基于鐵絲磁化的車模越界檢測系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鐵絲磁化的車模越界檢測系統，該系統包括設置在賽道上的鐵絲01和安裝在賽車上的檢測裝置02，其中，鐵絲01用于標志賽道邊界，檢測裝置02用于檢測車模是否越界，并且當車模越界時，發(fā)出報警信息。該系統實現了對車模越界的精確檢測，而且體積小便于安裝，能夠完全替代人工裁判，大大降低了誤判概率，提高了比賽的客觀性及公平性。
【專利說明】
基于鐵絲磁化的車模越界檢測系統
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及科技競賽領域，尤其涉及智能汽車競賽中基于鐵絲磁化的車模越界檢測系統。
【背景技術】
[0002]—年一度的大學生智能汽車競賽是由教育部高等教育司委托高等學校自動化類教學指導委員會舉辦的旨在加強學生實踐、創(chuàng)新能力和培養(yǎng)團隊精神的一項創(chuàng)意性科技競賽。競賽以其競賽內容的挑戰(zhàn)性和比賽評價的客觀性吸引了很多高校工科生參加，至今已經成功舉辦了十屆。
[0003]十年以來，比賽的規(guī)模和參賽隊伍的競技水平有了很大的提高。隨著車模運行速度的提高，比賽現場依靠人工判斷車模是否越界變得越來越困難，特別是當車模在比賽過程中瞬間越過賽道邊界又重新回到賽道上時，依靠人工判斷容易造成一些誤判。雖然可以依靠現場錄像進行后期仲裁，但實踐中所拍攝的錄像很難滿足及時有效的判斷需求。而且，由于比賽場地面積比較大，賽道形狀不規(guī)整，所以通過傳統的攝像頭或者光電傳感器等方法去判斷車模是否越界存在一定的困難。
[0004]為了克服往屆比賽中人工判斷車模越界的困難，第十一屆比賽規(guī)則中增加了兩種方法以提高車模越界判斷的準確性和客觀性。一種方法是路肩法，即在賽道邊緣處間斷放置高度I厘米，寬2厘米的軟泡沫材料，形成賽道路肩，車模一旦沖出賽道就會碰到所述軟泡沫材料。一種方法是在賽道兩旁導引線下鋪設直徑I毫米的鐵絲，賽車比賽前統一在每輛車模底盤兩側安裝鐵絲檢測模塊，在車模沖出賽道過程中，鐵絲檢測模塊會感應到鐵絲，就會發(fā)出警報，顯示車模沖出了賽道。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服上述問題，本發(fā)明人進行了銳意研究，設計出一種基于鐵絲磁化的車模越界檢測系統，該系統實現了對車模越界的精確檢測，提高了比賽的客觀性及公平性，能夠完全替代人工裁判。
[0006]具體來說，本發(fā)明的目的在于提供以下方面:
[0007](I)、一種基于鐵絲磁化的車模越界檢測系統，其特征在于，該系統包括設置在賽道邊界的鐵絲01和安裝在車模上的檢測裝置02，
[0008]其中，所述檢測裝置02用于檢測車模是否越界，并且當車模越界時，發(fā)出報警信息。
[0009](2)、根據(I)所述的系統，其特征在于，所述鐵絲01鋪設于賽道邊界下方，
[0010]優(yōu)選地，所述鐵絲01為細長鐵絲，其直徑為0.5?2毫米，更優(yōu)選地，所述鐵絲01的直徑為I毫米。
[0011](3)、根據(I)所述的系統，其特征在于，所述檢測裝置02包括磁鐵、處理電路、單片機、報警模塊，
[0012]其中，所述磁鐵用于產生磁場，磁化鐵絲，
[0013]所述處理電路用于檢測磁場變化，并將檢測到的磁場信號傳輸至單片機，
[0014]所述單片機，根據處理電路傳輸的磁場信號與預設值比較，檢測車模是否越界，
[0015]所述報警模塊用于當車模越界時發(fā)出報警信息。
[0016](4)、根據(3)所述的系統，其特征在于，所述處理電路包括霍爾信號放大電路，用于感應和放大所檢測到的磁場信號，并且將放大后的磁場信號傳遞至所述單片機。
[0017](5)、根據(4)所述的系統，其特征在于，所述單片機將所述放大后的磁場信號與預設的閾值進行比較，當所述信號大于預設的閾值時，啟動報警模塊發(fā)出報警信息。
[0018](6)、根據(4)所述的系統，其特征在于，所述磁鐵為永磁鐵，
