第43卷增刊(I)2013年7月
东南大学学报(自然科学版)
JOURNALOFSOLrI'HEAST
V01.43
Edition)
Sup(I)
UNIVERSITY(Natural
Science
July2013
doi:10.3969/j.issn.1001—0505.2013.S1.004
无线通信网络的多智1fig/ix车编队控制系统
申忠宇1
郑启文1’2
王
川1
张少华1
张
倩1
(1南京师范大学电气与自动化工程学院,南京210042)(2博世汽车部件(苏州)有限公司,苏州215000)
摘要:首先设计了基于ARMCortex—M3的智能小车控制系统,利用模块化理念设计了无线通
信、磁场检测传感器、电机驱动等硬件模块,采用ZigBee设计了多智能小车协作控制的车载自组织无线通信网络,利用磁场检测完成小车的导航方式,采用旋转编码器实现小车的测速功能.然后在智能小车上移植了嵌入式IxC/OS.II实时操作系统,根据多智能小车协作控制要求,设计了智能小车分布式自主决策程序,实现多智能小车自由运行、队列跟随和路口协作等运行模式.最后采用线性最优二次型的车队跟随控制算法,实现多智能小车编队的启停、匀速和加减速控制,利用通信协商的路口协作算法,实现多智能小车路口协作任务.实验结果表明,设计的无线通信
网络的多智能小车系统能够满足多智能小车协作控制、编队控制和路口协作控制要求.
关键词:ZigBee;无线通信网络;智能小车;嵌入式操作系统;多智能小车编队中图分类号:U459.2文献标志码:A文章编号:1001—0505(2013)增刊(I)-0018-04
Multi-smart
car
controlsystembased
Zhen
on
wirelesscommunicationnetwork
ZhangShaohual
Zhang
ShenZhongyul
(1
Qiwenl・2
Automotive
Wang
Chuanl
Normal
Qianl
SchoolofElectricalandAutomation
Engineering,NanjinguIlive璐ny,Nanjing210042,China)
(2BoschProducts(Suzhou)Co.,Ltd.,Suzhou215000,China)
Abstract:陆st,the
ne
smart
car
controlsystembased
on
ARMCortex—M3iSstudied.Thewireless
communications。themagneticfieldsensors,motordrivesandotherhardwaremodulesaredesigned.
multi—smartCarcooperativecontr01self-organizingwirelesscommunicationnetworksarede—byZigBee.Thesmart
car
signednavigationis
achieved
bymagneticfielddetectionandthesmartcar
theembeddedpC/OS—II
speedfunctionisrealizedbyusingtherotarycratingsystemiscooperative
encoder.Then
real-time叩一
transplantedintothesmartCar.Accordingtotherequirementsofmulti—smartCarautonomousdecision—makingproceduresareprogrammedtoachieve
control,distributed
freerunning,queuefollowing
and
road
junction
collaboratingofthemulti-smartcar.Finally,the
linearoptimalquadraticfleettrackingcontrolalgorithmiS
stop
utilized
to
realizemulti—smartcal"startand
negotiationinter-
formations.anduniforillandrampcontr01.Thecollaborative
communication
sectionalgorithmsareappliedtoachievecrossingcollaborativetasksofthesmartCar.Theexperi—mentalresultsshowthatthe
designedZigBeewirelesscommunicationnetworkmeetsmerequirements
ofthecollaborationcontrol。fleetcontrol
androadiunctioncollaboratingcontrolofthesmart
cal-.
Keywords:ZigBee;wirelesscommunicationnetwork;smartCar;embeddedoperatingsystem;
multi—smart
car
coordination
使用真实车辆进行多车编队实验,维护工作十分复杂,实验成本很高,而且真实的智能车高速运
行可能会造成危险的交通事故n1.因此,采用自主开发的智能小车替代真实车辆,搭建了一个基于
收稿日期:2013-05—16.作者简介:申忠宇(1962一),男,教授,shenzhongyu@njnu.edu.ca.基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2012847).
引文格式:申忠宇,郑启文,王川,等.无线通信网络的多智能小车编队控制系统[J].东南大学学报:自然科学版,2013,43(s1):18—21
[doi:10.3969/j.issn.1001—0505.2013.S1.004]
增刊(I)申忠宇,等:无线通信网络的多智能小车编队控制系统
19
ZigBee无线通信网络的多智能小车编队控制研究如图1所示,在分布式控制结构体系下,根据
实验平台.本文提出一种基于无线通信网络的多智能小车编队控制系统,设计了系统的协作体系结构、通信方法、硬件电路与软件编队算法,在实验环境下实现了多智能小车编队控制.
1控制系统结构和无线通信网络设计
多智能小车编队控制系统采用分布式控制结
构,没有集中控制单元,各智能小车关系平等,均能够与其他机器人通过通信进行信息交流以协调各自行为,各智能小车具有高度的自治能力,自主地规划与决策BJ.这种结构有较好的容错性、适应性
和扩展性.
