用于智能汽车竞赛信标组的自动化裁判系统及方法

摘要

本发明公开了一种应用于大学生智能汽车竞赛中的自动化裁判系统及裁判方法。该系统应用了电磁感应原理，通过测量检测线圈内部磁通量的变化来检测车模是否接近信标，并且设计了特殊的信标枚举过程使得信标能够自动分配地址，省去独立设置信标地址的麻烦。该系统检测精度高，响应灵敏；信标数量布置灵活，而且现场布线容易；采用集成运算放大器使得检测信号线性好精度高；有效筛选出有用信号和滤除干扰信号，并且使得信号检测范围大大增加；该系统既可以工作在联机工作模式下进行自动控制，又可以工作在手工工作模式下进行人工操作。

说明书

技术领域

本发明涉及科技竞赛领域，尤其涉及一种应用于智能汽车竞赛中的自动化裁判系统及方法。

背景技术

国内每年一度广泛开展的大学生智能汽车竞赛是由国家教育部委托高等学校自动化专业教学委员会举办的面向大学生的具有探索性的工程实践活动。第十一届大学生智能汽车竞赛(2015)首次引入了信标组的竞赛内容。信标组不再设指定宽的赛道，而是在竞赛场地内设置若干信标来发送闪烁的红光和调制的红外光，车模在信标的导引下做定向运动。信标采用半球全向灯座，内部安装有红色和红外发光二极管阵列。该赛题组要求比赛系统能够自动判断车模是否接近信标并控制信标依次点亮。该赛题组赋予了竞赛更大的自由空间和挑战难度。

竞赛规则要求每辆车模在其四周布置四颗永磁铁，距离地面不超过2厘米。

该赛题组的竞赛任务是：参赛选手制作的车模开始位于发车区域内，此时所有的信标都是熄灭状态，开始竞赛后竞赛系统自动点亮第一个信标，点亮的信标会以10Hz的频率发送红光和调制的红外光，此时参赛选手的车模能够识别信标的方位并且做定向运动靠近信标。当车模上安放的磁铁进入信标附近的感应线圈后，竞赛系统会自动切换点亮下一个信标，车模前往第二个点亮的信标，此过程将会进行10次左右，最终竞赛时间是从当第一个信标点亮开始计时，到最后一次信标熄灭为止，由竞赛系统进行计时。

参赛选手参赛前除了需要制作能够进行信标追踪的车模外 还需要制作信标帮助调试。通常方法是按照竞赛要求制作几个简易的信标，该信标需要手动设置信标地址，因此信标的数量是固定的，无法灵活设置信标的数量。这种方法虽然基本满足竞赛要求，但是效率不高，而且无法完全模拟竞赛过程。

为了实现信标按照比赛顺序依次点亮，需要确定每个信标的地址，现有技术中，通常采用独立设置信标地址的方式，比较麻烦。

因此亟需开发一种既能满足竞赛要求，又能大大提高车模调试效率的竞赛系统。

由于上述原因，本发明人出一种自动化裁判系统，该系统不仅满足竞赛要求，还省去了独立设置信标地址的麻烦，信标数量灵活，而且布线方便简单。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种自动化裁判系统，该系统应用了电磁感应原理，通过测量检测线圈内部磁通量的变化来检测车模是否接近信标，并且设计了特殊的信标枚举过程使得信标能够自动分配地址。通过测试验证了该系统不仅满足竞赛要求，还能够适应不同的场合。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

(1)、一种用于智能汽车竞赛信标组的自动化裁判系统，其特征在于，该系统包括总线接口模块01、信标模块02和总线，

其中，总线接口模块01用于检测信标模块02的工作状态和发送命令至信标模块02，和/或

信标模块02用于发射红光和红外光信号，还用于检测车模是否接近所述信标模块02，和/或

总线包括电源线、地线、命令线和反馈线。

(2)、根据(1)所述的自动化裁判系统，其特征在于， 所述总线接口模块01与所述信标模块02通过总线相连，和/或

所述信标模块02串联在所述总线上，和/或

所述信标模块02自动设置其地址，和/或

所述信标模块02的地址按照距离总线接口模块01由近至远的顺序依次递增。

(3)、根据(1)或(2)所述的自动化裁判系统，其特征在于，总线接口模块01包括电源模块011、USB接口模块012、液晶显示模块013、按键模块014和总线接口模块01的第一端口，和/或

