基于車載自組網(wǎng)絡(luò)模式的小車互聯(lián)模型設(shè)計(jì)方案

1、設(shè)計(jì)背景

“robot”一詞源自捷克語(yǔ)“robota”，意謂“強(qiáng)迫勞動(dòng)”。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫了一個(gè)名為《洛桑萬(wàn)能機(jī)器人公司》的劇本，他把在洛桑萬(wàn)能機(jī)器人公司生產(chǎn)勞動(dòng)的那些家伙取名“Robot”，漢語(yǔ)音譯為“羅伯特”，捷克語(yǔ)意為“奴隸”——薩佩克把機(jī)器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類壓榨的奴隸，他們存在的價(jià)值只是服務(wù)于人類。他們沒有思維能力，不能思考，只是類似人的機(jī)器，以便使人擺脫勞動(dòng)。

1946年，美國(guó)的德沃爾發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。1954年，德沃爾又獲得可編程機(jī)器手專利，這種機(jī)器手臂按程序進(jìn)行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性。1959年，大學(xué)攻讀伺服理論的英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，這種機(jī)器人外形有點(diǎn)像炮塔，基座上有一個(gè)大機(jī)械臂，大臂可以繞軸在基座上轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂上又伸出一個(gè)小機(jī)器臂，它相對(duì)大臂可以伸出或縮回。小臂頂有一個(gè)腕子，可繞小臂轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行撫養(yǎng)和側(cè)搖。腕子前頭是手，即操作器。這個(gè)機(jī)器人的功能和人的手臂的功能相似，這是世界上第一臺(tái)真正的實(shí)用工業(yè)機(jī)器人。

到目前為止,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展過程大致可以分為以下3個(gè)階段：

第一代為可編程示教再現(xiàn)型機(jī)器人，其特征是機(jī)器人能夠按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復(fù)工作。1959年美國(guó)人英格伯格和德沃爾制造的世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人就屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用示教控制盒發(fā)出指令，讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作；

第二代機(jī)器人(20世紀(jì)70年代)是具有一定的感覺功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人，其特征是可以根據(jù)作業(yè)對(duì)象的狀況改變作業(yè)內(nèi)容，即所謂的“知覺判斷機(jī)器人”；

第三代機(jī)器人(20世紀(jì)80年代中期以后)是智能機(jī)器人，這種機(jī)器人帶有多種傳感器，能夠?qū)⒍喾N傳感器得到的信息進(jìn)行融合，能夠有效的適應(yīng)變化的環(huán)境，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能。

而對(duì)于機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)分支——移動(dòng)機(jī)器人，它的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的Nits Nilssen和Charles Rosen等人， 在1966年至1972年間研制出了名為Shake的自主移動(dòng)機(jī)器人。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，人們的研究方向逐漸轉(zhuǎn)移到了面向?qū)嶋H應(yīng)用的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的研究，并逐步形成了自主式移動(dòng)機(jī)器人AMR（Indoor Autonomous Mobile Robot）概念。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）專門立項(xiàng)，制定了地面天人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此在全世界掀開了全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕，如DARPA的“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃中的自主地面車輛（ALV）計(jì)劃（1983—1990），能源部制訂的為期10年的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計(jì)劃（RIPS）（1986—1995），以及后來(lái)的空間機(jī)器人計(jì)劃：日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計(jì)劃：歐洲尤里卡中的機(jī)器人計(jì)劃等。初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對(duì)機(jī)器人的智能行為期望過高，導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，也推動(dòng)了其它國(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究與開發(fā)。

在國(guó)內(nèi)，從“七五”開始，我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人研究開始起步，經(jīng)過多年來(lái)的發(fā)展，己經(jīng)取得了一定的成績(jī)。清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究（準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃）；基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究（基于多種傳感器信息的“感知一動(dòng)作”行為、基于環(huán)境勢(shì)場(chǎng)法的“感知一動(dòng)作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導(dǎo)航控制）；路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究（基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬）；傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究（差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、 磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測(cè)距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù) 信息融合技術(shù)）；智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（智能移動(dòng)機(jī)器人THMR—111的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）。香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的AGV和防爆機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等等。

