基于V2X的車聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" 要： 車聯(lián)網(wǎng)在解決交通問題、保證大眾安全等方面發(fā)揮著巨大作用。針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)測(cè)試成本高、不利于實(shí)驗(yàn)研發(fā)等問題，以V2X無線通信為依托，模擬車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)按照實(shí)際車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架分為車載子系統(tǒng)、路側(cè)子系統(tǒng)、后臺(tái)中心子系統(tǒng)三部分；軟件系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)CAN數(shù)據(jù)采集、后輪雙電機(jī)差速控制原理、后臺(tái)中心狀態(tài)數(shù)據(jù)的解析及遠(yuǎn)程控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，在具體應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)車聯(lián)網(wǎng)縮微模型進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在路口和前向碰撞時(shí)自主協(xié)調(diào)，并通過ZigBee等通信模塊實(shí)現(xiàn)信息共享，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和可行性。

關(guān)鍵詞： 車聯(lián)網(wǎng)； V2X； 遠(yuǎn)程控制； CAN數(shù)據(jù)采集； 自主協(xié)調(diào)； 信息共享； 場(chǎng)景測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP393" " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）24?0033?05

Design and implementation of internet of vehicle experiment system based on V2X

YANG Yitong， WU Jingjing， ZHANG Lili

（National Computer Experimental Teaching Demonstration Center， College of Computer Science and Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China）

Abstract： The internet of vehicles plays a huge role in solving traffic problems and ensuring public safety. In allusion to the issues of high testing costs and unfavorable experimental research and development in the internet of vehicles， based on V2X wireless communication， the application scenario is simulated， and the experimental system including hardware and software system is designed. According to the actual technical framework of internet of vehicles， the hardware design is divided into three parts： vehicle subsystem， background center subsystem and road side subsystem. The software system focuses on the design of CAN （controller area network） data acquisition， differential control principle of rear wheel double motor， analysis and remote control of background center status data. The microminiature model of the internet of vehicles is tested in specific application scenarios. The results show that the system can coordinate autonomously at intersections and forward collisions， and realize information sharing by means of ZigBee and other communication modules， which can verify the practicability and feasibility of this design.

Keywords： internet of vehicles; V2X; remote control; CAN data acquisition; autonomous coordination; information sharing; scenario testing

0" 引" 言

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)借助現(xiàn)代無線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)車之間、車與外界之間的交互，能夠全自動(dòng)地提醒駕駛員可能存在的安全隱患問題，進(jìn)而有效地避免交通事故的發(fā)生[1]。但是車聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)成本和測(cè)試成本普遍較高，對(duì)測(cè)試空間的需求也比較大，不太利于實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)[2]。

本文設(shè)計(jì)了基于縮微小車的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)硬件開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)嵌入式端、計(jì)算機(jī)端、手機(jī)端協(xié)同，并且對(duì)車聯(lián)網(wǎng)縮微模型的各個(gè)硬件部分進(jìn)行了說明。通過需求分析，設(shè)計(jì)了針對(duì)各個(gè)需求的車聯(lián)網(wǎng)縮微模型的軟件程序結(jié)構(gòu)，且進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)。另外，討論了車聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景測(cè)試。本文設(shè)計(jì)較好地模擬了車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，能夠仿真一些實(shí)際交通狀況，有助于解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中基于車聯(lián)網(wǎng)開發(fā)所存在的問題。

1" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1" 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

本文依照實(shí)際中的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架，將實(shí)際車聯(lián)網(wǎng)的三部分系統(tǒng)即車載子系統(tǒng)、后臺(tái)中心子系統(tǒng)、路側(cè)子系統(tǒng)[3?6]轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合實(shí)際開發(fā)需求的四層結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)縮微模型邏輯架構(gòu)如圖1所示。

由下至上，感知層利用可以實(shí)現(xiàn)尋跡的相關(guān)傳感器和UWB模型對(duì)小車的速度、坐標(biāo)、與其他小車的距離等信息進(jìn)行采集，并進(jìn)一步完成簡單的信息處理，將信息發(fā)送到通信層[7?10]。