信标模块02包括控制模块021和LED阵列模块022，

其中，USB接口模块012用于与计算机连接，

液晶显示模块013用于显示操作界面，

按键模块014用于对所述自动化裁判系统进行手工操作，

总线接口模块01的第一端口用于与信标模块(02)连接，

控制模块021用于采集和处理检测线圈发出的电磁感应信号，还用于执行总线接口模块01发送的控制命令，

LED阵列模块022用于发射红光和红外光信号，

优选地，该系统包括两种工作模式：手工工作模式和联机工作模式。

(4)、根据(1)至(3)之一所述的自动化裁判系统，其特征在于，控制模块021包括信标模块02第一端口、信标模块02第二端口、电磁感应信号调理电路和检测线圈，

其中，电磁感应信号调理电路用于采集和处理检测线圈发出的电磁感应信号，

优选地，所述反馈线由信标模块02第一端口连入控制模块021，由信标模块02第二端口连出，

优选地，所述电磁感应信号调理电路包括积分电路、补偿 电路和防干扰电路，

更优选地，控制模块021和LED阵列模块022通过接插件进行连接。

(5)、根据(1)至(4)之一所述的自动化裁判系统，其特征在于，该系统还包括滤波模块03，

所述滤波模块03用于识别有用信号和干扰信号，并且滤除干扰信号。

(6)、一种用于智能汽车竞赛信标组的裁判方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)：将所有信标串联；

步骤2)：自动枚举信标；

步骤3)：检测车模是否接近点亮的信标，当检测到车模接近所述点亮的信标，则熄灭所述信标，按照预设的信标点亮顺序点亮下一个信标。

(7)、根据(6)所述的裁判方法，其特征在于，在步骤1)中，通过总线将所有信标串联，

优选地，总线包括电源线、地线、命令线和反馈线，

更优选地，每两个信标之间的反馈线的逻辑关系是逻辑与。

(8)、根据(7)所述的裁判方法，其特征在于，所述信标包括两个相同的端口：信标第一端口和信标第二端口，

优选地，所述反馈线由信标第一端口连入所述信标，由信标第二端口连出，

更优选地，信标第一端口与信标第二端口之间的反馈线包括两种工作模式：断开模式和连接模式。

(9)、根据(8)所述的裁判方法，其特征在于，步骤2包括以下子步骤：

子步骤2.1)：通过命令线向总线上所有信标发送自动枚举 命令；

子步骤2.2)：信标接收到自动枚举命令后，将信标第一端口与信标第二端口之间的反馈线工作模式设置为断开模式，并且信标第一端口与信标第二端口中的反馈线都是高电平；

子步骤2.3)：将距离总线接口模块最近的信标的信标第一端口中的反馈线置低；

子步骤2.4)向总线上所有信标发送设置地址命令，设置地址命令发送完毕后释放所述信标第一端口中的反馈线，并且检测所述信标第二端口中的反馈线是否有反馈信号；

优选地，地址编码从1开始，

子步骤2.5)重复子步骤2.4，地址编码每次递增1，直至检测不到所述反馈信号；

(10)、根据(6)所述的裁判方法，其特征在于，在子步骤2.4中，所述信标接收到设置地址命令后，判断其信标第一端口与信标第二端口中的反馈线的状态是否一致，当其信标第一端口与信标第二端口中的反馈线的状态不一致时，则将其地址设置为设置地址命令中的地址，同时发送反馈信号，然后将其信标第一端口与信标第二端口中的反馈线设置为连接模式，则相邻信标的信标第一端口中的反馈线被置低。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)采用基于电磁感应原理的方法检测车模是否达到信标边界范围，检测精度高，响应灵敏；

