基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的多智能車速度一致性控制系統(tǒng)

戴俊，瞿成明，郝玲玲，喬永明

（安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的多智能車速度一致性控制系統(tǒng)

戴俊，瞿成明，郝玲玲，喬永明

（安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

將一致性理論應(yīng)用到多智能小車的速度一致性控制中。首先分析了多智能小車速度一致性的采樣、量化算法；然后基于此理論設(shè)計(jì)了智能小車控制系統(tǒng)，并利用模塊化理念設(shè)計(jì)了ZigBee無線通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、SD卡速度存儲(chǔ)及速度顯示等硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了多智能車速度一致性控制的采樣、量化程序，以及多車間信息交互的通信協(xié)議等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于一致性理論的多智能小車實(shí)現(xiàn)了速度的一致性控制。

多智能車；速度一致性控制；采樣；量化；通信協(xié)議

一致性問題主要是研究如何利用多智能體系統(tǒng)中個(gè)體之間有限的信息交換來設(shè)計(jì)算法，使得所有的智能體達(dá)到某種同一狀態(tài)。對(duì)多智能體一致性的研究大多處于理論研究階段，實(shí)際的應(yīng)用研究還很少。

單智能體的研究已經(jīng)較完善，但單智能體應(yīng)用有很多局限性，在很多需要團(tuán)體合作完成任務(wù)的情況下已經(jīng)不能勝任［1］。本文描述的智能協(xié)同控制系統(tǒng)將多智能體一致性控制理論應(yīng)用于實(shí)際模型。多個(gè)小車在完全獨(dú)立的情況下，通過之間的耦合通信進(jìn)行信息交流，相互之間進(jìn)行速度一致性協(xié)同控制，共同配合完成速度一致性控制任務(wù)［2］。這種模型實(shí)現(xiàn)后，可以在此基礎(chǔ)上完成更加復(fù)雜的任務(wù)，具有廣泛的應(yīng)用前景［3］。

1　一致性控制算法分析

圖論是分析一致性問題的重要工具［4］，它表明了智能體間信息交換的規(guī)則。在由N個(gè)智能小車組成的多智能小車系統(tǒng)中，每輛小車分別用v1、v2、…、vn表示，車的集合為V=｛v1，v2，…，vn｝，邊的集合為E?V×V，加權(quán)鄰接矩陣A=［aij］，aij＞0，如果智能小車vj存在一個(gè)指向vi的通信連接，即（vi，vj）=eij∈E、aij＞0，智能小車i能從智能小車j獲取速度信息，多智能智能小車的通信拓?fù)淇梢员硎緸镚=（V，E，A）。

對(duì)于連續(xù)時(shí)間的二階多智能體系統(tǒng)，通過離散化，系統(tǒng)被精確地離散化為［5-6］：

其中：aij為加權(quán)鄰接矩陣的元素，i∈v，xi（k），vi（k）分別表示第i個(gè)智能小車在k時(shí)刻的位置信息和速度信息。k1，k2為控制參數(shù)，且k1＞0，k2＞0，

假定待量化的值y∈［-U，U］，由于傳輸帶寬的限制只能傳送長(zhǎng)度為1的數(shù)據(jù)，因此就有2l個(gè)量化點(diǎn)，量化間隔Δ=，概率量化規(guī)則如下［7］：

其中q（y）表示y量化后的量化值。取概率較大者為當(dāng)前的量化值。

定理［3］：若有向圖含有有向生成樹，基于采樣數(shù)據(jù)的多智能體系統(tǒng)能夠達(dá)到量化一致［8］，當(dāng)且（T，k1，k2）僅當(dāng)滿足

其中

多智能車間通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為系統(tǒng)的拉普拉斯矩陣。

圖1　多智能車通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2　系統(tǒng)拉普拉斯矩陣

選取k1=3，k2=3，T=0.05 s，滿足定理的要求，量化間隔Δ=0.001，初始速度和位置分別為［x1（0），x2（0），x3（0）］=［0，0，0］，［v1（0），v2（0），v3（0）］=［6，16，17］。此系統(tǒng)的速度和位置分別最終收斂到pTx［0］+kTpTv［0］=0.65k和 pTv［0］=13，其中p=多智能小車速度一致性仿真如圖3所示。

