CN106959692A - 一种基于无线物联网的超驰控制避障智能车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线物联网的超驰控制避障智能车及其控制方法，属于无线物联网领域，该所述避障智能车上安装有状态感知模块、无线物联网模块、调控模块、超驰控制模块；适用于十字路口的交通状况，允许避障智能车无冲突通过十字路口。特别地，超驰控制模块可以以平缓的速度变化处理特情，达到及时行进、平滑减速、平滑加速、平滑停车的效果；无线物联网网内避障智能车时钟同步、调度同步，大幅减小了交通调控的信号滞后和交通系统的时间常数，有助于交通系统模型的简化和统一管理。

Description

一种基于无线物联网的超驰控制避障智能车及其控制方法

技术领域

本发明设计物联网领域，特别涉及了一种基于无线物联网的超驰控制避障智能车及其控制方法。

背景技术

近年来可以对周围环境感知、与避障的智能避障智能车较为流行，但由于缺乏物联网的支持，多车系统的调度很难实现。本智能车系统实现了多车组网，所有车辆均在网内实现统一动作、统一调度，交通系统的调控实时性和系统时间常数大大降低，有助于交通系统模型的简化和统一管理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物联网技术在交通行业的模拟应用场景，多个智能避障智能车可以进行状态感知和信息共享，并通过超驰控制模块达到平滑避障的功能，有着较大的应用前景。

为达到目的，本发明采用如下技术方案如下：一种基于无线物联网的超驰控制避障智能车，包括避障智能车及安装在避障智能车上的状态感知模块、无线物联网模块、调控模块、超驰控制模块；

所述状态感知模块用于测量避障智能车的姿态参数，该姿态参数包括避障智能车的位置、运行方向、该车与前车或障碍物的距离、速度；

所述无线物联网模块用于收发状态感知报文，所述状态感知报文由状态感知模块测量得到的避障智能车的姿态参数组成；

所述调控模块根据所述物联网模块提供的来自其它避障智能车的状态感知报文进行其它避障智能车的信息提取，并对提取的信息进行统计，得到南北、北南、东西、西东的交通流量对十字路口的通行时间片进行划分，若避障智能车到达路口的时间位于通行窗口内，则对超驰控制模块下达“通行/PASS”指令，使避障智能车通行；若避障智能车的时间不在通行窗口内，则对超驰控制模块下达“停止/STOP”指令；

所述超驰控制模块包括姿态保持模块和速度控制模块，用于控制避障智能车及时行进、平滑减速、平滑加速、平滑停车。

进一步的，所述避障智能车包括电池组、电机、电压转换模块、电机驱动模块、轮子及车架；所述车架上对称安装四个轮子；所述电池组与电压转换模块相连；所述电机驱动模块分别与电机和电压转换模块相连；所述电机输出轴与轮子相连，所述电机安装在车架上，所述电机驱动模块通过无线物联网模块与超驰控制模块相连。

利用上述的基于无线物联网的超驰控制避障智能车的控制方法，具体包括如下步骤：

(1)车辆的状态包含五个状态：组态状态、运动状态、超驰状态、决断状态、停止状态，避障智能车在这五个状态间进行切换；

(2)每个宏周期开始时，车辆进入组态状态，此时车辆的状态感知模块进行信息的采集，无线网模块进行状态感知报文的收发，由调控模块计算通行时间片；

(3)当组态状态结束后，车辆进入运动状态，此时车辆由姿态保持模块控制，车辆在车道内运动；

(4)当车辆收到调控模块的STOP指令或检测到与前车距离小于预设最小阈值Threshold_min时，避障智能车进入停止状态，此时避障智能车左侧车轮速度和右侧车轮速度均为0，避障智能车静止；

(5)当车辆检测到与前车距离小于设定阈值Threshold时，避障智能车进入超驰状态，由速度控制模块进行速度控制；

(6)十字路口交界处时，车辆与按照调控模块的判断通行指令来确定转入运动状态或停止状态。

进一步的，所述步骤(3)的姿态保持模块控制车辆具体如下：其特征在于：所述调控模块计算通行时间片具体如下：一个宏周期T内有东西向和南北向两个通行窗口T1和T2，若系统时间位于东西向通行窗口，则东西向和西东向车辆可以通过路口；若系统时间位于南北向通行窗口，则南北和北南向车辆可以通过路口，若东西、西东、南北、北南的车辆数量为n₁,n₂,n₃,n₄，车辆的数量可由所述步骤(2)得到，则：

