无限网络的多智能小车编队控制系统Word下载.doc
- 文档编号:15410096
- 上传时间:2022-10-30
- 格式:DOC
- 页数:9
- 大小:797.50KB
无限网络的多智能小车编队控制系统Word下载.doc
《无限网络的多智能小车编队控制系统Word下载.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《无限网络的多智能小车编队控制系统Word下载.doc(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
嵌入式操作系统;
多智能小车编队
Multi-smartcarcontrolsystembasedonwirelesscommunicationnetwork
Abstract:
First,thesmartcarcontrolsystembasedonAⅥCortex—M3isstudied.Thewirelesscommunications,themagneticfieldsensors,motordrivesandotherhardwaremodulesaredesigned.Themulti—sma/tcarcooperativecontrolself-organizingwirelesscommunicationnetworksaredesignedbyZigBee.ThesmartCarnavigationisachievedbymagneticfielddetectionandthesmartcarspeedfunctionisrealizedbyusingtherotaryencoder.ThentheembeddedI~C/OS—lIreal—timeop—cratingsystemistransplantedintotheslnartcar.Accordingtotherequirementsofmulti-smartCarcooperativecontrol,distributedautonomousdecision—makingproceduresarcprogrammedtoachievefreerunning,queuefollowingandroadjunctioncollaboratingofthemulti—smartcar.Finally,thelinearoptimalquadraticfleettrackingcontrolalgorithmisutilizedtorealizemulti-smartCarstartandstopformations.anduniformandrampcontro1.collaborativecommunicationnegotiationintersectionalgorithmsareappliedtoachievecrossingcollaborativetasksofthesmartCar.Theexperi—mentalresultsshowthatthedesignedZigBcewirelesscomunicationnetworkmeetstherequirementsofthecollaborationcontrol,fleetcontrolandroadjunctioncolaboratingcontrolofthesmartCar.
Keywords:
wirelesscomunicationnetwork;
smartCar;
embeddedoperatingsystem;
multi—smartCarcoordination.
使用真实车辆进行多车编队实验,维护工作十分复杂,实验成本很高,而且真实的智能车高速运行可能会造成危险的交通事故].因此,采用自主开发的智能小车替代真实车辆,搭建了一个基于ZigBee无线通信网络的多智能小车编队控制研究实验平台.本文提出一种基于无线通信网络的多智能小车编队控制系统,设计了系统的协作体系结构、通信方法、硬件电路与软件编队算法,在实验环境下实现了多智能小车编队控制.
1控制系统结构和无线通信网络设计
多智能小车编队控制系统采用分布式控制结构,没有集中控制单元,各智能小车关系平等,均能够与其他机器人通过通信进行信息交流以协调各
自行为,各智能小车具有高度的自治能力,自主地规划与决策J.这种结构有较好的容错性、适应性和扩展性.
如图1所示,在分布式控制结构体系下,根据小车内的感知模块获取外界环境信息,再由通信模块获取区域内其他小车的状态信息,通过程序分析
处理发送控制命令到小车的执行机构,使智能小车能够自主规划与决策.在多辆智能小车编队协作过程中,每辆智能小车具有独立的行驶方向和速度,
需要通过车一车组成的无线网络通信协商,其网络拓扑结构是频繁变化的,通过无线通信网络获取区域内其他小车的状态信息.当2辆车之间的距离低
于安全距离时,智能小车通过信息的交互,后车自主地参与协作,调整速度以维持一定的安全距离并以接近前方车辆的速度行驶,形成一个局部的跟随模型.
无线通信网络的建立是基于ZigBee协议栈J.ZigBee协议的体系结构由物理(PHY)层、媒体接人控制(MAC)层、逻辑链路层、网络层和应用
层组成.其中,PHY层和媒体介质访问层采用IEEE802.15.4协议标准.上层MAC、逻辑链路层和网络层由ZigBee联盟定义.应用层可以实现的
功能是管理高级的协议栈.用户应用程序在端点(协调器、路由器、终端节点)上实现.通过ZICM2410ZigBee芯片供给用户进行交互的控制
命令可以对网络内端点的通信信道、目的地址、数据显示形式、休眠状态和通讯模式进行设置.
2控制系统硬件和软件设计
智能小车的硬件采用模块化设计理念.智能小车的硬件整体设计如图2所示,主要包括以下几个模块:
1)处理器模块.该模块是智能小车的“大脑”,用于接收信息、发出控制命令.MCU选用了基于ARMCortex—M3内核的STM32F103VET6微
处理器芯片.
2)磁场检测传感器模块.智能小车处理器通过A/D接口读入磁场检测传感器输出的电压,进而判断引导线的位置,实现智能小车的导航控制.
3)速度传感器(里程传感器)模块.智能小车的运动速度和运行里程通过旋转增量式编码器进行检测,为准确获得运动速度和运行距离采用在车
体上加装与道路接触的测速轮,再将旋转增量式编码器的转轴和i贝4速轮同轴连接.
