CN106292331A - 基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，包括由智能小车和模拟道路搭建的车辆仿真系统和自组网络系统以及数据接收软件，自组织网络系统主要由三种类型的节点混合而成，分别为协调器、路由器、终端；所述自组织网络系统，作为整个软硬件仿真平台的中间环节起到透明传输网络数据的作用，同时处于同一自组织网络中的智能小车通过路由器节点能够实现数据信息的共享，并将数据发送到协调器节点从而在软件数据的接收平台显示每辆车的运行状态。本发明提供的仿真平台更加贴近实际，仿真数据更加准确，能够帮助设计人员从更加直观的角度评价算法的可靠性与实际应用中的可用性。

Description

基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台

技术领域

本发明涉及一种交通仿真平台，尤其涉及一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台。

背景技术

新的经济发展形式和国内外科学技术水平的不断发展进步，使经济发展与科技的进步紧密相连。一方面，经济的发展催生出了一系列新兴的技术产业，另一方面这些新兴产业的不断发展和普及应用促进了国民经济的飞速发展。以汽车为例，国内外对于汽车乃至与之相关的道路交通安全等方面的理论和技术有着较为广泛的研究。例如车辆的无人驾驶，其关键技术不仅涉及到周边障碍环境的感知、模式的识别、导航定位，还与智能决策、控制工程等研究领域密切相关。对于车辆自身而言，获得稳定可靠的传感器数据和拥有类似于GPS等数据是人们研究车与车之间控制算法的基础，但没有可靠的实物操作，仅靠软件理论上的仿真，难以从客观的角度评价算法的实用程度。同时，实物的算法仿真有助于实际数据的获取，帮助人们从应用实践的角度评价算法的合理性，并总结实践经验改进算法。

车辆之间的协同控制对于道路交通安全具有重要的研究意义。一方面，基于可靠的数据平台可以帮助驾驶人员获取周边信息，例如已经广泛应用的GPS导航，对于驾驶员路径规划具有很好的导向作用，但是GPS主要是车与导航平台之间的交互，缺少车与车之间的交互。另一方面，若能将车辆自身获得的可靠传感器数据告知周边车辆，从而感知周围环境，实现在一个特定网络的数据共享，规避障碍物。实现车辆之间的协同控制，不仅可以起到辅助驾驶的作用，还可以从一定程度上减少道路交通安全事故的发生。

目前对于车辆障碍规避、路径规划、协同控制等方面的算法有较多的研究，但是大多的算法仿真是在Matlab等软件环境下完成的。软件仿真虽然高效，也能生成测试数据和图像，但是软件仿真区别于小车的实物仿真。许多软件上的仿真没有考虑智能小车在实际运行过程中受车辆自身尺寸和周边障碍物的实际位置、形状等因素的影响，表现出的状态可能与软件仿真不同。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，该仿真平台主要由三部分组成，硬件部分采用STM32F103ZET6作为智能小车主控制芯片，该型号芯片采用了高性能的ARM Cortex-M3，32位的RISC内核，同时具有丰富的IO口、串口，且支持不同优先级的定时器，因此可以自己编写相关的控制算法，自行设计智能小车的运行方式，同时，在ZigBee自组织网络环境下，设计出了一套数据接收处理软件，该软件运行在计算机端，只需通过串口连接自组织网络中的协调器节点，这样各个智能小车在该网络中的障碍规避、协同控制等实时的运行状态数据可以通过网络传输至计算机终端，从而帮助算法的设计人员，从更加直观的角度评价算法的可靠性与实际应用中的可用性。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，包括以下系统：

车辆仿真系统，包括模拟实际车辆的智能小车和模拟实际道路的模拟道路；所述智能小车安装有主控芯片以及测速传感器、超声波测距传感器、红外避障传感器；

自组网络系统，自组织网络系统主要由三种类型的节点混合而成，分别为协调器、路由器、终端；同一个自组织网络中需要一个ZigBee节点作为网络的协调器，用于同一网络中路由器节点网络短地址的分配，同时担任该网络的主要维护者，所述路由器节点安装在智能小车上，其中协调器的串口与计算机的串口相连，读取整个网络中智能小车的网络短地址、速度、障碍物、行驶状态的信息，并在所述终端上实时显示这些数据；

数据接收软件，主要包含菜单管理模块、配置管理模块、数据处理模块三部分部分；所述菜单管理模块提供了系统管理、串口状态、数据管理、帮助管理的功能，所述配置管理模块提供串口参数配置，串口参数配置可以选择与ZigBee协调器节点相连的计算机串口并执行打开与关闭操作，所述数据处理模块包括数据显示和数据发送；

