基于无线通信网络的多智能小车协作控制系统研究

摘要

多智能车协作可以看作是多机器人协作在交通领域的一种应用。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交换信息，实现主动的协作，从而保证系统的安全和高效。由于使用真实车辆作为多车协作控制的研究平台，会提高相应的实验成本，因此本文使用自主开发的智能小车来替代真实车辆，搭建了一个基于无线通信网络的多智能小车协作控制研究实验平台。
　　针对多智能小车协作系统对通信的实时性、可靠性及分布式协作的要求，采用ZigBee设计了适用于多智能小车协作控制的车载自组织无线通信网络，实现车-车通信方式的信息交互。ZigBee网络是在参考开放互联系统OSI七层模型的基础上，根据实际需要简化为物理(PHY)层、媒体访问控制(MAC)层、逻辑链路层、网络层和应用层五层结构，其性能满足多智能小车协作控制系统对通信可靠性、实时性的要求。
　　结合真实智能车的结构、功能和特点，设计了能够模仿真实车辆的智能小车。智能小车的控制芯片选择了基于ARM Cortex-M3内核的微处理器，硬件采用模块化设计理念设计了无线通信模块、磁场检测传感器、电机驱动模块等硬件模块，智能小车采用磁场检测导航方式，测速方式采用精度较高的旋转编码器。
　　在智能小车上移植了嵌入式μC/OS-Ⅱ实时操作系统，设计了各硬件底层驱动程序和多智能小车协作控制应用程序，采用位置式PD方向控制和增量式PI速度控制，实现了单个智能小车的方向和速度控制，为多智能小车的协作控制设计了初始化、检测和控制、串口接收、串口发送和人机交互等软件功能模块。
　　根据多智能小车协作控制要求，设计了智能小车分布式自主决策程序，实现了多智能小车自由运行、队列跟随和路口协作等运行模式。设计了基于线性最优二次型的车队跟随控制算法，实现了多智能小车编队的启停、匀速和加减速控制任务。设计了基于通信协商的路口协作算法，实现了多智能小车路口协作任务。
　　实验证明，设计的ZigBee无线通信网络和智能小车能够满足多智能小车协作控制系统的要求，并实现了多智能小车编队控制和多智能小车路口协作控制。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容及组织结构

第2章 系统的总体设计

2.1 系统整体架构

2.2 车载无线通信网络

2.3 智能小车的设计

2.4 本章小结

第3章 无线通信网络的设计与实现

3.1 无线通信网络的设计方案

3.1.1 无线通信网络设计总体方案

3.1.2 无线通信网络的选择

3.2 ZigBee无线通信网络的构建

3.2.1 物理层

3.2.2 媒体介质访问层

3.2.3 网络层

3.2.4 应用层

3.3 ZigBee无线通信网络的应用测试

3.4 本章小节

第4章 智能小车的硬件设计与实现

4.1 硬件系统设计的方案

4.1.1 硬件设计的总体方案

4.1.2 智能小车的测速方法选择

4.1.3 智能小车的处理器选择

4.2 磁场检测传感器的设计

4.3 处理器模块的设计

4.4 无线模块的设计

4.5 电机驱动模块设计

4.6 本章小结

第5章 智能小车的软件设计与实现

5.1 软件系统设计的方案

5.1.1 软件设计总体方案

5.1.2 开发环境的选择

5.1.3 操作系统的选择

5.2 μC/OS-Ⅱ操作系统在ARM处理器上的移植

5.2.1 μC/OS-Ⅱ操作系统的文件结构

5.2.2操作系统移植条件

5.2.3 操作系统移植过程

5.3 硬件驱动程序设计

5.3.1 无线模块驱动程序设计

5.3.2 传感器驱动程序设计

5.3.3 电机驱动模块驱动程序设计

5.4 智能小车协作控制应用程序设计

5.5 本章小结

第6章 实验环境下的多智能小车协作控制

6.1 多智能小车协作系统的控制决策

6.2 智能小车方向和速度控制

6.3 多智能小车编队控制

6.3.1 编队的车间距

6.3.2 多智能小车编队算法

6.3.3 多智能小车编队控制实验

6.4 多智能小车路口协作

6.4.1 路口协作算法

6.4.2 多智能小车路口协作实验

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文和获奖

致谢