基于車載自組網(wǎng)絡(luò)模式的小車互聯(lián)應(yīng)用開發(fā) - 全文

　　1、設(shè)計背景

　　“robot”一詞源自捷克語“robota”，意謂“強迫勞動”。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫了一個名為《洛桑萬能機器人公司》的劇本，他把在洛桑萬能機器人公司生產(chǎn)勞動的那些家伙取名“Robot”，漢語音譯為“羅伯特”，捷克語意為“奴隸”——薩佩克把機器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類壓榨的奴隸，他們存在的價值只是服務(wù)于人類。他們沒有思維能力，不能思考，只是類似人的機器，以便使人擺脫勞動。

　　1946年，美國的德沃爾發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機器的運動。1954年，德沃爾又獲得可編程機器手專利，這種機器手臂按程序進行工作，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像炮塔，基座上有一個大機械臂，大臂可以繞軸在基座上轉(zhuǎn)動，大臂上又伸出一個小機器臂，它相對大臂可以伸出或縮回。小臂頂有一個腕子，可繞小臂轉(zhuǎn)動，進行撫養(yǎng)和側(cè)搖。腕子前頭是手，即操作器。這個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用工業(yè)機器人。

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

　　第一代為可編程示教再現(xiàn)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(xiàn)型，即人手把著機械手，把應(yīng)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，一步步完成它應(yīng)當完成的各個動作；

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

　　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?qū)⒍喾N傳感器得到的信息進行融合，能夠有效的適應(yīng)變化的環(huán)境，具有很強的自適應(yīng)能力、學習能力和自治功能。

　　而對于機器人領(lǐng)域的一個分支——移動機器人，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的自主移動機器人。

　　進入20世紀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)移動機器人的研究，并逐步形成了自主式移動機器人AMR（Indoor Autonomous Mobile Robot）概念。美國國防高級研究計劃局（DARPA）專門立項，制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕，如DARPA的“戰(zhàn)略計算機”計劃中的自主地面車輛（ALV）計劃（1983—1990），能源部制訂的為期10年的機器人和智能系統(tǒng)計劃（RIPS）（1986—1995），以及后來的空間機器人計劃：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，主要從學術(shù)角度研究室外機器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高，導致室外機器人的研究未達到預期的效果，但卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機器人的途徑積累了經(jīng)驗。同時，也推動了其它國家對移動機器人的研究與開發(fā)。

　　在國內(nèi)，從“七五”開始，我國的移動機器人研究開始起步，經(jīng)過多年來的發(fā)展，己經(jīng)取得了一定的成績。清華大學智能移動機器人于1994年通過鑒定。涉及到五個方面的關(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“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導航控制）；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、室外移動機器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動機器人局部路徑規(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)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù) 信息融合技術(shù)）；智能移動機器人的設(shè)計和實現(xiàn)（智能移動機器人THMR—111的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動駕駛系統(tǒng)）。香港城市大學智能設(shè)計、自動化及制造研究中心的自動導航車和服務(wù)機器人。中國科學院沈陽自動化研究所的AGV和防爆機器人。中國科學院自動化所自行設(shè)計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學于1996年研制成功的導游機器人等等。

　　但是，在國內(nèi)并沒有哪個大學或組織側(cè)重于研究智能移動機器人間的通信。尤其在汽車行業(yè)越來越智能化的今天，把我們已有的導航機器人、視覺導航系統(tǒng)等等，通過無線自組網(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)和當今國際研究熱點——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)是建立在特定場合的無線網(wǎng)絡(luò)，由路由器Router和主機Host組成，這些節(jié)點可以任意移動位置，因此網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是任意而不可預測的。Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合非常廣泛，早期應(yīng)用于軍隊、警察、救護等系統(tǒng)中，這些場合情況緊急，時常伴有災(zāi)難和危險。1972年，美國DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）就啟動了分組無線（PRNET，Packet Radio NETwork）項目，研究分組無線網(wǎng)在戰(zhàn)場環(huán)下數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。項目完成之后，DAPRA又在1993年啟動了高存性自適應(yīng)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(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，還要開發(fā)能適應(yīng)戰(zhàn)場快速變化環(huán)境下的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。1994年DARPA又啟動了全球移動信息系統(tǒng)（GloMo，Globle Mobile Information Systems）項目。在分組無線網(wǎng)已有成果的基礎(chǔ)上對能夠滿足軍事應(yīng)用需要的、可快速鋪設(shè)、高抗毀性的移動信息系統(tǒng)進行全面深入的研究，并一直持續(xù)至今。

　　早前提出的移動自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）是一種自治的網(wǎng)絡(luò)，移動節(jié)點可以在飛機、船舶上，也可在卡車、小汽車上。從這一意義上來說，車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）完全可以看作是移動自組織網(wǎng)絡(luò)MANET的一個重要分支。車輛自組網(wǎng)與傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)相比較，具有車輛高速行駛、信道快速衰落、多普勒效應(yīng)嚴重、網(wǎng)絡(luò)拓撲變化快等特征，這些也都是當前無線移動通信面臨的主要難題。

