基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的多智能小車編隊(duì)控制的實(shí)現(xiàn)

文/任海東

為了推動(dòng)無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，我們一方面要重視對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，另一方面要重視對(duì)控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，還要重視對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究，為無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通常情況下，多智能小車編隊(duì)控制系統(tǒng)在開發(fā)的過程中，主要運(yùn)用了分布式的控制形式，將控制單元以分散的形式，實(shí)現(xiàn)各個(gè)智能小車關(guān)系的平等處理，進(jìn)而通過各個(gè)智能小車的關(guān)系與其他機(jī)器人之間的信息交流來提高該系統(tǒng)的行為的協(xié)調(diào)性，與此同時(shí)，還能提高智能小車的自治能力和自主規(guī)劃能力，通過應(yīng)用分布式的控制形式，對(duì)提高控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)性和擴(kuò)展性。技術(shù)人員在應(yīng)用分布式控制方式的過程中，首先，要根據(jù)小車的內(nèi)部的感知功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信息的準(zhǔn)確定位和收集，然后，通過利用通信模塊之間的聯(lián)系，獲取其他與之相鄰的小車狀態(tài)信息，接著，通過利用程序形式實(shí)現(xiàn)向小車執(zhí)行位置傳送控制命令的目的，從而能夠有效的實(shí)現(xiàn)智能小車的自主規(guī)劃的目的，除此之外，為了提高多輛智能小車編隊(duì)的質(zhì)量和效率，通過利用多輛智能小車之間的協(xié)調(diào)性，科學(xué)合理的控制多輛車之間的距離，提高所有智能小車的行駛速度，由于無線網(wǎng)絡(luò)通信的內(nèi)在結(jié)構(gòu)變化無常的，因此，通過利用無線通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，可以準(zhǔn)確高效的獲取與之相關(guān)的其他小車的數(shù)據(jù)信息。總而言之，通過對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，對(duì)提高控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的影響。

2 控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

眾所周知，智能小車的硬件主要采用的是模塊化設(shè)計(jì)的理念，因此，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)智能小車進(jìn)行整體化設(shè)計(jì)后得到如圖1所示的設(shè)計(jì)圖，從這種設(shè)計(jì)圖中，可以明顯的看出該設(shè)計(jì)圖主要包含以下幾個(gè)重要的模塊：

通過對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，對(duì)有效實(shí)現(xiàn)智能小車編隊(duì)控制的功能目標(biāo)起著積極的促進(jìn)作用。眾所周知，為了強(qiáng)化軟件的功能，提高軟件的通用性，需要通過引入嵌入式的操作系統(tǒng)，如圖2所示，智能小車控制系統(tǒng)軟件主要包含以下幾個(gè)部分：

（1）硬件驅(qū)動(dòng)層，由于該硬件驅(qū)動(dòng)層有非常高的配置，因此該硬件驅(qū)動(dòng)層在運(yùn)用的過程中，可以有效的提升硬件的質(zhì)量和效率。

（2）嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層，該系統(tǒng)層主要通過調(diào)度任務(wù)、管理內(nèi)存、管理信號(hào)量的形式，提高該系統(tǒng)的可移植性和可固化性，除此之外，為了保證軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要通過利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層的特點(diǎn)，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）智能車編隊(duì)控制應(yīng)用程序?qū)?，該?yīng)用程序?qū)佑纸杏脩魬?yīng)用程序?qū)?，它的主要作用就是用于?shí)現(xiàn)智能小車編隊(duì)的控制功能，為了有效的實(shí)現(xiàn)這一功能，該操作系統(tǒng)可以分為64個(gè)任務(wù)，并且把其中的54個(gè)任務(wù)分給用戶應(yīng)用程序，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)與數(shù)值的大小成反比關(guān)系，優(yōu)先級(jí)隨著數(shù)值的降低，而不斷升高。