[0019]所述報警模塊包括LED、蜂鳴器和按鈕，
[0020]其中，LED用于發(fā)出可見光，
[0021 ]所述按鈕用于停止報警模塊報警。
[0022](7)、根據(1)-(4)之一所述的系統，其特征在于，所述檢測裝置02還包括穩(wěn)壓電路。
[0023](8)、根據(1)-(7)之一所述的系統，其特征在于，所述系統上電后自動進行霍爾信號放大電路零點矯正。
[0024](9)、根據(1)-(8)之一所述的系統，其特征在于，該系統還包括電源和除噪聲模塊，
[0025]所述電源用于供電，
[0026]所述除噪聲模塊用于濾除所述放大后的磁場信號中的噪聲信號。
[0027]本發(fā)明所具有的有益效果包括:
[0028](I)完全替代人工裁判，大大降低了誤判概率，提高了比賽的客觀性及公平性；
[0029](2)該系統上電后自動進行霍爾信號放大電路零點矯正，能夠適應不同的比賽環(huán)境；
[0030](3)該系統體積小，檢測精度高，能夠滿足比賽的要求；
[0031](4)該系統能夠適用于不同形狀尺寸和不同安裝高度的磁鐵，能夠適用于不同運行速度的車模，而且當車模運行速度越快，檢測精度越高。
【附圖說明】
[0032]圖1示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的車模越界檢測系統的結構示意圖。
[0033]圖2示出永磁鐵周圍磁場的分布。
[0034]圖3示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的檢測裝置02的結構示意圖。
[0035]圖4示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的霍爾信號放大電路。
[0036]圖5示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的放大后的檢測信號經除噪聲模塊處理前后的波形圖。
[0037]圖6示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的不同形狀尺寸的坡莫合金永磁鐵。
[0038]圖7示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的坡莫合金永磁鐵的安裝方式。
[0039]圖8示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的使用四種不同形狀尺寸的坡莫合金永磁鐵產生的四種不同強度的檢測信號。
[0040]圖9示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的不同檢測高度下的檢測信號的強度。
[0041]圖10示出根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的鐵絲運動速度不同時檢測信號的波形。
[0042]附圖標號說明:
[0043]O 1-鐵絲
[0044]02-檢測裝置
【具體實施方式】
[0045]下面通過附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。通過這些說明，本發(fā)明的特點和優(yōu)點將變得更為清楚明確。
[0046]在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0047]本發(fā)明中所述的磁鐵的安裝高度和檢測高度均為磁鐵與地面之間的距離。
[0048]本發(fā)明中所述檢測信號和磁場信號均為鐵絲被磁化后引起的原來磁場的磁場波動，所述原來磁場為安裝在檢測裝置02上的磁鐵產生的。
