在 2020 年第十五屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽中的信標(biāo)組采用了聲音導(dǎo)航的方案。本文對(duì) 2020 年全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)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(shuō)明。

?

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(hào)通過(guò)外殼頂部圓孔擴(kuò)散到周圍；調(diào)頻無(wú)線天線：天線頂部粘貼在鋁質(zhì)外殼內(nèi)部，調(diào)頻無(wú)線信號(hào)通過(guò)外殼輻射到周圍空間。發(fā)光二極管：位于鋁殼頂部。通過(guò)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(hào)。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(guò)外伸支桿來(lái)略過(guò)外殼邊緣中的觸發(fā)線圈。

▲ 信標(biāo)外殼內(nèi)部的附屬物

?

▲ 信標(biāo)發(fā)送信號(hào)時(shí)，頂部 LED 閃爍

?

2. 信標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊

信標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊一方面通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)外殼上的天線發(fā)送調(diào)頻無(wú)線電信號(hào)。在調(diào)頻無(wú)線電信號(hào)中調(diào)制有與揚(yáng)聲器發(fā)送的 Chirp 信號(hào)相同的音頻信號(hào)。

▲ 信標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊示意圖

?

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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)該插座與接口板相連。

?

▲ 底層接口板上的接插件

?

（2）上層信號(hào)板

上層信號(hào)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(wú)線電信號(hào)。

下圖給出了信號(hào)板上的各個(gè)插座的位置和相應(yīng)的功能。

?

▲ 上層信號(hào)板上的插座

?

3. 控制器及連接線

控制器是用于控制現(xiàn)場(chǎng)信標(biāo)工作的模塊。它通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(hào)。它通過(guò) USB 總線與微機(jī)相連，完成現(xiàn)場(chǎng)比賽的計(jì)時(shí)。

它主要包括有控制盒、電源、以及現(xiàn)場(chǎng)總線。分別通過(guò)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

?

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

?

在所有單個(gè)信標(biāo)組裝完畢之后，使用四芯的現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)將所有信標(biāo)串聯(lián)起來(lái)，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(hào)板上的揚(yáng)聲器插座；連接 LED 到信號(hào)板上的 LED 插座；連接調(diào)頻無(wú)線信號(hào)發(fā)送天線到信號(hào)板上的天線插座。請(qǐng)注意：天線插座非常微小，連接時(shí)需要仔細(xì)。

3. 測(cè)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(cè)試。

接入信標(biāo)工作電源，根據(jù)信標(biāo)使用說(shuō)明分別檢查總線上信標(biāo)個(gè)數(shù)。使用測(cè)試按鍵來(lái)使得信標(biāo)隨即發(fā)聲，之后可以進(jìn)行如下的測(cè)試:

觀察信標(biāo)是否發(fā)出 Chirp 信號(hào)；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(hào)；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(hào)規(guī)格

信標(biāo)的導(dǎo)航信號(hào)包括兩類信號(hào)，一是聲音信號(hào)，二是調(diào)頻無(wú)線信號(hào)。

1. 聲音信號(hào)規(guī)格

聲音信號(hào)是一個(gè) 0.2048 秒為周期的 Chirp 聲音信號(hào)。在一個(gè)周期內(nèi)，聲音信號(hào)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(duì)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(hào)在不同起始位置的信號(hào)波形

?

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

聲音信號(hào)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(wú)線信號(hào)

信標(biāo)發(fā)送的調(diào)頻無(wú)線信號(hào)的頻率為 95MHz，信號(hào)調(diào)制方式為調(diào)頻。調(diào)制信號(hào)和揚(yáng)聲器發(fā)送的信號(hào)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(wú)線電功率大于 -80dBm。

下圖顯示使用頻譜儀 DSA815 測(cè)量天線上的無(wú)線信號(hào)頻譜。位于 95MHz 的信號(hào)是信標(biāo)發(fā)送的調(diào)頻信號(hào)。旁邊 95.4MHz 出的信號(hào)是附近調(diào)頻廣播電臺(tái)的無(wú)線電信號(hào)。

▲ 拉桿天線獲得調(diào)頻信號(hào)的頻譜