摘要：

大學(xué)生智能汽車中的信標(biāo)組要求裁判系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷車模是否接近信標(biāo)并控制信標(biāo)依次點(diǎn)亮。本文提出了一套裁判系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用了基于電磁感應(yīng)原理的方法檢測(cè)車模是否接近信標(biāo)，并設(shè)計(jì)了特殊的信標(biāo)枚舉過程使得串聯(lián)信標(biāo)能夠自動(dòng)分配地址。方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)施方便。通過系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的場(chǎng)合，滿足比賽的要求。 關(guān)鍵字： 智能車競(jìng)賽，電磁感應(yīng)，信標(biāo)，枚舉

1. 前言

國內(nèi)每年一度廣泛開展的大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是由國家教育部委托高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)委員會(huì)舉辦的面向大學(xué)生的具有探索性的工程實(shí)踐活動(dòng)。第十一屆競(jìng)賽首次引入了信標(biāo)組的競(jìng)賽內(nèi)容[1]。信標(biāo)組不再設(shè)置定寬的比賽賽道，而是在比賽場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置若干信標(biāo)來發(fā)送閃爍的紅光和調(diào)制的紅外光線。同一時(shí)刻，場(chǎng)地內(nèi)只有一個(gè)信標(biāo)點(diǎn)亮，比賽的車模搜索并駛近信標(biāo)。比賽系統(tǒng)一方面對(duì)于比賽進(jìn)行計(jì)時(shí)，另一方面控制信標(biāo)的點(diǎn)亮順序?？刂品椒槊慨?dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車模靠近正在點(diǎn)亮信標(biāo)，則熄滅該信標(biāo)并按照一定順序自動(dòng)切換到下一個(gè)信標(biāo)使其點(diǎn)亮。該賽題組賦予了比賽更大的自由空間和挑戰(zhàn)難度。

參賽選手參賽前除了需要制作能夠進(jìn)行信標(biāo)追蹤的車模外還需要制作信標(biāo)幫助調(diào)試。通常方法是按照規(guī)則制作幾個(gè)簡(jiǎn)易的手動(dòng)控制的信標(biāo)，這些雖然基本滿足比賽要求，但是效率不高，且無法完全模塊比賽過程。如果能夠制作一套滿足比賽要求的自動(dòng)化比賽裁判系統(tǒng)，則可大大提高車模后期調(diào)試的效率。本文將介紹一套信標(biāo)裁判系統(tǒng)的制作方案。該方案符合競(jìng)賽規(guī)則要求，并具有以下兩大特點(diǎn)：

采用基于電磁感應(yīng)原理的方法檢測(cè)車模是否到達(dá)信標(biāo)邊界范圍（直徑45厘米圓形區(qū)域）。檢測(cè)精度高，響應(yīng)靈敏；

所有信標(biāo)串行連接在一起，現(xiàn)場(chǎng)布線簡(jiǎn)便。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)枚舉信標(biāo)，無需手工設(shè)置信標(biāo)信息；

本文后續(xù)內(nèi)容在介紹比賽系統(tǒng)的整體構(gòu)成之后，將詳細(xì)討論系統(tǒng)兩大關(guān)鍵技術(shù)：車模接近檢測(cè)和信標(biāo)自動(dòng)枚舉的原理和實(shí)現(xiàn)方案，最后介紹比賽系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口和人工操作界面。

2. 系統(tǒng)整體構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

信標(biāo)組比賽系統(tǒng)由場(chǎng)內(nèi)信標(biāo)、總線、電源模塊以及計(jì)算機(jī)組成。

場(chǎng)內(nèi)信標(biāo) 由一條總線串接起來，距離總線接口由近至遠(yuǎn)它們的地址從1開始逐步遞增。

總線接口模塊負(fù)責(zé)提供總線工作電源（9V）、現(xiàn)場(chǎng)總線驅(qū)動(dòng)、USB總線接口、按鈕和LCD手工操作界面。通過現(xiàn)場(chǎng)總線，接口模塊可以檢測(cè)場(chǎng)內(nèi)信標(biāo)的工作狀態(tài)、發(fā)送控制命令，控制比賽進(jìn)程并計(jì)時(shí)?？偩€接口模塊框圖如下圖所示：

計(jì)算機(jī)運(yùn)行比賽裁判軟件，通過USB控制總線接口模塊。

2.2 信標(biāo)

場(chǎng)地信標(biāo)的功能主要包括兩個(gè)：

發(fā)射紅光和紅外光信號(hào)。紅光的閃爍頻率為10Hz，紅外光的調(diào)制頻率為40kHz。調(diào)制的紅外光是為了便于車模利用常見的紅外線接收管檢測(cè)信標(biāo)方位。

檢測(cè)車模是否接近信標(biāo)。競(jìng)賽規(guī)則為當(dāng)車模上磁標(biāo)進(jìn)入信標(biāo)周圍直徑為45厘米范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為車模已經(jīng)接近信標(biāo)，比賽系統(tǒng)自動(dòng)切換到下一個(gè)信標(biāo)點(diǎn)亮。