小车内的感知模块获取外界环境信息,再由通信模块获取区域内其他小车的状态信息,通过程序分析处理发送控制命令到小车的执行机构,使智能小车能够自主规划与决策.在多辆智能小车编队协作过程中,每辆智能小车具有独立的行驶方向和速度,需要通过车一车组成的无线网络通信协商,其网络拓扑结构是频繁变化的,通过无线通信网络获取区域内其他小车的状态信息.当2辆车之间的距离低于安全距离时,智能小车通过信息的交互,后车自主地参与协作,调整速度以维持一定的安全距离并以接近前方车辆的速度行驶,形成一个局部的跟随
模型.
图1分布式编队控制系统结构
无线通信网络的建立是基于ZigBee协议
栈∞J.ZigBee协议的体系结构由物理(PHY)层、媒体接入控制(MAC)层、逻辑链路层、网络层和应用层组成.其中,PHY层和媒体介质访问层采用IEEE802.15.4协议标准.上层MAC、逻辑链路层和网络层由ZigBee联盟定义.应用层可以实现的功能是管理高级的协议栈.用户应用程序在端点
(协调器、路由器、终端节点)上实现.通过
ZICM2410
1黼肾
传感器F222书
测速
PWM输出
P
I速度传感器l堡旦、I(里程传感器)广———叫
USART
智能小车控制微处理器
左右直流电机驱动模块
.J、—1一
左右直流电机
I无线通
信模块
I.接I:1。f、
r
司…一纠人机交互
图2硬件整体设计
ZigBee芯片供给用户进行交互的控制
命令可以对网络内端点的通信信道、目的地址、数据显示形式、休眠状态和通讯模式进行设置.
3)速度传感器(里程传感器)模块.智能小车的运动速度和运行里程通过旋转增量式编码器进行检测,为准确获得运动速度和运行距离采用在车
体上加装与道路接触的测速轮,再将旋转增量式编码器的转轴和测速轮同轴连接.
2控制系统硬件和软件设计
智能小车的硬件采用模块化设计理念.智能小车的硬件整体设计如图2所示,主要包括以下几个
模块:
1)处理器模块.该模块是智能小车的“大脑”,用于接收信息、发出控制命令.MCU选用了
基于灿iMCortex—M3内核的STM32F103VET6微处理器芯片.
2)磁场检测传感器模块.智能小车处理器通
4)无线通信模块.智能小车为获取编队中其他小车的运动状态信息,需要通过无线模块和编队中其他小车进行通信.将获取到的信息通过US—ART串口输入处理器模块.
5)电机驱动模块.智能小车获取环境信息后,
处理器经过运算发出2个PWM波至驱动模块,控制左、右2个直流电机.通过改变PWM波的占空比,改变2个直流电机的速度实现小车的转向、加减速、启停控制.
过A/D接口读入磁场检测传感器输出的电压,进
而判断引导线的位置,实现智能小车的导航控制.
东南大学学报(自然科学版)
第43卷
表1应用程序的任务列表
6)人机交互模块.小车需要设定参数和显示运行状态,所以设计了键盘、状态指示灯.智能小车的处理器通过普通I/O口控制键盘和状态指示灯.
根据软件系统实现智能小车的编队控制的功能目标,软件既要保证实时性,又要完成多项复杂的功能.简单的状态机开发模型已不能满足需要,
于是引入了嵌入式实时操作系统(RTOS).如图3
优先级任务名称
.
任务描述
用和操作系统组件后即挂起.
初始化任函数名为init—task—core(),启动后完成初始化应务
,。
检测和控函数名为control—task—core(),启动后周期(20制任务ms)运行.串口通信函数名为com_sent—task—core(),启动后挂起等发送任务待串口发送信号量的到来,运行结束后挂起.人机交互函数名为klXi—task—core(),启动后周期(150处理任务ms)运行.
,
”
所示,智能小车控制系统软件体系自下而上包括以
下几个层次‘4|:
.
想间距.第f辆智能小车与其前车i一1车的跟随关系转换为状态方程形式:
戈=Ax+Bu+Ew=【:j]工+[!。】“+[:】w
(1)
式中,状态变量z=[(sl_1一Si)一d。1,f.1一vf]。,U
=ai,w=af一1.
图3软件系统结构
1)硬件驱动层.外设驱动主要有磁传感器驱动、测速传感器驱动、电机驱动模块驱动、无线模块驱动、人机交互驱动等.
