈的圆心与第一定位线圈的圆心的距离等于第一通电导轨与第二通电导轨间的宽度d。本发明中，将第一定位线圈的圆心与第二定位线圈的圆心形成的直角边称为等腰直角三角形的第一直角边，将第一定位线圈的圆心与第三定位线圈的圆心形成的直角边称为等腰直角三角形的第二直角边。

由于第三定位线圈的圆心向第一通电导轨远离第二通电导轨的方向偏移预设的距离，因此，第二直角边与第一通电导轨在水平方向上会形成一个夹角α，夹角α也是第一直角边与d在水平方向上形成的夹角。夹角α的取值范围为0<α≤α_max，该范围的选取可保证初始时刻第一定位线圈的电压u_a等于第二定位线圈的电压u_b，且第三定位线圈的电压u_c等于零，而在下一时刻电动车发生偏移时，第一定位线圈的电压u_a与第二定位线圈的电压u_b变化趋势不同。由此，避免可以电动车在向左或向右偏移时u_a和u_b的变化趋势完全相同，如果u_a和u_b向左或向右偏移时的变化趋势完全相同，则不利于电动车定位的分析。

下面将详细说明α_max的计算过程：

通电导轨在空间中某点P产生的磁感应强度B的表达式为：

$B=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{4\mathrm{\&pi;}r}({\mathrm{cos\&theta;}}_1-{\mathrm{cos\&theta;}}_2)---\left(1\right)$

式(1)中，μ₀为真空磁导率，I为通电导轨的电流强度，r为P点到通电导轨的垂直距离，θ₁、θ₂分别为通电导轨两端的电流元到P点的位矢之间的夹角。

由于在实际情况中，由于r远小于通电导轨的长度，因此θ₁＝π-θ₂，即cosθ₁-cosθ₂＝2cosθ₁，同理可得，cosθ₃-cosθ₄＝2cosθ₃。

分析图3a-图3c可得如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_1=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{4{\mathrm{\&pi;r}}_1}({\mathrm{cos\&theta;}}_1-{\mathrm{cos\&theta;}}_2)=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2{\mathrm{\&pi;r}}_1}{\mathrm{cos\&theta;}}_1\\ B_2=-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{4{\mathrm{\&pi;r}}_2}({\mathrm{cos\&theta;}}_3-{\mathrm{cos\&theta;}}_4)=-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2{\mathrm{\&pi;r}}_2}{\mathrm{cos\&theta;}}_3\\ \mathrm{\&phi;}=B_{1}S{\mathrm{sin\&beta;}}_1+B_{2}S{\mathrm{sin\&beta;}}_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，a为第一定位线圈，b为第二定位线圈，c为第三定位线圈，B₁、B₂分别为第一通电导轨L₁、第二通电导轨L₂在P点产生的磁感应强度，P点为第三定位线圈的位置，将P点选在第三定位线圈的目的在于获取第三定位线圈产生的磁感应强度，r₁、r₂分别为P点到L₁、L₂的垂直距离，θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为L₁、L₂两端的电流元到P点的位矢之间的夹角，为通过定位线圈的磁通量，β₁、β₂分别为通过第三定位线圈的磁感应强度B₁、B₂与第三定位线圈所在平面的夹角。

将B₁、B₂代入到可得：

$\mathrm{\&phi;}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2{\mathrm{\&pi;r}}_1}{\mathrm{cos\&theta;}}_{1}S{\mathrm{sin\&beta;}}_1-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2{\mathrm{\&pi;r}}_2}{\mathrm{cos\&theta;}}_{3}S{\mathrm{sin\&beta;}}_2$

当时，定位线圈的感应电压u＝0，即通电导轨边缘外侧存在感应电压为0的特殊点。令可推导出如下公式：

$\mathrm{\&phi;}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2{\mathrm{\&pi;r}}_1}{\mathrm{cos\&theta;}}_{1}S{\mathrm{sin\&beta;}}_1-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2{\mathrm{\&pi;r}}_2}{\mathrm{cos\&theta;}}_{3}S{\mathrm{sin\&beta;}}_2=0$

