在2020年第十五屆全國大學生智能汽車競賽中的信標組采用了聲音導航的方案。本文對2020年全國大學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。

在外殼上固定了主要部件包括：

1. 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；
2. 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。
3. 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)。
4. 感應線圈： 感應線圈是固定在信標外殼邊緣卷槽內(nèi)，它用于感應車模觸發(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。

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。

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：

1. 側(cè)面5芯插座： 通過引線與上層的信標板連接。
2. 底部四芯總線插座： 底部的兩個總線插座的功能是相同的?？梢酝ㄟ^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。
3. 底部感應線圈插座： 固定在外殼邊緣凹槽內(nèi)的感應線圈，通過該插座與接口板相連。

（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的功能。

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。

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。

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：

1. 安裝感應線圈：將感應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線圈插座；
2. 連接揚聲器到信號板上的揚聲器插座；
3. 連接LED到信號板上的LED插座；
4. 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:

1. 觀察信標是否發(fā)出Chirp信號；
2. 觀察信標上的LED是否閃爍；
3. 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；
4. 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，而是周期重復的Chirp聲音。

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。