[0049]根據本發(fā)明提供的一種基于鐵絲磁化的車模越界檢測系統，如圖1中所示，該系統包括設置在賽道邊界的鐵絲01和安裝在車模上的檢測裝置02，其中，所述鐵絲01有兩條，分別鋪設于賽道邊界下方，兩條鐵絲01之間的區(qū)域即為賽道，越過兩條鐵絲01所限定的區(qū)域即進入到了賽道之外，即為本發(fā)明中所述的越界;所述檢測裝置02包括磁鐵、處理電路、單片機和報警模塊，具體來說，所述磁鐵為永磁鐵，所述處理電路用于感應和放大所檢測到的磁場信號，并且將放大后的磁場信號傳遞至單片機，單片機將接收的放大后的磁場信號與預設的閾值進行比較，當該信號大于預設的閾值時，啟動報警模塊。
[0050]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述鐵絲01是磁性材料，其在磁場作用下發(fā)生磁化，產生磁化磁場;所述磁化磁場疊加在原來磁場中能夠改變所述原來磁場的大小和分布，如圖2所示;優(yōu)選地，所述鐵絲01為細長鐵絲，其直徑為0.5?2mm，進一步優(yōu)選地，所述鐵絲01的直徑為1mm。
[0051]在一個優(yōu)選的實施方式中，如圖3所示，所述檢測裝置02包括磁鐵、處理電路、單片機和報警模塊，
[0052]其中，所述磁鐵用于產生磁場，磁化鐵絲，優(yōu)選地，所述磁鐵為永磁鐵，本發(fā)明中優(yōu)選為坡莫合金永磁鐵。
[0053]所述處理電路包括霍爾信號放大電路，用于感應和放大所檢測到的磁場信號，并且將放大后的磁場信號傳遞至所述單片機，所述單片機將所述放大后的磁場信號與預設的閾值進行比較，當所述信號大于預設的閾值時，啟動報警模塊發(fā)出報警信息。
[0054]所述報警模塊用于當車模越界時發(fā)出報警信息，
[0055]在一個優(yōu)選的實施方式中，該系統包括兩種工作狀態(tài):檢測狀態(tài)和報警狀態(tài)。
[0056]當車模進入比賽后，該系統將工作在檢測狀態(tài)直至車模被檢測到越界，一旦車模被檢測到越界，則該系統工作在報警狀態(tài)直至報警狀態(tài)被消除。
[0057]在一個優(yōu)選的實施方式中，報警狀態(tài)可以通過所述單片機設置報警模塊的報警時間長度取消，例如，設置報警模塊的報警時間長度為10秒，在報警模塊開始報警時計時，10秒內該系統工作在報警狀態(tài)，10秒后該系統工作在檢測狀態(tài)直至車模再次被檢測到越界為止;報警狀態(tài)也可以通過人工操作取消，例如通過報警模塊中的按鈕取消報警狀態(tài)。
[0058]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述單片機的型號為STM32F030F4。
[0059]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述處理電路包括霍爾信號放大電路，
[0060]其中，霍爾信號放大電路用于感應和放大所檢測的磁場信號，并且將放大后的磁場信號傳遞至所述單片機，所述單片機將所述放大后的檢測信號與預設的閾值進行比較，當所述信號大于預設的閾值時，啟動報警模塊發(fā)出報警信息。
[0061]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述霍爾信號放大電路如圖4所示，其中，出為銻化銦霍爾元件，U1-WPU1I均為集成運算放大器LMV358 ,D1為可控精密穩(wěn)壓源TL431。
[OO62 ]由于鐵絲OI比較細小，其被磁化后產生的磁化磁場對原來磁場的改變很小，即檢測信號很小，不能將其直接用于判斷車模是否越界。因此在本發(fā)明中，通過霍爾信號放大電路對其進行兩級放大處理，并且濾除了混在檢測信號中的高頻干擾信號。
[0063]在一個優(yōu)選的實施方式中，圖4中電子元器件的參數分別為:
[0064]Ri = 220Q ,R2 = 5.1kQ ,R3 = 1kQ ,R7=IMQ ,R8=10kQ ,C5 = C7= 100pF，
[0065]其中，RjPD1*同作用，為銻化銦霍爾元件H1提供穩(wěn)定的2.5V的工作電壓；同時R2和R3構成分壓電路，為集成運算放大器U1-GPU1^提供穩(wěn)定的1.6V的工作參考電壓;并聯R7兩端的CdP并聯在R8兩端的C7構成低通濾波電路，濾除了檢測信號中的高頻干擾信號。
