車(chē)輛換道匯入控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張敏 肖廣兵

摘? 要： 面向智能車(chē)路系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了車(chē)輛換道匯入控制系統(tǒng)，由供電模塊、STM32處理器模塊、車(chē)速傳感器、攝像機(jī)、VANET自組織網(wǎng)絡(luò)以及上位機(jī)管理系統(tǒng)等組成，通過(guò)硬件模塊的信息獲取與匯入控制策略分析，完成服務(wù)器系統(tǒng)的單車(chē)匯入車(chē)隊(duì)監(jiān)控顯示與管理，通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)完成之間的信息傳輸交互，確保車(chē)輛安全高速平穩(wěn)匯入車(chē)隊(duì)，提高道路資源的使用率和道路通行率。

關(guān)鍵詞： STM32處理器;換道匯入;VANET自組織網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP27? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.012

本文著錄格式：張敏，肖廣兵. 車(chē)輛換道匯入控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2020，41（10）：4549

【Abstract】： Facing the intelligent vehicle routing system， this paper designs the vehicle lane changing import control system， which is composed of power supply module， STM32 processor module， vehicle speed sensor， camera， VANET self-organizing network and host computer management system， through the analysis of Hardware Module Information Acquisition and Import Control Strategy， the display and management of server system's bicycle import fleet monitoring is completed， and the information transmission and interaction is completed through wireless communication network， to ensure the safe high-speed vehicles smoothly into the fleet， improve the use of road resources and road traffic rate.

【Key words】： STM32 processor; Lane change; VANET self-organizing network

0? 引言

目前，傳統(tǒng)車(chē)輛的換道匯入因缺乏車(chē)路之間的數(shù)據(jù)共享與安全性評(píng)估，無(wú)法保證車(chē)輛換道匯入的高速性、安全性，容易造成交通堵塞[1]，從而降低道路的通行率。隨著智能交通技術(shù)的發(fā)展，由若多個(gè)車(chē)輛以一定的安全距離編隊(duì)組成的智能車(chē)隊(duì)[2]，由于能夠增大單位面積的交通容量，提高道路資源的使用率[3]，成為智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。伏雨旋等人對(duì)車(chē)路協(xié)同軌跡跟蹤保持的研究，減小了車(chē)隊(duì)跟蹤控制的誤差，但是僅考慮車(chē)輛自身因素，未與車(chē)隊(duì)緊密聯(lián)系[4]，缺乏車(chē)輛換道匯入的綜合系統(tǒng)研究。

為此，本文設(shè)計(jì)了一套完整的車(chē)輛換道匯入控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)這三個(gè)方面研究，分析道路狀況和車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合先進(jìn)的無(wú)限通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)-路、車(chē)-車(chē)的信息共享交互，完成車(chē)輛的換道匯入，提高社會(huì)效益，改善交通擁擠[5]。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)輛換道匯入控制系統(tǒng)以STM32處理器模塊為核心，車(chē)速傳感器、攝像機(jī)等其他硬件模塊，通過(guò)VANET自組織網(wǎng)絡(luò)完成道路與車(chē)輛的信息傳輸，并上傳到上位機(jī)管理系統(tǒng)，監(jiān)控車(chē)輛換道匯入的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛安全高速的換道[6]。

系統(tǒng)通過(guò)高速專(zhuān)用攝像機(jī)采集道路車(chē)流量信息和車(chē)速傳感器信息獲取，將車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)和路況發(fā)送到STM32處理器，處理器結(jié)合換道匯入的控制算法和安全性評(píng)估，為車(chē)輛換道設(shè)計(jì)匯入軌跡，并上傳到上位機(jī)管理平臺(tái)，通過(guò)管理人員對(duì)車(chē)輛換道的監(jiān)控與管理，將換道指示發(fā)送給車(chē)輛，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)VANET自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與道路信息的互聯(lián)共享，保證車(chē)輛行駛的安全性，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的換道匯入[7]。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

車(chē)輛換道匯入系統(tǒng)的硬件模塊主要有STM32主處理器、高速專(zhuān)用攝像機(jī)、供電模塊、車(chē)速傳感器和VANET自組織網(wǎng)絡(luò)組成，以處理器為核心，其他模塊通過(guò)串口連接，結(jié)合VANET自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)-路的協(xié)同控制，完成車(chē)輛的換道匯入控制。

2.1? 供電模塊

STM32模塊一般選用2.0-3.5 V的直流電壓，車(chē)速傳感器采用4.5-20 V的直流電，WiFi模塊使用3.3-5 V的直流電壓，攝像機(jī)模塊采用4-5 V的直流電壓，供電模塊需要將220 V交流電通過(guò)二極管、電感和電容器的不斷濾波、降壓，在LNK304DN開(kāi)關(guān)控制器的作用下，最后電流通過(guò)電阻R3轉(zhuǎn)化成5 V直流，為處理器模塊、WiFi模塊、攝像機(jī)模塊供電，供電圖如圖2所示。