则

在图3a-图3c中，c₁为P点在L₁、L₂所在平面的投影到L₁的距离，d为两通电导轨间的宽度，h为P点到L₁、L₂所在平面的距离，l₁，l₂分别为L₁、L₂一端的电流元到P点的距离，b为r₁与l₁的交点到l₁形成θ₁的端点的距离。

根据图3a-图3c的几何关系，可得到：

${\mathrm{cos\&theta;}}_1=\frac{b_1}{l_1},{\mathrm{cos\&theta;}}_3=\frac{b_1}{l_2},{\mathrm{sin\&beta;}}_1=\frac{c}{r_1},{\mathrm{sin\&beta;}}_1=\frac{c+d}{r_2}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}\frac{b_1\&CenterDot;c}{l_1\&CenterDot;{r_1}^2}=\frac{b_1\&CenterDot;(c+d)}{l_2\&CenterDot;{r_2}^2}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}\frac{c}{l_1\&CenterDot;{r_1}^2}=\frac{c+d}{l_2\&CenterDot;{r_2}^2}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}c\&CenterDot;l_2\&CenterDot;{r_2}^2=(c+d)\&CenterDot;l_1\&CenterDot;{r_1}^2$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}\frac{c+d}{c}=\frac{l_2\&CenterDot;{r_2}^2}{l_1\&CenterDot;{r_1}^2}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}\frac{d}{c}+1=\frac{l_2\&CenterDot;{r_2}^2}{l_1\&CenterDot;{r_1}^2}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}\frac{d}{c}=\frac{l_2\&CenterDot;{r_2}^2}{l_1\&CenterDot;{r_1}^2}-1$

$Qsin\mathrm{\&alpha;}=\frac{c}{d}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}\frac{1}{sin\mathrm{\&alpha;}}=\frac{l_2\&CenterDot;{r_2}^2}{l_1\&CenterDot;{r_1}^2}-1$

由于通电导轨的宽度远小于长度，且c<<d，因此，从而得到：

${\mathrm{\&alpha;}}_{max}=arcsin\frac{{r_1}^2}{{r_2}^2-{r_1}^2}\&ap;\frac{h^2}{d^2}.$

第一定位线圈、第二定位线圈和第三定位线圈的摆放位置关系如图4所示。

需要说明的是，第三定位线圈的圆心也可以向第一通电导轨和第二通电导轨之间偏移，对应地，第二定位线圈的圆心向第二通电导轨远离第一通电导轨的方向偏移，此时，第一定位线圈的圆心与第三定位线圈的圆心形成的直角边在第一通电导轨和第二通电导轨之间于第一通电导轨形成夹角α，或者，第三定位线圈位于第一定位线圈的前侧，第三定位线圈的圆心既可以向第一通电导轨原理第二通电导轨的方向偏移又可以向第一通电导轨和第二通电导轨之间偏移，第二定位线圈的圆心作出相应位置的调整，满足第一定位线圈的圆心、第二定位线圈的圆心与第三定位线圈的圆心围成等腰直角三角形，且第一定位线圈的圆心与第三定位线圈的圆心形成直角边与第一通电导轨形成夹角α即可；又或者，第二定位线圈的圆心正对第二通电导轨的上方，第三定位线圈位于第二定位线圈的一侧，此时第三定位线圈的四种情况刚好为上述四种情况的镜像。

对于三个定位线圈不同位置关系的情况，所采用的电动车偏移方向及角度的判断方法的公式各不相同，本发明详细说明其中的一种情况。该种情况为图4所示出的三个定位线圈的位置关系。

本发明还提供一种基于三线圈的无线供电电动车定位方法，通过采集上述摆放好的三个定位线圈的电压，分析三个定位线圈电压的变化趋势，来完成与电动车的定位，对电动车的定位实际为判断电动车是否发生偏移，以及判断偏移方向和偏移程度。

在一个具体实施例中，选取α＝5°，能量发射端选用全桥逆变电路，可以满足电动车动态无线供电时所需等级的传输功率。选用Arduino yun作为控制器实现定位算法与控制目标，Arduino具有集成度高、使用方便、源代码开放等优点，其可以简单的与各式传感器及电子元件相连接。实验参数如表1所示。

