信標組裁判系統(tǒng)原理與實現(xiàn)

摘要：大學生智能汽車競賽中的信標組要求裁判系統(tǒng)能夠自動判斷車模是否接近信標并控制信標依次點亮。本文提出了一套裁判系統(tǒng)的設(shè)計方案，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，并設(shè)計了特殊的信標枚舉過程，使得串聯(lián)信標能夠自動分配地址。方法原理簡單，實施方便。通過系統(tǒng)測試驗證了系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的場合，滿足比賽的要求。

前言

　　國內(nèi)廣泛開展的大學生智能汽車競賽是由國家教育部委托高等學校自動化專業(yè)教學委員會舉辦的面向大學生的具有探索性的工程實踐活動。第十一屆競賽首次引入了信標組的競賽內(nèi)容^[1]。信標組不再設(shè)置定寬的比賽賽道，而是在比賽場地內(nèi)設(shè)置若干信標來發(fā)送閃爍的紅光和調(diào)制的紅外光線。同一時刻，場地內(nèi)只有一個信標點亮，比賽的車模搜索并駛近信標。比賽系統(tǒng)一方面對于比賽進行計時，另一方面控制信標的點亮順序?？刂品椒槊慨斚到y(tǒng)檢測到車?？拷邳c亮的信標，則熄滅該信標并按照一定順序自動切換到下一個信標并使其點亮。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行信標追蹤的車模外，還需要制作信標，幫助調(diào)試。通常方法是按照規(guī)則制作幾個簡易的手動控制的信標，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：

　　● 采用基于電磁感應(yīng)原理的方法檢測車模是否到達信標邊界范圍(直徑45cm圓形區(qū)域)。檢測精度高，響應(yīng)靈敏。

　　● 所有信標串行連接在一起，現(xiàn)場布線簡便。系統(tǒng)會自動枚舉信標，無需手工設(shè)置信標信息。

　　本文后續(xù)內(nèi)容在介紹比賽系統(tǒng)的整體構(gòu)成之后，將詳細討論系統(tǒng)兩大關(guān)鍵技術(shù)：車模接近檢測和信標自動枚舉的原理和實現(xiàn)方案。最后介紹比賽系統(tǒng)的計算機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

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

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

　　總線接口模塊負責提供總線工作電源(9V)、現(xiàn)場總線驅(qū)動、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)信標的工作狀態(tài)并發(fā)送控制命令，控制比賽進程并計時?？偩€接口模塊框圖如圖2所示。

　　計算機運行比賽裁判軟件，通過USB控制總線接口模塊。

1.2 信標

　　場地信標的功能主要包括兩個：

　　1)發(fā)射紅光和紅外光信號。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方位。

　　2)檢測車模是否接近信標。競賽規(guī)則為當車模上磁標進入信標周圍直徑為45cm范圍內(nèi)時，則認為車模已經(jīng)接近信標，比賽系統(tǒng)自動切換到下一個信標并點亮，如圖3所示。

　　場地信標檢測車模是否進入檢測范圍內(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。當任意磁鐵越過線圈上方時，會引起檢測線圈內(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入信標附近。

　　信標內(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形式(比如無線信標、聲音信標等)。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的單片機為核心，完成電磁感應(yīng)信號的采集處理、總線命令的執(zhí)行等任務(wù)。

2 車模接近檢測與信號處理

2.1 檢測電路

　　根據(jù)公式(1)，將感應(yīng)電動勢進行積分便可以測量到磁通量的變化，進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行有效的抑制。實際電路如圖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，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。