本發(fā)明設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,特別涉及了一種基于無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的超馳控制避障智能車(chē)及其控制方法。
背景技術(shù):
近年來(lái)可以對(duì)周?chē)h(huán)境感知、與避障的智能避障智能車(chē)較為流行,但由于缺乏物聯(lián)網(wǎng)的支持,多車(chē)系統(tǒng)的調(diào)度很難實(shí)現(xiàn)。本智能車(chē)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多車(chē)組網(wǎng),所有車(chē)輛均在網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一動(dòng)作、統(tǒng)一調(diào)度,交通系統(tǒng)的調(diào)控實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)大大降低,有助于交通系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)化和統(tǒng)一管理。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通行業(yè)的模擬應(yīng)用場(chǎng)景,多個(gè)智能避障智能車(chē)可以進(jìn)行狀態(tài)感知和信息共享,并通過(guò)超馳控制模塊達(dá)到平滑避障的功能,有著較大的應(yīng)用前景。
為達(dá)到目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案如下:一種基于無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的超馳控制避障智能車(chē),包括避障智能車(chē)及安裝在避障智能車(chē)上的狀態(tài)感知模塊、無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊、調(diào)控模塊、超馳控制模塊;
所述狀態(tài)感知模塊用于測(cè)量避障智能車(chē)的姿態(tài)參數(shù),該姿態(tài)參數(shù)包括避障智能車(chē)的位置、運(yùn)行方向、該車(chē)與前車(chē)或障礙物的距離、速度;
所述無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊用于收發(fā)狀態(tài)感知報(bào)文,所述狀態(tài)感知報(bào)文由狀態(tài)感知模塊測(cè)量得到的避障智能車(chē)的姿態(tài)參數(shù)組成;
所述調(diào)控模塊根據(jù)所述物聯(lián)網(wǎng)模塊提供的來(lái)自其它避障智能車(chē)的狀態(tài)感知報(bào)文進(jìn)行其它避障智能車(chē)的信息提取,并對(duì)提取的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到南北、北南、東西、西東的交通流量對(duì)十字路口的通行時(shí)間片進(jìn)行劃分,若避障智能車(chē)到達(dá)路口的時(shí)間位于通行窗口內(nèi),則對(duì)超馳控制模塊下達(dá)“通行/pass”指令,使避障智能車(chē)通行;若避障智能車(chē)的時(shí)間不在通行窗口內(nèi),則對(duì)超馳控制模塊下達(dá)“停止/stop”指令;
所述超馳控制模塊包括姿態(tài)保持模塊和速度控制模塊,用于控制避障智能車(chē)及時(shí)行進(jìn)、平滑減速、平滑加速、平滑停車(chē)。
進(jìn)一步的,所述避障智能車(chē)包括電池組、電機(jī)、電壓轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、輪子及車(chē)架;所述車(chē)架上對(duì)稱(chēng)安裝四個(gè)輪子;所述電池組與電壓轉(zhuǎn)換模塊相連;所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分別與電機(jī)和電壓轉(zhuǎn)換模塊相連;所述電機(jī)輸出軸與輪子相連,所述電機(jī)安裝在車(chē)架上,所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊與超馳控制模塊相連。
利用上述的基于無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的超馳控制避障智能車(chē)的控制方法,具體包括如下步驟:
(1)車(chē)輛的狀態(tài)包含五個(gè)狀態(tài):組態(tài)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、超馳狀態(tài)、決斷狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài),避障智能車(chē)在這五個(gè)狀態(tài)間進(jìn)行切換;
(2)每個(gè)宏周期開(kāi)始時(shí),車(chē)輛進(jìn)入組態(tài)狀態(tài),此時(shí)車(chē)輛的狀態(tài)感知模塊進(jìn)行信息的采集,無(wú)線網(wǎng)模塊進(jìn)行狀態(tài)感知報(bào)文的收發(fā),由調(diào)控模塊計(jì)算通行時(shí)間片;
