CN104680914A - 基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统，属于自主驾驶技术、智能交通领域以及室内定位技术领域。本发明以具有完全自主性的微型自主无人车和仿真沙盘为基础，通过无线局域网和RFID室内定位技术实现系统的互联以及对系统中各个自主微型无人车行驶位置和状态的监控，同时监控调度计算机可以实时修改自动驾驶程序，通过设计各种算法智能调度无人车，实现了低成本、高安全性、高效率的自主驾驶和智能交通调度的实物验证平台，也可用于研究车联网中的些问题。

Description

基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统

技术领域

本发明涉及自主驾驶技术、智能交通领域以及室内定位技术领域，具体涉及一种基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统。

背景技术

智能交通系统是当前交通运输领域研究的前沿课题，是解决城市交通拥挤、改善行车安全，提高交通运输效率和减少空气污染的最佳途径。交通调度算法和自主驾驶技术是智能交通的两项关键技术，而这两项关键技术的理论进展在实际环境中验证往往耗费较大成本，因此多采用软件模拟或仿真验证，这种方法无法真实展现实际环境的各种情况。

室内的小型实物交通仿真模拟系统无疑是验证智能交通调度算法和自主驾驶技术的理想平台，然而当前的交通模拟系统大多不具有智能性，只能按照设定程序进行简单演示。少数具有智能性的平台又往往只能进行较为简单的个体自主行为的验证，不具备进行系统级调度算法验证的条件。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种智能交通调度实物模拟系统，以实现采用无人驾驶技术和智能交通调度技术的车辆在个体级和系统级的实物仿真验证。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统，包括微型自主无人车、监控调度计算机和室内交通道路仿真沙盘，其中，

所述微型自主无人车是搭载有摄像机、传感器、工控计算机、电子标签读卡器和单片机的电动模型车，用于依靠机器视觉沿着室内交通道路仿真沙盘的车道线按照交通规则自主行驶，自动根据实际情况进行超车换道、红灯停车、识别交通标志并作出相应的动作，同时读取电子标签位置信息，并接收来自监控调度计算机的信息，通过自主路径规划实现交通拥堵躲避和出租呼叫应答；

所述监控调度计算机通过无线局域网与微型自主无人车连接，用于实时显示微型自主无人车的位置和运行参数，并且控制交通信号灯，向所述微型自主无人车发送信息以进行交通系统调度，可验证不同的规划调度算法以及实时修改微型自主无人车的行驶程序；

所述室内交通道路仿真沙盘采用高密度板基，以钢结构支撑，并具有黑色表面、白色车道线、高架桥、十字路口交通灯、绿化带及交通标志，白色车道线上每隔一定距离铺设有电子标签用于车辆定位，每个电子标签有不同的ID号，表示每个电子标签的位置信息；

所述工控计算机为X86工控机，X86工控机分别与摄像机和单片机连接，单片机为ARM单片机，传感器为红外传感器，红外传感器安装在微型自主无人车的两侧车门处；所述微型自主无人车还包括控制器、电子调速器、电机，以及用于反馈车辆的实时速度的测速编码器；所述电子标签读卡器包括电子标签主控板及天线，天线安装于微型自主无人车的车底盘下面，通过电缆与电子标签主控板的I/O口连接，电子标签主控板通过串口与X86工控机通信。

优选地，由所述控制器、电子调速器、电机，以及用于反馈车辆的实时速度的测速编码器组成的车速控制系统采用分段闭环控制方法进行车速控制，分段闭环控制方法实现公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}u\left(k\right)=U_{\max }& e\left(k\right)>E\\ u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_{i}T\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}e\left(j\right)+\frac{K_d}{T}\mathrm{\&Delta;e}\left(k\right)& -E\&le;e\left(k\right)\&le;E\\ u\left(k\right)=-U_{\max }& e\left(k\right)<-E\end{array}\right.$

其中，u(k)为控制器输出的油门控制量，e(k)为第k个采样周期时测速编码器实时反馈的速度与给定值间的偏差，T为采样周期，当偏差值e(k)大于预设阈值E时，输出正向最大控制量U_max，当偏差值e(k)小于-E时，输出反向最大控制量-U_max，K_p、K_i、K_d、E为可调参数，△e(k)=e(k)-e(k-1)，所述油门控制量由所述电子调速器以PWM指令的形式发出。