表1 实验参数

通过实验过程采集到的数据可以得到图5a-图5c所示的三个定位线圈在直线行走、向左偏移、向右偏移过程中电压的变化趋势。将图5a-图5c中的变化趋势合成为图6，图6为三个定位线圈的电压趋势合成图。如图6所示，当第一定位线圈的拾取电压u_a与第二定位线圈的拾取电压u_b相等，且第三定位线圈的拾取电压u_c为0时，可以判断出电动车沿着通电导轨直线行走。当u_a的变化趋势减小，u_b和u_c的变化趋势增大时，判断出电动车向右偏移。尽管u_b增大的趋势的时间很短，但只要将采集数据的时间间隔设置的足够短还是可以采集到增大的u_b。当u_a的变化趋势减小，u_c的变化趋势增大，u_b的变化趋势波动较小时，判断出电动车向左偏移，由此可以通过三个定位线圈拾取电压的变化趋势判断出电动车是否偏移及偏移方向，本发明中，电动车的偏移是指相对于通电导轨的偏移，可将两根通电导轨看作出一根较宽的通电导轨，电动车向左或向右偏移是指向这根宽通电导轨的左侧或右侧偏移，均以电动车的行驶方向作为参照物。

在实际情况中，以直线行走为中心线，电动车偏离轨道的角度ε达到90°以上没有太大实际意义。所以，本发明针对90°范围内定义了以下几个偏移程度的等级：ε_min、ε_mid、ε_max。ε_min代表偏移的角度较小，ε_mid代表偏移的角度略大，ε_max代表偏移了较大的角度。其具体的数值可根据不同系统的要求进行设定。

根据图6，结合实际情况允许有一定的偏差以确保系统的稳定性，具体的偏移方向及偏移角度的判断方法，如表2所示。其中，Δ为实际情况中允许存在的偏差，Δ的大小直接影响了设计系统的精度和稳定性。Δ数值可根据不同系统的要求进行选取和优化，若Δ数值较小，不利于数据的采集，若Δ数值较大，定位不够灵敏，通过反复迭代的优化方式可以使Δ越来越小，提高系统精确度。由于数据具有波动性，两个数据无法判断出电压的变化趋势，因而需要选取k个数据进行判断，k值可以根据不同的系统进行选取，n＝0,1,2,…,k。

表2 电动车偏移方向及偏移度的判断方法

需要说明的是，当u_b-Δ≤u_a≤u_b+Δ且u_c≤Δ时，认为电动车沿通电导轨直线行走，在这个角度范围内，电动车能够从通电导轨中获得最大的电能，当不满足u_b-Δ≤u_a≤u_b+Δ且u_c≤Δ时，认为电动车在行驶过程中相对于通电导轨发生了偏移，电动车能够从通电导轨中获得的电能就会降低，此时，电动车就需要启动自身的电能储备来维持电动车的运转。为了对表2所示的定位方式进行精度分析和矫正，需要定义一些数学模型。由于高度并会不影响电压的变化趋势，只会影响电压幅值的大小，所以数学模型可简化为二维空间的模型。若以单根导轨作为能量发射端，偏移导轨的角度为则单个定位线圈的感应电动势可表示为：

其中，Sgn(u)为符号函数，A为函数的幅值，与成反比。若规定u为正，则电感与之为同名端的信号都为正，异名端都为负。

在实际情况中，通电导轨的长度远大于宽度，所以近似可以看做是两根直导轨，由于电压满足叠加原理，两根通电导轨对定位线圈产生的感应电动势为u₁、u₂，定位线圈相对于两根导轨的偏移量为则定位线圈的感应电动势可表示为：

根据图4可得到定位模型，如图8所示，其中L₁、L₂分别代表两根通电导轨，a、b、c分别代表第一定位线圈、第二定位线圈、第三定位线圈，O为电动车的中心点，L₀为电动车的长度，为各个定位线圈与两根通电导轨的夹角，其中的等于电动车偏离导轨的角度ε，根据定位公式(3)可得到三个定位线圈感应电动势的表达式：

