智能网联汽车协同控制技术（第1版）课件 第10章 智能网联汽车编队控制硬件在环仿真技术

智能网联汽车协同控制技术第1版智能交通与智能驾驶系列第10章智能网联汽车编队控制硬件在环仿真技术10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理10.2智能微缩车平台硬件结构10.3智能微缩车平台软件结构10.4仿真结果分析第10章智能网联汽车编队控制硬件在环仿真技术主要研究内容：●基于车车通信技术对车辆队列行驶的控制方法及仿真系统开展研究，并对系统的可行性进行了实验验证；●建立了车辆队列协同控制模型及协同主动避撞模型；●为解决实际的交通安全问题，除了仿真验证手段外，需要用实物验证的数据来进一步对模型进行分析，得出更具有说服力的实验结论。10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理在环仿真平台：●硬件在环仿真，具有兼容性广的特点，能够在仿真实验高速运行的同时完成对模型参数的获取与控制；●对控制数据及操作指令能够进行采集处理，并能够可靠地将设备数据与仿真数据进行匹配，传输实时性较高，保证仿真实验的测试准确性；●通过设计编写的图形操作界面，能够直观简洁地将不同模块接口获取的信号数据进行展示，且能够在不同的控制模式下快速切换；●节约时间成本，提高实验效率。10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理半实物实验平台，是指在与实际验证环境相似的场景中按照相似比例关系的测试物取代相应实际物体进行实验，测试物等比放大或缩小。本章选用多智能微缩车半实物平台按比例缩小实物，通过机电模型来模拟真实的车辆动力学模型。其车辆传动系统、动力系统尽可能与实车动力学模型保持一致。10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理智能车辆队列系统主要由智能车子系统、通信子系统、路侧控制子系统三部分组成。10.1.1硬件在环仿真系统框架10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理智能车辆队列硬件在环仿真系统实物部分主要由智能车及上位机软件两部分组成。两者之间由搭载的ZigBee无线通信模块完成数据的传输。10.1.1硬件在环仿真系统框架10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理10.1.1硬件在环仿真系统框架10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理智能微缩车平台：1:10比例缩小；智能车路协同系统半实物仿真平台。平台包括智能微缩车、沙盘道路及无线通信等交通设施，面积大约为25㎡。10.1.2硬件在环仿真平台验证原理10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理智能微缩车选用后轮为直流电动机驱动和前轮为舵机转向的电动模型车；车载核心控制板的处理器是32位STM32F407；采用图像识别车道线感知环境信息，车车通信方式获取车辆信息;沙盘道路是宽度为35cm的双车道，表面呈磨砂状，其与柏油公路的摩擦系数基本一致智能车在沙盘道路行驶最高速度不超过4m/s，通常设置为3m/s以下；道路沙盘的路况与真实场景类似，包括直道、弯道、坡道及高架桥等，与实际场景基本一致；智能微缩车和上位机监控中心均有无线通信模块，可以实现车路直接的信息交互和命令控制。10.1.2硬件在环仿真平台验证原理10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理相比实车道路实验，本智能微缩车平台有以下优势：1）实验平台系统便于设计，各部件成本低廉并且容易更换。2）微缩车的电池续航能力较强，零部件磨损较小，适合长时间做验证测试，并且不存在危险性，保证了实验的安全性和重复性。3）沙盘道路和交通设置不存在占用公共资源问题，并且不需要考虑路面磨损和驾驶、行人的人身安全，将实际问题大大简化。4）实验场景和实验需求可以任意修改，并且可以做实际很难实现的临界测试场景，如紧急加减速运动等。半实物仿真平台和缩微版本与实际智能车路系统之间具有极大相似性，并将很多现实情况下难以解决的问题大大简化，对于需要占用过多交通资源的车辆队列实验是较好的选择。