优选地，在所述白色车道线上的分叉路口、转向路口和十字路口的前、后位置铺设所述电子标签。

（三）有益效果

本发明以具有完全自主性的微型自主无人车和仿真沙盘为基础，通过无线局域网和RFID室内定位技术实现系统的互联以及对系统中各个自主微型无人车行驶位置和状态的监控，同时监控调度计算机可以实时修改自动驾驶程序，通过设计各种算法智能调度无人车，实现了低成本、高安全性、高效率的自主驾驶和智能交通调度的实物验证平台，也可用于研究车联网中的些问题。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；

图2为微型自主无人车结构框图；

图3为微型自主无人车功能模块图；

图4为无人车状态转换图；

图5为车速闭环控制示意图；

图6为RFID定位系统组成图；

图7为电子标签分布图；

图8为指令帧格式。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统，包括微型自主无人车1、监控调度计算机2、室内交通道路仿真沙盘3以及交通灯控制器4，其中，

所述微型自主无人车1是搭载有摄像机、多种传感器、一个工控计算机、一个电子标签（RFID）读卡器和单片机的1:10电动模型车，系统中有多台微型自主无人车，用于依靠机器视觉沿着室内交通道路仿真沙盘的车道线按照交通规则自主行驶，自动根据实际情况进行超车换道、红灯停车、识别交通标志并作出相应的动作，同时读取电子标签位置信息，并接收来自监控调度计算机的信息，通过自主路径规划实现交通拥堵躲避和出租呼叫应答；

所述监控调度计算机2通过无线局域网（包括无线路由器5）与微型自主无人车1连接，用于实时显示微型自主无人车的位置和运行参数，并且控制交通信号灯，向所述微型自主无人车发送信息以进行交通系统调度，可验证不同的规划调度算法以及实时修改微型自主无人车的行驶程序；监控调度计算机2还通过无线串口6与交通灯控制器4通信；

所述室内交通道路仿真沙盘3采用高密度板基，以钢结构支撑，并具有黑色表面、白色车道线、高架桥、十字路口交通灯、绿化带及交通标志，白色车道线上每隔一定距离铺设有电子标签用于车辆定位，每个电子标签有不同的ID号，表示每个电子标签的位置信息；

所述工控计算机为X86工控机，X86工控机分别与摄像机和单片机连接，单片机为Arm单片机，传感器为红外传感器，红外传感器安装在微型自主无人车的两侧车门处，辅助检测两边车道的车辆；所述微型自主无人车还包括控制器、电子调速器、电机，以及用于反馈车辆的实时速度的测速编码器；所述电子标签读卡器包括电子标签主控板及天线，天线安装于微型自主无人车的车底盘下面，通过电缆与电子标签主控板的I/O口连接，电子标签主控板通过串口与X86工控机通信。

本实施例中，微型自主无人车按照与真车1:10的比例制作，其结构如图2所示，可划分为上层运算系统、底层控制系统以及RFID读卡器三个部分。上层运算系统由一台X86工控机以及与其相连的摄像机、无线网卡组成；底层控制系统使用Arm单片机与外围设备交互。无人车功能如图3所示，划分为三个部分，在工控机中的上层运算系统功能、在ram单片机中的底层控制系统功能以及在RFID主控板上的读卡功能。

上层运算系统功能主要进行图像采集，车道线、交通标志、信号灯、障碍物、锥桶的识别检测，图像的采集周期为30ms，每帧图像处理完成后更新公共内存中对应的变量，对于交通标志、信号灯等运算量较大而实时性要求不高的模块，设定检测周期为90ms。控制决策功能不断读取公共内存中的结果变量，决策出不同的状态，从而最终得出每个控制周期小车方向、速度的给定值。状态转换通过状态机的切换实现，如图4所示，例如车辆当前处于道路跟踪状态，此时的速度和方向由车道线检测值决定，若在此状态中检测到前方有障碍物或车辆，则会分三种情况处理：