为了对表2中偏移度数的判定方法的精确度进行分析，定义以下角度判断的数学模型：

$\mathrm{\&Delta;}u=\stackrel{\&OverBar;}{u_a}-\stackrel{\&OverBar;}{u_b}+k\stackrel{\&OverBar;}{u_c}=\frac{u_{a1}+u_{a2}+u_{a3}}{3}-\frac{u_{b1}+u_{b2}+u_{b3}}{3}+k\frac{u_{c1}+u_{c2}+u_{c3}}{3}---\left(5\right);$

式(7)中，k为权重系数，由偏移度数的大小决定；其中，

当电动车未偏移两根通电导轨时，k＝0；

当电动车相对于两根通电导轨向左ε_min时，

当电动车相对于两根通电导轨向左ε_mid时，

当电动车相对于两根通电导轨向左ε_max时，

当电动车相对于两根通电导轨向右ε_min时，

当电动车相对于两根通电导轨向右ε_mid时，

当电动车相对于两根通电导轨向右ε_mid时，

将公式(4)代入公式(5)中，可得：

还定义以下数学模型：

需要说明的是，Δ为三个定位线圈理论合成电压Δu₀与实际合成电压Δu的偏差，公式(7)用于计算Δu₀，公式(5)用于计算Δu，本发明通过不断的计算Δ，并将每次计算的Δ迭代入到表2的判断式中，从而不断地提高对电动车定位的精度。根据公式(5)计算出的是几个点的理论值，而根据公式(6)可以得到一条理论曲线。u_max1和u_max2分别代表电动车向左偏移和向右偏移时，第一定位线圈、第二定位线圈和第三定位线圈中拾取的最大电压。

在一个具体实例中，令ε_min＝15°、ε_mid＝30°、ε_max＝60°。利用公式(7)计算出理论的合成电压Δu₀，并利用公式(6)及采集到的所有数据绘制出Δu₀的拟合曲线，根据表1和公式(10)计算出电动车向左向右分别偏移15°、30°、60°时实际的合成电压Δu。设定向右偏移角度为正，向左偏移角度为负，合成电压与偏移角度的关系如图7所示。由图7可知，该定位方式同数学计算模型的拟合曲线吻合度较高，Δu₀与Δu的拟合曲线之间最大偏差Δmax＝5.33，该定位方式的精度为：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_{max}}{{\mathrm{\&Delta;u}}_{max}}\&times;100\%=2.5\%$

在本发明中，电动车相对与通电导轨的偏移分为两类：旋转偏移和水平偏移。旋转偏移是指电动车围绕其中心点进行旋转，水平偏移指电动车横向位移发生了变化。但在实际情况中，电动车偏离通电导轨往往是指旋转偏移中包含水平偏移。由图8可知，当电动车只发生旋转偏移时，图中两个阴影三角形全等，若同时发生水平偏移，则两个三角形不全等，因此可得到电动车是否发生水平偏移的判定式：

本发明还提供一种电动车位置检测系统，该检测系统包括上述基于三线圈的无线供电电动车定位装置、电压放大装置、整流装置和控制板，基于三线圈的无线供电电动车定位装置拾取电动车的定位数据并传送至整流装置，电压放大装置将定位数据进行放大后传送至整流装置，整流装置对放大的定位数据进行整流，并将整流后的定位数据传送至控制板，控制板根据整流后的定位数据控制电动车的偏移程度。

整流装置为桥式整流电路，如图9所示，桥式整流电路包括滤波电容C、电阻R、二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，其中，二极管D1的输入端与二极管D3的输出端连接，二极管D1的输出端与二极管D2的输出端连接，二极管D2的输入端与二极管D4的输出端连接，二极管D4的输入端与二极管D1的输入端连接；滤波电容C的一端连接在二极管D1的输入端与二极管D3的输出端之间，另一端连接在二极管D2的输入端与二极管D4的输出端之间；电阻R并联在滤波电容C的两端。