2.2? 主處理器STM32模塊

本文選用STM32F103處理器，是以ARM32位Cortex-M3 CPU為核心，最高工作頻率72 MHz，1.25DMIPS/MHz。片上集成Flash和SRAM存儲(chǔ)器，內(nèi)有2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器，可以外設(shè)ADC，DAC等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器，能容納多元件，集成度高。車(chē)速傳感器、攝像機(jī)可以通過(guò)處理器的串行調(diào)試或JTAG接口調(diào)試[8]，完成STM32的安全啟動(dòng)。處理器在2.0- 3.6 V下電壓工作，有3種低能耗方式，可延長(zhǎng)電池的壽命，具有高性能、低能耗等特點(diǎn)。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3? VANET自組織網(wǎng)絡(luò)

VANET自組織網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)應(yīng)用在車(chē)輛通信的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)車(chē)路間設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)車(chē)路通信平臺(tái)，使駕駛員在一定范圍內(nèi)快速獲得車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)信息以及路況數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)與車(chē)路之間的信息交互，提高道路的通行率。

VANET自組織網(wǎng)絡(luò)的物理層模塊選用WiFi網(wǎng)絡(luò)，WiFi作為無(wú)線城域網(wǎng)，傳播速度快，網(wǎng)絡(luò)性能好，覆蓋范圍廣，使用快捷方便，最高寬帶可達(dá)1 Mbps，WiFi模塊選用WM-G-MR-08芯片，與處理器串口通信，可滿(mǎn)足VANET自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，安全性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如圖4所示的WiFi電路原理圖。

2.4? 車(chē)速傳感器

車(chē)速傳感器是一種檢測(cè)車(chē)輛速度的裝置，通過(guò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，可輸出三種信號(hào)，這里選用霍爾式車(chē)速傳感器，利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)車(chē)速的檢測(cè)，輸出霍爾式交流信號(hào)[10]，汽車(chē)指針的擺動(dòng)受車(chē)速影響，傳感器的脈沖信號(hào)頻率越大，車(chē)速越大。此傳感器具有穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)速準(zhǔn)確度高、防干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)與STM32主處理器的串口連接，處理器參考速度進(jìn)行控制策略分析，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛換道匯入的車(chē)速管理控制。如圖5所示的電路圖。

2.5? 高速專(zhuān)用攝像機(jī)

車(chē)輛換道匯入需要采集道路狀況和匯入車(chē)隊(duì)的信息，本文選用高速專(zhuān)用攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)車(chē)流量的監(jiān)測(cè)與路況監(jiān)控，這里選用OV7725攝像機(jī)，可以對(duì)道路上快速移動(dòng)的車(chē)輛快速監(jiān)控、采樣、記錄，完成道路的監(jiān)控[11]。

OV7725攝像機(jī)像素可達(dá)30萬(wàn)，分辨率髙，寄存器的數(shù)據(jù)通過(guò)SDA、SCL的引腳輸入和圖像格式、信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從D0-D9引腳輸出信號(hào)。OV7725與STM32處理器連接，選用SCCB協(xié)議完成數(shù)據(jù)的輸入與輸出，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的換道匯入。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車(chē)輛換道匯入控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在Visual Basic 6.0軟件搭建。由車(chē)輛的編隊(duì)匯入控制管理作為主功能，加以硬件設(shè)備檢測(cè)、歷史數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)置作為輔助功能。這里主要介紹車(chē)輛的換道匯入控制與管理的算法以及主界面設(shè)計(jì)。

本文建立車(chē)輛換道匯入場(chǎng)景，如圖7所示，d為車(chē)道寬度，V0為匯入車(chē)輛，V1，V2，V3為車(chē)隊(duì)的跟隨車(chē)輛，V0向車(chē)隊(duì)發(fā)出換道請(qǐng)求以及車(chē)輛位置、運(yùn)行狀態(tài)信息，車(chē)隊(duì)通過(guò)對(duì)V1、V2變速來(lái)確保車(chē)輛V0的換道匯入，這里設(shè)車(chē)隊(duì)的初始速度為，車(chē)隊(duì)的安全距離為c，無(wú)橫向加速度，V0的轉(zhuǎn)向角為θ，車(chē)長(zhǎng)為m，車(chē)寬為n，位置為（x0， y0），橫向加速度為ay，縱向加速度為ax，橫向位移，縱向位移 ，，為避免碰撞，V0與V1，V2縱向距離S>0。