通信層通過ZigBee和藍(lán)牙，將傳感器采集的經(jīng)過處理之后得到的數(shù)據(jù)信息和控制信息進(jìn)一步發(fā)送到控制層。

控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)在人機(jī)交互層進(jìn)行相應(yīng)的展現(xiàn)，為模型制定控制策略，向車輛發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。

車聯(lián)網(wǎng)縮微模型的硬件設(shè)計(jì)整體架構(gòu)如圖2所示。

ARM核心微處理器采用的是STM32F405RGT6。傳感器和UWB模塊通過與各模塊相對(duì)應(yīng)的接口來連接STM32處理器?？傮w結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，人機(jī)交互設(shè)備和控制中心組成上位機(jī)，主要通信方式是藍(lán)牙。中繼小車的通信方式為ZigBee和藍(lán)牙，使用的ZigBee模塊工作頻率為2 400～2 450 MHz，產(chǎn)品采用CC2530型號(hào)芯片，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)工作模式。測(cè)試中需要考慮的ZigBee模塊各項(xiàng)參數(shù)包括傳輸類型、PANID、MAC地址等。初始化設(shè)置完成后，各設(shè)備間就可以根據(jù)PANID是否相同進(jìn)行自動(dòng)搜索及通信。

1.2" 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

1.2.1" 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)主要是通過超聲波、紅外燈傳感器和UWB模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，在處理器進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，并且通過車載通信模塊（ZigBee模塊和藍(lán)牙模塊）完成信息的交互[11?12]。車載子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，核心處理器為STM32F405RGT6芯片，內(nèi)核為Cortex_M4，主頻為168 MB，具有多個(gè)I/O口，而且支持?jǐn)U展。在小車動(dòng)力方面，1個(gè)舵機(jī)用來控制前輪轉(zhuǎn)向，2個(gè)12V30FMG513電機(jī)控制后輪，此電機(jī)也可以獲取車輪狀態(tài)以得到一定的反饋，且小車搭載攝像頭。無線超帶寬（Ultra Wide Band， UWB）模塊采用ToF方法來測(cè)距，即測(cè)量超聲波在發(fā)射器和反射器之間的飛行時(shí)間。通過UWB模塊的標(biāo)簽與小車連接實(shí)現(xiàn)小車的定位。

經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，車載子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：車速檢測(cè)、UWB模塊實(shí)時(shí)獲取位置信息、車距檢測(cè)、車輛循跡和能量檢測(cè)。

1.2.2" 路側(cè)子系統(tǒng)

路側(cè)子系統(tǒng)主要包括信號(hào)燈、路側(cè)工控機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備。信號(hào)燈和路側(cè)工控機(jī)都與交換機(jī)相連，路側(cè)工控機(jī)讀取出信號(hào)燈的相位信息，封裝編碼后發(fā)送給路側(cè)單元（Road Side Unit， RSU），由RSU通過UDP向周圍的OBU廣播信號(hào)燈消息。

1.2.3" 后臺(tái)中心子系統(tǒng)

后臺(tái)中心子系統(tǒng)相當(dāng)于圖1中的控制層和人機(jī)交互層，是車聯(lián)網(wǎng)的管理部分，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)調(diào)度。作為全系統(tǒng)的控制核心，后臺(tái)中心子系統(tǒng)主要用于處理和分析從底層采集的各種狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)，并將來自用戶的控制信號(hào)發(fā)送到車載子系統(tǒng)和路側(cè)子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提升系統(tǒng)執(zhí)行效率。因此，后臺(tái)中心子系統(tǒng)具備以下功能：

1） 狀態(tài)記錄，能夠?qū)崟r(shí)同步小車當(dāng)前的速度、電量、位置等信息，并且有一定的數(shù)據(jù)可視化功能，便于使用者查看；

2） 遠(yuǎn)程控制，使用者能在人機(jī)交互終端控制縮微小車的移動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)一定的場(chǎng)景模擬反饋。

