信標(biāo)組裁判系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)

摘要：大學(xué)生智能汽車競賽中的信標(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。方法原理簡單，實(shí)施方便。通過系統(tǒng)測試驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的場合，滿足比賽的要求。

前言

　　國內(nèi)廣泛開展的大學(xué)生智能汽車競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)。第十一屆競賽首次引入了信標(biāo)組的競賽內(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)檢測到車模靠近正在點(diǎn)亮的信標(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)并使其點(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，且無法完全模擬比賽過程。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)原理的方法檢測車模是否到達(dá)信標(biāo)邊界范圍(直徑45cm圓形區(qū)域)。檢測精度高，響應(yīng)靈敏。

　　● 所有信標(biāo)串行連接在一起，現(xiàn)場布線簡便。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。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　信標(biāo)組比賽系統(tǒng)由場內(nèi)信標(biāo)、總線、電源模塊以及計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。

　　場內(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)場總線，接口模塊可以檢測場內(nèi)信標(biāo)的工作狀態(tài)并發(fā)送控制命令，控制比賽進(jìn)程并計(jì)時(shí)。總線接口模塊框圖如圖2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。

1.2 信標(biāo)

　　場地信標(biāo)的功能主要包括兩個(gè)：

　　1)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信標(biāo)方位。

　　2)檢測車模是否接近信標(biāo)。競賽規(guī)則為當(dāng)車模上磁標(biāo)進(jìn)入信標(biāo)周圍直徑為45cm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)并點(diǎn)亮，如圖3所示。

　　場地信標(biāo)檢測車模是否進(jìn)入檢測范圍內(nèi)的方法是基于電磁感應(yīng)原理。競賽規(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2cm。當(dāng)任意磁鐵越過線圈上方時(shí)，會(huì)引起檢測線圈內(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)勢為：

(1)

　　其中N是線圈的匝數(shù)，通過對ε的測量便可以檢測車模是否進(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?qū)ED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)。主控板具有一對總線接口和檢測線圈接口，如圖4所示。

　　主控板以一片ARM Cortex-M3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)。

2 車模接近檢測與信號(hào)處理

2.1 檢測電路

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

(2)

　　由于積分平滑作用，對于其它干擾交變磁場能夠進(jìn)行有效的抑制。實(shí)際電路如圖5所示。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第44頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。