CN108594824A - 一种基于视觉导航和超声波阵列的车辆编队装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉导航和超声波阵列的车辆编队装置和方法，该装置主要包括：车辆控制模块、视觉导航模块、超声波阵列模块和无线通信模块，能够在不使用定位系统的情况下使车辆编队行驶，使用两套可以独立工作的车辆编队方法：视觉导航和超声波导航，减少了环境因素对单一导航策略的影响，并使用领航者和跟随者的方法完成车辆集结和编队行驶，提出了通过变换领车坐标改变车辆队形的方法，成本较低，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于智能体编队控制技术领域，具体涉及一种智能车在不使用卫星定位的情况下进行小范围集结和编队行驶的装置和方法。
背景技术
多机器人编队系统是集机械技术、计算机科学、无线通信和控制学一体的综合系统，目前仍处于初级阶段，离实际使用有一定的距离。目前，关于多智能车编队行驶的算法和同步技术在仿真上有了一定的进展，但将多智能车编队行驶应用到实际中的研究较少。
多智能车协作系统中的智能车采用传感器自主导航，智能车之间通过车载通信网络传递编队和避障信息，从而实现编队和协作。由于民用的卫星定位系统精度较低，使用卫星定位系统进行精确的车辆编队行驶较为困难，且精度越高的卫星定位系统价格越高。因此，期望出现不依赖于卫星的定位进而实现编队。由于使用真实车辆的成本较高，因此在硬件验证的过程中，通常使用智能小车来替代真实车辆，搭建智能小车编队研究实验平台。目前，在智能小车的实验平台方面，已有使用超声波或摄像头进行智能车跟随的成果，但只能进行直线跟随，且未有超声波阵列应用到车辆编队的研究。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足和缺陷，本发明提出了使用视觉导航和超声波阵列的车辆集结、编队和改变队形的装置，能够在不使用卫星定位的情况下提供可靠的多车编队方案，成本较低，具有良好的工程可实现性。
本发明的另一目的在于提供一种相应的编队方法。
技术方案：为达到上述目的，本发明提出的一种基于视觉导航和超声波阵列的车辆编队装置，包括：车辆控制模块、视觉导航模块、超声波导航模块、无线通信模块，其中，
车辆控制模块用于控制车辆的运动，包括领航车辆控制模块和跟随车辆控制模块，领航车辆控制模块布置于领航车辆上，跟随车辆控制模块布置于跟随车辆上，两模块之间使用无线通信模块进行通信；
超声波导航模块包括超声波发射模块和超声波阵列接收模块，发射模块安装于领航车辆上，阵列接收模块安装于跟随车辆上，超声波阵列接收模块通过无线通信模块向超声波发射模块发送超声波发射指令，发射模块得到指令立即自动发射超声波，超声波阵列接收模块含有至少三个超声波接收模块，用于接收超声波信号并计算跟随车与领航车之间的距离和角度；
视觉导航模块包括摄像头模块和高饱和度色块，高饱和度色块安装在领航车辆上，摄像头模块安装在跟随车辆上以获取领航车辆色块的方向和距离信息。优选地，摄像头模块为PIXY CMUCAM5摄像头模块。
无线通信模块用于跟随车向领队车发送超声波发射指令，并用于领队车向跟随车辆控制模块发送变换队形指令。
其中，通过超声波接收阵列计算跟随车与领航车之间的距离和角度的过程如下：超声波接收模块通过无线通信模块传输发射超声波信号的命令并启动计时器，超声波发射模块在接收到无线信号后，触发超声波发射，超声波接收模块接收到超声波后终止计时，获得计时器终值，使用终值减去初值，得到超声波传输时间，结合超声波在空气中传播速度得到接收端与发射端之间的距离；通过三个超声波接收模块所得到的不同距离以及三个超声波模块之间的固有距离，计算出跟随车辆与领航车辆之间的角度，使用中间超声波接收模块计算出的距离作为领航车辆与跟随车辆之间的距离。
