基于ZigBee無線通訊的自動搬運車輔助駕駛方案設計

黃毅，楊偉，吳浩宇

基于ZigBee無線通訊的自動搬運車輔助駕駛方案設計

黃毅，楊偉，吳浩宇

（西華大學 機械工程學院，四川 成都 610039）

自動搬運貨車為車間現(xiàn)代化生產(chǎn)物流帶來了便利，但在車際通訊方面仍存在一定缺陷。提出一種基于ZigBee無線通訊方式的廠房自動搬運車輔助駕駛設計方案，對方案中的車載交互單元和無線控制單元進行了設計仿真和實際開發(fā)，并通過實驗驗證方案的可行性。該方案可對潛在發(fā)生的危險狀態(tài)進行判斷和預警，有效避免事故的發(fā)生，一定意義上實現(xiàn)了智能交通中的安全預警自動化，為特定場合安全駕駛系統(tǒng)的發(fā)展做出一定的探究，并提供一種新的思路。

輔助駕駛；無線通訊；ZigBee

在現(xiàn)代化生產(chǎn)加工過程中，物流環(huán)節(jié)占據(jù)較長時間，為進一步提高生產(chǎn)效率、同時進一步壓縮物流成本，自動搬運小車（Automatic Guided Vehicle，AGV）成為越來越多自動化工廠的必要配置，其中在加工制造、醫(yī)療、煙草等行業(yè)已有了一定的運用[1]。現(xiàn)階段車間使用的自動搬運貨車通常采用的導引方式有：電磁引導、直接坐標引導、磁帶導引、激光導航、光學導引及GPS導航等，相關技術的運用及研究通常著重于車輛自身的控制，眾多學者在軌跡跟蹤、控制系統(tǒng)及控制算法等研究方向上取得了一定成果[2]，但針對AGV車際之間實時通信的相關研究則相對欠缺。而有效提升自動搬運貨車之間的通信，避免車輛對地位置控制異常時出現(xiàn)危險狀況，對于自動搬運貨車的安全性提升則十分重要且亟待改善。

本文提出一種基于ZigBee無線通訊的輔助駕駛設計方案，利用ZigBee無線通訊其成本低、功耗小、可靠性高等特點以實現(xiàn)車際之間行車數(shù)據(jù)等關鍵信息的交互，及時對周圍單元的行為進行采集分析、預緊提示，并將數(shù)據(jù)傳輸至總控監(jiān)視平臺，進行全面的監(jiān)測控制，從而實現(xiàn)安全輔助駕駛作用。將此運用于廠區(qū)自動搬運貨車中，能夠有效提升車輛行駛過程中的信息交互能力，為車輛的駕駛安全提供更加可靠的保障，同時也為車間其他人員提供更多的安全信息提示，這為車間智能化發(fā)展及AGV車際通訊提供了一種新的思路。

1 方案原理及總體設計

1.1 Zigbee技術及相關理論

ZigBee技術是基于IEEE 802.15.4標準開發(fā)的無線協(xié)議，其中物理層和MAC層具體由協(xié)議負責，而網(wǎng)絡層和應用層則由ZigBee聯(lián)盟負責制定。ZigBee技術具有成本低、功耗小、低復雜度、高性價等特點，得以在工業(yè)領域得以廣泛應用[3]。另外，ZigBee技術因其網(wǎng)絡拓撲結構的特點使得節(jié)點的自組網(wǎng)功能明顯優(yōu)于其他現(xiàn)場無線通訊技術，常見的ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構包括星形、Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)及簇狀網(wǎng)類型。本文將基于簇狀網(wǎng)結構搭建方案，該結構適用于節(jié)點眾多的系統(tǒng)。

1.2 方案總體設計

本文所設計的輔助駕駛方案結構如圖1所示?？倷z測控制平臺作為方案的總控單元，實時監(jiān)測方案中所有設備的狀態(tài)并進行有效控制?？偙O(jiān)測控制平臺數(shù)據(jù)均來自服務器，服務器端與車間網(wǎng)關（GateWay）節(jié)點通過TCP/IP協(xié)議通訊進行數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)關節(jié)點與路由（Router）節(jié)點及路由節(jié)點之間則由ZigBee通訊進行自組網(wǎng)，本方案中Router節(jié)點將由各自送搬運貨車擔任。最終各個運送目標位置將作為目標（Target）節(jié)點。