圖2：軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 多智能小車編隊(duì)算法

為了加深對(duì)多智能小車編隊(duì)算法的認(rèn)識(shí)和理解，需要對(duì)多智能小車編隊(duì)跟隨過程進(jìn)行分析和研究，如式（1）所示，根據(jù)多智能小車編隊(duì)算法的理論知識(shí)，圖中的Si-1，Si表示i-1輛車的位移和i輛車的位移，vi-1，vi表示i-1輛車的速度和i輛車的速度，ai-1，ai表示i-1輛車的加速度和i輛車的加速度，ds表示車與車之間的理想間距，第i輛智能小車與i-1車之間的跟隨關(guān)系用狀態(tài)方程式表示為：

為了有效的研究多智能小車編隊(duì)算法，現(xiàn)通過利用多智能小車編隊(duì)跟隨系統(tǒng)，設(shè)置跟隨控制目標(biāo)的距離誤差和速度誤差，除此之外，為了保證目標(biāo)控制量達(dá)到最小的狀態(tài)，可以將跟隨控制這一問題看成是求最優(yōu)控制解問題，為了有效的求出最優(yōu)控制解，需要將優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為二次型指標(biāo)函數(shù)：

3.2 多智能小車編隊(duì)控制實(shí)驗(yàn)

為了加深對(duì)多智能小車編隊(duì)控制實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和理解，現(xiàn)通過將單車道的交通道路作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)線性最優(yōu)解的控制算法進(jìn)行分析和研究，如式（2）所示，通過對(duì)3輛智能小車進(jìn)行編隊(duì)，然后，在利用無線通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)智能小車的轉(zhuǎn)向、車速等狀態(tài)信息進(jìn)行有效的控制，與此同時(shí)，還可以通過應(yīng)用線性最優(yōu)算法對(duì)智能小車的編隊(duì)進(jìn)行科學(xué)合理的控制，為了提高對(duì)智能小車編隊(duì)行駛車距的控制效果，需要保證智能車之間的距離為57厘米，車輛之間設(shè)定的距離與車速成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)車輛的速度會(huì)隨著車輛之間距離設(shè)定的變大而變大。

根據(jù)多智能小車編隊(duì)控制實(shí)驗(yàn)可以得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，1號(hào)車和2號(hào)車分別表示車輛的速度和車輛之間的間距，其中1號(hào)車在90T時(shí)刻，開始啟動(dòng)，2號(hào)車在與1號(hào)車保存相同車速的基礎(chǔ)上，與1號(hào)車保持一定的間距，當(dāng)1號(hào)車開始剎車停止運(yùn)動(dòng)的過程中，需要將車速降為0,與此同時(shí)，2號(hào)車在剎車停止運(yùn)動(dòng)的過程中，同樣需要將車速降為0，除此之外，1號(hào)車與2號(hào)車在停止運(yùn)動(dòng)的過程中，為了有效的保證1號(hào)車與2號(hào)車停止運(yùn)動(dòng)后的間距與初始運(yùn)動(dòng)前的間距一致，1號(hào)車的速度要100cm/s之內(nèi)，這樣一來，2號(hào)車的車速才能與1號(hào)車的車速保持一致，從而對(duì)保持安全車距起著至關(guān)重要的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過對(duì)多智能小車編隊(duì)控制系統(tǒng)的需求進(jìn)行科學(xué)合理的分析，然后應(yīng)用了無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而，有效的實(shí)現(xiàn)了各個(gè)車輛之間的信息交互，小車的智能化等目標(biāo)。除此之外，通過設(shè)計(jì)和應(yīng)用多智能小車編隊(duì)控制系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)車輛跟隨的控制算法，從而有效的實(shí)現(xiàn)了多智能小車編隊(duì)的開啟停止、勻速和變速等多種形式的控制任務(wù)?？偠灾ㄟ^對(duì)基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的多智能小車編隊(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行研究，對(duì)提高該系統(tǒng)的知名度，推廣和普及多智能小車編隊(duì)控制系統(tǒng)具有至關(guān)重要的影響。