　　把Ad-Hoc技術(shù)和移動自組網(wǎng)的概念應(yīng)用到汽車通信領(lǐng)域成為一種趨勢，車載環(huán)境無線接入（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（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)，能夠達到3～27Mbit/s的信息傳輸速率。在WAVE系統(tǒng)中，一個路側(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)嚴重、網(wǎng)絡(luò)拓撲變化快等特征。

　　2、設(shè)計目的

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

　　事實上，這是代表當前智能機器人最高水平的自主式移動機器人（AMR）系列中的一個。自主式移動機器人，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、搬運等等。環(huán)境變化的不確定性意味著機器人必須有良好的環(huán)境感知、行動規(guī)劃與決策、靈巧的機動控制等功能。涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括機器視覺、多傳感融合、全局與局部控制、學習與決策，以及機械構(gòu)造、運動學與動力學控制等。

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

　　智能小車上實現(xiàn)了實時視頻采集及無線傳輸，可以方便的實現(xiàn)對目標環(huán)境的遠程監(jiān)控，在安防、交通、智能樓宇等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

　　對于汽車行業(yè)飛速發(fā)展的今天，擁有私家車的人群越來越多，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。

　　下圖為探險者利用智能小車探路的模型化表示：

　　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：

　　方案論證

　　此智能小車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(jù)時間和難度做出適當?shù)募舨谩?/p>

　　基本功能：

　　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），控制中心控制步進電機，從而控制小車的轉(zhuǎn)向和速度；

　　小車在行走的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動避障，通過超聲波傳感器，把障礙物信息傳給單片機，單片機控制電機，使小車停止行走或倒退；

　　前方小車遇到障礙物時，完成避障的同時，由單片機通過ad-hoc網(wǎng)絡(luò)傳給PC和另一輛小車，實現(xiàn)預警功能；

　　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作；

　　在PC上集成了控制軟件，并通過可視化窗口，能夠觀察采集回來的視頻信息，從而可以控制小車的動作。

　　擴展功能：

　　在小車實現(xiàn)自動避障的基礎(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)無差錯行走；

　　在小車上實現(xiàn)無線定位系統(tǒng)，PC上可以看到小車在整個地圖中的位置信息，并能根據(jù)小車的移動，做出相應(yīng)的更新；

　　小車與小車之間構(gòu)建一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)，這個網(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)，給單片機留更多的資源來進行視頻傳輸及對傳感器信息的融合處理；

　　小車通過圖像處理技術(shù)完全自主行駛，能識別和測量周圍的物體，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等能力。

　　硬件部分

　　軟件部分

　?。?）軟件構(gòu)架

　　方案一：采用實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，“實時”兩個字的意思就是對響應(yīng)時間有嚴格的要求。實時操作系統(tǒng)貴在實時，要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成某種操作。主要用在工業(yè)控制中。具有：高精度計時系統(tǒng)；多級中斷機制；實時調(diào)度機制，包括兩個方面，一是在調(diào)度策略和算法上保證優(yōu)先調(diào)度實時任務(wù)；二是建立更多“安全切換”時間點，保證及時調(diào)度實時任務(wù)。

　　方案二：采用無操作系統(tǒng)算法，一般沒有明顯的操作系統(tǒng)支持，而是通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制。主要特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對單一，針對性強，無操作系統(tǒng)支持，幾乎沒有用戶接口。

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

　　（2）通訊協(xié)議

　　方案一：采用IEEE802.l1p標準，IEEE802.11p（又稱WAVE；Wireless Access in the Vehicle Environment）是一種由IEEE 802.11標準發(fā)展而來的通訊協(xié)議。這個通訊協(xié)議主要用在車用電子的無線通訊上。它又對IEEE802.11擴充延伸，來滿足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 ShortRange Comu- nication，DSRC）系統(tǒng)中。IEEE802.l1p標準主要是解決移動的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(diào)制數(shù)據(jù)，物理層速率可達54Mbps，傳輸層可達25Mbps。其具有較少沖突的特點，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和復雜的道路狀況給物理層帶來了很大的挑戰(zhàn)，在移動的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標準顯得有點無力

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

　?。?）軟件流程圖

　　作品優(yōu)勢

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

　　（1） 電路簡單，可靠性強。Digilent Cerebot？ 32MX4開發(fā)板是一個功能強大的微控制器開發(fā)板，具有一個全新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?qū)崟r操作系統(tǒng)。響應(yīng)時間短，能提供及時響應(yīng)和高可靠性；支持多任務(wù)，具有任務(wù)優(yōu)先級，任務(wù)調(diào)度是基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的算法；具有多種中斷級別，方便管理小車的各種行為；

　?。?）基于802.11p協(xié)議組建無線網(wǎng)絡(luò)。802.11p協(xié)議是一種由IEEE 802.11標準發(fā)展而來的通訊協(xié)議，這個通訊協(xié)議主要用在車用電子的無線通訊上，來滿足ITS系統(tǒng)（Intelligent Trans- portation Systems，ITS）相關(guān)應(yīng)用的需求；

　?。?）人機界面良好，操作簡單。PC上集成了控制軟件，可以幾乎無延時看到智能小車

　　采集回來的視頻信息，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機上的控制軟件demo如下圖所示：