但是，在國(guó)內(nèi)并沒有哪個(gè)大學(xué)或組織側(cè)重于研究智能移動(dòng)機(jī)器人間的通信。尤其在汽車行業(yè)越來(lái)越智能化的今天，把我們已有的導(dǎo)航機(jī)器人、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)等等，通過無(wú)線自組網(wǎng)應(yīng)用到汽車通信領(lǐng)域顯得尤為重要。開發(fā)這樣一種網(wǎng)絡(luò)就需要ad-hoc技術(shù)和當(dāng)今國(guó)際研究熱點(diǎn)——802.11p協(xié)議。

Ad-Hoc的英文原意是“特別的、特定的”，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)是建立在特定場(chǎng)合的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，由路由器Router和主機(jī)Host組成，這些節(jié)點(diǎn)可以任意移動(dòng)位置，因此網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是任意而不可預(yù)測(cè)的。Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，早期應(yīng)用于軍隊(duì)、警察、救護(hù)等系統(tǒng)中，這些場(chǎng)合情況緊急，時(shí)常伴有災(zāi)難和危險(xiǎn)。1972年，美國(guó)DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）就啟動(dòng)了分組無(wú)線（PRNET,Packet Radio NETwork）項(xiàng)目，研究分組無(wú)線網(wǎng)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)下數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。項(xiàng)目完成之后，DAPRA又在1993年啟動(dòng)了高存性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（SURAN,Survivable Adaptive Network）項(xiàng)目，研究如何將PRNET的成果加以擴(kuò)展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，還要開發(fā)能適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)快速變化環(huán)境下的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。1994年DARPA又啟動(dòng)了全球移動(dòng)信息系統(tǒng)（GloMo,Globle Mobile Information Systems）項(xiàng)目。在分組無(wú)線網(wǎng)已有成果的基礎(chǔ)上對(duì)能夠滿足軍事應(yīng)用需要的、可快速鋪設(shè)、高抗毀性的移動(dòng)信息系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的研究，并一直持續(xù)至今。

早前提出的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)是一種自治的網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以在飛機(jī)、船舶上，也可在卡車、小汽車上。從這一意義上來(lái)說(shuō)，車載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET)完全可以看作是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MANET的一個(gè)重要分支。車輛自組網(wǎng)與傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)相比較，具有車輛高速行駛、信道快速衰落、多普勒效應(yīng)嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斓忍卣?，這些也都是當(dāng)前無(wú)線移動(dòng)通信面臨的主要難題。

把Ad-Hoc技術(shù)和移動(dòng)自組網(wǎng)的概念應(yīng)用到汽車通信領(lǐng)域成為一種趨勢(shì)，車載環(huán)境無(wú)線接入(WAVE)被視為下一代專用短距通信(DSRC)技術(shù)，能夠提供高速的車到車(V2V)和車到中心臺(tái)(V2I)數(shù)據(jù)傳輸，主要可以用于智能交通系統(tǒng)(ITS)，車輛安全服務(wù)以及車上因特網(wǎng)接入。WAVE系統(tǒng)工作于5.850～5.925 GHz，采用OFDM傳輸技術(shù)，能夠達(dá)到3～27Mbit/s的信息傳輸速率。在WAVE系統(tǒng)中，一個(gè)路側(cè)單元(RSU)可以覆蓋方圓1 000英尺。WAVE系統(tǒng)就是基于IEEE 802.11p協(xié)議，此系統(tǒng)就能克服以往車載自組網(wǎng)絡(luò)具有車輛高速行駛、信道快速衰落、多普勒效應(yīng)嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斓忍卣鳌?/p>

2、設(shè)計(jì)目的

1994年，美國(guó)的一個(gè)機(jī)器人丹蒂(Dante)探索了南極洲的埃力柏斯火山口,這無(wú)疑是智能機(jī)器人最新技術(shù)的示范。該探險(xiǎn)行動(dòng)實(shí)際上是由相互協(xié)作的兩個(gè)機(jī)器人來(lái)執(zhí)行的。其中一個(gè)是善于爬坡的運(yùn)輸機(jī)器人,把丹蒂?gòu)臓I(yíng)地送到火山口邊緣,然后丹蒂用攀登繩索下去取樣。雖然該項(xiàng)行動(dòng)遇到故障,但是人們普遍承認(rèn)該機(jī)器人系統(tǒng)是成功的。