(2)采用集成运算放大器使得检测信号线性好精度高；

(3)检测线圈信号处理电路有效筛选出有用信号和滤除干扰信号，并且使得信号检测范围大大增加；

(4)通过滤波模块实现平滑滤波，滤波效果明显；

(5)省去独立设置信标地址的麻烦，信标数量布置灵活， 而且现场布线容易；

(6)该系统既可以工作在联机工作模式下进行自动控制，又可以工作在手工工作模式下进行人工操作。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的自动化裁判系统结构示意图。

图2示出根据本发明一种优选实施方式的自动化裁判方法步骤流程图。

图3示出根据本发明一种优选实施方式的自动枚举信标的步骤流程图。

图4示出根据本发明一种优选实施方式的总线结构模块01的结构示意图。

图5示出根据本发明一种优选实施方式的信标外观及尺寸。

图6示出根据本发明一种优选实施方式的信标模块02的结构示意图。

图7示出根据本发明一种优选实施方式的电磁感应信号调理电路。

图8示出根据本发明一种优选实施方式的系统波特图。

图9示出根据本发明一种优选实施方式的检测信号经过滤波模块03滤波前后的波形。

图10示出根据本发明一种优选实施方式的总线结构示意图。

图11示出示出根据本发明一种优选实施方式的枚举过程中反馈线状态变化。

图12示出根据本发明一种优选实施方式的永磁铁在同一高度、不同速度下越过检测线圈产生的检测信号。

图13示出示出根据本发明一种优选实施方式的永磁铁在 相同速度、不同高度下越过检测线圈产生的检测信号。

附图标号说明：

VCC-电源线

GND-地线

CMD-命令线

FB-反馈线

B1-第一信标

B2-第二信标

B3-第三信标

B4-第四信标

B5-第五信标

01-总线接口模块

02-信标模块

011-电源模块

012-USB接口模块

013-液晶显示模块

014-按键模块

021-控制模块

022-LED阵列模块

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明中所述车模均为大学生智能汽车竞赛中使用的汽车 模型。

本发明中所述信标边界范围以信标中心为圆心的圆形区域，优选直径45厘米圆形区域。

有用信号指传递用户所需信息的信号，本发明中所述有用信号、检测信号和电磁感应信号均为当车模越过检测线圈时，检测线圈内部磁通量的变化。

在本发明中，所述信标模块02与所述信标为该系统的同一结构。

在本发明中，点亮的信标和点亮信标均指所述信标同时发射出红光和红外光信号，其中，所述红光能够被比赛现场的人员所看见，所述红外光信号能够被车模上安装的红外线传感器所识别，用于引导车模向所述点亮的信标的方位运动。

在本发明中，熄灭的信标和熄灭信标均指所述信标停止发射红光和红外光信号。

本发明中所述枚举过程和自动枚举信标均为信标模块01自动设置其地址的过程。

检测根据本发明提供的一种用于智能汽车竞赛信标组的自动化裁判系统，如图1所示，该系统包括该系统包括总线接口模块01、信标模块02和总线。

信标模块02用于发射红光和红外光信号，还用于检测车模是否接近所述信标模块02，

在一个优选地实施方式中，该系统还包括计算机。

在一个优选地实施方式中，该系统包括两种工作模式：手工工作模式和联机工作模式。

在一个优选地实施方式中，总线接口模块01用于检测信标模块02的工作状态、发送命令至信标模块02。

在一个优选地实施方式中，总线接口模块01还用于控制比 赛进程并且记录车模从开始比赛到结束比赛所用时间，例如，控制比赛的开始及停止。

在一个优选地实施方式中，如图4所示，总线接口模块01包括电源模块011、USB接口模块012、液晶显示模块013、按键模块014和总线接口模块01的第一端口，

其中，电源模块011用于提供总线工作电源，优选地，所述总线工作电源为9伏特，

当该系统工作在联机工作模式时，USB接口模块012用于和所述计算机连接，因此，通过USB接口模块012，计算机可以灵活地设置智能汽车竞赛中信标模块02的点亮顺序和点亮次数，实时读取总线接口模块记录的时间，以便于查看，还可以设置系统参数。