算法1是一個(gè)二階系統(tǒng)，在本文中只研究小車的速度一致性控制，并且假設(shè)3輛智能小車的初始位置都為0。

圖3　多智能小車速度一致性仿真

采樣周期T=0.05 s（不宜選取過大）。當(dāng)采樣周期T選取較大值時(shí)雖然系統(tǒng)能夠達(dá)到一致，但是相鄰兩次迭代時(shí)速度變化較大。當(dāng)對(duì)實(shí)際小車速度進(jìn)行控制時(shí)，小車由于需要一定的反應(yīng)時(shí)間，速度變化較大時(shí)小車來不及動(dòng)作，當(dāng)T越小時(shí)越接近連續(xù)狀態(tài)，符合實(shí)際小車的速度變化，但是T越小則收斂到一致的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，因此選取T=0.05 s較為合適。

量化間隔選取Δ=0.001。從理論上講，Δ越接近于0收斂到一致的效果越好，然而實(shí)際中，Δ越小會(huì)帶來傳輸位數(shù)的增加，因而會(huì)增加通信量。本文設(shè)計(jì)的通信協(xié)議如表1，速度信息表示為長(zhǎng)度最大為12的字符串，小車的初始速度最大為17，最終趨于一致13，收斂到一致過程中最大傳輸?shù)乃俣葹?7。選取量化間隔為Δ=0.001，經(jīng)量化后的最大傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為=17 000，長(zhǎng)度為5，小于12，符合實(shí)際傳輸要求。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)中使用智能小車作為單個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)包括3輛完全相同的智能小車。根據(jù)小車的光電編碼器獲取小車的速度信息，各個(gè)智能小車通過ZigBee無線通信模塊實(shí)現(xiàn)速度信息的協(xié)商，通過程序的一致性分析處理發(fā)送控制命令到小車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使智能小車對(duì)自身速度進(jìn)行自主決策和控制［9］，最終實(shí)現(xiàn)多智能小車的速度一致性控制。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　多智能車系統(tǒng)框圖

圖5　智能小車設(shè)計(jì)方案

在系統(tǒng)中，智能小車的速度是研究的狀態(tài)量。在小車開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過STM32F103VET6控制器從智能小車光電編碼器中采集速度信息，經(jīng)過一致性處理后，通過I/O口輸出給LCD1602顯示模塊，通過UART輸出給ZigBee無線收發(fā)模塊，再將速度信息存儲(chǔ)在本地SD卡中進(jìn)行詳細(xì)分析。智能車的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念［10］，智能小車設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

2.1智能小車控制模塊

智能小車控制模塊由處理器模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，主要作用是對(duì)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接收的其他小車速度信號(hào)與本地小車速度信號(hào)進(jìn)行一致性耦合運(yùn)算，得出下一時(shí)刻小車的速度，將與小車速度呈比例的PWM信號(hào)輸出給智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（PWM的占空比對(duì)應(yīng)小車速度），由此控制小車的運(yùn)動(dòng)速度。處理器模塊是智能小車的“大腦”，用于接收速度信息和發(fā)出控制命令，選用基于ARM Cortex M3內(nèi)核的STM32F103VET6單片機(jī)。

2.2智能小車通信模塊

智能小車通信模塊主要是用來發(fā)送本地智能小車的速度信息和接收其他智能小車的速度信息，采用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)。在多智能小車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，每輛小車的ZigBee模塊都要發(fā)送本地小車的速度信息，同時(shí)以中斷的方式接收其他小車的速度信息。Zigbee模塊以廣播方式發(fā)送信息時(shí)時(shí)延較大，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信則時(shí)延小。本文針對(duì)一致性算法不同的通信拓?fù)?，通過X-CTU軟件設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的目的地址［11］，采用圖1的通信拓?fù)洹?/p>