10.1.2硬件在环仿真平台验证原理10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理美国麻省理工学院Buckingham的车辆“πgroups”缩比模型法则：缩比模型车和实车的下列参数比例一致时，两车的实验验证结果符合缩比性质。美国密歇根大学Rajeev团队选用1：13的智能微缩车通过配置五项“πgroups”法则基本参数，并按照0.5节气门开度加速曲线标定了缩比模型速度控制性能，实现了车辆动力学的缩比模型，并验证了避撞控制模型的实际效果。本章沿用Rajeev团队的微缩车模型，比例为1：10；选择“B-Class”轿车作为实车依据。10.1.3硬件在环仿真平台验证可行性验证10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理10.1.3硬件在环仿真平台验证可行性验证10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理10.1.3硬件在环仿真平台验证可行性验证10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理（1）轮胎半径与车长比例标准轮胎半径为0.4412m、车长为4.8m，能微缩车长为0.4m，有智能微缩车轮胎半径为0.0368m。10.1.3硬件在环仿真平台验证可行性验证10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理（2）车长与车身质量比实车重量为2000kg，有智能微缩车重量为1.157kg。10.1.3硬件在环仿真平台验证可行性验证10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理（3）车速与车长比例实际车速与微缩车车速的比例关系为12倍。10.1.3硬件在环仿真平台验证可行性验证10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理（4）车长与发动机转动惯量比例关系10.1.3硬件在环仿真平台验证可行性验证10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理（5）发动机对应车速下的发动机转矩关系10.1.3硬件在环仿真平台验证可行性验证10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理参考美国密歇根大学Rajeev团队的微缩车动力学模型：驱动电动机PWM控制方式：根据参考文献带入参数，有10.1.4车辆动力学的微缩车实现10.1智能网联汽车编队控制硬件在环仿真平台原理节气门开度为0.5，验证智能微缩车加速曲线与实际车辆加速曲线10.1.4车辆动力学的微缩车实现10.2智能微缩车平台硬件结构高性能智能微缩车硬件电路设计方案为双层结构：图像处理层；控制层。10.2智能微缩车平台硬件结构1.硬件原理图设计（1）STM32F407最小系统设计晶振起振电路、程序下载电路、指示灯电路和基本处理器外围电路等。（2）系统电源设计12V、2000mA·h、驱动电流为5A的可充电锂电池。（3）驱动电动机控制电路电动机型号为RS-540SH直流电动机，输出功率为0.9～60W。设计H型全桥驱动电动机控制电路。（4）车车通信模块智能微缩车设计采用ZigBee无线通信方式。车车通信模型核心单元为美国飞思卡尔高灵敏度ZigBee芯片MC13213。10.2.1控制部分电路设计10.2智能微缩车平台硬件结构2.控制板的PCB设计（1）接地设计不让大电流经过控制电路区域，同时避免驱动电动机反向电流干扰需要通过信号输入端接入光耦隔离器件控制电流流向。（2）信号线包地处理实时性要求高的信号电路与底层控制板通信电路采用包地处理；信号包地线还可以吸收这些高频信号走线上电流产生的噪声，同时其他电路产生电磁干扰也可以避免；智能微缩车系统控制板上处理器周围的SPI、SDIO总线、IIC总线等也需要包地处理，防止干扰处理器工作。10.2.1控制部分电路设计10.2智能微缩车平台硬件结构（3）模拟地、数字地分开设计，在一点接地PCB的数字地和模拟地采用单独布线，并且数字地平面和模拟地平面分割，最后在PCB上没有通信线路的区域通过0Ω电阻单点连接。