基于ZigBee的多車協(xié)作控制研究

甯油江　趙津　石晴　肖光飛　韓磊

摘 要： 采用ZigBee無線通信模塊、超聲波傳感器、Arduino UNO控制器等模塊構(gòu)建能夠模仿真實車輛的智能小車，搭建基于ZigBee的多智能小車實驗平臺，實現(xiàn)車與車之間的無線通信，進(jìn)行多車協(xié)作控制研究，且根據(jù)多車協(xié)作控制要求，設(shè)計智能小車控制應(yīng)用程序，實現(xiàn)多智能小車隊列跟隨、轉(zhuǎn)向、加減速控制等工作模式。實驗結(jié)果表明，采用ZigBee技術(shù)能夠初步實現(xiàn)智能小車之間的信息交匯以及滿足多智能小車系統(tǒng)協(xié)作控制，為進(jìn)行復(fù)雜的多車協(xié)作研究奠定了理論和實踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 無線通信網(wǎng)絡(luò)； 智能小車； 多智能車協(xié)作

中圖分類號： TN915?34； TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0114?04

Abstract： The ZigBee wireless communication module， ultrasonic sensors and Arduino UNO Controller are used to build intelligent vehicles to imitate the real vehicles， and establish the multi?smart?car test platform based on ZigBee to realized a wireless communication between intelligent vehicles， and promote the research on multi?vehicle cooperation control. According to the requirements of muti?car cooperative control， a intelligent car control procedure is designed to achieve follow， steering， acceleration and deceleration control of muti?smart car queue. The experimental results clearly demonstrate that ZigBee technology can preliminarily realize information interchange between intelligent vehicles and meet the requirements of cooperative control to the multi?intelligent car system. It has laid the theoretical and practical foundations for the further study on the complex multi?vehicle cooperation.

Keywords： ZigBee； wireless communication network； intelligent vehicle； multi?intelligent?vehicle coordination

0 引 言

隨著人們生活與消費水平的不斷提高、城市人口數(shù)量的不斷增加以及汽車擁有量與日出行量的急劇增長，導(dǎo)致城市交通擁堵問題日益嚴(yán)重，出現(xiàn)各種交通瓶頸等問題，同時給經(jīng)濟(jì)與能源問題上都帶來了巨大的損失和浪費，而大量的修路搭橋也只能為城市交通問題帶來暫時的擴(kuò)充。為了解決交通擁堵、安全等問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了智能車輛、智能交通系統(tǒng)等概念，做了深入、廣泛的科學(xué)研究，并取得了重要突破[1?2]。但是僅對單車的研究早已不能滿足當(dāng)今智能化領(lǐng)域的發(fā)展需求，又在如今計算機(jī)技術(shù)、人工智能和電子通信技術(shù)的發(fā)展下，多智能車協(xié)作控制研究已受到了各國政府、高校、科研機(jī)構(gòu)的深度重視[3]。在國外，美國加州的PATH團(tuán)隊、歐洲的CyberCars?2，CHAUFFEUR，PREVENT計劃及日本的DEMO2000計劃都在城市交通或高速公路等工況下開展了多車協(xié)作理論和實驗研究[4?5]，并取得一定的研究成果。其中歐洲和日本分別制定了VANET的發(fā)展計劃和開展相關(guān)研究項目，包括基于車間通信的駕駛員輔助駕駛系統(tǒng)CarTalk2000項目，由汽車公司和大學(xué)而建立的Fleet Net項目[6]、“Network on Wheels”項目和eSafety 計劃的子項目ComeSafety，這些項目都推動了車車通信的發(fā)展、對車間和車路通信的智能交通通信系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了研究[7]。同時，在歐洲由6家大型汽車制造廠商進(jìn)行合作而組成了車車通信聯(lián)盟（Car2Car Communication Consortium，C2C?CC），通過建立公開的V2V通信標(biāo)準(zhǔn)，使其不同制造商的汽車都能夠采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)車間通信。另外，法國知名科研機(jī)構(gòu)（國家信息與自動化研究所）也對多車協(xié)作控制進(jìn)行了研究，并通過不同類型的智能車輛在多種交叉路口工況下進(jìn)行大量實驗，最后在復(fù)雜路口處實現(xiàn)了基于通信技術(shù)的多車協(xié)作[8]。

在國內(nèi)，清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室研制的智能車輛THMR?V配備了GPS、激光雷達(dá)等多種傳感器，通過深入的理論研究與反復(fù)的實驗驗證，其智能車輛能夠在高速公路和一般道路上正常行駛，能夠?qū)崿F(xiàn)基于車道線的車輛自動跟蹤、多工況下的主動避障和基于新興的視覺臨場感的遙控駕駛等功能[9]。西安交通大學(xué)的Spingrobot 和“夸父一號”兩個智能車平臺可以同時面向城市道路和越野環(huán)境，且能識別一定的交通標(biāo)志和信號燈。2001年9月，國防科技大學(xué)與著名汽車廠商中國第一汽車集團(tuán)公司通過校企合作對高自動化的智能駕駛技術(shù)進(jìn)行了深入研究與實驗，且在2003年7 月，該研究項目在汽車智能駕駛技術(shù)上達(dá)到了先進(jìn)水平[9]。由此可見，國內(nèi)外對單車的研究都取得了重要性的成果與突破，為多智能車的協(xié)作研究奠定了一定的理論與實驗基礎(chǔ)，如上海交通大學(xué)智能車實驗室經(jīng)過經(jīng)過研究后自主開發(fā)了CyberC3智能車系統(tǒng)，并開展了智能車輛隊列啟停、超車、路口協(xié)作等系列的研究和其實驗驗證[10]。