2" 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

2.1" 車載子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車載子系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）數(shù)據(jù)采集、后輪雙電機(jī)差速控制、自動(dòng)循跡的實(shí)現(xiàn)、車輛坐標(biāo)獲取及坐標(biāo)運(yùn)算、前車距離檢測(cè)、車輛跟隨與追趕策略等內(nèi)容，由于篇幅限制，本文主要介紹CAN數(shù)據(jù)采集、后輪雙電機(jī)差速控制。

2.1.1" CAN數(shù)據(jù)采集

CAN通過汽車的OBD接口可以讀取CAN總線消息，用USB CAN轉(zhuǎn)接口連接OBD接口，可將原始CAN數(shù)據(jù)以幀的形式通過串口通信傳輸至工控機(jī)。通過CAN總線讀取小車自身傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)識(shí)符為0x100，CAN模塊接收到數(shù)據(jù)之后需進(jìn)行解碼，部分代碼如下：

Encoder_Left=rx[0]*（1?rx[1]）;" " " " " " " " " " " " //左后輪速度

Encoder_Right=rx[2]*（1?rx[3]）;" " " " " " " " " " " //右后輪速度

Rol1=（float）（（rx[4]*256+rx[5]）?15 000）/100;" " //前進(jìn)方向角度

GZ=（rx[6]*256+rx[7]?32 768）/16.4;" " " " " "http://水平方向角速度

2.1.2" 后輪雙電機(jī)差速控制

實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向需要舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行配合，本文采用汽車普遍使用的兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪，采用后輪雙電機(jī)差速控制原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

差速控制的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

void Kinematic_Analysis（float velocity， float angle）

{

Target_A=velocity*（1+T*tan（angle）/2/L）;

Target_B=velocity*（1?T*tan（angle）/2/L）;" " " " " " " //后輪差速

Servo=SERVO_INIT+angle*K;" " " " " " " " " " " " "http://舵機(jī)轉(zhuǎn)向

}

代碼中velocity和angle分別是輸入的速度和前輪轉(zhuǎn)角。為了完成從前輪轉(zhuǎn)向角到舵機(jī)PWM控制引腳的脈沖寬度轉(zhuǎn)變，設(shè)置小車整體的系數(shù)K，這個(gè)系數(shù)與舵機(jī)的安裝及PWM的初始化有關(guān)，需要實(shí)際測(cè)量。

舵機(jī)的控制需要將運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到的目標(biāo)速度送入PID控制器進(jìn)行速度閉環(huán)控制，這樣才能輸出一個(gè)合理的實(shí)際速度。代碼如下：

int Incremental_PI_A（int Encoder， int Target）

{

static int Deangle， Pwm， Last_ Deangle;

Deangle =Target?Encoder;" " " " " " " " " " " " " " " "http://計(jì)算偏差

Pwm+=Velocity_KP*（Deangle?Last_Deangle）+Velocity_KI*

Deangle;

Last_ Deangle = Deangle;" " " " " " " " " " " //保存上一次偏差

return Pwm;" " " " " " " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " //增量輸出

}

2.2" 后臺(tái)中心子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)中心子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如下。針對(duì)來自縮微小車的數(shù)據(jù)信息如電量信息、速度信息、坐標(biāo)信息等進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)處理，解析之后在后臺(tái)中心子系統(tǒng)環(huán)節(jié)用一定的數(shù)據(jù)可視化功能進(jìn)行展示。狀態(tài)數(shù)據(jù)的解析需要定時(shí)刷新，與此同時(shí)處理和刪除一定的數(shù)據(jù)表。

針對(duì)數(shù)據(jù)狀態(tài)解析，把收到的數(shù)據(jù)信息存入緩存，使用系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)庫System.Collections.Generic對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初始化處理，把滿足要求的數(shù)據(jù)封裝為List類型數(shù)據(jù)，再解析出縮微小車的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。

車輛的遠(yuǎn)程控制主要通過開發(fā)Android APP手機(jī)端來實(shí)現(xiàn)。為了對(duì)藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行合法調(diào)用，在Android Manifest. xml文件中增加相關(guān)配置內(nèi)容：

lt;uses?permission android：name=\"android. permission. INTERNET\"/gt;