（1）總檢測控制平臺。是方案的主監(jiān)控單元，對方案整體進行數(shù)據(jù)的采集分析和監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)的采集和記錄可以有效安排運輸任務并檢測各單元狀態(tài)。

（2）網(wǎng)關（GateWay）節(jié)點。每個車間配置一到數(shù)個網(wǎng)關節(jié)點作為車間內(nèi)網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，負責對車間中運送貨車進行網(wǎng)絡發(fā)起和維護，從而保證運送貨車之間網(wǎng)絡的有效建立，并可與總控監(jiān)測平臺及服務器進行有效數(shù)據(jù)傳輸。

（3）路由（Router）節(jié)點。每個運送貨車將自為一個路由節(jié)點，可有效與周圍的運送貨車進行信息交互并可實時與網(wǎng)關節(jié)點通信，當某些車輛因距離網(wǎng)關節(jié)點較遠而通訊減弱時，較近距離的搬運貨車將可作為路由中繼，搭建較遠處貨車與網(wǎng)關節(jié)點的通訊橋梁，保證網(wǎng)絡系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性。

（4）目標（Target）節(jié)點。搬運貨車運送貨物的目的地將作為方案的目標節(jié)點，目標節(jié)點對路由節(jié)點即搬運貨車之間的通訊可以有效校正搬運貨車的運輸路線，并輔助定位，從而保障運輸?shù)臏蚀_性和高效性。

（5）安全監(jiān)控設備。作為車間安全人員，需要對異常進行有效預警及防護。車間內(nèi)設置一定量的安全監(jiān)控設備，如提示器、手機警報等，通過藍牙（BlueTooth）通信與搬運車輛進行數(shù)據(jù)交互，方便安全人員有效對區(qū)域內(nèi)運行車輛狀況進行掌控，同時對可能出現(xiàn)的危險情況進行預防和處理，避免危險發(fā)生。

圖1 輔助駕駛方案結構

方案中自動搬運貨車單元的信息交互將作為一個重要節(jié)點，需要擔任起輔助駕駛方案中的路由（Router）節(jié)點重任，其通訊的質(zhì)量和效率將決定整個方案的效果好壞，因此對自動搬運貨車車載單元（OnBoard Unit）進行了關鍵設計，其結構如圖2所示。

圖2 車載設備單元結構

車載設備單元中主要集成了定位模塊、無線通訊模塊、輔助模塊、人機交互模塊、外部操作接口模塊、車載單元控制處理器、外部交互接口及電源模塊幾大主要部分。其中，定位模塊主要負責對搬運貨車進行自我定位作用，車載單元控制處理器則負責處理整車的行為狀態(tài)采集、接收信息的解析及緊急制動等整車控制；無線通訊模塊主要負責車際之間信息的收發(fā)交互以及車與監(jiān)測設備之間信息交互，車內(nèi)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)傳輸，并提供對外部車輛傳感器的交互操作接口以方便對自車更多狀態(tài)的采集和監(jiān)控，最終車際之間各車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)將通過人機交互模塊對外進行顯示和交互操作。根據(jù)該車載設備單元整體結構設計的具體硬件實施方式如圖3所示。

