一种用于智能交通物理仿真平台的智能小车及定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于智能交通物理仿真平台的智能小车及定位方法，属于交通模 拟仿真方法领域。
【背景技术】
[0002] 为了缓解日益增加的交通拥堵对城市路网造成的压力，车车-车路联网环境下的 智能交通概念得到了广泛的关注，它是将先进的通信网络方法、传感器方法、计算机方法和 控制方法等有机地结合在一起的交通管理方法，包括车车协同、车路协同等各个方面的内 容。由于直接将新型的智能交通方法运用到实际交通中存在安全风险，基于道路沙盘与智 能小车的智能交通仿真平台具有十分重要的意义。本发明设计一种利用沙盘等比例模拟实 际交通道路及附属设施，使用智能小车等比例模拟实际车辆，进行各种新型智能交通方法 的实验研究与仿真展示。
[0003] 现有的智能交通仿真与展示一般分为两大类型；纯软件仿真和交通沙盘物理平 台。纯软件仿真系统主要有；VISSIM、PARAMICS、TSIS等，其中车辆的运行依赖于跟车模型 和道路变换模型，系统也提供2D或3D的动画W便于观察仿真结果及研究交通路网性能。该 类软件中基于数学模型模拟实际车辆，其中忽略了许多方法细节，与实际车辆之间存在一 定偏差。物理仿真平台使用模拟真实道路的交通沙盘。但现有的在沙盘上行驶的仿真车辆 智能化程度较低，表现为行驶速度恒定、运动轨迹固定等缺陷，因此只能用来演示预先设计 好的事件，例如起步、停车，难W应用于更复杂的方法研究。
[0004] 智能交通仿真平台的另一个难点在于对智能小车的定位，传统的定位方法包括 GPS、无线传感器网络定位、视频定位等。GI^S定位方法在室外环境下使用具有良好的效果， 但由于遮挡等原因导致精度下降无法应用于室内环境，无线传感器网络定位方法作为室内 定位方法越来越受到开发人员的重视，但是现阶段的无线传感器网络定位方法还无法实现 室内的精确定位。现阶段唯一能做到室内精确定位的是视频定位方法，由于道路沙盘为双 层结构，视频定位方法无法解决上下层道路之间存在遮挡问题，无法应用于本平台。
[0005] 射频识别（Radio Rrequen巧 Identification, RFID)方法是 20 世纪 80 年代发展 起来的一种新兴自动识别方法，系统可W由一个读卡器和若干个标签组成，每个无源标签 都拥有一个唯一的UID用于识别。目前，交通领域对RFID的研究主要集中在电子车牌的应 用上，将有源防拆电子标签置于车内，利用读卡器基站群对电子标签进行数据采集，其目的 在于有效解决城市交通信息化建设的瓶颈问题。
[0006] 本发明的目的在于设计一种用于智能交通物理仿真平台的新型智能小车，和一种 基于RFID方法的室内智能小车的实时定位方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提出了一种新型的智能小车，采用合金车身，根据真实车辆W 1:16的比例微缩而成，与真实车辆相同，使用前轮转向，后轮驱动。智能小车上装载的内传 感器有编码器、加速度计、巧螺仪，外传感器有超声波模块、激光测距模块。
[000引本发明还提出了微型惯性导航与RFID方法结合的智能小车定位与导航方法。与 射频识别方法在电子车牌应用上不同，在实现智能小车定位与导航时，将读卡器置于车内， 无源电子标签铺设在路面上，每一个无源电子标签对应于全局坐标系中的一个坐标，当智 能小车从无源电子标签上方驶过时，读卡器识别出无源电子标签的UID，并确定出与之对应 的位姿信息用来对微型惯性导航系统进行位置校正。
[0009] 该仿真平台可W用于车车-车路网络环境下智能车辆协作的实验研究与仿真展 /J、- 〇
[0010] 为实现上述目的，本发明采用的方法方案为一种用于智能交通物理仿真平台的智 能小车及定位方法，本发明的整体系统结构如下。
[0011] 所述用于智能交通物理仿真平台的智能小车，该结构包括沙盘9与智能小车10 ;
[0012] 沙盘9包括上部沙盘9. 1和下部沙盘9. 2两部分；所述上部沙盘9. 1设置有智能 小车移动的环形车道，用W模拟城市快速路。
[0013] 所述下部沙盘9. 2设置有十字路口，用W模拟城市交通路口。
[0014] 上部沙盘9. 1与下部沙盘9. 2通过两条对称的坡道连接。上部沙盘9. 1与下部沙 盘9. 2的两层道路全覆盖有视频网络，用W实时监控智能小车的信号。
[0015] 所述上部沙盘9. 1与下部沙盘9. 2的路面中内嵌上遵循I0S14443协议的圆形 RFID无源标签9. 3,用W辅助定位并修正惯性导航的累积误差。