考慮到開展實際車輛之間的多車協(xié)作研究的實驗平臺體積巨大、實驗過程耗時耗力且危險性較高等特點，所以本文搭建了以智能小車為基礎(chǔ)的多車協(xié)作實驗平臺[11]，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為車車通信協(xié)議[12]，對兩車之間的通信系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸、車車協(xié)作進(jìn)行研究與實驗。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 智能小車總體描述

智能小車的硬件部分以簡化的車體為載體，其功能模塊主要有： Arduino單片機(jī)模塊、超聲波傳感器模塊、舵機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊及其他外圍電路部分，如圖1所示。其中Arduino核心控制器通過控制程序設(shè)計直接驅(qū)動智能小車的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)。為了能使智能車穩(wěn)定執(zhí)行各動作，所選擇單片機(jī)就必須具備迅速判斷與處理數(shù)據(jù)并快速執(zhí)行動作的能力，同時將與Arduino核心控制器相連的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和直流驅(qū)動電機(jī)緊密連接。而且如果傳感器不能對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確采集識別，以及核心控制器處理失效等，都會導(dǎo)致小車不能正常工作。最后，如果直流電機(jī)驅(qū)動模塊對其控制不好，或者進(jìn)行快速轉(zhuǎn)彎等都會影響小車的正常行駛。

本研究以超聲波偵探避障智能小車作為前車，不具有導(dǎo)航作用的普通智能小車為后車，兩車總體結(jié)構(gòu)類似，所以本文以超聲波偵探避障智能小車的設(shè)計做其簡單介紹。此智能小車的單片機(jī)模塊采用Arduino UNO芯片作為核心控制器，所選電機(jī)工作模式為雙直流電機(jī)驅(qū)動，通過直接對左右兩個直流電機(jī)的控制來實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。其中超聲波傳感器模塊由發(fā)送、接收傳感器、控制部分（核心部分）和電源部分構(gòu)成。圖2為起導(dǎo)航引領(lǐng)作用的前車—超聲波偵探避障智能小車。

1.2 硬件設(shè)計

在基于ZigBee的多車協(xié)作控制系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計中電機(jī)驅(qū)動電路與電源穩(wěn)壓模塊通過網(wǎng)口連接，而其Arduino核心控制器與超聲波傳感器模塊通過 A/D接口連接，Arduino核心控制器會根據(jù)傳感器模塊檢測到并向傳回的數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)控制信號，從而通過對電機(jī)驅(qū)動模塊的控制來改變小車左右兩側(cè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實現(xiàn)了對小車的控制。其中智能小車主要包括以下四大模塊：Arduino UNO核心處理器，如圖3所示；超聲波傳感器模塊；電機(jī)驅(qū)動模塊；XBee通信模塊，如圖4所示。

1.3 軟件設(shè)計

小車終端控制器Arduino開發(fā)板采用Arduino IDE進(jìn)行程序設(shè)計，兩智能小車之間的通信通過Arduino程序來實現(xiàn)，一個XBee通信模塊為發(fā)送端，另一個為接收端，通過測試軟件XCTU對兩個XBee通信模塊進(jìn)行配置和在所編寫的程序基礎(chǔ)上，實現(xiàn)車車之間數(shù)據(jù)的傳輸。

1.4 流程設(shè)計

此實驗采用超聲波偵探避障智能小車作為前車起導(dǎo)航作用，當(dāng)前車啟動前行時，會主動向后車發(fā)出前進(jìn)信號，此信號會通過無線通信系統(tǒng)傳輸給后車，當(dāng)后車收到前進(jìn)信號，會馬上做出前進(jìn)動作，跟隨前車并保持一定速度，而當(dāng)前車在行駛過程中遇到障礙物，前車會通過超聲波傳感器采集數(shù)據(jù)并通過控制程序進(jìn)行判斷，然后會給予電機(jī)與舵機(jī)相應(yīng)的控制信號，使其根據(jù)賽道信息調(diào)整相應(yīng)轉(zhuǎn)速與方向，同時會將其信號傳遞給后車，后車會做出相應(yīng)動作與前車保持協(xié)作。其流程圖如圖5所示。