(3)當(dāng)組態(tài)狀態(tài)結(jié)束后,車(chē)輛進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài),此時(shí)車(chē)輛由姿態(tài)保持模塊控制,車(chē)輛在車(chē)道內(nèi)運(yùn)動(dòng);
(4)當(dāng)車(chē)輛收到調(diào)控模塊的stop指令或檢測(cè)到與前車(chē)距離小于預(yù)設(shè)最小閾值thresholdmin時(shí),避障智能車(chē)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài),此時(shí)避障智能車(chē)左側(cè)車(chē)輪速度
(5)當(dāng)車(chē)輛檢測(cè)到與前車(chē)距離小于設(shè)定閾值threshold時(shí),避障智能車(chē)進(jìn)入超馳狀態(tài),由速度控制模塊進(jìn)行速度控制;
(6)十字路口交界處時(shí),車(chē)輛與按照調(diào)控模塊的判斷通行指令來(lái)確定轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或停止?fàn)顟B(tài)。
進(jìn)一步的,所述步驟(3)的姿態(tài)保持模塊控制車(chē)輛具體如下:其特征在于:所述調(diào)控模塊計(jì)算通行時(shí)間片具體如下:一個(gè)宏周期t內(nèi)有東西向和南北向兩個(gè)通行窗口t1和t2,若系統(tǒng)時(shí)間位于東西向通行窗口,則東西向和西東向車(chē)輛可以通過(guò)路口;若系統(tǒng)時(shí)間位于南北向通行窗口,則南北和北南向車(chē)輛可以通過(guò)路口,若東西、西東、南北、北南的車(chē)輛數(shù)量為n1,n2,n3,n4,車(chē)輛的數(shù)量可由所述步驟(2)得到,則:
所述東西向通行時(shí)間片為
所述南北向通行時(shí)間片為
若車(chē)輛局部坐標(biāo)系下的速度
其中
車(chē)輛的質(zhì)心p全局坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)速度
其中,其中
(3.1)當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛與車(chē)道右側(cè)過(guò)近時(shí),控制左側(cè)的兩個(gè)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),右側(cè)的兩個(gè)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí)
(3.2)當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛與車(chē)道左側(cè)過(guò)近時(shí),可以通過(guò)單片機(jī)控制右側(cè)的兩個(gè)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),左側(cè)的兩個(gè)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),
(3.3)重復(fù)(3.1)和(3.2),進(jìn)行以周期t進(jìn)行閉環(huán)控制。
進(jìn)一步的,所述步驟(3)的姿態(tài)保持模塊控制車(chē)輛具體如下:
當(dāng)狀態(tài)感知模塊測(cè)量計(jì)算的本車(chē)與前車(chē)或障礙物的距離大于設(shè)定的閾值threshold時(shí),車(chē)輛左側(cè)輪子轉(zhuǎn)速
進(jìn)一步的,所述步驟(5)的速度控制模塊具體如下:
當(dāng)本車(chē)與前車(chē)或障礙物的距離distance小于設(shè)定的閾值threshold時(shí),
(5.1)當(dāng)該距離distance大于閾值threshold且調(diào)控模塊指令為pass時(shí),由所述的車(chē)道保持功能對(duì)避障智能車(chē)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,此時(shí)避障智能車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度為
(5.2)當(dāng)距離distance小于閾值threshold且調(diào)控模塊指令為pass時(shí),避障智能車(chē)的速度
(5.3)當(dāng)距離distance減小到最小距離thresholdmin時(shí)或調(diào)控模塊指令為stop時(shí),
(5.4)根據(jù)(5.1)–(5.3),
(5.5)重復(fù)(5.1)-(5.3),進(jìn)行以周期t進(jìn)行閉環(huán)控制。
本發(fā)明的有益效果如下:
(1)本發(fā)明所涉及的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊使用epawireless工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議,組網(wǎng)協(xié)議可靠,魯棒性好;此外,組網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)避障智能車(chē)時(shí)鐘同步、調(diào)度同步,大幅減小了交通調(diào)控的信號(hào)滯后和交通系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù),有助于交通系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)化和統(tǒng)一管理;
(2)本發(fā)明所涉及的超馳控制模塊可以讓避障智能車(chē)以平緩的速度變化處理特情,達(dá)到及時(shí)行進(jìn)、平滑減速、平滑加速、平滑停車(chē)的效果,從而避免了場(chǎng)地侵入出現(xiàn)的避障智能車(chē)碰撞、調(diào)度混亂等問(wèn)題,提高了交通仿真系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和魯棒性;
附圖說(shuō)明
圖1所示為本發(fā)明所提供的可避障智能避障智能車(chē)系統(tǒng)示意圖;
圖2所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)底板俯視圖;
圖4所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)頂板俯視圖;
圖5所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)底板仰視圖;
圖6所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)前視圖;
圖7所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)側(cè)視圖;
圖8所示為本發(fā)明所提供的避障智能車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖;
圖9所示為本發(fā)明所提供的超馳控制模塊中的姿態(tài)保持模塊工作流程圖;
圖10所示為本發(fā)明所提供的避障智能車(chē)運(yùn)動(dòng)控制方塊圖;
圖中:?jiǎn)纹瑱C(jī)1、電源驅(qū)動(dòng)模塊2、測(cè)速模塊3、節(jié)點(diǎn)4、紅外巡線模塊5、電壓轉(zhuǎn)換模塊6、電池組7、霍爾傳感器8、超聲波傳感器9、減速電機(jī)10、紅外線傳感器11。
具體實(shí)施方式
為方便本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的本質(zhì),下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)闡述。
如圖1所示,基于物聯(lián)網(wǎng)的超馳控制避障智能車(chē),包括避障智能車(chē)及安裝在避障智能車(chē)上的狀態(tài)感知模塊、無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊、調(diào)控模塊、超馳控制模塊。其中狀態(tài)感知模塊可以進(jìn)行方位測(cè)量、與前車(chē)距離的測(cè)量、速度測(cè)量和車(chē)身姿態(tài)測(cè)量;無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊具有信息交換、加密和授時(shí)的功能;調(diào)控模塊通過(guò)計(jì)算時(shí)間片的方式來(lái)判斷避障智能車(chē)通過(guò)的條件,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指令的下達(dá);超馳控制模塊可以通過(guò)位式控制進(jìn)行車(chē)道的保持,通過(guò)超馳控制避免防撞;超馳控制模塊為避障智能車(chē)系統(tǒng)的執(zhí)行器;在避障智能車(chē)進(jìn)行工作時(shí),狀態(tài)感知模塊可以對(duì)當(dāng)前的交通狀態(tài)進(jìn)行信息采集,并通過(guò)9600bps串口將信息傳送到無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊,無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊在將信息加密后進(jìn)行消息發(fā)送,當(dāng)其他避障智能車(chē)的信息傳來(lái)時(shí),無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊可以對(duì)信息進(jìn)行解密并將其他避障智能車(chē)的狀態(tài)信息遞交給調(diào)控模塊,調(diào)控模塊經(jīng)計(jì)算后將指令下達(dá)到超馳控制模塊,當(dāng)超馳控制模塊檢查滿足邊界條件后將會(huì)通過(guò)電機(jī)進(jìn)行執(zhí)行,執(zhí)行后的效果將會(huì)改變交通狀態(tài),從而進(jìn)入下一個(gè)周期的計(jì)算。