車載設備單元硬件設計中，依據(jù)功能劃分的各個模塊分別集成了多種功能。輔助模塊負責監(jiān)控自車運行狀態(tài)相關數(shù)據(jù)的采集，主要設備包括：溫濕度傳感器與氣體濃度傳感器，負責對貨物干燥狀態(tài)進行檢測，如果發(fā)生火災、水淋等險情，溫度及氣體濃度變化將觸發(fā)報警機制；超聲波測距模塊負責對自車周圍環(huán)境障礙物進行檢測和有效避障；定位模塊中陀螺儀負責對車輛自身的姿態(tài)、航向角等參數(shù)進行采集，GPS模塊主要對自車進行定位；電子羅盤則對車輛運行的方位及速度、加速度等運動參數(shù)進行采集。自車與外部的通訊主要由無線通訊模塊負責執(zhí)行，車際通訊及車與車間網(wǎng)關節(jié)點通信由ZigBee模塊完成，車與安全監(jiān)控設備之間交互則由藍牙模塊執(zhí)行。人機交互模塊負責實現(xiàn)人與自動貨車之間信息的監(jiān)控和控制的實施。車載設備單元運行狀態(tài)參數(shù)及操作指令收發(fā)通過人機交互界面進行顯示和執(zhí)行。車載設備單元整體的控制邏輯流程如圖4所示。車輛無人駕駛狀態(tài)下的實際路徑規(guī)劃與控制等將由整車控制器處理，本文所設計的輔助駕駛方案不做具體設計考慮。

帕金森病患者因為病恥感更傾向于隱藏負面情緒，掩蓋疾病癥狀，這將加劇心理疾病的惡化。研究發(fā)現(xiàn)，30.5%的人會告訴任何他們認為感興趣的人，11%的人會告訴家人、朋友和同事，33%的人只會告訴家人和密友，19.5%會告訴直系親屬，2.5%不會告訴任何人[19]。大多數(shù)帕金森病患者不愿意讓人知曉病情，加重患者的羞愧感、尷尬感和孤立感。

圖3 車載設備單元硬件具體實施方式

圖4 車載設備單元控制邏輯流程

2 方案仿真試驗

為進一步分析本文設計的輔助駕駛方案，特對整體方案進行了模型搭建并進行系統(tǒng)仿真，采用仿真手段可以確定實物計算與計算機仿真之間的誤差[4]。該仿真系統(tǒng)模擬了兩輛相對行駛的自動貨車（A車和B車）初始運動速度分別為1和2且保持勻速行駛，在相距一定初始距離0的狀態(tài)下進行信息的交互，即A車發(fā)送自身信息，B車接收并反饋信息，兩車在接收數(shù)據(jù)并解析完成后進行緊急制動操作來模擬計算兩車在某一速度下所需的最小安全距離值，仿真出事條件設定如表1所示。

表1 仿真初始條件設定

因此可以理論將兩車通訊之間的行駛距離分為如下幾個階段：

（1）A車開始發(fā)送自身信息時，兩車處于的初始位置0，并保持自身初速度1；

（2）B車接收到A號車發(fā)來的消息，兩車此時相距的直線距離1，B車速度為2；

（3）B車進行數(shù)據(jù)解析、處理分析并發(fā)出相關信息所耗費時間2后，兩車相距的距離2；

（4）A接收到B車反饋來的數(shù)據(jù)時，兩車相距的距離3；

（6）最終兩車停下來相距距離5。

根據(jù)上述描述，假定兩車信息發(fā)送先于操作處理，且數(shù)據(jù)處理周期為5 ms，則2與4都為5 ms即0.005 s。同時為避免在制動過程中運輸貨物與車發(fā)生相對運動而造成不安全制動，本次將兩車制動減速度（1和2）設置2.5 m/s2，無線傳輸速度V設置為光速，最終可以得到上述各階段距離的關系表達式為：

式中：S為當前階段兩車相距總距離；S-1為上一階段兩車相距距離；S為當前階段兩車各自行駛距離。

根據(jù)式（1）并帶入兩車狀態(tài)參數(shù)可得到各個階段的位置距離表達式為：

在3時刻B車速度滿足條件為：

在4時刻B車速度滿足條件為：

依據(jù)上述各階段距離表達式的數(shù)學關系并通過MATLAB/Simulink軟件建立起如圖5所示仿真系統(tǒng)模型。

圖5 方案仿真模型圖

為便于通過實驗仿真結果進行驗證，在仿真中采用兩輛車相對直線行駛的方式，并選取50 km/h作為兩車仿真制動初試速度，且兩車制動減速度保持大小相同為-2.5 m/s2。最終仿真得到兩車在以初始速度50 km/h的條件下相向而行、且在一次通訊后兩車分別進行制動的條件下最終兩車制動距離為92.51 m，該仿真數(shù)據(jù)將作為實驗數(shù)據(jù)的參照對比，以驗證方案的通信能力是否能夠保障運行車輛的緊急制動安全。