最終的最小時(shí)間匯入模型為：minT=minF（， c， θ， d， m， n， ax， ay）

圖8是車(chē)輛的換道匯入界面，通過(guò)車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)，車(chē)輛發(fā)送換道請(qǐng)求，管理員首先確定系統(tǒng)接收換道請(qǐng)求的范圍，選擇手動(dòng)輸入或者基于GPS定位確定監(jiān)控范圍，即可出現(xiàn)發(fā)送請(qǐng)求的換道車(chē)輛車(chē)牌號(hào)顯示，點(diǎn)擊其中一輛車(chē)，便可以查看車(chē)輛信息，所在位置的道路狀況，換道匯入的控制與車(chē)隊(duì)的管理。

圖9是車(chē)輛所在位置的道路狀況界面，內(nèi)有從OV7725獲取的道路視頻監(jiān)控，并顯示道路的車(chē)寬、抗滑能力、承載能力、安全率、通行率等信息，對(duì)于當(dāng)前道路以往的突發(fā)事件可查看分析，可方便管理者清晰探測(cè)路況以及有效管理，確保道路的安全性、流通性。

圖10是車(chē)輛信息界面，內(nèi)有車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)信息，包括車(chē)速、橫縱向加速度、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、重量和尺寸，以及車(chē)內(nèi)視頻監(jiān)控，通過(guò)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的直觀顯示，便于管理對(duì)車(chē)輛的了解[17]，對(duì)于車(chē)輛的突發(fā)事件，管理者通過(guò)運(yùn)行狀態(tài)可手動(dòng)管理?yè)Q道策略，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給車(chē)主，同時(shí)管理員也可以查看最近一段時(shí)間的車(chē)輛歷史軌跡。

圖11是車(chē)輛的匯入控制界面。圖11（a）是對(duì)換道車(chē)輛的匯入控制與管理，內(nèi)有車(chē)輛的匯入開(kāi)始和預(yù)期結(jié)束時(shí)間，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向角以及節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，同時(shí)有車(chē)輛在換道時(shí)間內(nèi)的加速度時(shí)間圖以及匯入軌跡圖，黑色曲線表示通過(guò)換道策略算法獲取的圖像，紅色表示車(chē)輛實(shí)際的運(yùn)行圖[13]，這些信息均會(huì)在車(chē)載終端顯示。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行異常時(shí)，管理者可以點(diǎn)擊匯入監(jiān)控，查看車(chē)輛內(nèi)部視頻監(jiān)控，并語(yǔ)音發(fā)送警報(bào)信息，確保車(chē)輛安全平穩(wěn)的匯入。

圖11（b）是換道車(chē)輛匯入車(chē)隊(duì)的前后車(chē)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)分析，內(nèi)有車(chē)輛的加速度時(shí)間圖，以及實(shí)時(shí)的與匯入車(chē)輛的縱向距離顯示[14]，避免車(chē)輛發(fā)生碰撞，并保證車(chē)輛以較短時(shí)間匯入車(chē)隊(duì)。

圖12是車(chē)隊(duì)管理界面，為避免道路擁堵和交通事故的發(fā)生，對(duì)于車(chē)隊(duì)的長(zhǎng)度、車(chē)速、安全距離、飽和度設(shè)置合理指標(biāo)，發(fā)揮車(chē)隊(duì)的最大作用，通過(guò)車(chē)隊(duì)的穩(wěn)定性分析[15]，查看車(chē)隊(duì)車(chē)輛的違規(guī)行為，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)車(chē)輛之間安全距離過(guò)大等行為時(shí)，將自動(dòng)發(fā)送信息給駕駛員，提醒車(chē)主安全行駛[16]。

4? 結(jié)論

本文借助車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)車(chē)路、車(chē)車(chē)之間實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互傳輸，設(shè)計(jì)一個(gè)車(chē)輛換道匯入系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)平臺(tái)的監(jiān)控管理顯示，控制車(chē)輛的換道匯入，確保換道車(chē)輛在短時(shí)間內(nèi)高速安全匯入車(chē)隊(duì)。該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單易操作，能夠解決車(chē)輛的換道時(shí)間長(zhǎng)、安全性低等問(wèn)題，硬件設(shè)備可滿(mǎn)足車(chē)輛的換道匯入的信息采集要求，可以在智能車(chē)路系統(tǒng)中運(yùn)用實(shí)踐。本文以單車(chē)換道匯入的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主，不能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)道路中存在的多種復(fù)雜情況需求，未來(lái)如何控制多車(chē)換道匯入是一個(gè)重要的研究方向。

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