如圖2所示是避障智能車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中所述無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊可選為epawireless協(xié)議,硬件可選為epawireless射頻板;所述狀態(tài)感知模塊可選為霍爾傳感器用于測(cè)量物理位置,超聲波模塊用于測(cè)量與前車(chē)或障礙物的距離,光電測(cè)速模塊用于測(cè)量避障智能車(chē)的行進(jìn)速度;所述超馳控制模塊,單片機(jī)型號(hào)為arduinomega2560r3單片機(jī),所述電源驅(qū)動(dòng)模塊型號(hào)為l293d,所述電壓轉(zhuǎn)換模塊為型號(hào)為2596,電池選用2個(gè)3700mah的18650電池進(jìn)行供電;所述超馳控制模塊采用紅外巡線模塊采用lm339電位比較器作為基本傳感器。所述電源驅(qū)動(dòng)模塊與電壓轉(zhuǎn)換器相連,電源驅(qū)動(dòng)m1,m2端口與左側(cè)前、后電機(jī)相連,電源驅(qū)動(dòng)m3,m4端口與右側(cè)前、后電機(jī)相連,所述光電測(cè)速模塊與arduino單片機(jī)通過(guò)數(shù)字端口相連,通過(guò)對(duì)連接在軸上的碼盤(pán)檢測(cè)速度,所述紅外巡線模塊采用lm339電位比較器,與arduino單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)端口和scl端口相連,檢測(cè)道路邊界和停車(chē)線,所述ys-27霍爾傳感器,與arduino單片機(jī)通過(guò)sda端口相連,可測(cè)量通過(guò)布置在地面上的磁鐵數(shù)量來(lái)從而得知避障智能車(chē)的物理位置,所述超聲波模塊型號(hào)為hc-sr04,與arduino單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)端口相連,可檢測(cè)與障礙物的距離;所述2596電壓轉(zhuǎn)換模塊分別與電池組和電源驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)電力線相連;所述epawireless射頻板單片機(jī)型號(hào)為cc2530,與arduino單片機(jī)通過(guò)串口相連;所述車(chē)架為arduino單片機(jī)、epawireless射頻板和傳感器的載體,所述電池選用2個(gè)3700mah的18650電池進(jìn)行供電。
如圖3所示是避障智能車(chē)的三視圖。元器件包括ys-27霍爾傳感器8、hc-sr049、減速電機(jī)10、紅外線傳感器11。底盤(pán)及元器件部署方式應(yīng)按照如圖所示的方式進(jìn)行安裝,所有傳感器與arduinomega2560r3單片機(jī)之間采用杜邦線的方式進(jìn)行連接;所述電源驅(qū)動(dòng)模塊與電機(jī)、18650電池組的線采用電線相連。
如圖3所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)底板俯視圖,元器件包括arduinomega2560r3單片機(jī)1、電源驅(qū)動(dòng)模塊2、測(cè)速模塊3,測(cè)速模塊3與arduinomega2560r3單片機(jī)1通過(guò)杜邦線的方式進(jìn)行連接;電源驅(qū)動(dòng)模塊2與arduinomega2560r3單片機(jī)1通過(guò)插針連接;
如圖4所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)頂板俯視圖,元器件包括epawireless節(jié)點(diǎn)4、lm339紅外巡線模塊5、2596電壓轉(zhuǎn)換模塊6、電池組7;epawireless節(jié)點(diǎn)4、lm339紅外巡線模塊5通過(guò)杜邦線與圖3中arduinomega2560r3單片機(jī)1進(jìn)行連接;2596電壓轉(zhuǎn)換模塊6與電池組7通過(guò)電力線進(jìn)行連接;
如圖5所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)底板仰視圖,元器件包括ys-27霍爾傳感器8、hc-sr04超聲波傳感器9、減速電機(jī)10;其中ys-27霍爾傳感器8、hc-sr04超聲波傳感器9通過(guò)杜邦線與圖3中arduinomega2560r3單片機(jī)1進(jìn)行連接;
如圖6所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)前視圖;元器件包括紅外線傳感器11;紅外線傳感器11通過(guò)杜邦線與圖4所示的lm339紅外巡線模塊5進(jìn)行連接;
如圖7所示為本發(fā)明所提供的智能避障智能車(chē)側(cè)視圖;