所述东西向通行时间片为

所述南北向通行时间片为

若车辆局部坐标系下的速度表示为：

其中为车辆的相对坐标，为车辆的运动方向角， r为车辆轮子半径，l为避障智能车横向宽度的一半，为避障智能车左侧轮子在局部坐标系下的速度，为避障智能车右侧轮子在局部坐标系下的速度；

车辆的质心P全局坐标系中运动速度方程为：

其中，其中为车辆的在绝对坐标系下的坐标，可表示为经度和纬度，为车辆在全局坐标系下的运动方向角，式中θ为车辆在绝对坐标系下的方向角；

(3.1)当检测到车辆与车道右侧过近时，控制左侧的两个电机停止运转，右侧的两个电机正常运转，此时(其中v₀为设定的运动速度)，增大，车辆姿态向左微调；

(3.2)当检测到车辆与车道左侧过近时，可以通过单片机控制右侧的两个电机停止运转，左侧的两个电机正常运转， 减小，车辆姿态向右微调；

(3.3)重复(3.1)和(3.2)，进行以周期T进行闭环控制。

进一步的，所述步骤(3)的姿态保持模块控制车辆具体如下：

当状态感知模块测量计算的本车与前车或障碍物的距离大于设定的阈值Threshold时，车辆左侧轮子转速和车辆右侧轮子转速的控制信号由姿态保持模块输出；姿态保持模块由位式控制算法组成，它利用车辆测量的姿态参数和场地车道两侧的边界线进行车道保持控制，具体算法如下：

进一步的，所述步骤(5)的速度控制模块具体如下：

当本车与前车或障碍物的距离Distance小于设定的阈值Threshold时， 由巴特沃兹低阶滤波算法控制，具体如下：

(5.1)当该距离Distance大于阈值Threshold且调控模块指令为PASS时，由所述的车道保持功能对避障智能车进行运动控制，此时避障智能车的运动速度为

(5.2)当距离Distance小于阈值Threshold且调控模块指令为PASS时，避障智能车的速度应与距离Distance呈巴特沃兹低阶滤波算法递减：随Distance的减小而减小；

(5.3)当距离Distance减小到最小距离Threshold_min时或调控模块指令为STOP时，

(5.4)根据(5.1)–(5.3)，与Distance应满足如下关系：

(5.5)重复(5.1)-(5.3)，进行以周期T进行闭环控制。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明所涉及的无线物联网模块使用EPAWireless工业实时以太网协议，组网协议可靠，鲁棒性好；此外，组网网内避障智能车时钟同步、调度同步，大幅减小了交通调控的信号滞后和交通系统的时间常数，有助于交通系统模型的简化和统一管理；

(2)本发明所涉及的超驰控制模块可以让避障智能车以平缓的速度变化处理特情，达到及时行进、平滑减速、平滑加速、平滑停车的效果，从而避免了场地侵入出现的避障智能车碰撞、调度混乱等问题，提高了交通仿真系统的运行安全性和鲁棒性；