电压放大装置包括运算放大器为Lf353P的差分放大电路，如图10所示，

Lf353P的差分放大电路为双路输出，具体包括两个输出引脚OUT1和OUT2，四个输入引脚INPUT1A、INPUT1B、INPUT2A、INPUT2B，两个电源引脚和两个差分放大器A和B；其中，

差分放大器A的输入端接输入引脚INPUT1A、INPUT1B，输出端接输出引脚OUT1；

差分放大器B的输入端接输入引脚INPUT2A、INPUT2B，输出端接输出引脚OUT2；

两个电源引脚分别接+15V和-15V；

四个输入引脚INPUT1A、INPUT1B、INPUT2A、INPUT2B分别接有电阻R；

在输出引脚OUT1与输入引脚INPUT1A之间、输出引脚OUT2与输入引脚INPUT2A之间、输入引脚INPUT1B与地线之间、输入引脚INPUT2B与地线之间接有电阻R_f；

四个输入引脚INPUT1A、INPUT1B、INPUT2A、INPUT2B分别接在定位线圈的两端，用于获取定位线圈的拾取电压；

两个输出引脚OUT1、OUT2分别接在桥式整流电路的输入端，用于将经过放大的定位线圈的拾取电压输出给桥式整流电路。

此外，由于本发明需要采集三个定位线圈的拾取电压，三个拾取电压均需要放大，而Lf353P电路可以进行双路放大，因此，本发明需要设计两套Lf353P电路方可实现三路电压的放大。

另外，由R_f与R的比值决定电压放大装置的放大倍数，即：

电压放大装置的放大倍数

需要说明的是，电压放大装置中放大倍数的选择并不会影响电动车偏移方向及偏移程度的判断。电动车的定位数据表现为电动车的偏移方向及偏移程度，本发明在电动车位置检测系统获得电动车的定位数据后，还可以通过不同的方式将电动车的偏移方向及偏移程度告知驾驶员。例如：在驾驶室内设置一个显示偏移方向及偏移程度的仪表盘，仪表盘指针处于仪表盘中间位置时，表示电动车未发生偏移，仪表盘从中间位置分为左右两个区域，当仪表盘指针处于左侧区域时，表示电动车向左偏移，将左侧区域按照仪表盘指针的偏移角度(即按照电动车向左偏移的程度)设置成不同的颜色，当仪表盘指针处于右侧区域时表示电动车向右偏移，将右侧区域按照仪表盘指针的偏移角度(即按照电动车向右偏移的程度)设置成不同的颜色，由此，可以将电动车的偏移方向及偏移程度通过仪表盘直观地显示给驾驶员，供驾驶员参考。又如：在电动车内设置一个语音系统，将电动车的偏移方向及偏移程度通过语音的方式播放给驾驶员。再如：在驾驶室内设置一个供能指示条，供能指示条标有不同的刻度值，表示电动车所获得的电能大小，通过观看电能所处的刻度值来判断电动车是否发生偏移，在电动车未发生偏移时，电能应处于刻度值最大的位置。本发明还可以通过其它的方式将电动车的偏移方向及偏移程度通知给驾驶员，并不局限于上述的三个例子。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于三线圈的无线供电电动车定位装置，其特征在于，包括安装在无线供电电动车底盘上的三个相同的圆形的定位线圈，三个定位线圈的圆心形成一个等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的两条直角边的长度等于所述两根通电导轨之间的宽度；其中，初始时刻时，位于所述等腰直角三角形直角顶点的定位线圈的圆心正对一根通电导轨，另外两个定位线圈的圆心分别向所述两根通电导轨的同侧偏移预设的距离，与所述直角顶点正对的通电导轨与其偏移角度最小的直角边在水平方向上形成的夹角α的取值范围为：