3 方案實驗分析

為進一步驗證方案的工作性能，并與仿真數(shù)據(jù)形成比較，進行了實車實驗，兩臺試驗車分別搭載車載設備單元，進行六個類型的實驗項目，具體如表2所示。設置的實驗項中，直角轉(zhuǎn)彎會車項測試了方案在兩車直角會車時，存在障礙物遮擋兩車通訊情況下的通信能力。而直線超車、直線相向會車、直線背離遠去則測試了在直線狀態(tài)下兩車各運行狀態(tài)下的通信能力。直線緊急停車測試了兩車在安全預緊狀態(tài)下的通信及制動安全能力。十字路口會車則測試了路徑交叉狀態(tài)下的方案的通訊能力。

表2 實車實驗設定

3.1 直角轉(zhuǎn)彎會車實驗

如圖6（a）所示，兩次直角轉(zhuǎn)彎會車實驗過程中，因為試驗道路一側(cè)存在一片樹林，較大程度阻礙了兩臺試驗車之間的通訊信號，以此測試方案在一側(cè)存在障礙物遮擋狀態(tài)下能否具有良好的通信能力，以驗證方案是否能夠保證運行車輛之間能夠?qū)崟r完成狀態(tài)交互以避免緊急情況出現(xiàn)。通過圖6（b）可知，兩車通信能力因為一側(cè)存在障礙其連通率有所波動，且連通率與兩車距離存在正向關系，距離越長，兩車連通率會略有下降。但是方案整體能夠在200 m直線距離范圍內(nèi)，即使通信車輛間存在遮擋也能夠保證90%以上的連通率。圖6（c）顯示了兩次實驗中各車的實時速度，兩車在兩次實驗中速度最大值均高于20 km/h，與實際方案運行所搭載的車輛運動速度比較，較為真實地測試了方案在此狀態(tài)下的通訊能力，數(shù)據(jù)表明本方案能夠滿足此狀態(tài)下的通訊能力。

3.2 直線同向超車實驗

在直線同向超車實驗（圖7）過程中，兩車初始距離為26.5 m，之后兩車分別加速，兩車在速度達到30 km/h后A車緩慢降速、B車繼續(xù)加速至42.1 km/h，并迅速超越A車，之后兩車均減速至停止。在此階段中，兩車因距離較短，連通率未出現(xiàn)波動，始終保持在良好連通狀態(tài)（連通率100%）。數(shù)據(jù)表明短距離直線狀態(tài)下，本方案能夠保障正常工作速度范圍內(nèi)車際之間信息的良好交互。

3.3 直線相向會車實驗

如圖8所示，在直線相向會車實驗過程中，兩車從直線相距456.6 m外相向行駛，行駛過程中兩車速度均達到50 km/h以上并保持一定時間，而數(shù)據(jù)反映，兩車距離會影響連通率的高低，當兩車在相距400 m以外時，連通率偶爾會出現(xiàn)低于90%的情況，當距離減小后，連通率能夠穩(wěn)定保持在90%以上。試驗表明在此種行駛方式下，方案能夠保障良好的通信能力。

圖8 直線相向會車試驗方式

3.4 直線背離遠去實驗

如圖9所示，在直線背離遠去實驗過程中，兩車從相距0 m開始向兩側(cè)直線駛開，最終實驗停止時相距490.3 m，在該區(qū)域內(nèi)，隨著距離增長，連通率開始下降，波動范圍變大，但整體仍然保持80%連通率以上，這樣的距離范圍能夠保證離去的車輛在一定范圍內(nèi)仍然具有通訊能力，該距離反應了兩節(jié)點之間的正常通信范圍大小，此數(shù)值越大就能夠有效拓寬方案整體的通訊范圍。試驗驗證500 m的點對點通訊能夠保證，當該點作為路由節(jié)點事，整體方案能夠較大范圍能保證各節(jié)點之間良好通信。