（1）若与前方车辆距离不断增大，或者与当前车距离减小但是距离小于换道距离，则保持当前道路跟踪状态；

（2）若与前方车辆距离不断减小、两侧有空闲车道并且距离大于停车距离而小于换道距离，则进入换道超车状态；

（3）若与前方车辆距离不断减小、两侧无空闲车道并且距离小于停车距离，则进入停车等待状态。

位置信息提取及发送功能不断接收RFID读卡通过串口发来的位置信息，更新公共内存区中的位置变量，并将位置信息通过TCP/IP协议发送给监控调度计算机。

底层控制系统功能通过串口接收工控机发出的给定信息，车灯控制模块控制车辆在转向、刹车发出不同的闪烁或长亮指示，同时也可作为调试时车辆进入不同状态的指示。红外传感器控制功能读取红外传感器输出的障碍距离，根据距离大小辅助判断两侧车道是否空闲；沙盘中含有高架桥，为了保证速度恒定，上桥时需要加大油门，下桥是减小油门甚至给反向油门，常规的使用倾角传感器检测倾角以改变策略的方式不仅增加了系统复杂度，而且速度不连续，容易无检测。本发明的车速控制采用分段PID闭环控制算法，当小车上下桥时仍然能够保证快速稳定的按照给定控制车速。如图5所示，编码器实时反馈车速，上层运算系统计算得出给定速度，通过单片机内的控制算法的出最终的电子调速器的PWM指令。PID算法实现公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}u\left(k\right)=U_{\max }& e\left(k\right)>E\\ u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_{i}T\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}e\left(j\right)+\frac{K_d}{T}\mathrm{\&Delta;e}\left(k\right)& -E\&le;e\left(k\right)\&le;E\\ u\left(k\right)=-U_{\max }& e\left(k\right)<-E\end{array}\right.$

u(k)为控制器输出的油门控制量，e(k)为第k个采样周期时的速度和给定值的偏差，T为采样周期。由于车辆油门有一定上限，速度偏差较大时进入非线性区，为了达到最快的调整速度，对PID公式进行了改进，当偏差值大于预设阈值E时，输出正向最大控制量U_max，当偏差值小于-E时，输出反向最大控制量。适当调整K_p、K_i、K_d、E四个参数即可得到较好的速度跟踪曲线。△e(k)=e(k)-e(k-1)。

图3中的RFID读卡器功能运行于RFID主控板上，完成询卡、冲突检测、密码认证等电子标签识别流程，并将电子标签ID号对应的路段号（LID）通过串口协议发送至上层工控机。

电子标签又称为射频卡或非接触式IC卡，它由集成电路(控制电路与存储器)和天线组成，每个标签具有全球唯一的电子编码，本发明利用此特性进行室内沙盘路段的标记区分。无源电子标签内没有电池，从读取器产生的电磁场中以电感耦合的方式获得能量，卡片喷涂与路面相同颜色的颜料后贴在路面上，不会影响车辆行驶和沙盘美观。RFID定位系统组成如图6所示，当车辆通过路面上铺设的电子标签时，车辆底盘上安装的天线与电子标签产生电磁感应，车体内部的主控板读取天线感应输出的电子标签ID，并将此ID号转化为长度为1字节的路段号以便于通过串口传送到上位工控机。

电子标签根据实际道路情况铺设于整个沙盘道路上，在分叉路口、转向路口和十字路口前后必须铺设电子标签，如图7所示。因为电子标签ID号不利于存储传输和处理，构建系统时要为沙盘中的每个标签分配一个一字节长的唯一的路段号——LID，组成一个表，上层系统处理和传送的是路段号。各个路段的路段号即道路的绝对坐标，通过该坐标可以为整个沙盘构建数字地图，以用于定位和调度。

因为每个电子标签的实际位置是固定不变的，因此任意两个标签的相对关系也是固定的。在本系统的地图中，如果小车驶过一个标签，下一个可能经过的标签最多有两种可能，类似的，与该标签相邻的上一个标签号也只有两种可能。例如图7所示情况，与标签1A相邻的上一个标签为标签19，下一个标签有两种可能，分别为标签1B和标签2C。利用这个特性，可以更加方便的实现路径搜索和规划。本发明使用结构体来存储每个电子标签的路段号码信息，定义如下所示：

监控调度功能主要由监控调度计算机实现。沙盘地图完全按照实际沙盘的尺寸比例绘制。对于沙盘上每辆车，通过其IP地址进行区分，每30ms接收一次小车发来的位置信息，并刷新地图上小车的位置。具体可实现以下功能：