0＜α≤α_max，时，从所述无线供电电动车的前后方向看，使位于前方的两个定位线圈在初始时刻的拾取电压达到最大，另一个定位线圈在初始时刻的拾取电压为零；

其中，d为两根通电导轨之间的宽度，h为三个定位线圈构成的平面到所述两根通电导轨所在平面的距离。

2.如权利要求1所述的基于三线圈的无线供电电动车定位装置，其中，所述三个定位线圈的形状、大小、电感值完全相同。

3.如权利要求1所述的基于三线圈的无线供电电动车定位装置，其中，位于所述等腰直角三角形直角顶点的定位线圈为第一定位线圈，与所述第一定位线圈的圆心正对的通电导轨为第一通电导轨，位于所述第一定位线圈的相对于所述无线供电电动车的行驶方向的后侧的定位线圈为第三定位线圈，另外的定位线圈和通电导轨分别为第二定位线圈和第二通电导轨，所述第一通电导轨相对于所述无线供电电动车的行驶方向位于所述第二通电导轨的左侧，其中，

所述第一通电导轨在空间中P点产生的磁感应强度B₁为：

$B_1=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{4{\mathrm{\&pi;r}}_1}({\mathrm{cos\&theta;}}_1-{\mathrm{cos\&theta;}}_2)---\left(1\right)$

式(1)中，P点为所述第三定位线圈的位置，μ₀为真空磁导率，I为通电导轨的电流强度，r₁为所述P点到所述第一通电导轨的垂直距离，θ₁和θ₂分别为所述第一通电导轨两端的电流元到所述P点的位矢之间的夹角；

所述第二通电导轨在所述P点产生的磁感应强度B₂为：

$B_2=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{4{\mathrm{\&pi;r}}_2}({\mathrm{cos\&theta;}}_3-{\mathrm{cos\&theta;}}_4)---\left(2\right)$

式(2)中，r₂为所述P点到所述第二通电导轨的垂直距离，θ₃和θ₄分别为所述第二通电导轨两端的电流元到所述P点的位矢之间的夹角；

通过所述第三定位线圈的磁通量为：

φ＝B₁S sinβ₁+B₂S sinβ₂ (3)

式(3)中，β₁和β₂分别为通过所述第三定位线圈的磁感应强度B₁、B₂与所述第三定位线圈所在平面的夹角。

4.一种基于三线圈的无线供电电动车定位方法，利用权利要求4所述的基于三线圈的无线供电电动车定位装置对无线供电电动车进行定位，所述方法包括：

分别拾取第一定位线圈的电压u_a、第二定位线圈的电压u_b和第三定位线圈的电压u_c，；

当u_b-Δ≤u_a≤u_b+Δ且u_c≤Δ时，所述无线供电电动车未偏移两根通电导轨；

当u_a[i]+Δ≤u_a[i-n]或u_b[i-n]-Δ≤u_b[i]≤u_b[i-n]+Δ或u_c[i]≥u_c[i-n]+Δ时，所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的一侧偏移；

当u_a[i]+Δ≤u_a[i-n]或u_b[i]≥u_b[i-n]+Δ或u_c[i]≥u_c[i-n]+Δ时，所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的另一侧偏移；

在所述无线供电电动车相对于所述两根通电导轨发生偏移时，定义三个偏移等级，分别为：ε_min偏移角度较小、ε_mid偏移角度略大和ε_max偏移角度较大，且三个偏移角度均小于90°；以及，

当u_a[i]+Δ≤u_a[i-n]且u_a≤Δ时，所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_min；

当u_b-Δ≤u_a≤u_b+Δ且u_c﹥Δ时，所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_mid；

当u_a≤Δ且u_b[i-n]-Δ≤u_b[i]≤u_b[i-n]+Δ时，所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_max；

当u_b[i]+Δ≤u_b[i-n]且u_b≤Δ时，所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_min；

当u_b[i]﹥u_b[i-n]+Δ且u_b[i]﹥u_b[i+n]+Δ时，所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_mid；

当u_a≤Δ时，所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_max；

其中，Δ为所述第一定位线圈、所述第二定位线圈和所述第三定位线圈的实际合成电压Δu与理论合成电压Δu₀的偏差，通过反复迭代的方式对Δ进行优化。

5.如权利要求4所述的基于三线圈的无线供电电动车定位方法，其特征在于，

所述Δu的计算公式为：

$\mathrm{\&Delta;}u=\stackrel{\&OverBar;}{u_a}-\stackrel{\&OverBar;}{u_b}+k\stackrel{\&OverBar;}{u_c}=\frac{u_{a1}+u_{a2}+u_{a3}}{3}-\frac{u_{b1}+u_{b2}+u_{b3}}{3}+k\frac{u_{c1}+u_{c2}+u_{c3}}{3}---\left(7\right);$