事實(shí)上,這是代表當(dāng)前智能機(jī)器人最高水平的自主式移動(dòng)機(jī)器人(AMR)系列中的一個(gè)。自主式移動(dòng)機(jī)器人,它要求在野外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自主地執(zhí)行一系列任務(wù),例如偵察、探險(xiǎn)、搬運(yùn)等等。環(huán)境變化的不確定性意味著機(jī)器人必須有良好的環(huán)境感知、行動(dòng)規(guī)劃與決策、靈巧的機(jī)動(dòng)控制等功能。涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括機(jī)器視覺、多傳感融合、全局與局部控制、學(xué)習(xí)與決策,以及機(jī)械構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)控制等。

我們研究設(shè)計(jì)的智能小車，不僅可以用于野外探險(xiǎn)，還可用于樓宇、倉(cāng)庫(kù)等一般場(chǎng)合，以及用于、礦井、防爆、毒氣泄漏等惡劣環(huán)境。

智能小車上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻采集及無(wú)線傳輸，可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在安防、交通、智能樓宇等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

對(duì)于汽車行業(yè)飛速發(fā)展的今天，擁有私家車的人群越來(lái)越多，而避免交通事故顯得尤為重要，我們研究的小車相互之間可以自動(dòng)傳送警告信息，減小了交通事故的發(fā)生率；采用的通信協(xié)議—802.11p也是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。

下圖為探險(xiǎn)者利用智能小車探路的模型化表示：

圖1 智能車在探險(xiǎn)中應(yīng)用的模型化表示

下圖為基于802.11p協(xié)議的車載自組網(wǎng)在高速公路上的應(yīng)用方案：

圖2 802.11p的車載自組網(wǎng)應(yīng)用方案

方案論證

此智能小車主要完成基本功能和擴(kuò)展功能：基本功能是必須完成的功能，擴(kuò)展功能可以根據(jù)時(shí)間和難度做出適當(dāng)?shù)募舨谩?/p>

基本功能：

1. PC通過ad-hoc網(wǎng)絡(luò)向小車發(fā)送控制命令到小車的控制中心（單片機(jī)），控制中心控制步進(jìn)電機(jī)，從而控制小車的轉(zhuǎn)向和速度；
2. 小車在行走的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障，通過超聲波傳感器，把障礙物信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)，使小車停止行走或倒退；
3. 前方小車遇到障礙物時(shí)，完成避障的同時(shí)，由單片機(jī)通過ad-hoc網(wǎng)絡(luò)傳給PC和另一輛小車，實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能；
4. 小車上的視頻采集系統(tǒng)，把采集到的路況信息傳給控制中心，經(jīng)過一定的視頻壓縮處理后，控制中心通過ad-hoc網(wǎng)絡(luò)把路況信息傳給PC；PC端解壓后，可以根據(jù)路況信息控制小車的動(dòng)作；
5. 在PC上集成了控制軟件，并通過可視化窗口，能夠觀察采集回來(lái)的視頻信息，從而可以控制小車的動(dòng)作。

擴(kuò)展功能：

1. 在小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的基礎(chǔ)上，小車能夠以最佳路線繞過障礙物，并能防止滑落；最終實(shí)現(xiàn)在一定環(huán)境下（包括障礙物和滑坡）兩輛小車可以在一定的速度范圍內(nèi)無(wú)差錯(cuò)行走；
2. 在小車上實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位系統(tǒng)，PC上可以看到小車在整個(gè)地圖中的位置信息，并能根據(jù)小車的移動(dòng)，做出相應(yīng)的更新；
3. 小車與小車之間構(gòu)建一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于收集周圍的環(huán)境信息，并組成車載自組網(wǎng)絡(luò)，給單片機(jī)留更多的資源來(lái)進(jìn)行視頻傳輸及對(duì)傳感器信息的融合處理；
4. 小車通過圖像處理技術(shù)完全自主行駛，能識(shí)別和測(cè)量周圍的物體，理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并作出正確的判斷及操作和移動(dòng)等能力。