[0066]在一個優(yōu)選的實施方式中，該系統通電后自動進行霍爾信號放大電路零點矯正。因此，該系統能夠適應不同的比賽環(huán)境，不會因為更換比賽場地而影響檢測結果和檢測結果的精度。
[0067]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述霍爾信號放大電路和所述單片機集成在同一塊電路板上，在本發(fā)明中稱之為電路基板。
[0068]在一個優(yōu)選的實施方式中，該系統還包括除噪聲模塊，其用于濾除單片機接收的放大后的磁場信號中含有的噪聲信號，進一步降低所述放大后的檢測信號的噪聲幅度，進而提尚系統的靈敏度。
[0069]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述噪聲信號包括環(huán)境中的磁場噪聲，電路板電源噪聲以及電子元器件的熱噪聲。
[0070]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述除噪聲模塊將放大后的磁場信號分成若干組，每組包括N個數據，然后對所述N個數據取平均值，進而濾除了所述放大后的磁場信號中含有的噪聲信號，實現了平滑濾波。其除噪聲效果如圖5所示。
[0071 ]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述報警模塊包括LED、蜂鳴器和按鈕，
[0072]其中，當車模越界時，所述報警模塊被單片機啟動，發(fā)出報警信息。
[0073]在一個優(yōu)選地實施方式中，所述報警信息包括LED發(fā)出可見光和蜂鳴器發(fā)出聲音。
[0074]在一個優(yōu)選的實施方式中，該系統還包括電源，所述電源優(yōu)選的是可充電的電池，進一步優(yōu)選地，所述電池為可充電鋰電池。所述可充電鋰電池體積小，重量輕，容量大，無記憶效應，可快速充放電而且綠色環(huán)保。所述可充電鋰電池可以支持該系統由外部充電器進行充電，一次充電后，該電池能夠支持該系統連續(xù)工作八個小時，足夠滿足一天比賽的要求。
[0075]在一個優(yōu)選的實施方式中，該系統還包括穩(wěn)壓電路，所述穩(wěn)壓電路用于連接所述可充電鋰電池與檢測裝置02，為檢測裝置02提供高精度的穩(wěn)定的電壓。
[0076]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述穩(wěn)壓電路包括正電壓調整器芯片XC6206，所述正電壓調整器芯片XC6206是一款高精度、低功耗、高電壓的正電壓調整器芯片。
[0077]所述檢測裝置優(yōu)選的還包括有外殼，并在外殼上設置有便于所述檢測裝置可拆卸地安裝在賽車上的固定孔。
[0078]實施例1
[0079]由于實際比賽中檢測裝置02需要固定在車模底盤上，所以要求永磁鐵尺寸小，且呈扁平狀。為了驗證該系統能夠適用于不同形狀尺寸的永磁鐵，本實施例選擇了四種不同形狀尺寸的坡莫合金永磁鐵進行實驗。所述四種不同形狀尺寸的坡莫合金永磁鐵的形狀尺寸如圖6中所示，將所述四種不同形狀尺寸的坡莫合金永磁鐵分別如圖7中所示進行安裝，即將其放置在霍爾信號放大電路下方，其中心與銻化銦霍爾元件中心對齊。
[0080]將直徑為Imm的鐵絲在霍爾信號放大電路下方以I米/秒的速度橫掃過檢測裝置02，并且所述鐵絲與霍爾信號放大電路的距離為15mm，經檢測裝置02處理后的檢測信號如圖8所示。圖8中，I號波形曲線代表長方形坡莫合金永磁鐵，2號波形曲線代表直徑為1mm的圓形坡莫合金永磁鐵，3號波形曲線代表直徑為8_的圓形坡莫合金永磁鐵，4號波形曲線代表直徑為5mm的圓形坡莫合金永磁鐵。由圖8可知，長方形坡莫合金永磁鐵所產生的檢測信號強度遠遠高于其它三種圓形坡莫合金永磁鐵。
[0081 ] 實施例2
[0082]為了驗證該系統能夠適用于不同檢測高度的永磁鐵，本實施例選擇了實施例1中的長方形坡莫合金永磁鐵進行實驗。長方形坡莫合金永磁鐵的安裝方式和實施例1相同。