2)嵌入式实时操作系统层.负责任务调度、任务间通信、内存的管理、信号量管理等.p,C/OS—II是由Labrosse编写的一个源代码公开的嵌入式实时操作系统,具有可移植性强、可固化、可剪裁、占先式内核、多任务处理等特点,还具有极高的稳定
性与可靠性,但人机界面部分不是很完善.适合于
图4多智能小车编队跟随
多智能小车编队跟随系统中,跟随控制的目标是最小化跟随距离误差和速度误差,并且使控制量尽量小,因此跟随控制可被视为一个最优控制问
题.采用线性最优二次型(LQ)控制方法M1求解,优化的目标函数为二次型指标函数:
.∞
l,=J(工7Qx+uTRu)dt
d
(2)
0
对实时性要求较高的小规模嵌人式系统中使用,因
此可应用于小型移动机器人控制系统中”J.
式中,Q为状态变量的权重矩阵;R为控制量的权
重矩阵.最小化性能指标函数得到最优控制率为
u=一R。1B’Px
3)智能车编队控制应用程序层.属于用户应用程序层,是实现智能小车编队控制功能的主体部分.I山C/OS—II操作系统可以管理64个任务,但一
般都保留8个任务,留给用户应用程序的最多可有
(3)
矩阵P的计算可以根据李雅普诺夫第二方
法,P需要满足Riccati方程:
A1P+PA一船尺。187P+Q=O
(4)
54个任务,优先级可以为4—59之间的任何数,数值越低,表示优先级越高.
主要设计了初始化任务、检测和编队控制任
务、串口通信发送任务和人机交互处理任务等用户任务,见表1.
状态变量权重矩阵Q和控制量的权重矩阵R的选取对系统的控制性能影响很大.先选取适当的Q和尺,并利用MaⅡab软件画出系统的状态响应曲线,根据曲线的效果,最终确定Q2
104;oJ,尺
3控制系统实验结果
3.1多智能小车编队算法
如图4所示,在多智能小车编队跟随过程中,
=[400],结合式(3)可计算得跟随车辆f的控制
输入量U为
U=af=一0.05[(sf—l—sf)一d。]+
1.10(’,f-l一1,f)
3.2多智能小车编队控制实验
(5)
设SH,J;分别为i一1辆车和i辆车的位移,1,H,1,,
分别为i一1辆车和i辆车的速度,aH,a,分别为第i一1辆车和第i辆车的加速度,d。为2辆车的理
在一个单车道的交通道路实验场景,对线性最
优二次型编队控制算法进行实验【_7|.如图5所示,3
增刊(I)申忠宇,等:无线通信网络的多智能小车编队控制系统
21
辆智能小车编队行驶,智能小车通过无线通信网络广播实时状态信息(如车速、位置等),运用线性最优二次型算法对编队进行控制旧J,智能车之间的初始车间距为57cm,由于间距的设定采用时距法,即车间距与车辆速度成线性比例,车速越高设定车间距也越大.
求人手,采用ZigBee车载自组织无线通信网络,实现车一车通信方式的信息交互.智能小车采用磁场检测导航方式,控制芯片选择了基于ARMCortex.M3内核的微处理器,硬件采用模块化设计理念设计了无线通信模块、磁场检测传感器、电机驱动模块等硬件模块.在智能小车上移植了嵌入式IxC/OS—II实时操作系统,设计了多智能小车编队控制
应用程序.在实验室环境下,设计了基于线性最优
二次型的车队跟随控制算法,实现了多智能小车编队的启停、匀速和加减速控制任务.本系统作为一个基于无线通信网络的多智能小车协作控制研究
实验平台具有十分重要的意义.
图5
多智能小车编队控制实验
参考文献(References)
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Chinese
technologiesfor
cars
如图6所示,多智能小车编队实验数据中的前
in
车与后车速度和间距分别是车队中1号车与2号
车的行驶速度和车间距.前车在t=90T(T为控制
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为0,前车与后车的间距与初始车间距相同.前车的速度在0,56,100crn/s这3档变化,后车的速度能够快速地与前车保持一致,车间距的变化与2辆
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500
100
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图6多智能小车编队实验数据
[8]Halle
S,LaumonierJ,Chaib
B.A
decentralizedap-
In-
proachtocollaborativedriving
coordination[C]//7th
4结语
本文主要从分析多智能小车编队控制系统需
temationalIEEEConference
on
IntelligentTransportation
Systems.Washington,DC,USA,2004:453—458.
无线通信网络的多智能小车编队控制系统
作者:作者单位:
申忠宇, 郑启文, 王川, 张少华, 张倩, Shen Zhongyu, Zheng Qiwen, Wang Chuan, Zhang Shaohua , Zhang Qian
申忠宇,王川,张少华,张倩,Shen Zhongyu,Wang Chuan,Zhang Shaohua,Zhang Qian(南京师范大学电气与自动化工程学院,南京,210042), 郑启文,Zheng Qiwen(南京师范大学电气与自动化工程学院,南京210042;博世汽车部件(苏州)有限公司,苏州215000)
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刊名:英文刊名:年,卷(期):
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dndxxb2013z1004.aspx