通过摄像头模块解算跟随车辆与领航车辆之间的距离和角度信息的过程如下：PIXY CMUCAM5摄像头模块将高饱和度色块在摄像头坐标系中的x轴、y轴坐标以及色块在摄像头坐标系中的长和宽使用串口传输的方式传输给跟随车辆控制模块，跟随车辆控制模块使用x轴信息判断色块角度，将长与宽相乘得到色块的距离。
进一步地，该车辆编队装置还包括红外测距模块，红外测距模块安装在车辆前端，用于测量本车与前方物体之间的距离，并将距离信息发送给相应车辆控制模块，从而实现领航车辆避障，跟随车辆与前车保持距离。
一种使用上述编队装置对智能小车进行编队的方法，包括以下步骤：
S1、领航车辆通过超声波发射模块向跟随车辆发送超声波信号，并通过无线通信模块同时向跟随车辆发送信号；
S2、跟随车辆通过超声波接收阵列接收领航车辆发来的超声波信号，根据多个超声波接收模块接收到信号时的时间差计算与领航车辆之间的角度和距离；同时跟随车辆使用摄像头判断领航车辆大小和坐标，并解算出与领航车辆之间的距离和角度信息；跟随车辆控制模块根据摄像头模块和超声波阵列接收模块获取的信息，计算平均值，更新领航车辆的坐标，并控制车辆的运动；
S3、跟随车辆依次执行领航车辆的任务，为它之后的跟随车辆提供导航信息，即第一辆跟随车辆执行步骤S1，第二辆跟随车辆执行步骤S2，第二跟随车辆完成跟随后，第二辆跟随车辆执行步骤S1，第三辆跟随车辆执行步骤S2，后续的跟随车辆同理依次执行上述过程，以实现逐一跟随，完成直线队形编队行驶。
进一步地，队形切换过程如下：利用无线通信模块向跟随车辆发送队形切换指令，跟随车辆在接收无线通信模块的变换为三角队形指令后，切换模式，奇数编号的跟随车辆将领航车辆坐标向一方(左或右)偏移，偶数编号的跟随车辆将领航车辆坐标向另一方(相应地，右或左)偏移，此时，奇数编号的跟随车辆斜向跟随前方奇数编号的车辆，偶数编号的车辆斜向跟随前方偶数编号的车辆，最前方的奇数跟随车辆和偶数跟随车辆以左右两边分别跟随领航车辆，变换为三角队形。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明使用视觉导航和超声波导航的车辆编队策略，减少了环境因素对单一导航方式的影响，且两种导航装置成本均较低，易于实现。
2、本发明通过构建前车坐标的形式使两种导航装置共同作用，可以使车辆在传感器感知范围内的任意初始位置和任意发车次序完成集结。
3、本发明提出了通过改变领航车坐标而进行队形变换的方法，可使用红外遥控器进行一键队形变换，简单快捷。
附图说明
图1为根据本发明实施例的基于视觉导航和超声波阵列导航的编队方法原理图；
图2为根据本发明实施例的智能小车的整体结构图；
图3为根据本发明实施例的智能车的集结和改变队形的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明提出了一种基于视觉导航和超声波阵列的车辆编队装置，该装置具有如下功能：能够使多辆智能车在传感器感知范围内的任意初始位置以任意次序启动，完成自主集结，并以领航车和跟随车的方式编队行驶；该装置能够具有一键变换队形的功能，使用红外遥控器可令智能车一键从直线队形变换为三角队形行驶，也可从三角队形变换为直线队形行驶。装置采用可以独立工作的两套导航方法，视觉导航和超声波导航，解决了单一导航易受环境干扰问题，解决了超声波导航在多车辆编队过程中互相干扰的问题。
参照图1，在一个实施例中，该车辆编队装置所用到的功能模块包括：车辆控制模块、视觉导航模块、超声波阵列模块、红外测距模块、无线通信模块，
车辆控制模块：包括直流电机、STM32单片机、Arduino单片机、驱动模块等，其中，领航车辆使用STM32单片机作为控制器，跟随车辆使用Arduino单片机和STM32单片机作为控制器，单片机的I/O端口与驱动模块的使能端相连，通过输出PWM波进行调速，驱动模块与直流电机相连，控制小车运动。使用L298N驱动模块驱动直流电机。
