基于車(chē)載自組網(wǎng)絡(luò )模式的小車(chē)互聯(lián)模型設計方案

1、設計背景

“robot”一詞源自捷克語(yǔ)“robota”，意謂“強迫勞動(dòng)”。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫(xiě)了一個(gè)名為《洛桑萬(wàn)能機器人公司》的劇本，他把在洛桑萬(wàn)能機器人公司生產(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”——薩佩克把機器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類(lèi)壓榨的奴隸，他們存在的價(jià)值只是服務(wù)于人類(lèi)。他們沒(méi)有思維能力，不能思考，只是類(lèi)似人的機器，以便使人擺脫勞動(dòng)。

1946年，美國的德沃爾發(fā)明了一種系統，可以“重演”所記錄的機器的運動(dòng)。1954年，德沃爾又獲得可編程機器手專(zhuān)利，這種機器手臂按程序進(jìn)行工作，可以根據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)手制造出第一臺工業(yè)機器人，這種機器人外形有點(diǎn)像炮塔，基座上有一個(gè)大機械臂，大臂可以繞軸在基座上轉動(dòng)，大臂上又伸出一個(gè)小機器臂，它相對大臂可以伸出或縮回。小臂頂有一個(gè)腕子，可繞小臂轉動(dòng)，進(jìn)行撫養和側搖。腕子前頭是手，即操作器。這個(gè)機器人的功能和人的手臂的功能相似，這是世界上第一臺真正的實(shí)用工業(yè)機器人。

到目前為止,機器人技術(shù)的發(fā)展過(guò)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型機器人，其特征是機器人能夠按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復工作。1959年美國人英格伯格和德沃爾制造的世界上第一臺工業(yè)機器人就屬于示教再現型，即人手把著(zhù)機械手，把應當完成的任務(wù)做一遍，或者人用示教控制盒發(fā)出指令，讓機器人的機械手臂運動(dòng)，一步步完成它應當完成的各個(gè)動(dòng)作；

第二代機器人(20世紀70年代)是具有一定的感覺(jué)功能和自適應能力的離線(xiàn)編程機器人，其特征是可以根據作業(yè)對象的狀況改變作業(yè)內容，即所謂的“知覺(jué)判斷機器人”；

第三代機器人(20世紀80年代中期以后)是智能機器人，這種機器人帶有多種傳感器，能夠將多種傳感器得到的信息進(jìn)行融合，能夠有效的適應變化的環(huán)境，具有很強的自適應能力、學(xué)習能力和自治功能。

而對于機器人領(lǐng)域的一個(gè)分支——移動(dòng)機器人，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)機器人。

進(jìn)入20世紀80年代以后，人們的研究方向逐漸轉移到了面向實(shí)際應用的室內移動(dòng)機器人的研究，并逐步形成了自主式移動(dòng)機器人AMR（Indoor Autonomous Mobile Robot）概念。美國國防高級研究計劃局（DARPA）專(zhuān)門(mén)立項，制定了地面天人作戰平臺的戰略計劃。從此在全世界掀開(kāi)了全面研究室外移動(dòng)機器人的序幕，如DARPA的“戰略計算機”計劃中的自主地面車(chē)輛（ALV）計劃（1983—1990），能源部制訂的為期10年的機器人和智能系統計劃（RIPS）（1986—1995），以及后來(lái)的空間機器人計劃：日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃：歐洲尤里卡中的機器人計劃等。初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機器人的體系結構和信息處理，并建立實(shí)驗系統進(jìn)行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過(guò)高，導致室外機器人的研究未達到預期的效果，但卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類(lèi)研制智能機器人的途徑積累了經(jīng)驗。同時(shí)，也推動(dòng)了其它國家對移動(dòng)機器人的研究與開(kāi)發(fā)。

在國內，從“七五”開(kāi)始，我國的移動(dòng)機器人研究開(kāi)始起步，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，己經(jīng)取得了一定的成績(jì)。清華大學(xué)智能移動(dòng)機器人于1994年通過(guò)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劃技術(shù)研究（準結構道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規劃）；基于傳感器信息的局部路徑規劃技術(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)境勢場(chǎng)法的“感知一動(dòng)作”行為、基于模糊控制的局部路徑規劃與導航控制）；路徑規劃的仿真技術(shù)研究（基于地圖的全局路徑規劃系統的仿真模擬、室外移動(dòng)機器人規劃系統的仿真模擬、室內移動(dòng)機器人局部路徑規劃系統的仿真模擬）；傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究（差分全球衛星定位系統、 磁羅盤(pán)和光碼盤(pán)定位系統、超聲測距系統、視覺(jué)處理技術(shù) 信息融合技術(shù)）；智能移動(dòng)機器人的設計和實(shí)現（智能移動(dòng)機器人THMR—111的體系結構、高效快速的數據傳輸技術(shù)、自動(dòng)駕駛系統）。香港城市大學(xué)智能設計、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導航車(chē)和服務(wù)機器人。中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的AGV和防爆機器人。中國科學(xué)院自動(dòng)化所自行設計、制造的全方位移動(dòng)式機器人視覺(jué)導航系統。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導游機器人等等。