当该系统工作在手工工作模式时，通过液晶显示模块013和按键模块014对所述系统进行操作，包括设置信标模块02的点亮顺序和点亮次数，以及设置系统参数。

在一个优选的实施方式中，所述按键模块04包含有两个按键。

所述系统参数包括线圈检测阈值、信标切换时间死区、最大比赛时间等。

在一个优选的实施方式中，所述线圈检测阈值指车模越过检测线圈上方时，检测线圈内部磁通量变化的临界值，

在一个优选的实施方式中，当检测到检测线圈内部磁通量变化大于或等于线圈检测阈值时，表明车模越过检测线圈上方，即车模接近信标。

在一个优选的实施方式中，信标切换时间死区是指上一个信标熄灭切到换下一个信标点亮的时间周期，当在所述时间范围内点亮了下一个信标，则竞赛正常进行；当在所述时间范围 内没有点亮下一个信标，则该系统报告错误并且停止计时。

在一个优选的实施方式中，当在最大比赛时间内，车模没有完成比赛时，结束所述车模的比赛。

在一个优选的实施方式中，所述总线接口模块01的第一端口用于连接距离总线接口模块01距离最近的信标模块02。

在一个优选的实施方式中，该系统至少包含有5个信标模块02，所有的信标模块02串联在总线上，因此，使用串联的方法对所有信标模块02进行供电和控制使得比赛现场布线容易，并且布置信标模块02数量灵活。

在一个优选地实施方式中，信标外观及尺寸如图5所示。

在一个优选地实施方式中，如图6所示，信标模块02包括控制模块021和LED阵列模块022。

优选地，控制模块021和LED阵列模块022通过接插件进行连接。

其中，LED阵列模块022用于发射红光和红外光信号，

在一个优选地实施方式中，所述红光的闪烁频率为10Hz，红外光信号的调制频率为40kHz，调制的红外光信号便于车模利用常见的红外线传感器检测信标模块022的方位。

控制模块021用于检测车模是否接近所述信标模块02，当车模进入信标边界范围内时，则认为所述车模已经接近所述信标模块02，比赛系统自动点亮下一个信标模块02。

控制模块021和LED阵列模块022通过接插件进行连接的结构方式便于将来能够方便地将LED阵列模块022更换成其他能够发出信号的模块，例如无线模块、声音模块。

在一个优选地实施方式中，控制模块021包括信标模块02第一端口、信标模块02第二端口、电磁感应信号调理电路和检测线圈，

所述电磁感应信号调理电路用于检测当车模越过检测线圈上方时引起的检测线圈内部的磁通量的变化。

根据电磁感应原理，当车模越过检测线圈上方时会引起检测线圈内部的磁铁量Φ_Β的变化，根据法拉第电磁感应定律，在检测线圈内产生的感应电动势为：

$ϵ=-N\frac{{\mathrm{d\Phi }}_B}{dt}---\left(1\right)$

其中，ε代表所述感应电动势，N代表检测线圈的匝数，

将所述感应电动势进行积分便可以获得检测线圈内部磁通量的变化，如式(2)所示，

$E={\int }_{-\infty }^{\infty }ϵ\left(t\right)dt=-{\mathrm{N\Phi }}_B---\left(2\right)$

进而就可以检测到车模是否越过检测线圈。

在一个优选地实施方式中，所述电磁感应信号调理电路如图7所示，所述电磁感应信号调理电路包括积分电路、补偿电路和防干扰电路，

其中，所述积分电路能够有效地抑制其它干扰磁场，所述积分电路包括运算放大器LMV321、电阻R₁和积分电容C₁，电阻R₁并联在积分电容C₁两端保证了积分电路的稳定性，