附图说明

图1所示为本发明所提供的可避障智能避障智能车系统示意图；

图2所示为本发明所提供的智能避障智能车系统结构示意图；

图3所示为本发明所提供的智能避障智能车底板俯视图；

图4所示为本发明所提供的智能避障智能车顶板俯视图；

图5所示为本发明所提供的智能避障智能车底板仰视图；

图6所示为本发明所提供的智能避障智能车前视图；

图7所示为本发明所提供的智能避障智能车侧视图；

图8所示为本发明所提供的避障智能车运动状态转移图；

图9所示为本发明所提供的超驰控制模块中的姿态保持模块工作流程图；

图10所示为本发明所提供的避障智能车运动控制方块图；

图中：单片机1、电源驱动模块2、测速模块3、节点4、红外巡线模块5、电压转换模块6、电池组7、霍尔传感器8、超声波传感器9、减速电机10、红外线传感器11。

具体实施方式

为方便本领域技术人员更好地理解本发明的本质，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

如图1所示，基于物联网的超驰控制避障智能车，包括避障智能车及安装在避障智能车上的状态感知模块、无线物联网模块、调控模块、超驰控制模块。其中状态感知模块可以进行方位测量、与前车距离的测量、速度测量和车身姿态测量；无线物联网模块具有信息交换、加密和授时的功能；调控模块通过计算时间片的方式来判断避障智能车通过的条件，并进行运动指令的下达；超驰控制模块可以通过位式控制进行车道的保持，通过超驰控制避免防撞；超驰控制模块为避障智能车系统的执行器；在避障智能车进行工作时，状态感知模块可以对当前的交通状态进行信息采集，并通过9600bps串口将信息传送到无线物联网模块，无线物联网模块在将信息加密后进行消息发送，当其他避障智能车的信息传来时，无线物联网模块可以对信息进行解密并将其他避障智能车的状态信息递交给调控模块，调控模块经计算后将指令下达到超驰控制模块，当超驰控制模块检查满足边界条件后将会通过电机进行执行，执行后的效果将会改变交通状态，从而进入下一个周期的计算。

如图2所示是避障智能车系统结构示意图。其中所述无线物联网模块可选为EPAWireless协议，硬件可选为EPA Wireless射频板；所述状态感知模块可选为霍尔传感器用于测量物理位置，超声波模块用于测量与前车或障碍物的距离，光电测速模块用于测量避障智能车的行进速度；所述超驰控制模块，单片机型号为Arduino Mega 2560R3单片机，所述电源驱动模块型号为L293D，所述电压转换模块为型号为2596，电池选用2个3700mAh的18650电池进行供电；所述超驰控制模块采用红外巡线模块采用LM339电位比较器作为基本传感器。所述电源驱动模块与电压转换器相连，电源驱动M1,M2端口与左侧前、后电机相连，电源驱动M3,M4端口与右侧前、后电机相连，所述光电测速模块与Arduino单片机通过数字端口相连，通过对连接在轴上的码盘检测速度，所述红外巡线模块采用LM339电位比较器，与Arduino单片机通过数据端口和SCL端口相连，检测道路边界和停车线，所述YS-27霍尔传感器，与Arduino单片机通过SDA端口相连，可测量通过布置在地面上的磁铁数量来从而得知避障智能车的物理位置，所述超声波模块型号为HC-SR04，与Arduino单片机通过数据端口相连，可检测与障碍物的距离；所述2596电压转换模块分别与电池组和电源驱动模块通过电力线相连；所述EPA Wireless射频板单片机型号为CC2530，与Arduino单片机通过串口相连；所述车架为Arduino单片机、EPA Wireless射频板和传感器的载体，所述电池选用2个3700mAh的18650电池进行供电。

如图3所示是避障智能车的三视图。元器件包括YS-27霍尔传感器8、HC-SR049、减速电机10、红外线传感器11。底盘及元器件部署方式应按照如图所示的方式进行安装，所有传感器与Arduino Mega 2560R3单片机之间采用杜邦线的方式进行连接；所述电源驱动模块与电机、18650电池组的线采用电线相连。

如图3所示为本发明所提供的智能避障智能车底板俯视图，元器件包括ArduinoMega2560R3单片机1、电源驱动模块2、测速模块3，测速模块3与Arduino Mega2560R3单片机1通过杜邦线的方式进行连接；电源驱动模块2与Arduino Mega2560R3单片机1通过插针连接；

如图4所示为本发明所提供的智能避障智能车顶板俯视图，元器件包括EPAWireless节点4、LM339红外巡线模块5、2596电压转换模块6、电池组7；EPA Wireless节点4、LM339红外巡线模块5通过杜邦线与图3中Arduino Mega2560 R3单片机1进行连接；2596电压转换模块6与电池组7通过电力线进行连接；

如图5所示为本发明所提供的智能避障智能车底板仰视图，元器件包括YS-27霍尔传感器8、HC-SR04超声波传感器9、减速电机10；其中YS-27霍尔传感器8、HC-SR04超声波传感器9通过杜邦线与图3中Arduino Mega2560 R3单片机1进行连接；