[0016] 智能小车10包括主控制单元1、电池2,电机3,编码器4,驼机5, RFID读卡器6， 激光测距模块7,超声波测距模块组8。超声波测距模块组8包括超声波测距模块a8. 1、超 声波测距模块b8. 2、超声波测距模块c8. 3 ;所述主控制单元1包括微处理器1. 1、电机驱动 1. 2、浓晶显不1. 3、惯导板块1. 4、网络通讯板块1. 5 ;
[0017] 主控制单元1设置在智能小车的中间处；
[0018] 电池2设置在主控制单元1的一端，为主控制单元1进行供电；
[0019] 电机3设置在智能小车的后车轮驱动轴处；
[0020] 测量里程与速度的编码器4选用欧姆龙500线编码器，编码器4与电机3通过齿 轮连接。
[0021] 驼机5用W控制仿真小车在横向运动时的转向。使用该驼机5可W使智能小车顺 利通过任意弯道。
[0022] RFID读卡器6遵循I0S14443协议，安装在智能小车的车头前方，通过RS-232串口 与微处理器1. 1相连接。
[0023] 激光测距模块7安装在智能小车的前端。
[0024] 超声波测距模块组8与微处理器1. 1相连。在智能小车上共使用了 3个超声波模 块，即超声波测距模块a8. 1、超声波测距模块b8. 2、超声波测距模块c8. 3,其中超声波测距 模块a8. 1、超声波测距模块c8. 3分别设置在智能小车的左侧和右侧，超声波测距模块b8. 2 设置在智能小车的移动前方，超声波测距模块组8用W分别测量智能小车的前方、左侧、右 侧距离。KS103S的I2C总线通信速率为50?100化it/s，主控巧片的I2C通讯速率需要通 过设置I2C Rrequency Divider register使得通讯速率在50?100k;bit/s之间。具体公 式为：
[0025] I2C baud rate = bus speecKHz)/(mulXSCL divider) (1)
[0026] 微处理器1. 1采用32位飞思卡尔单片机，型号为MK60DN512Z化Q。
[0027] 电机驱动1. 2由两个BTS7960巧片组成，BTS7960具有静态电流低、过热关机、过 压，欠压保护等优点，非常适合作为微型车辆的电机驱动。
[002引液晶显示1. 3为OLED屏幕。
[0029] 惯性导航模块1. 4由ENC-03巧螺仪和MMA7361模拟加速度计组成。
[0030] 通讯模块1. 5使用网蜂公司开发的Zigbee模块。
[0031] 一种用于智能交通物理仿真平台的定位方法，该方法包括下述流程，
[0032] S1智能小车定位与导航
[0033] S1. 1二维平台下的惯性导航
[0034] 首先建立导航坐标系，W道路沙盘的左上角为坐标原点，垂直方向为X轴，水平方 向为Y轴，竖直方向为Z轴。在建立导航坐标系的同时建立车载坐标系，W智能小车行进的 方向为X轴，横向为Y轴，竖直方向为Z轴。惯性导航系统采用二维平面的捷联式惯性导航 系统，由巧螺仪测量智能小车绕Z轴的角速度《z，加速度计测量出X轴加速度ax，Y轴加速 度ay。分别对该S个变量进行积分得到0z，Vx，Vy。仿真车辆在导航坐标系下的位置由下 列公式可W得出：
【主权项】
1. 一种用于智能交通物理仿真平台的智能小车，其特征在于：该结构包括沙盘（9)与 智能小车（10); 沙盘（9)包括上部沙盘（9. 1)和下部沙盘（9. 2)两部分；所述上部沙盘（9. 1)设置有 智能小车移动的环形车道，用以模拟城市快速路； 所述下部沙盘（9.2)设置有十字路口，用以模拟城市交通路口； 上部沙盘（9. 1)与下部沙盘（9. 2)通过两条对称的坡道连接；上部沙盘（9. 1)与下部 沙盘（9.2)的两层道路全覆盖有视频网络，用以实时监控智能小车的信号； 所述上部沙盘（9.1)与下部沙盘（9.2)的路面中内嵌上遵循I0S14443协议的圆形 RFID无源标签（9. 3)，用以辅助定位并修正惯性导航的累积误差； 智能小车（10)包括主控制单元（1)、电池（2)，电机（3)，编码器（4)，舵机（5)，RFID 读卡器（6)，激光测距模块（7)，超声波测距模块组（8);超声波测距模块组（8)包括超声 波测距模块a(8. 1)、超声波测距模块b (8. 2)、超声波测距模块c (8. 3);所述主控制单元 (1)包括微处理器（I. 1)、电机驱动（1. 2)、液晶显示（1. 3)、惯导模块（1. 4)、网络通讯模块 (1.5)； 主控制单元（1)设置在智能小车的中间处； 电池（2)设置在主控制单元（1)的一端，为主控制单元（1)进行供电； 电机（3)设置在智能小车的后车轮驱动轴处； 测量里程与速度的编码器（4)选用欧姆龙500线编码器，编码器（4)与电机（3)通过 齿轮连接； 舵机（5)用以控制仿真小车在横向运动时的转向；使用该舵机（5)可以使智能小车顺 利通过任意弯道； RFID读卡器（6)遵循I0S14443协议，安装在智能小车的车头前方，通过RS-232串口与 微处理器（1. 1)相连接； 激光测距模块（7