圖9 直線背離遠去實驗

3.5 直線緊急制動實驗

本方案對預緊制動要求較高，故直線緊急制動實驗（圖10）進行三次，兩試驗車速度在達到50～60 km/h后迅速制動。表3數(shù)據(jù)顯示，第一次試驗兩車距離在400 m外，連通率存在一次波動，但整體仍保持在95%連通率以上；第2、3次實驗一直保持良好連通，未出現(xiàn)異常波動；三次制動開始速度均高于50 km/h，制動長度在85～130 m，其中三次制動距離長度有所變化主要由于制動過程中的減速度大小略有不同而產(chǎn)生，第二次實驗數(shù)據(jù)與仿真值（92.51 m）較為接近，且方案整體運行效果良好。第三次緊急制動實驗中，制動減速度小于前兩次，因此最終的制動距離長度有所增加。但方案整體可以保持在50 km/h的初速度緊急制動，最終距離在100 m以內(nèi)。而在此距離范圍本方案可以有效預警，及時通信而避免危險發(fā)生。

圖10 直線緊急制動實驗

3.6 十字路口會車實驗

十字路口會車實驗（圖11）共進行兩次，兩次實驗最短交叉距離不同，分別為46.2 m和10.6 m，但第一次試驗中兩車速度差距不大，相對速度變化較小，而第二次試驗的時候兩車的速度差異較大，因此在該組試驗下的連通率隨著距離變化比1組較大，但是整體仍能保持在90%以上連通率，所以本方案能夠保證運行車輛行駛路徑交叉時的通信能力。

表3 制動實驗主要數(shù)據(jù)

4 結語

本文介紹了一種基于ZigBee無線通訊的廠區(qū)自動搬運貨車輔助駕駛設計方案，闡述了方案總體及各單元的設計方式，同時針對方案的通訊能力進行了仿真預測并以具體實驗進行了驗證對比。通過多類型實驗數(shù)據(jù)結果驗證了本文方案可保障在50 km/h速度范圍內(nèi)即使存在障礙物遮擋條件下，也可保持行駛單元間200 m距離范圍良好通訊能力及安全緊急制動能力。因此該方案能夠滿足多種工況下車際之間通訊需要，能夠及時采集信息進行預警，達到良好的輔助駕駛作用，在一定程度上提高了車輛的主動安全性。同時方案增強了車與車單元之間的信息交互，有利于監(jiān)控活動單元的運行狀態(tài)，從而提高行車的效率性和可靠性。本文方案可以有效運用于低速狀態(tài)（車速低于50 km/h）下的各類場景環(huán)境，以增強單元之間的通信能力，進一步實現(xiàn)智能化車際通訊，同時也為特殊場地自動駕駛輔助方案的設計提供了新的思路。

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Design of the Assisted Driving Scheme for Automatic Guided Vehicle Based on ZigBee Wireless Communication

HUANG Yi，YANG Wei，WU Haoyu

(School of Mechanical Engineering,Xihua University, Chengdu610039,China)

Automatic guided vehicle brings convenience to modern production and logistics of workshop, but there are still some deficiencies in inter-vehicle communication. This paper puts forward a schematic design of the assisted driving of automatic guided vehicle in the workshop based on ZigBee wireless communication mode, and carries out the design simulation of the vehicle-mounted interactive unit and the wireless control unit of the scheme, and then puts it into development, and finally verifies the feasibility through experiments. This scheme can predict and give warnings of the potential dangers, effectively avoid the accidents, realize the automation of intelligent traffic safety warning, throw light on the development of safe driving system in specific occasions, and provide a new perspective.

assisted driving；wireless communication；ZigBee

U461.91

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.008

1006－0316 (2020) 02－0044－09

2019－09－18

成都市科技項目（2016-RK00-00003-ZF）

黃毅（1993－），男，四川綿陽人，碩士研究生，主要研究方向為智能交通。

楊偉（1965－），男，四川崇州人，博士，教授、碩士研究生導師，主要研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理、智能汽車。