基于無線通信網(wǎng)絡的多智能小車編隊控制的實現(xiàn)

文/任海東

為了推動無線通信網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，我們一方面要重視對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和無線通信網(wǎng)絡的設計，另一方面要重視對控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計，與此同時，還要重視對控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果的研究，為無線通信網(wǎng)絡技術的發(fā)展做出更大的貢獻。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和無線通信網(wǎng)絡設計

通常情況下，多智能小車編隊控制系統(tǒng)在開發(fā)的過程中，主要運用了分布式的控制形式，將控制單元以分散的形式，實現(xiàn)各個智能小車關系的平等處理，進而通過各個智能小車的關系與其他機器人之間的信息交流來提高該系統(tǒng)的行為的協(xié)調(diào)性，與此同時，還能提高智能小車的自治能力和自主規(guī)劃能力，通過應用分布式的控制形式，對提高控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的容錯性和擴展性。技術人員在應用分布式控制方式的過程中，首先，要根據(jù)小車的內(nèi)部的感知功能來實現(xiàn)對外界信息的準確定位和收集，然后，通過利用通信模塊之間的聯(lián)系，獲取其他與之相鄰的小車狀態(tài)信息，接著，通過利用程序形式實現(xiàn)向小車執(zhí)行位置傳送控制命令的目的，從而能夠有效的實現(xiàn)智能小車的自主規(guī)劃的目的，除此之外，為了提高多輛智能小車編隊的質(zhì)量和效率，通過利用多輛智能小車之間的協(xié)調(diào)性，科學合理的控制多輛車之間的距離，提高所有智能小車的行駛速度，由于無線網(wǎng)絡通信的內(nèi)在結(jié)構(gòu)變化無常的，因此，通過利用無線通信網(wǎng)絡的技術，可以準確高效的獲取與之相關的其他小車的數(shù)據(jù)信息。總而言之，通過對無線通信網(wǎng)絡進行科學合理的設計，對提高控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著至關重要的影響。

2 控制系統(tǒng)硬件和軟件設計

眾所周知，智能小車的硬件主要采用的是模塊化設計的理念，因此，根據(jù)模塊化設計理念的應用特點，對智能小車進行整體化設計后得到如圖1所示的設計圖，從這種設計圖中，可以明顯的看出該設計圖主要包含以下幾個重要的模塊：

通過對軟件系統(tǒng)進行合理的設計，對有效實現(xiàn)智能小車編隊控制的功能目標起著積極的促進作用。眾所周知，為了強化軟件的功能，提高軟件的通用性，需要通過引入嵌入式的操作系統(tǒng)，如圖2所示，智能小車控制系統(tǒng)軟件主要包含以下幾個部分：

（1）硬件驅(qū)動層，由于該硬件驅(qū)動層有非常高的配置，因此該硬件驅(qū)動層在運用的過程中，可以有效的提升硬件的質(zhì)量和效率。

（2）嵌入式實時操作系統(tǒng)層，該系統(tǒng)層主要通過調(diào)度任務、管理內(nèi)存、管理信號量的形式，提高該系統(tǒng)的可移植性和可固化性，除此之外，為了保證軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要通過利用嵌入式實時操作系統(tǒng)層的特點，對軟件系統(tǒng)進行設計。

（3）智能車編隊控制應用程序?qū)樱搼贸绦驅(qū)佑纸杏脩魬贸绦驅(qū)樱闹饕饔镁褪怯糜趯崿F(xiàn)智能小車編隊的控制功能，為了有效的實現(xiàn)這一功能，該操作系統(tǒng)可以分為64個任務，并且把其中的54個任務分給用戶應用程序，任務的優(yōu)先級與數(shù)值的大小成反比關系，優(yōu)先級隨著數(shù)值的降低，而不斷升高。

圖2：軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果

3.1 多智能小車編隊算法

為了加深對多智能小車編隊算法的認識和理解，需要對多智能小車編隊跟隨過程進行分析和研究，如式（1）所示，根據(jù)多智能小車編隊算法的理論知識，圖中的Si-1，Si表示i-1輛車的位移和i輛車的位移，vi-1，vi表示i-1輛車的速度和i輛車的速度，ai-1，ai表示i-1輛車的加速度和i輛車的加速度，ds表示車與車之間的理想間距，第i輛智能小車與i-1車之間的跟隨關系用狀態(tài)方程式表示為：

為了有效的研究多智能小車編隊算法，現(xiàn)通過利用多智能小車編隊跟隨系統(tǒng)，設置跟隨控制目標的距離誤差和速度誤差，除此之外，為了保證目標控制量達到最小的狀態(tài)，可以將跟隨控制這一問題看成是求最優(yōu)控制解問題，為了有效的求出最優(yōu)控制解，需要將優(yōu)化的目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為二次型指標函數(shù)：

3.2 多智能小車編隊控制實驗

為了加深對多智能小車編隊控制實驗的認識和理解，現(xiàn)通過將單車道的交通道路作為實驗場景，對線性最優(yōu)解的控制算法進行分析和研究，如式（2）所示，通過對3輛智能小車進行編隊，然后，在利用無線通信網(wǎng)絡的技術的基礎上，對智能小車的轉(zhuǎn)向、車速等狀態(tài)信息進行有效的控制，與此同時，還可以通過應用線性最優(yōu)算法對智能小車的編隊進行科學合理的控制，為了提高對智能小車編隊行駛車距的控制效果，需要保證智能車之間的距離為57厘米，車輛之間設定的距離與車速成正相關關系，當車輛的速度會隨著車輛之間距離設定的變大而變大。

根據(jù)多智能小車編隊控制實驗可以得出的實驗數(shù)據(jù)，1號車和2號車分別表示車輛的速度和車輛之間的間距，其中1號車在90T時刻，開始啟動，2號車在與1號車保存相同車速的基礎上，與1號車保持一定的間距，當1號車開始剎車停止運動的過程中，需要將車速降為0,與此同時，2號車在剎車停止運動的過程中，同樣需要將車速降為0，除此之外，1號車與2號車在停止運動的過程中，為了有效的保證1號車與2號車停止運動后的間距與初始運動前的間距一致，1號車的速度要100cm/s之內(nèi)，這樣一來，2號車的車速才能與1號車的車速保持一致，從而對保持安全車距起著至關重要的影響。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文通過對多智能小車編隊控制系統(tǒng)的需求進行科學合理的分析，然后應用了無線通信網(wǎng)絡技術，從而，有效的實現(xiàn)了各個車輛之間的信息交互，小車的智能化等目標。除此之外，通過設計和應用多智能小車編隊控制系統(tǒng)，分析和設計車輛跟隨的控制算法，從而有效的實現(xiàn)了多智能小車編隊的開啟停止、勻速和變速等多種形式的控制任務。總而言之，通過對基于無線通信網(wǎng)絡的多智能小車編隊控制系統(tǒng)的實現(xiàn)路徑進行研究，對提高該系統(tǒng)的知名度，推廣和普及多智能小車編隊控制系統(tǒng)具有至關重要的影響。