所述自组织网络系统，作为整个软硬件仿真平台的中间环节，起到自组织网络的发起和维护作用，并透明传输网络数据，处于同一自组织网络中的智能小车通过路由器节点能够数据信息的共享，同时将数据发送到协调器节点从而在软件数据的接收平台显示每辆车的运行状态。

达到的技术效果在于：该仿真平台主要由三部分组成，智能小车的主控芯片具有丰富的IO口、串口，且支持不同优先级的定时器，因此可以自己编写相关的控制算法，自行设计智能小车的运行方式。同时，在ZigBee自组织网络环境下，设计出了一套数据接收处理软件，该软件运行在计算机端，只需通过串口连接自组织网络中的协调器节点，这样各个智能小车在该网络中的障碍规避、协同控制等实时的运行状态数据可以通过网络传输至计算机终端。从而帮助算法的设计人员，从更加直观的角度评价算法的可靠性与实际应用中的可用性。

作为本方案的进一步改进，所述路由器是由ZigBee模块配置而成，仿真开始时由协调器节点为ZigBee路由节点分配一个网络短地址并作为智能小车的网络ID址，若ZigBee路由节点被重启则由协调器节点重新为该模块分配一个新的网络短地址，此时系统将自动更新自组织网络的短地址并将该新的网络短地址作为小车的网络ID读入系统。

由于本仿真平台是利用ZigBee模块的ID代替小车的位置，因此实时更新小车的ID能够使小车的定位更加精确从而使仿真数据更加准确无误。

作为本方案的进一步改进，所述述网络数据会根据自定的数据格式被拆分成各项数据，通过收到的数据中不同的编号，区分是自组织网络中更新的网络短地址或者其他车辆共享的数据；所述更新的网络短地址是指小车上ZigBee路由节点重启后由协调器节点重新分配的新的网络短地址。

将数据进行编号分类处理，可以判断ZigBee节点的网络短地址也就是小车的网络ID是否发生了变化，如果发生变化，仿真系统则立即更新小车的网络ID使其与搭载的ZigBee路由节点的ID保持一致，避免因小车ID没有及时与ZigBee路由节点网络短地址保持一致而形成的数据错误。

作为本方案的进一步改进，所述数据接收该软件可以根据使用的需要更改软件中定义的数据模型，当有新的传感器安装在智能小车上时，只需要在该数据模型中做简单的修改即可。

所述智能小车的运行包括以下步骤：

开始，系统、传感器初始化；

接着开始进行数据处理，数据处理包括接收网络数据、传感器数据和发送网络数据，其中对网络数据进行判断，如果是网络ID即新网络短地址则更新小车的网络ID使其保持一致；

障碍判断，有障碍则安照本系统指定的控制算法执行，没有障碍则正常运行。

作为本方案的进一步改进，所述的控制算法是指根据不同的故障情况采取不同的运行方式，具体包括以下情况：

堵车,提前告知用户并规划其它交通路线；

燃油不足，提供最近加油站的交通路线；

防追尾，一旦发现前方车辆减速或急停则自动减速刹车；

红绿灯提醒，红灯情况下自动刹车，绿灯提醒用户启动。

所述数据接收软件的运行包括以下步骤：

开始，软件界面初始化；

设置串口参数，串口存在则进行串口初始化；

串口处于打开状态则接受数据并进行数据显示；

结束。

本发明的有益效果：传统的仿真平针对当前对于车辆之间的障碍规避、协同控制等算法，大多数的算法仿真依赖于软件，但受于软件仿真的局限等问题，往往会出现许多与实际不相符合的地方，例如在避障的过程中软件仿真没有考虑智能车本身尺寸而是将车抽象成一个点。另一方面，不论是车辆的实物障碍规避还是车车之间的协同控制，都依赖于传感器数据的可靠性。而本发明实物仿真对于智能小车相关算法的研究具有重要的支撑意义。基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，既提供了可编程的程序接口，同时也提供了获取该自组织网络中所有节点网络数据的软件，能够实时的将车辆在相关算法控制下应对不同的路障环境及其协同控制等方面所运行的数据反馈到该软件平台。从而帮助算法的设计人员获取车辆在实际运行过程中的数据，从更加直观的角度评估算法的可靠性与实际应用中的可用性。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明智能小车运行流程图；

图3是本发明数据接收软件运行流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示：

一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，包括以下系统：

车辆仿真系统，包括模拟实际车辆的智能小车和模拟实际道路的模拟道路；所述智能小车安装有主控芯片以及测速传感器、超声波测距传感器、红外避障传感器以及用于感知车辆运行状态及其道路周边环境的传感器，所述车辆运行状态包括紧急刹车状态、转弯状态、道路周边环境包括堵车或岔路情况，通过测量每个车轮的速度来检测是否是刹车或转弯，转弯是左转弯还是右转弯，堵车和岔路则通过摄像头来识别。