式(7)中，k为权重系数，由偏移度数的大小决定；其中，

当所述无线供电电动车未偏移所述两根通电导轨时，k＝0；

当所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_min时，

当所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_mid时，

当所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的一侧偏移的程度为ε_max时，

当所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_min时，

当所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_mid时，

当所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的另一侧偏移的程度为ε_max时，

所述Δu₀的计算公式为：

其中，u_max1和u_max2分别代表所述无线供电电动车向所述两根通电导轨的一侧偏移和另一侧偏移时，所述第一定位线圈、所述第二定位线圈和所述第三定位线圈中拾取的最大电压。

6.如权利要求5所述的基于三线圈的无线供电电动车定位方法，其特征在于，在所述无线供电电动车相对于所述通电导轨发生偏移时，分为旋转偏移和水平偏移，判断所述无线供电电动车是否发生水平偏移的判定式为：

其中，L₀为所述无线供电电动车的车长，l_ab为所述两根通电导轨之间的宽度，为所述第一定位线圈与所述两根通电导轨中第一通电导轨的夹角，为所述第一定位线圈与所述两根通电导轨中第二通电导轨的夹角，为所述第二定位线圈与所述第一通电导轨的夹角。

7.一种无线供电电动车的位置检测系统，包括如权利要求1～4中任一项所述的基于三线圈的无线供电电动车定位装置、电压放大装置、整流装置和控制板，其中，

所述基于三线圈的无线供电电动车定位装置用于拾取无线供电电动车的定位数据；

所述电压放大装置用于放大所述定位数据；

所述整流装置用于整流放大后的定位数据；

所述控制板用于根据整流后的定位数据控制无线供电电动车的偏移。

8.如权利要求7所述的电动车位置检测系统，其中，

所述电压放大装置包括两套运算放大器为Lf353P型号的差分放大电路，所述Lf353P型号的差分放大电路包括两个输出引脚(OUT1、OUT2)、四个输入引脚(INPUT1A、INPUT1B、INPUT2A、INPUT2B)、两个电源引脚和两个差分放大器(A、B)；其中，

差分放大器(A)的输入端接输入引脚(INPUT1A、INPUT1B)，输出端接输出引脚(OUT1)；

差分放大器(B)的输入端接输入引脚(INPUT2A、INPUT2B)，输出端接输出引脚(OUT2)；

两个电源引脚分别接+15V和-15V；

四个输入引脚(INPUT1A、INPUT1B、INPUT2A、INPUT2B)分别接有电阻(R)；

在输出引脚(OUT1)与输入引脚(INPUT1A)之间、输出引脚(OUT2)与输入引脚(INPUT2A)之间、输入引脚(INPUT1B)与地线之间、输入引脚(INPUT2B)与地线之间接有电阻(R_f)。

9.如权利要求8所述的电动车位置检测系统，其中，

两个输出引脚(OUT1、OUT2)分别与所述整流装置的输入端连接；

四个输入引脚(INPUT1A、INPUT1B、INPUT2A、INPUT2B)分别接在定位线圈的两端。

10.如权利要求7所述的电动车位置检测系统，其中，

所述整流装置为桥式整流电路，所述桥式整流电路包括四个二极管、滤波电容(C)和电阻(R)；其中，四个二极管分别为二极管(D1)、二极管(D2)、二极管(D3)、二极管(D4)，所述二极管(D1)的输入端与所述二极管(D3)的输出端连接，所述二极管(D1)的输出端与所述二极管(D2)的输出端连接，所述二极管(D2)的输入端与所述二极管(D4)的输出端连接，所述二极管(D4)的输入端与所述二极管(D1)的输入端连接；所述滤波电容(C)的一端连接在所述二极管(D1)的输入端与所述二极管(D3)的输出端之间，另一端连接在所述二极管(D2)的输入端与所述二极管(D4)的输出端之间；所述电阻(R)并联在所述滤波电容(C)的两端。