圖4所示是遠(yuǎn)程控制APP界面，可以觀測(cè)到小車當(dāng)前的速度、電量和方位信息，并且能夠通過搖桿、重力、按鍵等方式對(duì)小車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3" 車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景測(cè)試

測(cè)試場(chǎng)景選擇十字路口，本文實(shí)驗(yàn)鋪設(shè)了白底黑線的5個(gè)路口，其中包含1個(gè)十字路口、4個(gè)丁字路口，這道路之外的4個(gè)角落放置UWB定位基站，用于獲取裝載UWB定位標(biāo)簽的縮微小車的位置。

采用如圖5所示的協(xié)調(diào)方案?jìng)未a描述該情境下小車的實(shí)施策略，在圖中Sem（占用道路情況）、Lock（是否處于鎖定狀態(tài)）、State（當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)）三個(gè)變量表示縮微小車的當(dāng)前狀態(tài)。小車可以向其他小車發(fā)送Sem、Lock、State三個(gè)變量的信息，通過無線通信實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行狀態(tài)的共享。當(dāng)其他小車收到相應(yīng)的信息時(shí)，就能知道當(dāng)前路口的占用情況。Lock變量表示當(dāng)前小車處于鎖定狀態(tài)，此時(shí)這輛小車不會(huì)受到其他小車發(fā)送信息的影響。

圖6所示為兩輛車相協(xié)調(diào)的流程示意圖，本文對(duì)兩輛車經(jīng)過同一個(gè)十字路口的各種情況進(jìn)行討論。一開始兩輛縮微小車都正常行駛在道路上，Sem初值均為0。首先縮微小車1到達(dá)十字路口，發(fā)出占用信息Lock，Sem請(qǐng)求加1，表示前往先一條道路，但是縮微小車2已經(jīng)先行到達(dá)1號(hào)道路，那么縮微小車1就將State改變?yōu)镾top，待縮微小車的Lock狀態(tài)轉(zhuǎn)變并且Sem值改變之后再將State信息變換為Cross，從而進(jìn)一步行駛。其余情況以此類推，最終按照?qǐng)D6偽代碼所示的規(guī)則進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)控制，保證各小車在經(jīng)過十字路口不會(huì)發(fā)生沖突。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以看到縮微小車在經(jīng)過十字路口時(shí)的自主協(xié)調(diào)過程，小車之間通過通信模塊進(jìn)行信息共享，進(jìn)而根據(jù)先后和優(yōu)先級(jí)情況做出相應(yīng)的綜合判斷，有效避免了實(shí)際情況下交通擁堵情況的發(fā)生。

4" 結(jié)" 語

車聯(lián)網(wǎng)V2X技術(shù)作為自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)的前提，使車輛與周圍車輛以及道路進(jìn)行相互通信，從而使得車輛在換道等過程中獲得信息并進(jìn)行決策[13?14]。

為了模擬車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)了基于V2X的車聯(lián)網(wǎng)縮微模型，從硬件方面說明了車聯(lián)網(wǎng)縮微模型的系統(tǒng)框架、硬件整體架構(gòu)，進(jìn)一步介紹了組成車聯(lián)網(wǎng)縮微模型的三個(gè)部分，即車載子系統(tǒng)、路側(cè)子系統(tǒng)和后臺(tái)中心子系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)車聯(lián)網(wǎng)縮微模型的軟件部分進(jìn)行了說明，分別從車載子系統(tǒng)和后臺(tái)中心子系統(tǒng)兩部分進(jìn)行闡述。

針對(duì)實(shí)際車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了分析和仿真開發(fā)，最后根據(jù)所設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)縮微模型進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可行性。

注：本文通訊作者為吳菁晶。

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作者簡介：楊一桐（1990—），女，遼寧沈陽人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

吳菁晶（1981—），女，遼寧沈陽人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)、光網(wǎng)絡(luò)可靠性等。