（1）增加和减少当前监控的车辆

通过TCP/IP协议与小车通信成功后，自动为每辆新加入的小车分配一个序号，序号从1开始按顺序分配，用于监控显示和指令发送。

（2）发送和接收指令

发送指令可以选择广播、组播或单播，单播和组播需要填写目标IP地址；接收文本框可以显示接收到的消息。指令帧格式如图8所示，共有六个字节，前两个字节为起始字节，第三个字节为命令字节，四、五字节为命令内容字节，第六字节为CRC校验字节。输入指令时，只输入指令类型和指令内容三个自己即可，监控调度计算机会自动添加帧头和校验字节。指令编号和格式如下表所示

（3）交通信号灯控制

可发送指令控制沙盘中的交通信号灯，指令通过无线串口发送。此外，交通信号灯还可通过遥控器实时控制。

本发明提出了一种车辆本地路径规划和交通系统规划相结合的最优路径规划方法：车辆根据自身位置状态自主规划路径，交通监控调度系统从系统的角度衡量各个车辆的规划结果并进行反馈，达到局部和系统的最优。使用该方法在智能交通模拟系统中实现了拥堵调度和出租车呼叫功能。

调度员观测交通状况，通过监控调度实时对交通情况进行监控，可仿真模拟实现以下两种交通调度功能：

（1）交通拥堵报警功能

当某个路段发生拥堵时，通过该功能可实现系统中所有车辆自动避开拥堵路段。步骤如下：

1）通过监控调度计算机广播拥堵路段的起始和终止路段号码；

2）微型无人车接收到拥堵信息后，搜索拥堵路段各个标签的距离最小岔路标签，并存储在小车本地程序的一个二维数组的第一维中（traffic_jam[i][0]），设定小车在该标签的转弯方向并存储在该数组第二维中（traffic_jam[i][1]）。完成存储后小车项监控调度计算机发送信息“n号车收到！”。

3）当微型无人车经过任意一个数组中存储的电子标签时，会根据设定的方向自动选择正确的路径以避开拥堵路段。

本发明也可以将监控调度计算机功能设定为自动报警模式，监控调度计算机会统计当前每个路段所容纳的车辆，当车辆数超过阈值时自动发送拥堵报警广播信息。

（2）出租车呼叫功能

在地图上任一点呼叫时，出租车可以在最短时间前来迎接。本发明提出了一种基于时间最优的规划算法，在系统中的实现过程如下：

1）设定呼叫点

通过双击监控调度计算机中的地图的任一点，或者从菜单栏输入呼叫指令的方式设定呼叫点；

2）微型自主无人车本地的路径规划

本发明需人为指定15条覆盖沙盘中所有道路的闭环路径，分别存储于循环链表中，并将各个链表的头地址存放于一个数组中，作为路径库。当属性为出租车的小车接收到呼叫广播时，搜索路径库中的路径，计算得出从当前点到呼叫点时间最优的路径和时间参数t。根据实际情况将路段分为4种类型，4种类型路段分别分配相应的时间因子，如下表所示：

对于不包含起止两个标号中任一个标号的路径，记t_n=∞。路径时间参数计算如下：

$t_{\min }=\underset{i=\mathrm{LID}0}{\overset{\mathrm{LID}1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T[k_{\min }{]}_i=\min \left(\underset{i=\mathrm{LID}0}{\overset{\mathrm{LID}1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T\right[0{]}_i,...,\underset{i=\mathrm{LID}0}{\overset{\mathrm{LID}1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T[k{]}_i,...,\underset{i=\mathrm{LID}0}{\overset{\mathrm{LID}1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T[14{]}_i)$

t_min是当前小车的最优时间参数，k_min为最优时间对应的路径号，T[k]_i是第k条路径的第i路段的时间因子，LID0是起始路段的标号，LID1为呼叫路段的标号。

3）微型自主无人车将时间参数t_min通过TCP/IP协议返回给监控调度计算机；

4）监控调度计算机对所有出租车返回的时间参数排序，找到最小的时间参数并广播该参数对应的车辆号；

5）所有车辆接收车辆号，选中车辆开始按照最优时间对应的路径行驶，判断到达呼叫点后自动停车；其他车辆结束出租车呼叫通信进入常规行驶。

由以上实施例可以看出：

（1）提供了一种低成本、高安全性、扩展性好的智能交通实物仿真平台，用于研究验证和演示自主驾驶、路径规划和智能交通调度算法，经过平台仿真验证的算法可以指导真实环境中的无人车自主驾驶和智能交通系统的调度规划。