智能車1只能接收2的速度信息，智能車2只能接收3的速度信息，智能車3只能接收1的速度信息，因此智能車1的ZigBee模塊的目的地址設(shè)為智能車3的ZigBee模塊地址，智能車2的Zig-Bee模塊的目的地址設(shè)為智能車1的ZigBee模塊地址，智能車3的ZigBee模塊的目的地址設(shè)為智能車2 ZigBee模塊地址。

stm32的UART發(fā)送、接收數(shù)據(jù)寄存器最大為9位（表示的最大數(shù)為512）。然而根據(jù)前面的內(nèi)容，當(dāng)量化間隔取得足夠小時(shí)，發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)會(huì)超過9位，因此一次不能完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信協(xié)議，以字符串的形式發(fā)送。當(dāng)速度達(dá)到一致時(shí)，不僅要發(fā)送速度信息，還要發(fā)送位置信息，因此在發(fā)送時(shí)需要區(qū)分速度信息與位置信息。發(fā)送速度信息格式如表1。

表1　發(fā)送速度信息格式

若小車當(dāng)前量化后的速度信息值為100，位置信息為200，發(fā)送字符串Y1 000000000100Z00000 0000200E。接收方接收時(shí)進(jìn)行判斷，當(dāng)接收到第一個(gè)字符為Y，第二個(gè)字符為1，最后一個(gè)字符為E時(shí)表明接收了一個(gè)有效速度信息，則將速度值和位置值提取出來進(jìn)行一致性耦合計(jì)算以決定下一時(shí)刻的小車速度。

2.3測(cè)速模塊

利用stm32定時(shí)器T2外部脈沖計(jì)數(shù)功能，完成轉(zhuǎn)速采集以及速度的計(jì)算，光電編碼器的脈沖跳變觸發(fā)了定時(shí)器計(jì)數(shù)功能，脈沖個(gè)數(shù)就表征了小車速度。由于實(shí)際系統(tǒng)中有干擾的存在，光電編碼器產(chǎn)生的并非標(biāo)準(zhǔn)的方波，故在速度過快時(shí)將會(huì)帶來較大的影響。利用stm32定時(shí)器對(duì)外部脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)的濾波功能，能濾除高頻分量的干擾。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ExtTRGFilter=0xF時(shí)，小車速度的測(cè)量值穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

前面對(duì)多智能車算法的研究都假設(shè)各個(gè)智能車的速度更新是同步的［12］，這就需要在各個(gè)智能車間設(shè)置一個(gè)同步時(shí)鐘［13］，而實(shí)際中這個(gè)時(shí)鐘是不存在的，因而在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)很難保證各個(gè)智能車速度更新是同步的。為了解決這一問題，在軟件編程中做了相應(yīng)改變。在軟件編程時(shí)先由1節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信，定時(shí)2 s發(fā)送小車的速度和位置信息，在小車3串口中斷接收到信息后進(jìn)行一致性處理，之后將車3的速度和位置信息發(fā)送給車2，車2串口中斷接收到信息后進(jìn)行一致性處理，之后將車2的速度和位置信息發(fā)送給車1。在軟件編程時(shí)，小車1要既能實(shí)現(xiàn)定時(shí)串口發(fā)送也能實(shí)現(xiàn)串口中斷接收，由小車1發(fā)起整個(gè)小車系統(tǒng)的速度一致性控制，小車2、小車3能實(shí)現(xiàn)串口中斷接收，進(jìn)行一致性處理后，在串口中斷中發(fā)送本小車的速度和位置信息。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6　整個(gè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

3.1量化算法程序設(shè)計(jì)

小車1定時(shí)器產(chǎn)生2 s中斷，在中斷處Zigbee模塊按照表1的格式每秒發(fā)送一次速度信息。根據(jù)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只有特定目的地址的ZigBee節(jié)點(diǎn)才能接收，在發(fā)送前需要對(duì)速度值按照前面的方法進(jìn)行量化。車2、車3在串口接收中斷處發(fā)送量化信息，量化算法如下：

q=floor（speed/g）；//g為量化間隔，speed為光電編碼器測(cè)量的速度值，floor為向下取整函數(shù)。

if（（speed-q*g）＞（g+q*g-speed））//依據(jù)第四章的概率量化方法

｛sudu=（q+1）；｝else

｛sudu=q；｝

q1=floor（position/g）；position為當(dāng)前小車位置值

if（（position-q1*g）＞（g+q1*g-position））

｛weizhi=（q1+1）；｝

else

｛weizhi=q1；｝

3.2一致性速度處理模塊程序設(shè)計(jì)