場(chǎng)地信標(biāo)檢測(cè)車模是否進(jìn)入檢測(cè)范圍內(nèi)的方法是基于電磁感應(yīng)原理。競(jìng)賽規(guī)則要求每輛車模在其四周布置四顆永磁鐵，距離地面不超過2厘米。當(dāng)任意磁鐵越過線圈上方時(shí)，會(huì)引起檢測(cè)線圈內(nèi)部的磁通量 的改變，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

其中N是線圈的匝數(shù)。通過對(duì) 的測(cè)量便可以檢測(cè)車模是否進(jìn)入信標(biāo)附近。

信標(biāo)內(nèi)部控制板結(jié)構(gòu)包括主控板和LED陣列板，它們之間通過接插件連接。采用這種結(jié)構(gòu)便于將來能夠方便地將LED陣列板更換成別的信標(biāo)形式（比如無線信標(biāo)、聲音信標(biāo)等）。主控板具有一對(duì)總線接口和檢測(cè)線圈接口。如下圖所示：

主控板以一片ARM Cortex-3的單片機(jī)為核心，完成電磁感應(yīng)信號(hào)的采集處理、總線命令的執(zhí)行等任務(wù)。

3. 車模接近檢測(cè)與信號(hào)處理

3.1 檢測(cè)電路

根據(jù)公式（1），將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行積分便可以測(cè)量到磁通量的變化，進(jìn)而可以檢測(cè)車模是否越過檢測(cè)線圈。

由于積分平滑作用，對(duì)于其它干擾交變磁場(chǎng)能夠進(jìn)行有效的抑制。實(shí)際電路如下圖所示：

圖中R1是為了積分電路穩(wěn)定而并聯(lián)在積分電容C1兩端。C4是為了消除運(yùn)放失調(diào)電壓而設(shè)置的隔直電容。R4,R5,C2,C3是用于抑制外部射頻信號(hào)對(duì)運(yùn)放的干擾。R2，R3分壓電路用于建立單電源運(yùn)放的工作點(diǎn)。

忽略C2,C3的作用，令 R0=R1+R2，電路的傳遞函數(shù)為：

代入電路參數(shù)，系統(tǒng)的Bode圖如下：

可以看出電路實(shí)際上為帶通放大電路，上下截止頻率分別為1.6Hz和16Hz。車?？焖俸吐僭竭^檢測(cè)線產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)的頻譜范圍大都落在上述放大電路通帶范圍內(nèi)。

3.2 數(shù)據(jù)濾波

環(huán)境中50Hz的工頻干擾信號(hào)雖然沒有落在放大電路的通帶范圍內(nèi)，但放大信號(hào)中仍然包含著較強(qiáng)的50Hz的干擾信號(hào)。由于該噪聲信號(hào)頻率固定，所以采用長(zhǎng)度為20ms的來抑制50Hz干擾信號(hào)，使用軟件實(shí)現(xiàn)平滑濾波。采集數(shù)據(jù)頻率為1000Hz，平滑濾波窗口長(zhǎng)度為20，對(duì)應(yīng)50Hz周期時(shí)間長(zhǎng)度。下圖顯示了采集數(shù)據(jù)濾波前后的波形，濾波效果明顯。

當(dāng)標(biāo)記磁鐵經(jīng)過檢測(cè)線圈時(shí)放大電路產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)非常明顯，可以準(zhǔn)確反映標(biāo)記磁鐵是否經(jīng)過檢測(cè)線。進(jìn)過濾波后，可以降低信號(hào)波動(dòng)檢測(cè)閾值，提高系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度。

3.3 測(cè)試結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)可以測(cè)試該方案對(duì)于不同速度，不同高度的標(biāo)記磁鐵經(jīng)過檢測(cè)線圈的檢測(cè)效果。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)直線滑軌帶動(dòng)一個(gè)永磁鐵運(yùn)動(dòng)，永磁鐵距離地面1.5厘米，分別以1米/秒至0.2米/秒的直線速度越過檢測(cè)線圈邊界，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后波形如下圖所示：

結(jié)果顯示檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度隨著速度的減小而降低。因此運(yùn)行速度越高，該檢測(cè)方法效果越好。但是有一個(gè)最低速度下限，低于該速度則無法可靠檢測(cè)。通過上圖可以推論，該速度下限低于0.1米/秒。這個(gè)限制遠(yuǎn)低于比賽現(xiàn)場(chǎng)車模運(yùn)行速度。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)使標(biāo)記磁鐵以相同的速度（1米/秒）距離地面不同高度通過檢測(cè)線圈。測(cè)量數(shù)據(jù)如下圖所示：