一、硬件部分

圖3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖

二、軟件部分

（1）軟件構(gòu)架

方案一：采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，“實(shí)時(shí)”兩個(gè)字的意思就是對(duì)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)貴在實(shí)時(shí)，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成某種操作。主要用在工業(yè)控制中。具有：高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)；多級(jí)中斷機(jī)制；實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制，包括兩個(gè)方面，一是在調(diào)度策略和算法上保證優(yōu)先調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)；二是建立更多“安全切換”時(shí)間點(diǎn)，保證及時(shí)調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)。

方案二：采用無(wú)操作系統(tǒng)算法，一般沒有明顯的操作系統(tǒng)支持，而是通過匯編語(yǔ)言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。主要特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)單一，針對(duì)性強(qiáng)，無(wú)操作系統(tǒng)支持，幾乎沒有用戶接口。

根據(jù)兩種方案的特點(diǎn)，選用方案一作為本次設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。

（2）通訊協(xié)議

方案一：采用IEEE802.l1p標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11p(又稱WAVE；Wireless Access in the Vehicle Environment)是一種由IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來(lái)的通訊協(xié)議。這個(gè)通訊協(xié)議主要用在車用電子的無(wú)線通訊上。它又對(duì)IEEE802.11擴(kuò)充延伸，來(lái)滿足ITS系統(tǒng)(Intelligent Trans- portation Systems,ITS)相關(guān)應(yīng)用的需求，802.11p將用在車載通訊(或稱專用短距離通訊，Dedicated Short Range Comu- nication,DSRC)系統(tǒng)中。IEEE802.l1p標(biāo)準(zhǔn)主要是解決移動(dòng)的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)快速連接高頻率切換問題和新的安全問題。從性能上看，802.11p最高傳輸速率可以達(dá)到27Mbps，傳輸范圍達(dá)1000米。

方案二：采用IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11a工作于5GHz的U-NII頻段，該標(biāo)準(zhǔn)使用OFDM（正交頻分復(fù)用）調(diào)制數(shù)據(jù)，物理層速率可達(dá)54Mbps，傳輸層可達(dá)25Mbps。其具有較少?zèng)_突的特點(diǎn)，因?yàn)?.4GHz 的頻帶已經(jīng)被廣泛使用。但在上飛速行駛的汽車和復(fù)雜的道路狀況給物理層帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，在移動(dòng)的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)快速連接高頻率切換問題和新的安全問題上IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)顯得有點(diǎn)無(wú)力

根據(jù)兩種方案的特點(diǎn)，選用方案一作為本次設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。

（3）軟件流程圖

圖4 軟件流程圖

作品優(yōu)勢(shì)

設(shè)計(jì)方法和過去采用傳統(tǒng)的方法相比,具有以下明顯優(yōu)勢(shì):

(1) 電路簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)。Digilent Cerebot™ 32MX4開發(fā)板是一個(gè)功能強(qiáng)大的微控制器開發(fā)板，具有一個(gè)全新Microchip® PIC32™微控制器，具有大量的I/O接口和電源選項(xiàng)；

（2）采用mC/OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。響應(yīng)時(shí)間短，能提供及時(shí)響應(yīng)和高可靠性；支持多任務(wù)，具有任務(wù)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)調(diào)度是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的算法；具有多種中斷級(jí)別，方便管理小車的各種行為；

（3）基于802.11p協(xié)議組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。802.11p協(xié)議是一種由IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來(lái)的通訊協(xié)議，這個(gè)通訊協(xié)議主要用在車用電子的無(wú)線通訊上，來(lái)滿足ITS系統(tǒng)(Intelligent Trans- portation Systems,ITS)相關(guān)應(yīng)用的需求；

（4）人機(jī)界面良好，操作簡(jiǎn)單。PC上集成了控制軟件，可以幾乎無(wú)延時(shí)看到智能小車

采集回來(lái)的視頻信息，并通過軟件上的按鍵控制攝像頭的偏移、小車的轉(zhuǎn)向和速度等。

PC機(jī)上的控制軟件demo如下圖所示：

圖5 控制軟件demo