但是，在國內并沒(méi)有哪個(gè)大學(xué)或組織側重于研究智能移動(dòng)機器人間的通信。尤其在汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越智能化的今天，把我們已有的導航機器人、視覺(jué)導航系統等等，通過(guò)無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)應用到汽車(chē)通信領(lǐng)域顯得尤為重要。開(kāi)發(fā)這樣一種網(wǎng)絡(luò )就需要ad-hoc技術(shù)和當今國際研究熱點(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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，由路由器Router和主機Host組成，這些節點(diǎn)可以任意移動(dòng)位置，因此網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構是任意而不可預測的。Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò )的應用場(chǎng)合非常廣泛，早期應用于軍隊、警察、救護等系統中，這些場(chǎng)合情況緊急，時(shí)常伴有災難和危險。1972年，美國DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）就啟動(dòng)了分組無(wú)線(xiàn)（PRNET,Packet Radio NETwork）項目，研究分組無(wú)線(xiàn)網(wǎng)在戰場(chǎng)環(huán)下數據通信中的應用。項目完成之后，DAPRA又在1993年啟動(dòng)了高存性自適應網(wǎng)絡(luò )（SURAN,Survivable Adaptive Network）項目，研究如何將PRNET的成果加以擴展，以支持更大規模的網(wǎng)絡(luò )，還要開(kāi)發(fā)能適應戰場(chǎng)快速變化環(huán)境下的自適應網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。1994年DARPA又啟動(dòng)了全球移動(dòng)信息系統（GloMo,Globle Mobile Information Systems）項目。在分組無(wú)線(xiàn)網(wǎng)已有成果的基礎上對能夠滿(mǎn)足軍事應用需要的、可快速鋪設、高抗毀性的移動(dòng)信息系統進(jìn)行全面深入的研究，并一直持續至今。

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)節點(diǎn)可以在飛機、船舶上，也可在卡車(chē)、小汽車(chē)上。從這一意義上來(lái)說(shuō)，車(chē)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(chē)輛自組網(wǎng)與傳統無(wú)線(xiàn)通信系統相比較，具有車(chē)輛高速行駛、信道快速衰落、多普勒效應嚴重、網(wǎng)絡(luò )拓撲變化快等特征，這些也都是當前無(wú)線(xiàn)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)的概念應用到汽車(chē)通信領(lǐng)域成為一種趨勢，車(chē)載環(huán)境無(wú)線(xiàn)接入(WAVE)被視為下一代專(zhuān)用短距通信(DSRC)技術(shù)，能夠提供高速的車(chē)到車(chē)(V2V)和車(chē)到中心臺(V2I)數據傳輸，主要可以用于智能交通系統(ITS)，車(chē)輛安全服務(wù)以及車(chē)上因特網(wǎng)接入。WAVE系統工作于5.850～5.925 GHz，采用OFDM傳輸技術(shù)，能夠達到3～27Mbit/s的信息傳輸速率。在WAVE系統中，一個(gè)路側單元(RSU)可以覆蓋方圓1 000英尺。WAVE系統就是基于IEEE 802.11p協(xié)議，此系統就能克服以往車(chē)載自組網(wǎng)絡(luò )具有車(chē)輛高速行駛、信道快速衰落、多普勒效應嚴重、網(wǎng)絡(luò )拓撲變化快等特征。

2、設計目的

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

事實(shí)上,這是代表當前智能機器人最高水平的自主式移動(dòng)機器人(AMR)系列中的一個(gè)。自主式移動(dòng)機器人,它要求在野外非結構化環(huán)境中自主地執行一系列任務(wù),例如偵察、探險、搬運等等。環(huán)境變化的不確定性意味著(zhù)機器人必須有良好的環(huán)境感知、行動(dòng)規劃與決策、靈巧的機動(dòng)控制等功能。涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括機器視覺(jué)、多傳感融合、全局與局部控制、學(xué)習與決策,以及機械構造、運動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)控制等。

我們研究設計的智能小車(chē)，不僅可以用于野外探險，還可用于樓宇、倉庫等一般場(chǎng)合，以及用于、礦井、防爆、毒氣泄漏等惡劣環(huán)境。

智能小車(chē)上實(shí)現了實(shí)時(shí)視頻采集及無(wú)線(xiàn)傳輸，可以方便的實(shí)現對目標環(huán)境的遠程監控，在安防、交通、智能樓宇等領(lǐng)域有很好的應用前景。

對于汽車(chē)行業(yè)飛速發(fā)展的今天，擁有私家車(chē)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(chē)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也是國際上的研究熱點(diǎn)。