（2）本发明提出了一种基于无源电子标签的定位方法，与其他传感器定位方法相比易于实现，成本低，不占空间，不需外接电源和接口电路，可以根据需要调整两个卡的间距来实现定位精度和算法效率的平衡，对于生产线、煤矿等具有内部移动设备需要定位的情况具有借鉴意义。

（3）提出了基于电子标签定位方法的电子地图创建方法和相应路径规划方法。

（4）本实物模拟系统使用的监控调度系统也可用于相关的室内演示系统的监控指挥。

（5）设计实现了微型无人车的环境感知、决策控制等自动驾驶技术的关键模块，实现思想和算法可被真车的无人驾驶所借鉴。采用改进的PID算法实现车速控制，减少了传感器数量，提高了稳定性。

（6）提出了车辆本地路径规划和交通系统规划相结合的最优调度规划方法，并应用在了智能交通实物模拟系统中，实现了道路拥塞和出租车呼叫的调度规划，实时性好，运行可靠，可以被实际交通调度系统所借鉴。系统具有良好的扩展性，还可设计实现更多智能交通项目。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统，其特征在于，包括微型自主无人车、监控调度计算机和室内交通道路仿真沙盘，其中，

所述微型自主无人车是搭载有摄像机、传感器、工控计算机、电子标签读卡器和单片机的电动模型车，用于依靠机器视觉沿着室内交通道路仿真沙盘的车道线按照交通规则自主行驶，自动根据实际情况进行超车换道、红灯停车、识别交通标志并作出相应的动作，同时读取电子标签位置信息，并接收来自监控调度计算机的信息，通过自主路径规划实现交通拥堵躲避和出租呼叫应答；

所述监控调度计算机通过无线局域网与微型自主无人车连接，用于实时显示微型自主无人车的位置和运行参数，并且控制交通信号灯，向所述微型自主无人车发送信息以进行交通系统调度，可验证不同的规划调度算法以及实时修改微型自主无人车的行驶程序；

所述室内交通道路仿真沙盘采用高密度板基，以钢结构支撑，并具有黑色表面、白色车道线、高架桥、十字路口交通灯、绿化带及交通标志，白色车道线上每隔一定距离铺设有电子标签用于车辆定位，每个电子标签有不同的ID号，表示每个电子标签的位置信息；

所述工控计算机为X86工控机，X86工控机分别与摄像机和单片机连接，单片机为ARM单片机，传感器为红外传感器，红外传感器安装在微型自主无人车的两侧车门处；所述微型自主无人车还包括控制器、电子调速器、电机，以及用于反馈车辆的实时速度的测速编码器；所述电子标签读卡器包括电子标签主控板及天线，天线安装于微型自主无人车的车底盘下面，通过电缆与电子标签主控板的I/O口连接，电子标签主控板通过串口与X86工控机通信。

2.如权利要求1所述的基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统，其特征在于，由所述控制器、电子调速器、电机，以及用于反馈车辆的实时速度的测速编码器组成的车速控制系统采用分段闭环控制方法进行车速控制，分段闭环控制方法实现公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}u\left(k\right)=U_{\max }& e\left(k\right)>E\\ u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_{i}T\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}e\left(j\right)+\frac{K_d}{T}\mathrm{\&Delta;e}\left(k\right)& -E\&le;e\left(k\right)\&le;E\\ u\left(k\right)=-U_{\max }& e\left(k\right)<-E\end{array}\right.$

其中，u(k)为控制器输出的油门控制量，e(k)为第k个采样周期时测速编码器实时反馈的速度与给定值间的偏差，T为采样周期，当偏差值e(k)大于预设阈值E时，输出正向最大控制量U_max，当偏差值e(k)小于-E时，输出反向最大控制量-U_max，K_p、K_i、K_d、E为可调参数，△e(k)=e(k)-e(k-1)，所述油门控制量由所述电子调速器以PWM指令的形式发出。

3.如权利要求1或2所述的基于微型自主无人车的智能交通调度实物模拟系统，其特征在于，在所述白色车道线上的分叉路口、转向路口和十字路口的前、后位置铺设所述电子标签。