基于无线通信网络的多智能小车编队控制的实现

文/任海东

为了推动无线通信网络技术的快速发展，我们一方面要重视对控制系统结构和无线通信网络的设计，另一方面要重视对控制系统硬件和软件的设计，与此同时，还要重视对控制系统的实验结果的研究，为无线通信网络技术的发展做出更大的贡献。

1 控制系统结构和无线通信网络设计

通常情况下，多智能小车编队控制系统在开发的过程中，主要运用了分布式的控制形式，将控制单元以分散的形式，实现各个智能小车关系的平等处理，进而通过各个智能小车的关系与其他机器人之间的信息交流来提高该系统的行为的协调性，与此同时，还能提高智能小车的自治能力和自主规划能力，通过应用分布式的控制形式，对提高控制系统结构的容错性和扩展性。技术人员在应用分布式控制方式的过程中，首先，要根据小车的内部的感知功能来实现对外界信息的准确定位和收集，然后，通过利用通信模块之间的联系，获取其他与之相邻的小车状态信息，接着，通过利用程序形式实现向小车执行位置传送控制命令的目的，从而能够有效的实现智能小车的自主规划的目的，除此之外，为了提高多辆智能小车编队的质量和效率，通过利用多辆智能小车之间的协调性，科学合理的控制多辆车之间的距离，提高所有智能小车的行驶速度，由于无线网络通信的内在结构变化无常的，因此，通过利用无线通信网络的技术，可以准确高效的获取与之相关的其他小车的数据信息。总而言之，通过对无线通信网络进行科学合理的设计，对提高控制系统结构的稳定性起着至关重要的影响。

2 控制系统硬件和软件设计

众所周知，智能小车的硬件主要采用的是模块化设计的理念，因此，根据模块化设计理念的应用特点，对智能小车进行整体化设计后得到如图1所示的设计图，从这种设计图中，可以明显的看出该设计图主要包含以下几个重要的模块：

通过对软件系统进行合理的设计，对有效实现智能小车编队控制的功能目标起着积极的促进作用。众所周知，为了强化软件的功能，提高软件的通用性，需要通过引入嵌入式的操作系统，如图2所示，智能小车控制系统软件主要包含以下几个部分：

（1）硬件驱动层，由于该硬件驱动层有非常高的配置，因此该硬件驱动层在运用的过程中，可以有效的提升硬件的质量和效率。

（2）嵌入式实时操作系统层，该系统层主要通过调度任务、管理内存、管理信号量的形式，提高该系统的可移植性和可固化性，除此之外，为了保证软件系统的稳定性和可靠性，需要通过利用嵌入式实时操作系统层的特点，对软件系统进行设计。

（3）智能车编队控制应用程序层，该应用程序层又叫用户应用程序层，它的主要作用就是用于实现智能小车编队的控制功能，为了有效的实现这一功能，该操作系统可以分为64个任务，并且把其中的54个任务分给用户应用程序，任务的优先级与数值的大小成反比关系，优先级随着数值的降低，而不断升高。

图2：软件系统结构

3 控制系统的实验结果

3.1 多智能小车编队算法

为了加深对多智能小车编队算法的认识和理解，需要对多智能小车编队跟随过程进行分析和研究，如式（1）所示，根据多智能小车编队算法的理论知识，图中的Si-1，Si表示i-1辆车的位移和i辆车的位移，vi-1，vi表示i-1辆车的速度和i辆车的速度，ai-1，ai表示i-1辆车的加速度和i辆车的加速度，ds表示车与车之间的理想间距，第i辆智能小车与i-1车之间的跟随关系用状态方程式表示为：

为了有效的研究多智能小车编队算法，现通过利用多智能小车编队跟随系统，设置跟随控制目标的距离误差和速度误差，除此之外，为了保证目标控制量达到最小的状态，可以将跟随控制这一问题看成是求最优控制解问题，为了有效的求出最优控制解，需要将优化的目标函数转化为二次型指标函数：

3.2 多智能小车编队控制实验

为了加深对多智能小车编队控制实验的认识和理解，现通过将单车道的交通道路作为实验场景，对线性最优解的控制算法进行分析和研究，如式（2）所示，通过对3辆智能小车进行编队，然后，在利用无线通信网络的技术的基础上，对智能小车的转向、车速等状态信息进行有效的控制，与此同时，还可以通过应用线性最优算法对智能小车的编队进行科学合理的控制，为了提高对智能小车编队行驶车距的控制效果，需要保证智能车之间的距离为57厘米，车辆之间设定的距离与车速成正相关关系，当车辆的速度会随着车辆之间距离设定的变大而变大。

根据多智能小车编队控制实验可以得出的实验数据，1号车和2号车分别表示车辆的速度和车辆之间的间距，其中1号车在90T时刻，开始启动，2号车在与1号车保存相同车速的基础上，与1号车保持一定的间距，当1号车开始刹车停止运动的过程中，需要将车速降为0,与此同时，2号车在刹车停止运动的过程中，同样需要将车速降为0，除此之外，1号车与2号车在停止运动的过程中，为了有效的保证1号车与2号车停止运动后的间距与初始运动前的间距一致，1号车的速度要100cm/s之内，这样一来，2号车的车速才能与1号车的车速保持一致，从而对保持安全车距起着至关重要的影响。

4 结束语

综上所述，本文通过对多智能小车编队控制系统的需求进行科学合理的分析，然后应用了无线通信网络技术，从而，有效的实现了各个车辆之间的信息交互，小车的智能化等目标。除此之外，通过设计和应用多智能小车编队控制系统，分析和设计车辆跟随的控制算法，从而有效的实现了多智能小车编队的开启停止、匀速和变速等多种形式的控制任务。总而言之，通过对基于无线通信网络的多智能小车编队控制系统的实现路径进行研究，对提高该系统的知名度，推广和普及多智能小车编队控制系统具有至关重要的影响。