[0083]將直徑為Imm的鐵絲在霍爾信號放大電路下方以I米/秒的速度橫掃過檢測裝置02，并且檢測高度從10毫米變化至25毫米，經檢測裝置02處理后的檢測信號的峰值如圖9所不O
[0084]當信標模塊靜止時，檢測信號的本底噪聲方差為28左右，所述本底噪聲為背景噪聲，指車模越界檢測系統中除檢測信號以外所有的噪聲。所述本底噪聲方差直接利用經典的方差統計公式計算得到的。由圖9可知，當檢測高度為10毫米時，霍爾信號放大電路基本飽和；當檢測高度為25毫米時，所述檢測信號的峰值為88，接近所述本底噪聲方差的3倍，因此當檢測高度超過25毫米時，檢測結果變得不可靠。而實際比賽中要求車模底盤距離地面的距離小于20毫米，所以固定在車模底盤上的檢測裝置02能夠保證檢測高度在合適的范圍內，進而檢測結果準確可靠。
[0085]實施例3
[0086]為了驗證該系統能夠適用于不同運動速度的永磁鐵，本實施例選擇了實施例1中的長方形坡莫合金永磁鐵進行實驗。長方形坡莫合金永磁鐵的安裝方式和實施例1相同。
[0087]將直徑為Imm的鐵絲在霍爾信號放大電路下方以不同的速度橫掃過檢測裝置02，經檢測裝置02處理后的檢測信號的峰值如圖10所示。
[0088]由圖10可知，所述鐵絲運動速度越高，檢測信號的峰值越大，檢測準確度越高。
[0089]以上結合了優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進行了說明，不過這些實施方式僅是范例性的，僅起到說明性的作用。在此基礎上，可以對本發(fā)明進行多種替換和改進，這些均落入本發(fā)明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于鐵絲磁化的車模越界檢測系統，其特征在于，該系統包括設置在賽道邊界的鐵絲(Ol)和安裝在車模上的檢測裝置(02)， 所述檢測裝置(02)用于檢測車模是否越界，并且當車模越界時，發(fā)出報警信息。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述鐵絲(01)鋪設于賽道邊界下方。3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述檢測裝置(02)包括磁鐵、處理電路、單片機、報警模塊， 其中，所述磁鐵用于產生磁場，磁化鐵絲(01)， 所述處理電路用于檢測磁場變化，并將檢測到的磁場信號傳輸至單片機， 所述單片機，根據處理電路傳輸的磁場信號與預設值比較，檢測車模是否越界， 所述報警模塊用于當車模越界時發(fā)出報警信息。4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述處理電路包括霍爾信號放大電路，用于感應和放大所檢測到的磁場信號，并且將放大后的磁場信號傳遞至所述單片機。5.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述單片機將所述放大后的磁場信號與預設的閾值進行比較，當所述信號大于預設的閾值時，啟動報警模塊發(fā)出報警信息。6.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述磁鐵為永磁鐵， 所述報警模塊包括LED、蜂鳴器和按鈕， 其中，所述LED用于發(fā)出可見光， 所述按鈕用于停止報警模塊報警。7.根據權利要求1-4之一所述的系統，其特征在于，所述檢測裝置(02)還包括穩(wěn)壓電路。8.根據權利要求1-7之一所述的系統，其特征在于，所述系統上電后自動進行霍爾信號放大電路零點矯正。9.根據權利要求1-8之一所述的系統，其特征在于，該系統還包括電源和除噪聲模塊， 所述電源用于供電， 所述除噪聲模塊用于濾除所述放大后的磁場信號中的噪聲信號。
【文檔編號】G01B7/00GK105865317SQ201610210849
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月6日
【發(fā)明人】卓晴, 王京春, 江永亨, 滕昕, 魯暢, 王福洋
【申請人】清華大學