4)无线通信模块.智能小车为获取编队中其他小车的运动状态信息,需要通过无线模块和编队中其他小车进行通信.将获取到的信息通过US—
ART串口输入处理器模块.
5)电机驱动模块.智能小车获取环境信息后,处理器经过运算发出2个PWM波至驱动模块,控制左、右2个直流电机.通过改变PWM波的占空
比,改变2个直流电机的速度实现小车的转向、加减速、启停控制.
6)人机交互模块.小车需要设定参数和显示运行状态,所以设计了键盘、状态指示灯.智能小车
的处理器通过普通O口控制键盘和状态指示灯.
根据软件系统实现智能小车的编队控制的功能目标,软件既要保证实时性,又要完成多项复杂的功能.简单的状态机开发模型已不能满足需要,于是引入了嵌入式实时操作系统(RTOS).如图3所示,智能小车控制系统软件体系自下而上包括以下几个层次:
1)硬件驱动层.外设驱动主要有磁传感器驱动、测速传感器驱动、电机驱动模块驱动、无线模块驱动、人机交互驱动等.
2)嵌入式实时操作系统层.负责任务调度、任务间通信、内存的管理、信号量管理等.IxC/OS—lI是由Labrosse编写的一个源代码公开的嵌入式实
时操作系统,具有可移植性强、可固化、可剪裁、占先式内核、多任务处理等特点,还具有极高的稳定性与可靠性,但人机界面部分不是很完善.适合于
对实时性要求较高的小规模嵌入式系统中使用,因此可应用于小型移动机器人控制系统中J.
3)智能车编队控制应用程序层.属于用户应用程序层,是实现智能小车编队控制功能的主体部分.p.C/OS—lI操作系统可以管理64个任务,但一
般都保留8个任务,留给用户应用程序的最多可有54个任务,优先级可以为4—59之间的任何数,数值越低,表示优先级越高.
主要设计了初始化任务、检测和编队控制任务、串口通信发送任务和人机交互处理任务等用户任务,见表1.
3控制系统实验结果
3.1多智能小车编队算法
如图4所示,在多智能小车编队跟随过程中,设S,分别为i—l辆车和i辆车的位移,V,V分别为f一1辆车和f辆车的速度,a,a分别为第f一1辆车和第f辆车的加速度,d。
为2辆车的理想间距.第f辆智能小车与其前车f一1车的跟随关
系转换为状态方程形式:
(1)
式中,状态变量,u=ai,w=ai-1.
多智能小车编队跟随系统中,跟随控制的目标是最小化跟随距离误差和速度误差,并且使控制量尽量小,因此跟随控制可被视为一个最优控制问
题.采用线性最优二次型(LQ)控制方法l6求解,优化的目标函数为二次型指标函数:
(2)
式中,Q为状态变量的权重矩阵;
R为控制量的权重矩阵.最小化性能指标函数得到最优控制率为
(3)
矩阵P的计算可以根据李雅普诺夫第二方法,P需要满足Riccati方程:
(4)
状态变量权重矩阵Q和控制量的权重矩阵尺的选取对系统的控制性能影响很大.先选取适当的Q和,并利用MaⅡab软件画出系统的状态响应曲线,根据曲线的效果,最终确定,R=[400]
结合式(3)可计算得跟随车辆f的控制输入量U为
(5)
3.2多智能小车编队控制实验
在一个单车道的交通道路实验场景,对线性最优二次型编队控制算法进行实验.如图5所示,3辆智能小车编队行驶,智能小车通过无线通信网络广播实时状态信息(如车速、位置等),运用线性最优二次型算法对编队进行控制J,智能车之间的初始车间距为57cm,由于间距的设定采用时距法,即车间距与车辆速度成线性比例,车速越高设定车间距也越大.
如图6所示,多智能小车编队实验数据中的前车与后车速度和间距分别是车队中1号车与2号车的行驶速度和车间距.前车在t=90T(T为控制
周期)时刻启动,后车很快响应并与前车保持相近的速度(略微延时10个控制周期,约为0.2S).在前车停车时,前车的速度降为0,后车的速度也降
为0,前车与后车的间距与初始车间距相同.前车的速度在0~56,100cm/s这3档变化,后车的速度能够快速地与前车保持一致,车间距的变化与2辆
车的速度变化保持一致,以保持安全车间距.实验表明,线性最优二次型的控制算法在车队启动、停车、变速的情况下,既能使车间距保持在一定的安全范围内,又能够使跟随车辆的速度有较快的响应速率.
4结语
本文主要从分析多智find,车编队控制系统需求人手,采用ZigBee车载自组织无线通信网络,实现车~车通信方式的信息交互.智能小车采用磁场检测导航方式,控制芯片选择了基于ARM
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 无限 网络 智能 小车 编队 控制系统
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)