本实施例中采用STM32F103ZET6作为智能小车主控制芯片，该型号芯片采用了高性能的ARM Cortex-M3，32位的RISC内核，同时具有丰富的IO口、串口，且支持不同优先级的定时器，因此可以自己编写相关的控制算法，自行设计智能小车的运行方式。在智能小车上部属了测速、超声波测距、红外避障等传感器，用于获取车辆自身及周边运行环境的数据。智能小车能够获取其他小车发过来的网络数据，对于收到的数据根据预先定义的数据格式拆分成各项数据，通过收到的数据中不同的编号，区分是自组织网络中更新的网络短地址，或者其他车辆共享的数据。若是网络短地址则需要更新智能小车的网络ID，对于收到的传感器数据则需要根据智能小车的控制算法实现障碍的规避和协同控制。

自组网络系统，自组织网络系统主要由三种类型的节点混合而成，分别为协调器、路由器、终端；同一个自组织网络中需要一个ZigBee节点作为网络的协调器，用于同一网络中路由器节点网络短地址的分配，同时担任该网络的主要维护者，所述路由器节点安装在智能小车上，其中协调器的串口与计算机的串口相连，读取整个网络中智能小车的网络短地址、速度、障碍物、行驶状态的信息，并在所述终端上实时显示这些数据。

上述自组织网络中更新的网络短地址可能是由于ZigBee节点自动重启造成的。

ZigBee自组织网络：在该基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台中，自组织网络主要由三种类型的结点混合而成，分别为协调器节点、路由器节点、终端节点。同一个自组织网络中需要一个ZigBee节点作为网络的协调器，用于同一网络中其他结点网络短地址的分配，同时担任该网络的主要维护者。在该软硬件平台的设计中，为了能够在软件平台中获取其他智能小车在避障和协同驾驶过程中的数据信息，将协调器的串口与计算机的串口相连，通过自己编写的数据获取软件，读取整个网络中运行车辆的唯一网络短地址、速度、前后左右至少四个方位的障碍物情况、行驶状态等信息，并在软件平台上实时显示这些数据。

数据接收软件，主要包含菜单管理模块、配置管理模块、数据处理模块三部分部分；所述菜单管理模块提供了系统管理、串口状态、数据管理、帮助管理的功能，所述配置管理模块提供串口参数配置，串口参数配置可以选择与ZigBee协调器节点相连的计算机串口并执行打开与关闭操作，所述数据处理模块包括数据显示和数据发送。

为了配合智能小车获取自组织网络中的数据显示并在计算机端显示，编写了数据接收处理软件，该软件使用Java语言在MyEclipse集成环境中开发，并采用MVC框架，将界面与操作相分离。软件主要包含菜单栏、串口参数配置、数据显示、数据发送等部分。在串口参数配置部分可以选择ZigBee与计算机相连的串口并执行打开与关闭操作，菜单栏中提供了系统管理、串口状态、数据管理、帮助管理等功能。数据显示区域可以显示自组织网络中各个小车的运行状态，在数据的发送区用户可以结合智能小车控制代码中规定的数据格式，发送控制指令给接入到网络中的智能小车。该软件可以根据使用的需要更改软件中定义的数据模型，例如当有新的传感器安装在智能小车上时，只需要在该数据模型中做简单的修改即可，因而该软件具有较好的可拓展性。

所述自组织网络系统，作为整个软硬件仿真平台的中间环节起到透明传输网络数据的作用，同时处于同一自组织网络中的智能小车通过路由器节点能够实现数据信息的共享，并将数据发送到协调器节点从而在软件数据的接收平台显示每辆车的运行状态。

作为本方案的进一步改进，所述路由器节点是由ZigBee模块配置而成，仿真开始时由协调器节点为ZigBee路由节点分配一个网络短地址并作为智能小车的网络ID址，若ZigBee路由节点被重启则由协调器节点重新为该模块分配一个新的网络短地址，此时系统将自动更新自组织网络的短地址并将该新的网络短地址作为小车的网络ID读入系统。

作为本方案的进一步改进，所述网络数据会根据自定的数据格式被拆分成各项数据，通过收到的数据中不同的编号，区分是自组织网络中更新的网络短地址或者其他车辆共享的网络数据；所述更新的网络短地址是指ZigBee路由节点重启后由协调器节点重新为其分配的新的网络短地址。

