信标组裁判系统原理与实现

摘要：大学生智能汽车竞赛中的信标组要求裁判系统能够自动判断车模是否接近信标并控制信标依次点亮。本文提出了一套裁判系统的设计方案，应用了基于电磁感应原理的方法检测车模是否接近信标，并设计了特殊的信标枚举过程，使得串联信标能够自动分配地址。方法原理简单，实施方便。通过系统测试验证了系统能够适应不同的场合，满足比赛的要求。

前言

国内广泛开展的大学生智能汽车竞赛是由国家教育部委托高等学校自动化专业教学委员会举办的面向大学生的具有探索性的工程实践活动。第十一届竞赛首次引入了信标组的竞赛内容^[1]。信标组不再设置定宽的比赛赛道，而是在比赛场地内设置若干信标来发送闪烁的红光和调制的红外光线。同一时刻，场地内只有一个信标点亮，比赛的车模搜索并驶近信标。比赛系统一方面对于比赛进行计时，另一方面控制信标的点亮顺序。控制方法为每当系统检测到车模靠近正在点亮的信标，则熄灭该信标并按照一定顺序自动切换到下一个信标并使其点亮。该赛题组赋予了比赛更大的自由空间和挑战难度。

参赛选手参赛前除了需要制作能够进行信标追踪的车模外，还需要制作信标，帮助调试。通常方法是按照规则制作几个简易的手动控制的信标，这些虽然基本满足比赛要求，但是效率不高，且无法完全模拟比赛过程。如果能够制作一套满足比赛要求的自动化比赛裁判系统，则可大大提高车模后期调试的效率。本文将介绍一套信标裁判系统的制作方案。该方案符合竞赛规则要求，并具有以下两大特点：

● 采用基于电磁感应原理的方法检测车模是否到达信标边界范围(直径45cm圆形区域)。检测精度高，响应灵敏。

● 所有信标串行连接在一起，现场布线简便。系统会自动枚举信标，无需手工设置信标信息。

本文后续内容在介绍比赛系统的整体构成之后，将详细讨论系统两大关键技术：车模接近检测和信标自动枚举的原理和实现方案。最后介绍比赛系统的计算机接口和人工操作界面。

1 系统整体构成

1.1 系统构成

信标组比赛系统由场内信标、总线、电源模块以及计算机组成，如图1所示。

场内信标由一条总线串接起来，距离总线接口由近至远，它们的地址从1开始逐步递增。

总线接口模块负责提供总线工作电源(9V)、现场总线驱动、USB总线接口、按钮和LCD手工操作界面。通过现场总线，接口模块可以检测场内信标的工作状态并发送控制命令，控制比赛进程并计时。总线接口模块框图如图2所示。

计算机运行比赛裁判软件，通过USB控制总线接口模块。

1.2 信标

场地信标的功能主要包括两个：

1)发射红光和红外光信号。红光的闪烁频率为10Hz，红外光的调制频率为40kHz。调制的红外光是为了便于车模利用常见的红外线接收管检测信标方位。

2)检测车模是否接近信标。竞赛规则为当车模上磁标进入信标周围直径为45cm范围内时，则认为车模已经接近信标，比赛系统自动切换到下一个信标并点亮，如图3所示。

场地信标检测车模是否进入检测范围内的方法是基于电磁感应原理。竞赛规则要求每辆车模在其四周布置四颗永磁铁，距离地面不超过2cm。当任意磁铁越过线圈上方时，会引起检测线圈内部的磁通量的改变，根据法拉第电磁感应定律，在线圈内产生感应电动势为：

(1)

其中N是线圈的匝数，通过对ε的测量便可以检测车模是否进入信标附近。

信标内部控制板结构包括主控板和LED阵列板，它们之间通过接插件连接。采用这种结构便于将来能够将LED阵列板更换成别的信标形式(比如无线信标、声音信标等)。主控板具有一对总线接口和检测线圈接口，如图4所示。

主控板以一片ARM Cortex-M3的单片机为核心，完成电磁感应信号的采集处理、总线命令的执行等任务。

2 车模接近检测与信号处理

2.1 检测电路

根据公式(1)，将感应电动势进行积分便可以测量到磁通量的变化，进而可以检测车模是否越过检测线圈。

(2)

由于积分平滑作用，对于其它干扰交变磁场能够进行有效的抑制。实际电路如图5所示。

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第5期第44页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

　图中R1是为了积分电路稳定而并联在积分电容C₁两端的;C₄是为了消除运放失调电压而设置的隔直电容;R₄、R₅、C₂和C₃是用于抑制外部射频信号对运放的干扰;R₂和R₃所在的分压电路用于建立单电源运放的工作点。

忽略C₂和C₃的作用，令R₀=R₂+R₃，电路的传递函数为：

(3)

代入电路参数，系统的Bode图如图6所示。

可以看出电路实际上为带通放大电路，上下截止频率分别为1.6Hz和16Hz。车模快速和慢速越过检测线产生的电磁感应信号的频谱范围大都落在上述放大电路通带范围内。