在 2020 年第十五届全国大学生智能汽车竞赛中的信标组采用了声音导航的方案。本文对 2020 年全国大学生智能车竞赛中信标组比赛所使用的声音信标的规格进行说明。

01 信标组成

信标构成主要包括有外壳、信标驱动模块、控制器以及连线等部分组成。下面分别介绍各部分的构成及其相关指标。

1. 外壳及其附属物

信标的外壳是由扁平圆锥状铝质灯罩构成。它的底盘直径约为 30 厘米，高度为 7 厘米。

▲ 信标外壳形状。顶部可以看到扬声器以及发光 LED

在外壳上固定了主要部件包括：

扬声器：固定在外壳顶部中央位置。扬声器发出声音信号通过外壳顶部圆孔扩散到周围；调频无线天线：天线顶部粘贴在铝质外壳内部，调频无线信号通过外壳辐射到周围空间。发光二极管：位于铝壳顶部。通过发光、闪烁两种状态指示信标工作状态。感应线圈： 感应线圈是固定在信标外壳边缘卷槽内，它用于感应车模触发磁铁信号。信标车模为了在不撞击信标情况下触发信标灯，需要将触发磁铁通过外伸支杆来略过外壳边缘中的触发线圈。

▲ 信标外壳内部的附属物

▲ 信标发送信号时，顶部 LED 闪烁

2. 信标驱动模块

信标驱动模块一方面通过现场总线与信标控制器连接接收指令和供电电源。另一方面它驱动信标外壳上的扬声器发送特定规格的 Chirp 声音，同时通过外壳上的天线发送调频无线电信号。在调频无线电信号中调制有与扬声器发送的 Chirp 信号相同的音频信号。

▲ 信标驱动模块示意图

驱动模块包括有上下两层电路板。

（1）底层接口板

底层接口板主要通过现场总线与控制器相连，接收工作电源以及指令，并将触发信息发送给控制盒。

在底层接口板上具有三个接插件插座，它们的作用分别是：

侧面 5 芯插座： 通过引线与上层的信标板连接。底部四芯总线插座： 底部的两个总线插座的功能是相同的。可以通过一入一出两个线将所有的信标灯串联在一起与控制盒相连。这些串联在一起的信标灯根据串联顺序自动获得访问地址。底部感应线圈插座： 固定在外壳边缘凹槽内的感应线圈，通过该插座与接口板相连。

▲ 底层接口板上的接插件

（2）上层信号板

上层信号板用于驱动扬声器发出 Chirp 声音，并连接外壳上的天线发送调频无线电信号。

下图给出了信号板上的各个插座的位置和相应的功能。

▲ 上层信号板上的插座

3. 控制器及连接线

控制器是用于控制现场信标工作的模块。它通过现场总线向总线上的各个信标提供电源，发送工作指令并接受触发时间信号。它通过 USB 总线与微机相连，完成现场比赛的计时。

它主要包括有控制盒、电源、以及现场总线。分别通过控制盒上的电源插座、USB 插座以及四芯总线插座进行连接。

▲ 控制器内部及其按键

02 信标连接组装

1. 信标整体连接图

信标系统的整体连线如下图所示。大体结构与传统的光电信标组装相类似，主要区别在于单个声音信标的组装。

▲ 信标总体组装图

在所有单个信标组装完毕之后，使用四芯的现场总结将所有信标串联起来，最后连入控制盒中的总线插座。信标驱动模块的接口板上的两个总线插座的功能是一样的，可以按照任意顺序连接输入输出总线。

2. 单个信标组装

单个信标的组装可以按照以下步骤依次进行：

安装感应线圈：将感应线圈嵌入信标外壳边缘凹槽内。将两芯接线从接入信标驱动模块的接口板上的感应线圈插座；连接扬声器到信号板上的扬声器插座；连接 LED 到信号板上的 LED 插座；连接调频无线信号发送天线到信号板上的天线插座。请注意：天线插座非常微小，连接时需要仔细。

3. 测试基本功能

当信标系统组装完毕之后，可以在不连入微机的情况下，独自进行信标的测试。

接入信标工作电源，根据信标使用说明分别检查总线上信标个数。使用测试按键来使得信标随即发声，之后可以进行如下的测试:

观察信标是否发出 Chirp 信号；观察信标上的 LED 是否闪烁；使用调频收音机，在 95MHz 的位置是否可以接收到调频信号；使用永磁铁检查是否可以正常触发信标。

03 信标发送信号规格

信标的导航信号包括两类信号，一是声音信号，二是调频无线信号。

1. 声音信号规格

声音信号是一个 0.2048 秒为周期的 Chirp 声音信号。在一个周期内，声音信号的频率从 250Hz 线性变化到 2000Hz。

注意：这个与最初在三月份公布的比赛规则中，对于信标声音中不再包括有 0.2048 静音间歇时间了，而是周期重复的 Chirp 声音。

▲ 重复 Chirp 信号在不同起始位置的信号波形

Chirp 声音信号通过 10kHz 采集，并通过 12bitDAC 转换，形成输出的模拟信号。

声音信号输出的扬声器工作阻抗为 3 欧姆，驱动音频有效值电压为 5V，输出功率约 8W。

2. 调频无线信号

信标发送的调频无线信号的频率为 95MHz，信号调制方式为调频。调制信号和扬声器发送的信号是相同的。

使用 20 厘米单极性天线在信标 5 米范围内，接收到的无线电功率大于 -80dBm。

下图显示使用频谱仪 DSA815 测量天线上的无线信号频谱。位于 95MHz 的信号是信标发送的调频信号。旁边 95.4MHz 出的信号是附近调频广播电台的无线电信号。

▲ 拉杆天线获得调频信号的频谱