基于 Zig Bee 网络的智能车模跟随控制研究

作者简介
作者：于文泰，段敏等
单位：辽宁工业大学汽车与交通工程学院
摘要：针对高级驾驶辅助系统（ADAS）中车辆跟随控制特性，设计了一种基于ZigBee网络的智能车辆跟随控制系统。以CC2430无线传感器芯片为核心，采用超声波测距传感器实时采集前车距离，通过ZigBee协议将前车与跟随车组成一个无线网络，进行识别、同步、定位信息的无线传输，并能驱动电机控制模块进行智能跟随和控制，实现汽车的网联化、智能化。基于智能车模进行了跟随与控制测试，结果表明，采集信息传输实时、可靠，跟随控制准确，与预期设计目标相符，对ADAS研究和开发具有一定的工程预研价值。

前言
在“智能制造 2025”等时代科技背景下，汽车尤其是新能源电动汽车产业得到了快速发展，汽车已经成为了人们出行的重要交通工具。与此同时城市道路交通拥挤与堵塞现象日趋严重，导致道路交通事故时有发生。随着“人工智能”等电子通信技术的快速发展，在城市道路尤其是十字交叉口进行多车跟随控制成为了研究热点。基于此，本文以智能车模为研究对象和载体，设计相应道路交通环境，进行多车跟随控制研究。以 CC2430无线传感器芯片为主控芯片，采用超声波测距传感器实时采集前车距离，通过 Zig Bee 协议将前车与跟随车组成一个无线网络，进行识别、同步、定位信息的无线传输，并能驱动电机控制模块进行智能跟随和控制，实现汽车的网联化、智能化。


1 系统总体结构

本系统设计在前后车上安装跟随控制系统硬件平台，基于 Zig Bee 无线协议在两车或者多车之间建立无线网络。同时在跟随车前端安装超声波测距传感器，用于实时采集与前车的距离信息，若与前车距离超过设定距离阈值，则进行提速跟近，若距离过近，则进行减速行驶，实现车辆自动跟随，总体结构如图 1 所示。系统硬件平台主要包括 CC2430 无线微控制器最小系统电路、电源供电电路、超声波测距电路、Zig Bee 无线模块接口电路、电机驱动电路等各个具体功电路。

图 1 系统总体结构框图


2 系统软件设计
Zig Bee 技术是最新一代短距离无线传感器网络，其是一组基于 IEEE802.15.4 无线标准研制的通信技术。一个 Zig Bee网络主要包括协调器、路由器及终端节点。由于本设计硬件平台采用 TI 公司生产的 CC2430无线微控制器，因此Zig Bee协议栈也是基于TI 开源的 Z-Stack 协议栈。本设计嵌入式软件设计中主要包括 2 部分：

图 2 Zig Bee 协调器（跟随车）软件流程图

（1）协调器嵌入式软件
一个 Zig Bee 无线网络只有一个 Zig Bee 网络协调器，协调器作为 Zigbee网络中的汇聚节点，具有网关的作用，它来建立 Zigbee网络，等待其他路由器和终端节点加入，组成星型、树型、网状型的无线网络。这里将跟随车上的 Zig Bee硬件平台设计成协调器，完成与前车的组网、识别、前车加入、接收前车车速值信息等功能。该嵌入式软件包括 5 大模块：网络配置模块、硬件初始化模块、网络栈事件管理模块、网络数据管理模块、硬件中断模块等。其软件流程图如图2所示。
（2）路由器嵌入式软件
Zig Bee 网络中可以存在多个路由器或者是终端节点，考虑到前车与跟随车在行车时的速度多变的复杂工况，这里将前车的 Zig Bee 硬件平台设计为路由器，使其具有路由和中继的特性。前车上的路由器节点上电后执行各种初始化后，开始加入跟随车上的协调器创建的 Zig Bee 网络，若加入成功则通过旋转编码器采集前车车速值，然后通过 Zig Bee 网络将车速信息路由给协调器，因此该嵌入式软件也包括 5 大模块：网络配置模块、硬件初始化模块、网络栈事件管理模块、网络数据管理模块、硬件中断模块等。系统框图如图 3 所示。

图 3 Zig Bee 路由器（前车）软件流程图

3 系统测试

图 4 跟随控制测试实物图

在铺设的黑白赛道上，基于智能车模进行了前后车的跟随控制测试，首先跟随车上电，启动 Zig Bee 硬件平台进行协调器配置，同时进行 2.4GHz 信道扫描，完成无线组网；接着前车上电，启动 Zig Bee 硬件平台进行路由器配置，同时进行加入 Zig Bee 网络。的容量及更新困难，从而造成响应速度变慢；范围如果太小，便捷效果又很不明显。当前初步规划只能是在同城或者同省范围内逐步实现，即使是这样也需要大量的工作，例如停车场信息、修车企业、洗车店信息的登记与获取，车主信息录入及车辆定位等。因此，后期运营及维护才是项目重点。

4 结论
信息技术、移动互联技术以及计算机技术的不断发展，合理利用各种开发环境和程序设计语言可以给我们的实际生活带来许多帮助，本项目的创新点在于：
（1）创新服务方式，推出一种基于物联网的集“泊车、洗车、保养、维修、租赁、年检、保险”等在内的一站式服务平台，用户只需下载一种软件，就可以实现全方位的服务；
（2）创新新的服务功能，推出“代停代修”服务，解决用户自身停车技术不高以及时间不足，可以通过平台呼叫代理的办法享受相应的服务。 希望这个服务管理平台的设计能够给更多的人启发。