信標組裁判系統原理與實(shí)現

摘要：大學(xué)生智能汽車(chē)競賽中的信標組要求裁判系統能夠自動(dòng)判斷車(chē)模是否接近信標并控制信標依次點(diǎn)亮。本文提出了一套裁判系統的設計方案，應用了基于電磁感應原理的方法檢測車(chē)模是否接近信標，并設計了特殊的信標枚舉過(guò)程，使得串聯(lián)信標能夠自動(dòng)分配地址。方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)施方便。通過(guò)系統測試驗證了系統能夠適應不同的場(chǎng)合，滿(mǎn)足比賽的要求。

前言

　　國內廣泛開(kāi)展的大學(xué)生智能汽車(chē)競賽是由國家教育部委托高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)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組的競賽內容^[1]。信標組不再設置定寬的比賽賽道，而是在比賽場(chǎng)地內設置若干信標來(lái)發(fā)送閃爍的紅光和調制的紅外光線(xiàn)。同一時(shí)刻，場(chǎng)地內只有一個(gè)信標點(diǎn)亮，比賽的車(chē)模搜索并駛近信標。比賽系統一方面對于比賽進(jìn)行計時(shí)，另一方面控制信標的點(diǎn)亮順序?？刂品椒槊慨斚到y檢測到車(chē)?？拷邳c(diǎn)亮的信標，則熄滅該信標并按照一定順序自動(dòng)切換到下一個(gè)信標并使其點(diǎn)亮。該賽題組賦予了比賽更大的自由空間和挑戰難度。

　　參賽選手參賽前除了需要制作能夠進(jìn)行信標追蹤的車(chē)模外，還需要制作信標，幫助調試。通常方法是按照規則制作幾個(gè)簡(jiǎn)易的手動(dòng)控制的信標，這些雖然基本滿(mǎn)足比賽要求，但是效率不高，且無(wú)法完全模擬比賽過(guò)程。如果能夠制作一套滿(mǎn)足比賽要求的自動(dòng)化比賽裁判系統，則可大大提高車(chē)模后期調試的效率。本文將介紹一套信標裁判系統的制作方案。該方案符合競賽規則要求，并具有以下兩大特點(diǎn)：

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

　　● 所有信標串行連接在一起，現場(chǎng)布線(xiàn)簡(jiǎn)便。系統會(huì )自動(dòng)枚舉信標，無(wú)需手工設置信標信息。

　　本文后續內容在介紹比賽系統的整體構成之后，將詳細討論系統兩大關(guān)鍵技術(shù)：車(chē)模接近檢測和信標自動(dòng)枚舉的原理和實(shí)現方案。最后介紹比賽系統的計算機接口和人工操作界面。

1 系統整體構成

1.1 系統構成

　　信標組比賽系統由場(chǎng)內信標、總線(xiàn)、電源模塊以及計算機組成，如圖1所示。

　　場(chǎng)內信標由一條總線(xiàn)串接起來(lái)，距離總線(xiàn)接口由近至遠，它們的地址從1開(kāi)始逐步遞增。

　　總線(xiàn)接口模塊負責提供總線(xiàn)工作電源(9V)、現場(chǎng)總線(xiàn)驅動(dòng)、USB總線(xiàn)接口、按鈕和LCD手工操作界面。通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)，接口模塊可以檢測場(chǎng)內信標的工作狀態(tài)并發(fā)送控制命令，控制比賽進(jìn)程并計時(shí)?？偩€(xiàn)接口模塊框圖如圖2所示。

　　計算機運行比賽裁判軟件，通過(guò)USB控制總線(xiàn)接口模塊。

1.2 信標

　　場(chǎng)地信標的功能主要包括兩個(gè)：

　　1)發(fā)射紅光和紅外光信號。紅光的閃爍頻率為10Hz，紅外光的調制頻率為40kHz。調制的紅外光是為了便于車(chē)模利用常見(jiàn)的紅外線(xiàn)接收管檢測信標方位。

　　2)檢測車(chē)模是否接近信標。競賽規則為當車(chē)模上磁標進(jìn)入信標周?chē)睆綖?5cm范圍內時(shí)，則認為車(chē)模已經(jīng)接近信標，比賽系統自動(dòng)切換到下一個(gè)信標并點(diǎn)亮，如圖3所示。

　　場(chǎng)地信標檢測車(chē)模是否進(jìn)入檢測范圍內的方法是基于電磁感應原理。競賽規則要求每輛車(chē)模在其四周布置四顆永磁鐵，距離地面不超過(guò)2cm。當任意磁鐵越過(guò)線(xiàn)圈上方時(shí)，會(huì )引起檢測線(xiàn)圈內部的磁通量的改變，根據法拉第電磁感應定律，在線(xiàn)圈內產(chǎn)生感應電動(dòng)勢為：

(1)

　　其中N是線(xiàn)圈的匝數，通過(guò)對ε的測量便可以檢測車(chē)模是否進(jìn)入信標附近。

　　信標內部控制板結構包括主控板和LED陣列板，它們之間通過(guò)接插件連接。采用這種結構便于將來(lái)能夠將LED陣列板更換成別的信標形式(比如無(wú)線(xiàn)信標、聲音信標等)。主控板具有一對總線(xiàn)接口和檢測線(xiàn)圈接口，如圖4所示。

　　主控板以一片ARM Cortex-M3的單片機為核心，完成電磁感應信號的采集處理、總線(xiàn)命令的執行等任務(wù)。

2 車(chē)模接近檢測與信號處理

2.1 檢測電路

　　根據公式(1)，將感應電動(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(chē)模是否越過(guò)檢測線(xiàn)圈。

(2)

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

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