基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能車模跟隨控制研究

于文泰 段敏 鄭蘇 楊曉麗 白松讓

摘 要：針對(duì)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中車輛跟隨控制特性，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能車模跟隨控制系統(tǒng)。以CC2430無線傳感器芯片為核心，采用超聲波測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)采集前車距離，通過ZigBee協(xié)議將前車與跟隨車組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行識(shí)別、同步、定位信息的無線傳輸，并能驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊進(jìn)行智能跟隨和控制，實(shí)現(xiàn)汽車的網(wǎng)聯(lián)化、智能化?；谥悄苘嚹＿M(jìn)行了跟隨與控制測(cè)試，結(jié)果表明，采集信息傳輸實(shí)時(shí)、可靠，跟隨控制準(zhǔn)確，與預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)相符，對(duì)ADAS研究和開發(fā)具有一定的工程預(yù)研價(jià)值。關(guān)鍵詞：車輛跟隨;ZigBee網(wǎng)絡(luò);STM32微控制器;超聲波測(cè)距中圖分類號(hào)：TP23 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）01-30-03

Research on Follow and Control of Intelligent Vehicle Model Based on ZigBee Network*

Yu Wentai， Duan Min， Zheng Su， Yang Xiaoli， Bai Songrang

（?College of Automobile and Traffic Engineering， Liaoning University of Technology， Liaoning Jinzhou 121001?）

Abstract：?Aiming at characteristics of vehicle follow and control in advanced driver assistance system （ADAS）， the intelligent vehicle model follow and control system based on zigbee network is designed. Take the CC2430 wireless sensor chip as the core， the ultrasonic distance measuring sensor is used to collect the front vehicle distance in real time. The zigbee protocol is used to form a wireless network for the front and following vehicle to carry out wireless transmission of identification， synchronization and positioning information， and can drive the motor control module for intelligent follow and control， to achieve the network and intelligentization of vehicle. The follow and control tests are carried out based on intelligent vehicle model. The results show that the acquisition information transmission is real-time and reliable， follow and control accurately， consistent with the expected design goals， and has certain engineering pre-research value for ADAS research and development.Keywords： vehicle follow; zigbee network; STM32 microcontroller; ultrasonic rangingCLC NO.： TP23??Document Code： A??Article ID：?1671-7988（2019）01-30-03

前言

在“智能制造2025”等時(shí)代科技背景下，汽車尤其是新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為了人們出行的重要交通工具。與此同時(shí)城市道路交通擁擠與堵塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致道路交通事故時(shí)有發(fā)生。隨著“人工智能”等電子通信技術(shù)的快速發(fā)展，在城市道路尤其是十字交叉口進(jìn)行多車跟隨控制成為了研究熱點(diǎn)^[1-2]?；诖耍疚囊灾悄苘嚹檠芯繉?duì)象和載體，設(shè)計(jì)相應(yīng)道路交通環(huán)境，進(jìn)行多車跟隨控制研究。以CC2430無線傳感器芯片為主控芯片，采用超聲波測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)采集前車距離，通過ZigBee協(xié)議將前車與跟隨車組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行識(shí)別、同步、定位信息的無線傳輸，并能驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊進(jìn)行智能跟隨和控制，實(shí)現(xiàn)汽車的網(wǎng)聯(lián)化、智能化。

1?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在前后車上安裝跟隨控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，基于ZigBee無線協(xié)議在兩車或者多車之間建立無線網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)在跟隨車前端安裝超聲波測(cè)距傳感器，用于實(shí)時(shí)采集與前車的距離信息，若與前車距離超過設(shè)定距離閾值，則進(jìn)行提速跟近，若距離過近，則進(jìn)行減速行駛，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)跟隨，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要包括CC2430無線微控制器最小系統(tǒng)電路、電源供電電路、超聲波測(cè)距電路、ZigBee無線模塊接口電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等各個(gè)具體功電路。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是最新一代短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其是一組基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制的通信技術(shù)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要包括協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)^[3-4]。由于本設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)采用TI公司生產(chǎn)的CC2430無線微控制器，因此ZigBee協(xié)議棧也是基于TI開源的Z-Stack協(xié)議棧。本設(shè)計(jì)嵌入式軟件設(shè)計(jì)中主要包括2部分：

（1）協(xié)調(diào)器嵌入式軟件

一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，具有網(wǎng)關(guān)的作用，它來建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，等待其他路由器和終端節(jié)點(diǎn)加入，組成星型、樹型、網(wǎng)狀型的無線網(wǎng)絡(luò)。這里將跟隨車上的ZigBee硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)成協(xié)調(diào)器，完成與前車的組網(wǎng)、識(shí)別、前車加入、接收前車車速值信息等功能。該嵌入式軟件包括5大模塊：網(wǎng)絡(luò)配置模塊、硬件初始化模塊、網(wǎng)絡(luò)棧事件管理模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理模塊、硬件中斷模塊等。其軟件流程圖如圖2所示。

（2）路由器嵌入式軟件

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以存在多個(gè)路由器或者是終端節(jié)點(diǎn)^[5]，考慮到前車與跟隨車在行車時(shí)的速度多變的復(fù)雜工況，這里將前車的ZigBee硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)為路由器，使其具有路由和中繼的特性。前車上的路由器節(jié)點(diǎn)上電后執(zhí)行各種初始化后，開始加入跟隨車上的協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，若加入成功則通過旋轉(zhuǎn)編碼器采集前車車速值，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將車速信息路由給協(xié)調(diào)器，因此該嵌入式軟件也包括5大模塊：網(wǎng)絡(luò)配置模塊、硬件初始化模塊、網(wǎng)絡(luò)棧事件管理模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理模塊、硬件中斷模塊等。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在鋪設(shè)的黑白賽道上，基于智能車模進(jìn)行了前后車的跟隨控制測(cè)試，首先跟隨車上電，啟動(dòng)ZigBee硬件平臺(tái)進(jìn)行協(xié)調(diào)器配置，同時(shí)進(jìn)行2.4GHz信道掃描，完成無線組網(wǎng);接著前車上電，啟動(dòng)ZigBee硬件平臺(tái)進(jìn)行路由器配置，同時(shí)進(jìn)行加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

然后開始進(jìn)行前后車行駛，同時(shí)前車每隔5秒無線傳輸車速值給跟隨車協(xié)調(diào)器，跟隨車根據(jù)超時(shí)波采集的車距值和前車的車速值，再結(jié)合本車的車速值進(jìn)行計(jì)算判斷，實(shí)現(xiàn)智能跟隨控制，達(dá)到了本設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)。其測(cè)試圖如圖4所示。

4 結(jié)論

基于無線通信技術(shù)、電子控制技術(shù)等高科技技術(shù)，以智能車模為研究對(duì)象，設(shè)置相應(yīng)道路交通環(huán)境，研究與設(shè)計(jì)了多車跟隨控制系統(tǒng)。以CC2430無線傳感器芯片為主控芯片，采用超聲波測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)采集前車距離，通過ZigBee協(xié)議將前車與跟隨車組成無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行識(shí)別、同步、車速等信息的無線傳輸，并能驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊進(jìn)行智能跟隨和控制，

實(shí)現(xiàn)汽車跟隨控制的網(wǎng)聯(lián)化、智能化。

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