运算放大器LMV321是德州仪器生产的单路低电压轨至轨输入/输出运算放大器。

所述补偿电路包括电容C₄，电容C₄消除了运算放大器LMV321的失调电压，使结果更加准确，

所述防干扰电路能够有效抑制外部射频信号对积分电路的干扰，所述防干扰电路包括电阻R₄、电阻R₅、电容C₂和电容C₃，所述射频信号为经过调制的，具有一定频率的电信号。

电阻R₂和电阻R₃用于分压获得运算放大器LMV321的同 相输入端的输入电压。

令R₀＝R₂+R₃，则所述电磁感应信号调理电路的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{C_2{R}_{1}s}{C_1{C}_2{R}_0{R}_1{s}^2+(R_0{C}_2+R_1{C}_1)s+1}---\left(3\right)$

当C1＝0.01uF，C2＝1nF，R1＝10MΩ，R0＝R2+R3＝10kΩ+10kΩ＝20kΩ时，运算放大器LMV321的同相输入端的输入电压为1.65V，所述电磁感应信号调理电路的波特图如图8所示，由图8获得所述电磁感应信号调理电路为带通放大电路，下截止频率为1.6Hz，上截止频率为16Hz因此，当车模以比赛规定的速度越过检测线圈产生的电磁感应信号的频谱范围都落在所述电磁感应信号调理电路的通带范围内。

由电磁感应信号调理电路获得的电磁感应信号中还包含有较强的50Hz的噪声信号。

在一个优选地实施方式中，所述自动化裁判系统还包括滤波模块03，所述滤波模块03用于识别有用信号和干扰信号，并且滤除干扰信号，所述干扰信号为50Hz的噪声信号，由于该噪声信号频率固定，所以滤波模块03通过设置采集频率为1000Hz以及滤波窗口长度为20ms实现平滑滤波，滤除了所述噪声信号。所述电磁感应信号进行滤波前后的波形如图9所示，由图可知，该滤波模块03滤波效果明显，经过滤波后，降低了线圈检测阈值，提高了自动化裁判系统的检测灵敏度。

本发明中所述的控制模块021和滤波模块03也可以应用于智能汽车竞赛其它赛题组的裁判系统。

在一个优选地实施方式中，如图10所示，所述总线包括电源线VCC、地线GND、命令线CMD和反馈线FB，

其中，“断开”是指断开模式，“联通”是指连接模式。

所述反馈线FB用于枚举过程，还用于指示车模越过检测线圈，优选地，当车模没有接近信标时反馈线置于高电平，当车模接近信标时反馈线置于低电平。

在一个优选地实施方式中，所有信标串联在总线上，每两个信标之间的反馈线FB的逻辑关系是逻辑与。

在一个优选地实施方式中，所述反馈线FB由信标模块02第一端口连入控制模块021，由信标模块02第二端口连出，信标模块02第一端口与信标模块02第二端口之间的反馈线包括两种工作模式：断开模式和连接模式，

所述断开模式用于枚举过程；所述连接模式用于比赛过程，当任意一个端口中的反馈线被相邻信标模块置成低电平，则将另外一个端口中的反馈线也置成低电平。

在一个优选地实施方式中，枚举过程如下：

(1)总线接口模块01通过命令线向总线上所有信标发送自动枚举命令；

(2)信标接收到自动枚举命令后，将信标模块02第一端口与信标模块02第二端口之间的反馈线工作模式设置为断开模式，并且信标模块02第一端口与信标模块02第二端口中的反馈线都是高电平；

(3)将距离总线接口模块最近的信标的信标模块02第一端口中的反馈线置低；

(4)向总线上所有信标发送设置地址命令，设置地址命令发送完毕后释放所述信标第一端口中的反馈线，并且检测所 述信标的信标模块02第二端口中的反馈线是否有反馈信号；

优选地，地址编码从1开始，所述反馈信号为10ms宽的低电平信号，

所述信标接收到设置地址命令后，判断其信标模块02第一端口与信标模块02第二端口中的反馈线的状态是否一致，当其信标模块02第一端口与信标模块02第二端口中的反馈线的状态不一致时，则将其地址设置为设置地址命令中的地址，同时发送反馈信号，然后将其信标模块02第一端口与信标模块02第二端口中的反馈线设置为连接模式。