接收到量化的速度信息值后需要將其還原為原有的速度值，因此需要乘以量化間隔，然后進(jìn)行一致性處理，算法程序如下［14］：

speednext=T*k2*（-speedcurrent+ suduother）+speedcurrent+T*k1*（-positioncurrent+weizhiother），

weizhinext=position current+T*speedcurren +0.5*T*T*k2*（-speedcurrent+suduother）+0.5T*T*k1*（-positioncurrent+weizhiother）；

算法程序中的speednext為下一時(shí)刻小車速度，weizhinext為下一時(shí)刻小車的位置，positioncurrent為當(dāng)前小車位置，speedcurrent為當(dāng)前小車速度，suduother=（sudu*g），weizhiother=（weizhi* g）為其他小車發(fā)來的速度值，T為采樣間隔，通過此式計(jì)算出下一時(shí)刻小車的速度。

4　系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

先讓3輛小車以各自的速度單獨(dú)運(yùn)行一段時(shí)間后，通過先前設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)目的地址發(fā)送速度信息，并接收其他小車速度信息，按照一致性處理算法進(jìn)行耦合［15］，小車的速度會(huì)慢慢趨于一致。3輛小車的速度數(shù)據(jù)分別存在各自的SD卡中，最終結(jié)果如圖7所示。1號(hào)小車初始速度為6，2號(hào)小車初始速度為16，3號(hào)小車初始速度為17。

圖7SD卡中存儲(chǔ)的3輛小車的速度

從圖7看到小車的速度逐步向給定的三車初始平均速度逼近，數(shù)據(jù)在中間有一些波動(dòng)，最終穩(wěn)定在13。波動(dòng)的出現(xiàn)是因?yàn)殡妷汉碗姍C(jī)速度的非線性、硬件的延遲、干擾以及算法的近似等原因造成的。

5　結(jié)束語

本文將一致性算法應(yīng)用到小車的速度一致性控制方面，完成了硬件平臺(tái)的搭建和軟件的編程。在3輛小車的速度一致性控制實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，速度一致性控制得到驗(yàn)證，且較為可靠。在當(dāng)前的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小車的速度、位置一致性，進(jìn)而達(dá)到多智能小車編隊(duì)控制的目的。本系統(tǒng)作為一個(gè)基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的多智能小車一致性協(xié)作控制研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有十分重要的參考意義。

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（責(zé)任編輯楊黎麗）

Consitency Control System of Multi-Agent Car Speed Based on Wireless Communication Network

DAI Jun，QU Cheng-ming，HAO Ling-ling，QIAO Yong-ming
（School of Electrical and Information Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

Abstract：This paper applied consistency theory to speed consensus algorithm of multi-agent car system.The multi-agent car system based on former consensus algorithm was studied.Firstly，multi-intelligent vehicle speed consistency of sampling and quantization algorithm was analyzed. Intelligence car control system was designed based on the above theory.The ZigBee wireless communications，motor drivers，sd card speed memory，speed display modules and other hardware modules，sampling and quantitative procedures of multi-agent car's speed consistency control，mutil-workshop information interactive communication protocol and so on were designed based on module designed concept.The experimental results show that multi-agent car based on consistency realizes the speed consitency control.

multi-agent car；consitency of speed control；sampled-data；quantized-data；communication protocol

TN92

A

1674-8425（2015）04-0107-06

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.021

2015-01-22

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目“基于DSP的多電機(jī)同步網(wǎng)絡(luò)控制研究”（KJ2011A029）

戴俊（1990—），男，安徽桐城人，碩士研究生，主要從事多智能體一致性的研究。

戴俊，瞿成明，郝玲玲，等.基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的多智能車速度一致性控制系統(tǒng)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（4）：107-112.

format：DAI Jun，QU Cheng-ming，HAO Ling-ling，et al.Consitency Control System of Multi-Agent Car Speed Based on Wireless Communication Network［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：107-112.