视觉导航模块：使用PIXY CMUCAM5摄像头捕捉视觉信息，PIXY CMUCAM5摄像头需要进行色块的标定，使用pixymon软件将领航车辆的颜色进行标定，领航车辆需具有高饱和度的颜色特征。
超声波阵列模块：使用4个HC-SR04超声波模块作为发射端，3个HC-SR04超声波模块作为接收端。
红外测距模块：使用反射型光电探测器RPR220作为红外线的收发端。领航车辆和跟随车辆前方均安装红外测距模块，领航车辆使用红外测距模块进行集体避障，跟随车辆使用红外测距模块保持车距。
无线通信模块：包括红外通信模块和超再生无线通信模块，红外通信模块用于遥控进行变换队形，可利用红外遥控器实现。315M超再生无线通信模块用于超声波发射阵列和超声波接收阵列之间的通信以及单片机之间的通信。
根据上述选定的模块，如图2所示，进行组装和设置：
1、将车体套件进行组装，将直流电机连接到L298N驱动模块上，将驱动模块连接到STM32单片机上。每辆小车都有STM32单片机，所有小车均使用两节14500锂电池供电，将电池装入电池盒后连接到L298N驱动模块上，并使用驱动模块上的稳压功能为单片机以及传感器提供5V电压的供电。驱动模块驱动直流电机进行智能车的控制。
2、使用pixymon软件让PIXY CMUCAM5摄像头标定一个高饱和度的色块，并将色块安装在领航车辆上。在跟随车辆中，将PIXY CMUCAM5摄像头连接到Arduino单片机上进行图像处理，将Arduino单片机的串口传输端与STM32单片机的串口接收端相连，使用串口传输将图像处理结果发送到STM32单片机上。在STM32单片机和Arduino单片机中烧写程序。
3、将4个超声波模块作为发射端安装在领航车的尾端，连接到领航车辆的STM32单片机，3个超声波模块作为接收端安装在跟随车的首端，并连接到跟随车辆的STM32单片机上。
4、将红外通信模块和超再生无线通信模块连接到STM32单片机上。将使用反射型光电探测器RPR220的红外测距模块安装在每辆小车车头，并与STM32单片机相连。
5、组装完成后，将多辆智能车放置在任意初始位置，打开电源，多辆智能车将自主完成集结，并以直线队形行驶，使用红外遥控器进行一键切换队形，触发一次红外遥控，车辆将变为三角队形，并保持三角队形行驶，再触发一次红外遥控，车辆将回到直线队形，并保持直线队形共同行驶。
图3示出了三辆小车的集结和队形改变过程，如图3所示，三辆智能小车起始任意位置放置，启动集结后，依次执行以下步骤：
S1、领航车辆通过超声波发射模块向跟随车辆发送超声波信号，并通过无线通信模块同时向跟随车辆发送信号；
S2、跟随车辆通过超声波接收阵列接收领航车辆发来的超声波信号，根据多个超声波接收模块接收到信号时的时间差计算与领航车辆之间的角度和距离；同时跟随车辆使用摄像头判断领航车辆大小和坐标，并解算出与领航车辆之间的距离和角度信息；跟随车辆控制模块根据摄像头模块和超声波阵列接收模块获取的信息，计算平均值，更新领航车辆的坐标，并控制车辆的运动；
S3、当领航车辆和第一跟随车辆完成上述步骤后，第一跟随车辆执行领航车辆的任务，即S1，为它之后的第二跟随车辆提供导航信息，第二跟随车辆执行跟随车辆任务，即步骤S2，形成直线队形。如果有更多辆跟随车辆，依次执行这个过程，以实现逐一跟随，完成直线队形编队行驶。
当接收到红外遥控器的切换队形指令后，领航车辆前进路线不变，第一跟随车辆向左偏，第二跟随车辆向右偏，跟随车辆都变为斜向跟随，形成三角队形。如果有多辆跟随车，则奇数编号的跟随车辆斜向跟随前方奇数编号的车辆，偶数编号的车辆斜向跟随前方偶数编号的车辆，最前方的奇数跟随车辆和偶数跟随车辆以左右两边分别跟随领航车辆。
Claims (5)