如图6所示为本发明所提供的智能避障智能车前视图；元器件包括红外线传感器11；红外线传感器11通过杜邦线与图4所示的LM339红外巡线模块5进行连接；

如图7所示为本发明所提供的智能避障智能车侧视图；

如图8所示是智能避障智能车的状态转移图，包括组态状态、运动状态、决断状态、停止状态和超驰状态5个状态。组态状态时避障智能车可以通过无线物联网模块获取并与其他避障智能车交换交通状态信息，计算避障智能车可以通过路口的通行时间片；组态时间结束后避障智能车进入运动状态，由姿态控制模块实现车道保持功能；当避障智能车与前车距离小于设定阈值Threshold时，避障智能车进入超驰状态，由速度控制模块控制避障智能车的速度；当避障智能车与前车的距离小于最小设定阈值Threshold_min时，避障智能车进入停止状态；当避障智能车抵达十字路口时，避障智能车进入决断状态，此时避障智能车需要判断避障智能车是否位于通行时间片内，若在同行时间片内，则恢复到运动状态，否则进入停止状态，此时避障智能车静止，需要等到下一个宏周期组态时间开始后才能转移到组态状态；

如图9所示的是超驰控制模块中的姿态保持模块的车道保持功能，每隔一定的周期T进行调控，开始之后，所有的电机进行运转，当检测到避障智能车与车道右侧过近时，可以通过单片机控制避障智能车向左微调；当检测到避障智能车与车道左侧过近时，可以通过单片机控制避障智能车向右微调，由此进行以一定时间为周期的闭环控制，从而实现车道保持功能。

如图10所示是避障智能车的运动控制方块图，系统的输入为方向设定和与前车距离设定，对应姿态保持模块(方向控制)与超驰控制模块(距离控制)，正常情况下方向保持的输出信号可以被低选器选中，从而实现姿态控制功能，当检测到与前车距离过近时，距离控制的输出信号会逐渐降低，当信号低于姿态保持模块的输出信号时，超驰控制模块的输出信号就会被选中，从而代替了姿态保持功能对车辆进行控制，实现了防撞；当检测到与前车距离足够大的时候，超驰控制模块的信号会逐渐升高，从而将控制权交还给姿态保持控制器，从而实现了超驰控制，实现了用多种控制模块控制同一个控制对象的功能。

工作原理：在避障智能车上电后，其携带的EPA Wireless射频板4与主时钟进行同步，当所有避障智能车的从时钟均完成同步后，避障智能车可以出发，通过运行四轮智能车行进模块、利用LM339红外巡线模块在车道上行驶，同时利用YS-27霍尔传感器、HC-SR04超声波传感器进行自身位置、与前车距离的测量。若检测到与前车或障碍物距离小于设定阈值Threshold，则通过超驰控制模块与前车或障碍物保持一定的距离。此外避障智能车可以通过无线物联网模块中的EPA Wireless协议进行行进方向、位置的状态共享。在宏周期开始的1s之内智能避障智能车会陆续收到其他智能避障智能车的状态通报，并通过调控模块判断避障智能车是否应通过十字路口。每个智能避障智能车通过运行相同的程序来实现分布式控制，以达到无碰撞通过十字路口的目的。

Claims (6)

1.一种基于无线物联网的超驰控制避障智能车，其特征在于，包括避障智能车及安装在避障智能车上的状态感知模块、无线物联网模块、调控模块和超驰控制模块。

所述状态感知模块用于测量避障智能车的姿态参数，该姿态参数包括避障智能车的位置、运行方向、该车与前车或障碍物的距离、速度。

所述无线物联网模块用于收发状态感知报文，所述状态感知报文由状态感知模块测量得到的避障智能车的姿态参数组成。

所述调控模块根据所述物联网模块提供的来自其它避障智能车的状态感知报文进行其它避障智能车的信息提取，并对提取的信息进行统计，得到南北、北南、东西、西东的交通流量对十字路口的通行时间片进行划分，若避障智能车到达路口的时间位于通行窗口内，则对超驰控制模块下达“通行/PASS”指令，使避障智能车通行；若避障智能车的时间不在通行窗口内，则对超驰控制模块下达“停止/STOP”指令。

所述超驰控制模块包括姿态保持模块和速度控制模块，用于控制避障智能车及时行进、平滑减速、平滑加速、平滑停车。

2.根据权利1所述的基于物联网的避障智能车，其特征在于：所述避障智能车包括电池组、电机、电压转换模块、电机驱动模块、轮子及车架；所述车架上对称安装四个轮子；所述电池组与电压转换模块相连；所述电机驱动模块分别与电机和电压转换模块相连；所述电机输出轴与轮子相连，所述电机安装在车架上，所述电机驱动模块通过无线物联网模块与超驰控制模块相连。