（4）提供稳定系统供电，电源网络中需分配储能钽电容器电源芯片引脚附近都布置有0.01～0.1μF的去耦电容器，给电路中有源器件提供局部的直流电源。10.2.1控制部分电路设计10.2智能微缩车平台硬件结构10.2.1控制部分电路设计10.2智能微缩车平台硬件结构10.2.1控制部分电路设计10.2智能微缩车平台硬件结构10.2.1控制部分电路设计10.2智能微缩车平台硬件结构（1）Mini-ITX图像处理微型控制板硬件接口包括一路高速HDMI接口，用于连接高速USB高清摄像头；识别车辆周围环境通过Mini-ITX板，通过上层OpenCV函数开发相应的图像处理程序。。10.2.2环境感知部分设计10.2智能微缩车平台硬件结构（2）智能微缩车外观10.2.2环境感知部分设计10.3智能微缩车平台软件结构图像处理前期阶段，首先经过滤波滤掉一些噪点；然后对图像进行二值化为黑白像素图。根据二值化图像，对车道线特征点和白色矩形区域进行判断，对判断为车道线特征点进行霍夫变换并求出连续两帧图像的车道中线位置差来计算方向舵机的转向角度来控制微缩车的转向。通过对白色联通区域的识别来判断前方是否存在车辆。当判定为矩形区域是前车的标示时同时读取超声波采集的距离信息，即为当前车距信息；然后，根据测速发电机的反馈值计算当前车速，从而执行安全车距控制模型。10.3.1图像处理部分软件结构10.3智能微缩车平台软件结构10.3.2控制系统部分软件结构10.3智能微缩车平台软件结构首先，通过车车通信实时获取前车信息；然后，根据提取出的信息判断通信区域内是否有目标车辆；存在目标车辆则进入车距保持控制程序，否则选择按当前车速匀速行驶；协同主动避撞模型实时判断当前状态，存在安全隐患时，选择前车车速和车距作为安全车距控制模型的输出期望加速度值来控制驱动电动机转速以避免碰撞事故的发生；加速度输出值由微缩车执行机构去执行，最后由输出的车速反馈给控制系统，进入下一周期的闭环避撞控制程序。10.3.2控制系统部分软件结构10.3智能微缩车平台软件结构10.3.2控制系统部分软件结构10.3智能微缩车平台软件结构智能微缩车验证过程中会接收和处理大量数据，所有数据必须按照统一的规范进行处理，也必须遵循一定的协议规则。10.3.3数据滤波处理程序结构10.3智能微缩车平台软件结构10.3.3数据滤波处理程序结构10.3智能微缩车平台软件结构监控中心上位机软件与底层控制板进行无线通信，用户通过操作上位机软件来完成对智能微缩车的命令控制，实现智能微缩车控制系统的远程遥控和数据记录分析。10.3.4上位机控制软件结构10.3智能微缩车平台软件结构（1）队列控制操作平台用VisualStudio2020的C#语言开发上位机界面；通过界面的MSCOMM控件实现与控制终端的ZigBee无线通信模块的串行接口链接，实现串口通信；显示并储存智能微缩车在道路沙盘上的行驶信息；后期数据分析处理；通过设置ID地址与智能微缩车进行命令控制。10.3.4上位机控制软件结构10.3智能微缩车平台软件结构10.3.4上位机控制软件结构10.3智能微缩车平台软件结构（2）VISSIM仿真平台通过VISSIM软件提供的的Cc接口，与MATLAB软件建立连接，获取智能车辆队列控制与信息显示平台中采集的实际车辆数据，并对仿真车辆进行同步控制；同时，仿真车辆实时将坐标（根据车辆所在车道及行驶里程确定）返回给平台；通过安置检测器，将仿真队列行驶状态进行保存，通过分析数据进一步为队列控制模型进行优化。10.3.4上位机控制软件结构10.3智能微缩车平台软件结构10.3.4上位机控制软件结构10.4仿真结果分析10.4.1仿真场景环境参数设置10.4仿真结果分析10.4.2智能网联汽车编队控制效果输入加速度正弦变化，验证车辆队列协同控制模型控制效果。头车在做正弦加速度变化时，会按照正弦输入变化车速，与后车的车距也会实时变化；车辆队列控制模型会将三车作为一体进行控制，实时判断当前状态并及时调整速度大小保证车辆队列按最小安全车距行驶；三车之间距离基本稳定在一定范围之内，车速不会发生跳变引起安全隐患，整个过程车辆队列安全稳定行驶。10.4仿真结果分析10.4.2智能网联汽车编队控制效果10.4仿真结果分析10.4.3智能网联汽车编队主动安全控制效果验证CACA模型和CCA模型实验——车辆进入弯道和高架桥时，存在传感器感知盲区，行驶信息丢失