在 2020 年第十五屆全國大學(xué)生智能汽車競賽中的信標組采用了聲音導(dǎo)航的方案。本文對 2020 年全國大學(xué)生智能車競賽中信標組比賽所使用的聲音信標的規(guī)格進行說明。

?

01 信標組成

信標構(gòu)成主要包括有外殼、信標驅(qū)動模塊、控制器以及連線等部分組成。下面分別介紹各部分的構(gòu)成及其相關(guān)指標。

1. 外殼及其附屬物

信標的外殼是由扁平圓錐狀鋁質(zhì)燈罩構(gòu)成。它的底盤直徑約為 30 厘米，高度為 7 厘米。

▲ 信標外殼形狀。頂部可以看到揚聲器以及發(fā)光 LED

在外殼上固定了主要部件包括：

揚聲器：固定在外殼頂部中央位置。揚聲器發(fā)出聲音信號通過外殼頂部圓孔擴散到周圍；調(diào)頻無線天線：天線頂部粘貼在鋁質(zhì)外殼內(nèi)部，調(diào)頻無線信號通過外殼輻射到周圍空間。發(fā)光二極管：位于鋁殼頂部。通過發(fā)光、閃爍兩種狀態(tài)指示信標工作狀態(tài)。感應(yīng)線圈： 感應(yīng)線圈是固定在信標外殼邊緣卷槽內(nèi)，它用于感應(yīng)車模觸發(fā)磁鐵信號。信標車模為了在不撞擊信標情況下觸發(fā)信標燈，需要將觸發(fā)磁鐵通過外伸支桿來略過外殼邊緣中的觸發(fā)線圈。

▲ 信標外殼內(nèi)部的附屬物

?

▲ 信標發(fā)送信號時，頂部 LED 閃爍

?

2. 信標驅(qū)動模塊

信標驅(qū)動模塊一方面通過現(xiàn)場總線與信標控制器連接接收指令和供電電源。另一方面它驅(qū)動信標外殼上的揚聲器發(fā)送特定規(guī)格的 Chirp 聲音，同時通過外殼上的天線發(fā)送調(diào)頻無線電信號。在調(diào)頻無線電信號中調(diào)制有與揚聲器發(fā)送的 Chirp 信號相同的音頻信號。

▲ 信標驅(qū)動模塊示意圖

?

驅(qū)動模塊包括有上下兩層電路板。

（1）底層接口板

底層接口板主要通過現(xiàn)場總線與控制器相連，接收工作電源以及指令，并將觸發(fā)信息發(fā)送給控制盒。

在底層接口板上具有三個接插件插座，它們的作用分別是：

側(cè)面 5 芯插座： 通過引線與上層的信標板連接。底部四芯總線插座： 底部的兩個總線插座的功能是相同的。可以通過一入一出兩個線將所有的信標燈串聯(lián)在一起與控制盒相連。這些串聯(lián)在一起的信標燈根據(jù)串聯(lián)順序自動獲得訪問地址。底部感應(yīng)線圈插座： 固定在外殼邊緣凹槽內(nèi)的感應(yīng)線圈，通過該插座與接口板相連。

?

▲ 底層接口板上的接插件

?

（2）上層信號板

上層信號板用于驅(qū)動揚聲器發(fā)出 Chirp 聲音，并連接外殼上的天線發(fā)送調(diào)頻無線電信號。

下圖給出了信號板上的各個插座的位置和相應(yīng)的功能。

?

▲ 上層信號板上的插座

?

3. 控制器及連接線

控制器是用于控制現(xiàn)場信標工作的模塊。它通過現(xiàn)場總線向總線上的各個信標提供電源，發(fā)送工作指令并接受觸發(fā)時間信號。它通過 USB 總線與微機相連，完成現(xiàn)場比賽的計時。

它主要包括有控制盒、電源、以及現(xiàn)場總線。分別通過控制盒上的電源插座、USB 插座以及四芯總線插座進行連接。

▲ 控制器內(nèi)部及其按鍵

?

02 信標連接組裝

1. 信標整體連接圖

信標系統(tǒng)的整體連線如下圖所示。大體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的光電信標組裝相類似，主要區(qū)別在于單個聲音信標的組裝。

▲ 信標總體組裝圖

?

在所有單個信標組裝完畢之后，使用四芯的現(xiàn)場總結(jié)將所有信標串聯(lián)起來，最后連入控制盒中的總線插座。信標驅(qū)動模塊的接口板上的兩個總線插座的功能是一樣的，可以按照任意順序連接輸入輸出總線。

2. 單個信標組裝

單個信標的組裝可以按照以下步驟依次進行：

安裝感應(yīng)線圈：將感應(yīng)線圈嵌入信標外殼邊緣凹槽內(nèi)。將兩芯接線從接入信標驅(qū)動模塊的接口板上的感應(yīng)線圈插座；連接揚聲器到信號板上的揚聲器插座；連接 LED 到信號板上的 LED 插座；連接調(diào)頻無線信號發(fā)送天線到信號板上的天線插座。請注意：天線插座非常微小，連接時需要仔細。

3. 測試基本功能

當信標系統(tǒng)組裝完畢之后，可以在不連入微機的情況下，獨自進行信標的測試。

接入信標工作電源，根據(jù)信標使用說明分別檢查總線上信標個數(shù)。使用測試按鍵來使得信標隨即發(fā)聲，之后可以進行如下的測試:

觀察信標是否發(fā)出 Chirp 信號；觀察信標上的 LED 是否閃爍；使用調(diào)頻收音機，在 95MHz 的位置是否可以接收到調(diào)頻信號；使用永磁鐵檢查是否可以正常觸發(fā)信標。

03 信標發(fā)送信號規(guī)格

信標的導(dǎo)航信號包括兩類信號，一是聲音信號，二是調(diào)頻無線信號。

1. 聲音信號規(guī)格

聲音信號是一個 0.2048 秒為周期的 Chirp 聲音信號。在一個周期內(nèi)，聲音信號的頻率從 250Hz 線性變化到 2000Hz。

注意：這個與最初在三月份公布的比賽規(guī)則中，對于信標聲音中不再包括有 0.2048 靜音間歇時間了，而是周期重復(fù)的 Chirp 聲音。

▲ 重復(fù) Chirp 信號在不同起始位置的信號波形

?

Chirp 聲音信號通過 10kHz 采集，并通過 12bitDAC 轉(zhuǎn)換，形成輸出的模擬信號。

聲音信號輸出的揚聲器工作阻抗為 3 歐姆，驅(qū)動音頻有效值電壓為 5V，輸出功率約 8W。

2. 調(diào)頻無線信號

信標發(fā)送的調(diào)頻無線信號的頻率為 95MHz，信號調(diào)制方式為調(diào)頻。調(diào)制信號和揚聲器發(fā)送的信號是相同的。

使用 20 厘米單極性天線在信標 5 米范圍內(nèi)，接收到的無線電功率大于 -80dBm。

下圖顯示使用頻譜儀 DSA815 測量天線上的無線信號頻譜。位于 95MHz 的信號是信標發(fā)送的調(diào)頻信號。旁邊 95.4MHz 出的信號是附近調(diào)頻廣播電臺的無線電信號。

▲ 拉桿天線獲得調(diào)頻信號的頻譜