磁鐵距離地面越高，檢測(cè)信號(hào)幅度越小。在比賽時(shí)規(guī)則要求標(biāo)記磁鐵距離地面不超過2厘米。

4. 信標(biāo)枚舉

使用串聯(lián)方法對(duì)信標(biāo)進(jìn)行供電和控制使得現(xiàn)場(chǎng)布線比較容易，而且布置信標(biāo)數(shù)量靈活。為了實(shí)現(xiàn)信標(biāo)按照比賽順序依次點(diǎn)亮，需要確定每個(gè)信標(biāo)的訪問地址。按照信標(biāo)串聯(lián)的順序，利用自動(dòng)枚舉的方法可以省略獨(dú)立設(shè)置信標(biāo)地址的麻煩。

實(shí)現(xiàn)枚舉過程依靠獨(dú)特的串行總線?？偩€的構(gòu)成包括四條線，它們分別是電源線(VCC)，地線(GND)，命令線(CMD)，反饋線(FB)。每個(gè)模塊都具有兩個(gè)相同的端口，反饋線由一個(gè)端口連入，從另一個(gè)端口連出。如下圖所示：

反饋線作用有三個(gè)：一是發(fā)出10ms寬的低脈沖命令響應(yīng)信號(hào)；二是通過拉低反饋線指示車模越過檢測(cè)線；三是用于模塊枚舉過程。模塊內(nèi)部的反饋線接口如下圖所示：

反饋線平時(shí)由內(nèi)部上拉電阻置成高電平。相鄰兩個(gè)模塊之間的反饋線實(shí)際上是通過線與的關(guān)系連接在一起。通過軟件控制，使得模塊兩個(gè)端口之間的反饋線形成虛擬的兩種模式：一是斷開模式，該模式用于枚舉過程；二是連接模式，每當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)端口中反饋線被相鄰模塊拉低，則將另外一個(gè)端口中的反饋線也置低。該模式用于正常工作狀態(tài)，此時(shí)整條反饋線形成虛擬的一條連接總線。

系統(tǒng)枚舉過程是通過接口模塊開展的，過程如下如下： （1）接口模塊向總線上所有信標(biāo)模塊發(fā)送枚舉指令。接收到枚舉指令后，所有模塊將反饋線置于斷開模式，模塊端口中的反饋線都是高電平。 （2）接口模塊將反饋總線置低。 （3）接口模塊發(fā)送設(shè)置地址命令，地址編碼從1開始。發(fā)送完畢后將反饋總線釋放，并檢測(cè)反饋總線是否有低電平反饋信號(hào)。

如果有反饋信號(hào)則重復(fù)2,3兩步，地址編碼每次遞增1。如果沒有檢測(cè)到反饋信號(hào)，則枚舉過程結(jié)束。 在此過程中，每個(gè)信標(biāo)模塊接收到地址設(shè)置命令后，判斷它的兩個(gè)總線接口中的反饋線的狀態(tài)是否一致。如果反饋線狀態(tài)不一致，則將本身地址設(shè)置成命令中的地址，同時(shí)發(fā)送10ms低電平進(jìn)行反饋，此后將模塊的反饋總線設(shè)置成連接模式。

信標(biāo)枚舉過程中命令線和反饋線的波形如下圖所示：

枚舉過程之后，總線接口模塊檢查了信標(biāo)的總數(shù)，設(shè)置了每個(gè)信標(biāo)地址。借助于枚舉過程，現(xiàn)場(chǎng)的信標(biāo)可以比較靈活的進(jìn)行更換和增減。

5. 系統(tǒng)工作模式

5.1 手工工作模式

在該模式下，通過總線接口板上的兩個(gè)按鈕和LCD顯示屏來控制系統(tǒng)的枚舉過程、順序點(diǎn)亮比賽、隨機(jī)點(diǎn)亮比賽以及進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等。

系統(tǒng)參數(shù)包括線圈檢測(cè)閾值、信標(biāo)切換時(shí)間死區(qū)、最大比賽時(shí)間等。使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不同的電磁環(huán)境。

5.2 聯(lián)機(jī)工作模式

總結(jié)接口板通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連接。通過定義好的一組控制命令，上位機(jī)中比賽系統(tǒng)軟件可以靈活地設(shè)置比賽中信標(biāo)點(diǎn)亮順序和次數(shù)，讀取比賽進(jìn)程時(shí)間，并設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。

通過實(shí)際的系統(tǒng)集成和測(cè)試，驗(yàn)證上述系統(tǒng)在不同環(huán)境下，兩種工作模式都能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

6. 結(jié)論

信標(biāo)組給智能車比賽內(nèi)容的創(chuàng)新帶來了更多的可能，但相應(yīng)的比賽系統(tǒng)復(fù)雜度增加了。本文介紹的裁判系統(tǒng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便。感應(yīng)線圈檢測(cè)和信標(biāo)枚舉兩個(gè)技術(shù)的應(yīng)用提高了信標(biāo)組裁判系統(tǒng)的檢測(cè)性能和部署的靈活性。感應(yīng)線圈的原理也可以應(yīng)用于常規(guī)賽道比賽的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。

7.參考文獻(xiàn)

1. 競(jìng)賽組委會(huì)，第十一屆全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽競(jìng)賽比賽規(guī)則，2015，11.

2. 競(jìng)賽組委會(huì)，第十一屆全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽競(jìng)賽通知，2015,11