3.利用权利要求1所述的基于无线物联网的超驰控制避障智能车的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)车辆的状态包含五个状态：组态状态、运动状态、超驰状态、决断状态、停止状态，避障智能车在这五个状态间进行切换；

(2)每个宏周期开始时，车辆进入组态状态，此时车辆的状态感知模块进行信息的采集，无线物联网模块进行状态感知报文的收发，同时对不同方向道路的车辆数目进行统计，由调控模块计算通行时间片；

(3)当组态状态结束后，车辆进入运动状态，此时车辆由姿态保持模块控制，车辆在车道内运动；

(4)当车辆收到调控模块的STOP指令或检测到与前车距离小于预设最小阈值Threshold_min时，避障智能车进入停止状态，此时避障智能车左侧车轮速度和右侧车轮速度均为0，避障智能车静止；

(5)当车辆检测到与前车距离小于设定阈值Threshold时，避障智能车进入超驰状态，由速度控制模块进行速度控制；

(6)十字路口交界处时，车辆与按照调控模块的判断通行指令来确定转入运动状态或停止状态。

4.根据权利要求3所述的基于无线物联网的超驰控制避障智能车的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)的姿态保持模块控制车辆具体如下：其特征在于：所述调控模块计算通行时间片具体如下：一个宏周期T内有东西向和南北向两个通行窗口T₁和T₂，若系统时间位于东西向通行窗口，则东西向和西东向车辆可以通过路口；若系统时间位于南北向通行窗口，则南北和北南向车辆可以通过路口，若东西、西东、南北、北南的车辆数量为n₁,n₂,n₃,n₄，车辆的数量可由所述步骤(2)得到，则：

所述东西向通行时间片为

所述南北向通行时间片为

5.根据权利要求3所述的基于无线物联网的超驰控制避障智能车的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)的姿态保持模块控制车辆具体如下：

当状态感知模块测量计算的本车与前车或障碍物的距离大于设定阈值Threshold时，车辆左侧轮子转速和车辆右侧轮子转速的控制信号由姿态保持模块输出；姿态保持模块由位式控制算法组成，它利用车辆测量的姿态参数和场地车道两侧的边界线进行车道保持控制，具体算法如下：

若车辆局部坐标系下的速度表示为：

$\stackrel{\·}{x_R}={(\stackrel{\·}{x_R},\stackrel{\·}{y_R},\stackrel{\·}{{\mathrm{\θ}}_R})}^T$

其中为车辆的相对坐标，为车辆的运动方向角， r为车辆轮子半径，l为避障智能车横向宽度的一半，为避障智能车左侧轮子在局部坐标系下的速度，为避障智能车右侧轮子在局部坐标系下的速度；

车辆的质心P全局坐标系中运动速度方程为：

其中，其中为车辆的在绝对坐标系下的坐标，可表示为经度和纬度，为车辆在全局坐标系下的运动方向角，式中θ为车辆在绝对坐标系下的方向角；

(3.1)当检测到车辆与车道右侧过近时，控制左侧的两个电机停止运转，右侧的两个电机正常运转，此时(其中v₀为设定的运动速度)，增大，车辆姿态向左微调；

(3.2)当检测到车辆与车道左侧过近时，可以通过单片机控制右侧的两个电机停止运转，左侧的两个电机正常运转， 减小，车辆姿态向右微调；

(3.3)重复(3.1)和(3.2)，进行以周期T进行闭环控制。

6.根据权利要求3所述的基于无线物联网的超驰控制避障智能车的控制方法，其特征在于，所述步骤(5)的速度控制模块具体如下：

当本车与前车或障碍物的距离Distance小于设定阈值Threshold时，由巴特沃兹低阶滤波算法控制，具体如下：

(5.1)当该距离Distance大于阈值Threshold且调控模块指令为PASS时，由所述的车道保持功能对避障智能车进行运动控制，此时避障智能车的运动速度为

(5.2)当距离Distance小于阈值Threshold且调控模块指令为PASS时，避障智能车的速度应与距离Distance呈巴特沃兹低阶滤波算法递减：随Distance的减小而减小；

(5.3)当距离Distance减小到最小距离Threshold_min时或调控模块指令为STOP时，

(5.4)根据(5.1)–(5.3)，与Distance应满足如下关系：

(5.5)重复(5.1)-(5.3)，进行以周期T进行闭环控制。