1.一种基于视觉导航和超声波阵列的车辆编队装置，其特征在于，所述装置包括超声波阵列导航模块、视觉导航模块、车辆控制模块、无线通信模块，其中，
所述车辆控制模块用于控制车辆的运动，包括领航车辆控制模块和跟随车辆控制模块，领航车辆控制模块布置于领航车辆上，跟随车辆控制模块布置于跟随车辆上，两模块之间使用无线通信模块进行通信；
所述超声波阵列导航模块包括超声波发射模块和超声波阵列接收模块，发射模块安装于领航车辆上，阵列接收模块安装于跟随车辆上，超声波阵列接收模块通过无线通信模块向超声波发射模块发送超声波发射指令，发射模块得到指令立即自动发射超声波，超声波阵列接收模块含有至少三个超声波接收模块，用于接收超声波信号，并由此计算跟随车与领航车之间的距离和角度；
通过超声波接收阵列计算跟随车与领航车之间的距离和角度的过程如下：超声波接收模块通过无线通信模块传输发射超声波信号的命令并启动计时器，超声波发射模块在接收到无线信号后，触发超声波发射，超声波接收模块接收到超声波后终止计时，获得计时器终值，使用终值减去初值，得到超声波传输时间，结合超声波在空气中传播速度得到接收端与发射端之间的距离；通过三个超声波接收模块所得到的不同距离以及三个超声波模块之间的固有距离，计算出跟随车辆与领航车辆之间的角度，使用中间超声波接收模块计算出的距离作为领航车辆与跟随车辆之间的距离；
所述视觉导航模块包括摄像头模块和高饱和度色块，高饱和度色块安装在领航车辆上，摄像头模块安装在跟随车辆上以获取领航车辆色块的方向和距离信息；
通过摄像头模块解算跟随车辆与领航车辆之间的距离和角度信息的过程如下：摄像头模块将高饱和度色块在摄像头坐标系中的x轴、y轴坐标以及色块在摄像头坐标系中的长和宽使用串口传输的方式传输给跟随车辆控制模块，跟随车辆控制模块使用x轴信息判断色块角度，将长与宽相乘得到色块的距离；
跟随车辆的控制模块根据摄像头模块和超声波阵列接收模块获取的距离信息计算平均值。
2.根据权利要求1所述的车辆编队装置，其特征在于，所述无线通信模块用于跟随车向领队车发送超声波发射指令，并用于领队车向跟随车辆控制模块发送变换队形指令。
3.根据权利要求1所述的车辆编队装置，其特征在于，所述车辆控制模块包括直流电机、控制芯片、驱动模块，控制芯片的I/O端口与驱动模块的使能端相连，通过输出PWM波进行调速，驱动模块与直流电机相连，控制车辆运动。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于视觉导航和超声波阵列的车辆编队装置的编队方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、领航车辆通过超声波发射模块向跟随车辆发送超声波信号，并通过无线通信模块同时向跟随车辆发送信号；
S2、跟随车辆通过超声波接收阵列接收领航车辆发来的超声波信号，根据多个超声波接收模块接收到信号时的时间差计算与领航车辆之间的角度和距离；同时跟随车辆使用摄像头判断领航车辆大小和坐标，并解算出与领航车辆之间的距离和角度信息；跟随车辆控制模块根据摄像头模块和超声波阵列接收模块获取的信息，计算平均值，更新领航车辆的坐标，并控制车辆的运动；
S3、跟随车辆依次执行领航车辆的任务，为它之后的跟随车辆提供导航信息，以实现逐一跟随，完成直线队形编队行驶。
5.根据权利要求4所述的编队方法，其特征在于，利用无线通信模块向跟随车辆发送队形切换指令，跟随车辆在接收无线通信模块的变换为三角队形指令后，切换模式，奇数编号的跟随车辆将领航车辆坐标向一侧偏移，偶数编号的跟随车辆将领航车辆坐标向另一侧偏移，此时，奇数编号的跟随车辆斜向跟随前方奇数编号的车辆，偶数编号的车辆斜向跟随前方偶数编号的车辆，最前方的奇数编号跟随车辆和偶数编号跟随车辆以左右两边分别跟随领航车辆，变换为三角队形。
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