作为本方案的进一步改进，所述数据接收软件可以根据使用的需要更改软件中定义的数据模型，当有新的传感器安装在智能小车上时，只需要在该数据模型中做简单的修改即可。

如图2所示：

所述智能小车的运行包括以下步骤：

开始，系统、传感器初始化；

接着开始进行数据处理，数据处理包括接收网络数据、传感器数据和发送网络数据，其中对网络数据进行判断，如果是网络ID即新网络短地址则更新小车的网络ID使其保持一致；

障碍判断，有障碍则安照本系统指定的控制算法执行，没有障碍则正常运行。

小车在启动后先完成系统、各个传感器、定时器等的初始化，在运行的过程中不断读取传感器的数据和接受网络数据，通过获得的相关数据控制小车的运行状态。

作为本方案的进一步改进，所述的控制算法是指根据不同的故障情况采取不同的运行方式，具体包括以下情况：

堵车,提前告知用户并规划其它交通路线；

燃油不足，提供最近加油站的交通路线；

防追尾，一旦发现前方车辆减速或急停则自动减速刹车；

红绿灯提醒，红灯情况下自动刹车，绿灯提醒用户启动。

如图3所示；

所述数据接收软件的运行包括以下步骤：

开始，软件界面初始化；

设置串口参数，串口存在则进行串口初始化；

串口处于打开状态则接受数据并进行数据显示；

结束。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，其特征在于包括以下系统：

车辆仿真系统，包括模拟实际车辆的智能小车和模拟实际道路的模拟道路；所述智能小车安装有主控芯片以及测速传感器、超声波测距传感器、红外避障传感器；

自组网络系统，自组织网络系统主要由三种类型的节点混合而成，分别为协调器节点、路由器节点、终端节点；同一个自组织网络中需要一个ZigBee节点作为网络的协调器，用于同一网络中路由器节点网络短地址的分配，同时担任该网络的主要维护者，所述路由器节点安装在智能小车上，其中协调器的串口与计算机的串口相连，读取整个网络中智能小车的网络短地址、速度、障碍物、行驶状态的信息，并在所述终端上实时显示这些数据；

数据接收软件，主要包含菜单管理模块、配置管理模块、数据处理模块三部分部分；所述菜单管理模块提供了系统管理、串口状态、数据管理、帮助管理的功能，所述配置管理模块提供串口参数配置，串口参数配置可以选择与ZigBee相连的计算机串口并执行打开与关闭操作，所述数据处理模块包括数据显示和数据发送；

所述自组织网络系统，作为整个软硬件仿真平台的中间环节起到透明传输网络数据的作用，同时处于同一自组织网络中的智能小车通过路由器节点能够实现数据信息的共享，并将数据发送到协调器节点从而在软件数据的接收平台显示每辆车的运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，其特征在于：所述路由器节点是由ZigBee模块配置而成，仿真开始时由协调器节点为ZigBee路由节点分配一个网络短地址并作为智能小车的网络ID，若小车上的ZigBee路由节点被重启则由协调器节点重新为该模块分配一个新的网络短地址，此时系统将自动更新自组织网络的短地址并将该新的网络短地址作为小车的网络ID读入系统。

3.根据权利要求2所述的一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，其特征在于：所述网络数据会根据自定的数据格式拆分成各项数据，通过收到的数据中不同的编号，区分是自组织网络中更新的网络短地址或者其他车辆共享的数据；所述更新的网络短地址是指ZigBee路由节点重启后由协调器节点分配的新网络短地址。

4.根据权利要求1所述的一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，其特征在于：所述数据接收该软件可以根据使用的需要更改软件中定义的数据模型，当有新的传感器安装在智能小车上时，只需要在该数据模型中做简单的修改即可。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，其特征在于：所述智能小车的运行包括以下步骤：

开始，系统、传感器初始化；

接着开始进行数据处理，数据处理包括接收网络数据、传感器数据和发送网络数据，其中对网络数据进行判断，如果是网络ID即新的网络短地址则更新小车的网络ID使其与自身ZigBee路由节点的网络地址保持一致；

障碍判断，有障碍则按照本系统指定的控制算法执行，没有障碍则正常运行。

6.根据权利要求5所述的一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，其特征在于：所述的控制算法是指根据不同的障碍情况采取不同的运行方式，具体包括以下情况：

堵车,提前告知用户并规划其它交通路线；

燃油不足，提供最近加油站的交通路线；

防追尾，一旦发现前方车辆减速或急停则自动减速刹车；

红绿灯提醒，红灯情况下自动刹车，绿灯提醒用户启动。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的一种基于自组织网络的车辆协同控制软硬件仿真平台，其特征在于：所述数据接收软件的运行包括以下步骤：

开始，软件界面初始化；

设置串口参数，串口存在则进行串口初始化；

串口处于打开状态则接受数据并进行数据显示；

结束。