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在 2020 年第十五屆全國大學(xué)生智能汽車競賽中的信標(biāo)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(biāo)組比賽所使用的聲音信標(biāo)的規(guī)格進(jìn)行說明。
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01 信標(biāo)組成
信標(biāo)構(gòu)成主要包括有外殼、信標(biāo)驅(qū)動(dòng)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(biāo)。
1. 外殼及其附屬物
信標(biāo)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(biāo)外殼形狀。頂部可以看到揚(yáng)聲器以及發(fā)光 LED
在外殼上固定了主要部件包括：
揚(yáng)聲器：固定在外殼頂部中央位置。揚(yáng)聲器發(fā)出聲音信號通過外殼頂部圓孔擴(kuò)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(biāo)工作狀態(tài)。感應(yīng)線圈： 感應(yīng)線圈是固定在信標(biāo)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(biāo)車模為了在不撞擊信標(biāo)情況下觸發(fā)信標(biāo)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(biāo)外殼內(nèi)部的附屬物
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▲ 信標(biāo)發(fā)送信號時(shí)，頂部 LED 閃爍
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2. 信標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊
信標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊一方面通過現(xiàn)場總線與信標(biāo)控制器連接接收指令和供電電源。另一方面它驅(qū)動(dòng)信標(biāo)外殼上的揚(yáng)聲器發(fā)送特定規(guī)格的 Chirp 聲音，同時(shí)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(yáng)聲器發(fā)送的 Chirp 信號相同的音頻信號。
▲ 信標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊示意圖
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驅(qū)動(dòng)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(gè)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(biāo)板連接。底部四芯總線插座： 底部的兩個(gè)總線插座的功能是相同的。可以通過一入一出兩個(gè)線將所有的信標(biāo)燈串聯(lián)在一起與控制盒相連。這些串聯(lián)在一起的信標(biāo)燈根據(jù)串聯(lián)順序自動(dòng)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。
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▲ 底層接口板上的接插件
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（2）上層信號板
上層信號板用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)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(gè)插座的位置和相應(yīng)的功能。
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▲ 上層信號板上的插座
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3. 控制器及連接線
控制器是用于控制現(xiàn)場信標(biāo)工作的模塊。它通過現(xiàn)場總線向總線上的各個(gè)信標(biāo)提供電源，發(fā)送工作指令并接受觸發(fā)時(shí)間信號。它通過 USB 總線與微機(jī)相連，完成現(xiàn)場比賽的計(jì)時(shí)。
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(jìn)行連接。
▲ 控制器內(nèi)部及其按鍵
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02 信標(biāo)連接組裝
1. 信標(biāo)整體連接圖
信標(biāo)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(biāo)組裝相類似，主要區(qū)別在于單個(gè)聲音信標(biāo)的組裝。
▲ 信標(biāo)總體組裝圖
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在所有單個(gè)信標(biāo)組裝完畢之后，使用四芯的現(xiàn)場總結(jié)將所有信標(biāo)串聯(lián)起來，最后連入控制盒中的總線插座。信標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊的接口板上的兩個(gè)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(gè)信標(biāo)組裝
單個(gè)信標(biāo)的組裝可以按照以下步驟依次進(jìn)行：
安裝感應(yīng)線圈：將感應(yīng)線圈嵌入信標(biāo)外殼邊緣凹槽內(nèi)。將兩芯接線從接入信標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊的接口板上的感應(yīng)線圈插座；連接揚(yáng)聲器到信號板上的揚(yáng)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(shí)需要仔細(xì)。
3. 測試基本功能
當(dāng)信標(biāo)系統(tǒng)組裝完畢之后，可以在不連入微機(jī)的情況下，獨(dú)自進(jìn)行信標(biāo)的測試。
接入信標(biāo)工作電源，根據(jù)信標(biāo)使用說明分別檢查總線上信標(biāo)個(gè)數(shù)。使用測試按鍵來使得信標(biāo)隨即發(fā)聲，之后可以進(jìn)行如下的測試:
觀察信標(biāo)是否發(fā)出 Chirp 信號；觀察信標(biāo)上的 LED 是否閃爍；使用調(diào)頻收音機(jī)，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(biāo)。
03 信標(biāo)發(fā)送信號規(guī)格
信標(biāo)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(gè) 0.2048 秒為周期的 Chirp 聲音信號。在一個(gè)周期內(nèi)，聲音信號的頻率從 250Hz 線性變化到 2000Hz。
注意：這個(gè)與最初在三月份公布的比賽規(guī)則中，對于信標(biāo)聲音中不再包括有 0.2048 靜音間歇時(shí)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
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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(yáng)聲器工作阻抗為 3 歐姆，驅(qū)動(dòng)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(biāo)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(yáng)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(biāo) 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(biāo)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