下圖為探險者利用智能小車(chē)探路的模型化表示：

圖1 智能車(chē)在探險中應用的模型化表示

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

圖2 802.11p的車(chē)載自組網(wǎng)應用方案

方案論證

此智能小車(chē)主要完成基本功能和擴展功能：基本功能是必須完成的功能，擴展功能可以根據時(shí)間和難度做出適當的剪裁。

基本功能：

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

擴展功能：

1. 在小車(chē)實(shí)現自動(dòng)避障的基礎上，小車(chē)能夠以最佳路線(xiàn)繞過(guò)障礙物，并能防止滑落；最終實(shí)現在一定環(huán)境下（包括障礙物和滑坡）兩輛小車(chē)可以在一定的速度范圍內無(wú)差錯行走；
2. 在小車(chē)上實(shí)現無(wú)線(xiàn)定位系統，PC上可以看到小車(chē)在整個(gè)地圖中的位置信息，并能根據小車(chē)的移動(dòng)，做出相應的更新；
3. 小車(chē)與小車(chē)之間構建一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )用于收集周?chē)沫h(huán)境信息，并組成車(chē)載自組網(wǎng)絡(luò )，給單片機留更多的資源來(lái)進(jìn)行視頻傳輸及對傳感器信息的融合處理；
4. 小車(chē)通過(guò)圖像處理技術(shù)完全自主行駛，能識別和測量周?chē)奈矬w，理解周?chē)h(huán)境和所要執行任務(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 系統的整體設計框圖

二、軟件部分

（1）軟件構架

方案一：采用實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-Ⅱ，“實(shí)時(shí)”兩個(gè)字的意思就是對響應時(shí)間有嚴格的要求。實(shí)時(shí)操作系統貴在實(shí)時(shí)，要求在規定的時(shí)間內完成某種操作。主要用在工業(yè)控制中。具有：高精度計時(shí)系統；多級中斷機制；實(shí)時(shí)調度機制，包括兩個(gè)方面，一是在調度策略和算法上保證優(yōu)先調度實(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)調度實(shí)時(shí)任務(wù)。

方案二：采用無(wú)操作系統算法，一般沒(méi)有明顯的操作系統支持，而是通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對系統進(jìn)行直接控制。主要特點(diǎn)是系統結構和功能都相對單一，針對性強，無(wú)操作系統支持，幾乎沒(méi)有用戶(hù)接口。

根據兩種方案的特點(diǎn)，選用方案一作為本次設計的操作系統μC/OS-Ⅱ。

（2）通訊協(xié)議

方案一：采用IEEE802.l1p標準，IEEE802.11p(又稱(chēng)WAVE；Wireless Access in the Vehicle Environment)是一種由IEEE 802.11標準發(fā)展而來(lái)的通訊協(xié)議。這個(gè)通訊協(xié)議主要用在車(chē)用電子的無(wú)線(xiàn)通訊上。它又對IEEE802.11擴充延伸，來(lái)滿(mǎn)足ITS系統(Intelligent Trans- portation Systems,ITS)相關(guān)應用的需求，802.11p將用在車(chē)載通訊(或稱(chēng)專(zhuān)用短距離通訊，Dedicated Short Range Comu- nication,DSRC)系統中。IEEE802.l1p標準主要是解決移動(dòng)的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò )快速連接高頻率切換問(wèn)題和新的安全問(wèn)題。從性能上看，802.11p最高傳輸速率可以達到27Mbps，傳輸范圍達1000米。

方案二：采用IEEE802.11a標準，IEEE802.11a工作于5GHz的U-NII頻段，該標準使用OFDM（正交頻分復用）調制數據，物理層速率可達54Mbps，傳輸層可達25Mbps。其具有較少沖突的特點(diǎn)，因為2.4GHz 的頻帶已經(jīng)被廣泛使用。但在上飛速行駛的汽車(chē)和復雜的道路狀況給物理層帶來(lái)了很大的挑戰，在移動(dòng)的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò )快速連接高頻率切換問(wèn)題和新的安全問(wèn)題上IEEE802.11a標準顯得有點(diǎn)無(wú)力

根據兩種方案的特點(diǎn)，選用方案一作為本次設計的操作系統μC/OS-Ⅱ。

（3）軟件流程圖

圖4 軟件流程圖

作品優(yōu)勢

設計方法和過(guò)去采用傳統的方法相比,具有以下明顯優(yōu)勢:

(1) 電路簡(jiǎn)單，可靠性強。Digilent Cerebot™ 32MX4開(kāi)發(fā)板是一個(gè)功能強大的微控制器開(kāi)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；

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

（3）基于802.11p協(xié)議組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。802.11p協(xié)議是一種由IEEE 802.11標準發(fā)展而來(lái)的通訊協(xié)議，這個(gè)通訊協(xié)議主要用在車(chē)用電子的無(wú)線(xiàn)通訊上，來(lái)滿(mǎn)足ITS系統(Intelligent Trans- portation Systems,ITS)相關(guān)應用的需求；

（4）人機界面良好，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(chē)

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

PC機上的控制軟件demo如下圖所示：

圖5 控制軟件demo