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。

在外殼上固定了主要部件包括：

1. 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；
2. 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。
3. 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)。
4. 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。

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)。

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：

1. 側(cè)面5芯插座： 通過(guò)引線與上層的信標(biāo)板連接。
2. 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。
3. 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。

（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。

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。

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。

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：

1. 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；
2. 連接揚(yáng)聲器到信號(hào)板上的揚(yáng)聲器插座；
3. 連接LED到信號(hào)板上的LED插座；
4. 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:

1. 觀察信標(biāo)是否發(fā)出Chirp信號(hào)；
2. 觀察信標(biāo)上的LED是否閃爍；
3. 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)；
4. 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。

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)。