2 基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)平臺搭建

2.1 ZigBee及其協(xié)議棧分析

目前除ZigBee技術(shù)外，短距離無線通信技術(shù)還包括WiFi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等，它們的主要性能參數(shù)比較如表1所示，由表1易知，ZigBee技術(shù)是一種具有低功耗、低成本、低速率、單點覆蓋距離廣、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)多等特點的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所以本實驗的通信模塊采用了ZigBee技術(shù)。其協(xié)議棧主要包括：ZigBee應(yīng)用層，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層，IEEE 802.15.4MAC層，IEEE 802.15.4PHY層。與常見無線通信標(biāo)準(zhǔn)相比，ZigBee協(xié)議相對簡單，易實現(xiàn)，只需8位處理器，如單片機(jī)80C51，軟件需要32 KB的ROM，如一種高度集成的芯片CC2430等。圖6為其協(xié)議?？蚣軋D。棧主要有應(yīng)用層（APL：Application Layer）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK：NetworkLayer）、媒體訪問控制層（MAC）和物理層（PHY： Physical Layer）。其中MAC與PHY由 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義（見表2），其主要特點是用于個人局域網(wǎng)，支持簡單器件，同時具有安全性。

2.2 ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)平臺搭建

此實驗搭建了簡單且高效的智能小車試驗平臺，設(shè)計了兩車之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，關(guān)于XBee通信模塊的配對方法介紹如下：先將XBee通信模塊與相應(yīng)擴(kuò)展板相連，然后將其整體連接于USB轉(zhuǎn)TTL模塊。連接引腳：TX?DIN RX?DOUT 5 V?5 V GND?GND， 如圖7所示，再將USB轉(zhuǎn)TTL模塊的USB端與PC端連接，通過軟件XCTU，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置完成XBee點對點的通信配置。最后將其與之前設(shè)計的兩智能小車進(jìn)行連接，在此基礎(chǔ)上開展車車協(xié)作實驗，實驗結(jié)果證明其能夠有效地實現(xiàn)兩車之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 實驗研究

本研究分別對兩智能小車的啟停、轉(zhuǎn)向及加減速進(jìn)行了實驗，兩智能小車的轉(zhuǎn)向與啟停都是通過digitalWrite（pin，value）函數(shù)來實現(xiàn)，其中pin參數(shù)表示所要設(shè)置的引腳，value參數(shù)表示輸出的電壓（HIGH為高電平，LOW為低電平）。

小車的加減速由analogWrite（pin， value）來實現(xiàn)，參數(shù)pin表示所要設(shè)置的引腳，只能選擇函數(shù)支持的引腳， PWM輸出的占空比由參數(shù)value表示，其范圍在0～255區(qū)間，占空比用百分?jǐn)?shù)表示，對應(yīng)為0～100%。兩車之間的通信是通過Serial.println（）與Serial.read（）兩個函數(shù)實現(xiàn)，前車使用Serial.println（）函數(shù)，發(fā)出相應(yīng)信號，經(jīng)設(shè)計好的ZigBee通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，后車由Serial.read（）進(jìn)行接收，收到前車發(fā)出的信號會做出相應(yīng)動作，與前車保持實時通信，實現(xiàn)車車協(xié)作。如當(dāng)前車做出左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)動作的同時會通過Serial.println（“L”）和Serial.println（“R”）向后車發(fā)出左右轉(zhuǎn)信號，而后車會通過Serial.read（“L”）和Serial.read（“R”）接收前車發(fā)出的左右轉(zhuǎn)信號，然后調(diào)用相應(yīng)的子程序來實現(xiàn)相應(yīng)動作從而與前車保持一致，也成功地實現(xiàn)了基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的多車協(xié)作控制。如圖8所示，圖8（a）為前后兩車從勻速到加速的跟隨通信實驗，圖8（b）為其轉(zhuǎn)向?qū)嶒灐?

4 結(jié) 語

本文主要從基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的多車控制系統(tǒng)方面開展工作，采用ZigBee無線通信技術(shù)即XBee通信模塊，實現(xiàn)了基于通信網(wǎng)絡(luò)的多車信息交互。通過自主設(shè)計超聲波偵探避障智能小車來完成導(dǎo)航，小車選擇了Arduino UNO核心處理器、XBee通信模塊、超聲波傳感器、電機(jī)驅(qū)動等硬件模塊，并在XCTU軟件端完成了兩智能小車信息的交匯、協(xié)同控制應(yīng)用程序的設(shè)計。

圖8 兩智能小車跟隨、轉(zhuǎn)向?qū)嶒?/p>

通過對通信系統(tǒng)的設(shè)計，有效地實現(xiàn)了兩智能小車之間的信息傳輸，在此基礎(chǔ)上開展了智能小車之間的跟隨、啟停、轉(zhuǎn)向等實驗并成功地驗證了智能小車與通信系統(tǒng)的可行性和有效性。當(dāng)然本實驗還只是多車協(xié)作研究的一個開始，在今后的研究中還需進(jìn)一步研究復(fù)雜的多車跟隨動作以及信息的交互，同時在小車的設(shè)計上和為保證系統(tǒng)具有更好的實時性等問題上都還需做更深入的研究。

注：本文通訊作者為趙津。

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