(5)重复子步骤2.4，地址编码每次递增1，直至检测不到所述反馈信号。

在本发明中枚举过程按照距离总线接口模块远近的顺序自动设置信标的地址，因此在比赛现场可以灵活地更换或增减信标。

根据本发明提供的一种用于智能汽车竞赛信标组的裁判方法，该方法优先用于所述自动化裁判系统，该方法包括以下步骤：

步骤1)：将所有信标串联；

在一个优选地实施方式中，通过总线将所有信标串联，其中，总线包括电源线、地线、命令线和反馈线，每两个信标之间的反馈线的逻辑关系是逻辑与。

在一个优选地实施方式中，所述信标包括两个相同的端口：信标第一端口和信标第二端口，所述反馈线由信标第一端口连入，由信标第二端口连出，信标第一端口与信标第二端口之间的反馈线包括两种工作模式：断开模式和连接模式。

步骤2)：自动枚举信标；

在一个优选地实施方式中，步骤2包括以下子步骤：

子步骤2.1)：通过命令线向总线上所有信标发送自动枚举命令；

子步骤2.2)：信标接收到自动枚举命令后，将信标第一端口与信标第二端口之间的反馈线工作模式设置为断开模式，并且信标第一端口与信标第二端口中的反馈线都是高电平；

子步骤2.3)：将距离总线接口模块最近的信标的信标第一端口中的反馈线置低；

子步骤2.4)向总线上所有信标发送设置地址命令，设置地址命令发送完毕后释放所述信标第一端口中的反馈线，并且检测所述信标第二端口中的反馈线是否有反馈信号；

优选地，地址编码从1开始，

所述信标接收到设置地址命令后，判断其信标第一端口与信标第二端口中的反馈线的状态是否一致，当其信标第一端口与信标第二端口中的反馈线的状态不一致时，则将其地址设置为设置地址命令中的地址，同时发送反馈信号，然后将其信标第一端口与信标第二端口中的反馈线设置为连接模式，则相邻信标的信标第一端口中的反馈线被置低。

子步骤2.5)重复子步骤2.4，地址编码每次递增1，直至检测不到所述反馈信号。

步骤3)：检测车模是否接近点亮的信标，当检测到车模接近所述点亮的信标，则熄灭所述信标，按照预设的信标点亮顺序点亮下一个信标。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

实施例1

通过实验测试本发明对同一高度、不同速度的永磁铁经过检测线圈的检测效果。本实验使用直线导轨带动一个永磁铁运动，该永磁铁距离地面1.5厘米，分别以1米/秒至0.2米/秒的速度越过检测线圈上方，检测信号经过滤波模块03滤波后的波形如图所示，由图可知，检测信号的强度随着永磁铁速度的降低而降低，而且当永磁铁运动速度低于某一个速度下限时，本发明将不能检测到永磁铁越过检测线圈时产生的检测信号，由图可知所述速度下限为0.1米/秒，而该速度下限远远低于比赛现场车模的运行速度，因此本发明能够很好地应用于智能汽车竞赛，并且对于运行速度越高的车模检测越灵敏，检测效果越好。

实施例2

通过实验测试本发明对相同速度、不同高度的永磁铁经过检测线圈的检测效果。本实验使用直线导轨带动一个永磁铁运动，该永磁铁运动速度为1米/秒，分别以距离地面1厘米、2厘米和3厘米越过检测线圈上方，检测信号经过滤波模块03滤波后的波形如图所示，由图可知，检测信号的强度随着永磁铁高度的增加而降低，而且当永磁铁高度高于某一个高度上限时，本发明将不能检测到永磁铁越过检测线圈时产生的检测信号，由图可知所述高度上限为3厘米，而智能汽车竞赛规定永磁铁距离地面不超过2厘米，因此本发明能够很好地应用于智能汽车竞赛。