如圖8所示是智能避障智能車(chē)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,包括組態(tài)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、決斷狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)和超馳狀態(tài)5個(gè)狀態(tài)。組態(tài)狀態(tài)時(shí)避障智能車(chē)可以通過(guò)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊獲取并與其他避障智能車(chē)交換交通狀態(tài)信息,計(jì)算避障智能車(chē)可以通過(guò)路口的通行時(shí)間片;組態(tài)時(shí)間結(jié)束后避障智能車(chē)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài),由姿態(tài)控制模塊實(shí)現(xiàn)車(chē)道保持功能;當(dāng)避障智能車(chē)與前車(chē)距離小于設(shè)定閾值threshold時(shí),避障智能車(chē)進(jìn)入超馳狀態(tài),由速度控制模塊控制避障智能車(chē)的速度;當(dāng)避障智能車(chē)與前車(chē)的距離小于最小設(shè)定閾值thresholdmin時(shí),避障智能車(chē)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài);當(dāng)避障智能車(chē)抵達(dá)十字路口時(shí),避障智能車(chē)進(jìn)入決斷狀態(tài),此時(shí)避障智能車(chē)需要判斷避障智能車(chē)是否位于通行時(shí)間片內(nèi),若在同行時(shí)間片內(nèi),則恢復(fù)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài),否則進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài),此時(shí)避障智能車(chē)靜止,需要等到下一個(gè)宏周期組態(tài)時(shí)間開(kāi)始后才能轉(zhuǎn)移到組態(tài)狀態(tài);
如圖9所示的是超馳控制模塊中的姿態(tài)保持模塊的車(chē)道保持功能,每隔一定的周期t進(jìn)行調(diào)控,開(kāi)始之后,所有的電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)檢測(cè)到避障智能車(chē)與車(chē)道右側(cè)過(guò)近時(shí),可以通過(guò)單片機(jī)控制避障智能車(chē)向左微調(diào);當(dāng)檢測(cè)到避障智能車(chē)與車(chē)道左側(cè)過(guò)近時(shí),可以通過(guò)單片機(jī)控制避障智能車(chē)向右微調(diào),由此進(jìn)行以一定時(shí)間為周期的閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)車(chē)道保持功能。
如圖10所示是避障智能車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制方塊圖,系統(tǒng)的輸入為方向設(shè)定和與前車(chē)距離設(shè)定,對(duì)應(yīng)姿態(tài)保持模塊(方向控制)與超馳控制模塊(距離控制),正常情況下方向保持的輸出信號(hào)可以被低選器選中,從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制功能,當(dāng)檢測(cè)到與前車(chē)距離過(guò)近時(shí),距離控制的輸出信號(hào)會(huì)逐漸降低,當(dāng)信號(hào)低于姿態(tài)保持模塊的輸出信號(hào)時(shí),超馳控制模塊的輸出信號(hào)就會(huì)被選中,從而代替了姿態(tài)保持功能對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了防撞;當(dāng)檢測(cè)到與前車(chē)距離足夠大的時(shí)候,超馳控制模塊的信號(hào)會(huì)逐漸升高,從而將控制權(quán)交還給姿態(tài)保持控制器,從而實(shí)現(xiàn)了超馳控制,實(shí)現(xiàn)了用多種控制模塊控制同一個(gè)控制對(duì)象的功能。
工作原理:在避障智能車(chē)上電后,其攜帶的epawireless射頻板4與主時(shí)鐘進(jìn)行同步,當(dāng)所有避障智能車(chē)的從時(shí)鐘均完成同步后,避障智能車(chē)可以出發(fā),通過(guò)運(yùn)行四輪智能車(chē)行進(jìn)模塊、利用lm339紅外巡線模塊在車(chē)道上行駛,同時(shí)利用ys-27霍爾傳感器、hc-sr04超聲波傳感器進(jìn)行自身位置、與前車(chē)距離的測(cè)量。若檢測(cè)到與前車(chē)或障礙物距離小于設(shè)定閾值threshold,則通過(guò)超馳控制模塊與前車(chē)或障礙物保持一定的距離。此外避障智能車(chē)可以通過(guò)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊中的epawireless協(xié)議進(jìn)行行進(jìn)方向、位置的狀態(tài)共享。在宏周期開(kāi)始的1s之內(nèi)智能避障智能車(chē)會(huì)陸續(xù)收到其他智能避障智能車(chē)的狀態(tài)通報(bào),并通過(guò)調(diào)控模塊判斷避障智能車(chē)是否應(yīng)通過(guò)十字路口。每個(gè)智能避障智能車(chē)通過(guò)運(yùn)行相同的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式控制,以達(dá)到無(wú)碰撞通過(guò)十字路口的目的。