专利名称：基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法
基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法技术领域
基于无线传感器网络的车列运动智能控制是一种具备无线控制、自动避险、道路记忆功能的新型车辆运动控制理念，结合了无线通信功能、定位功能与传感器监测功能，属于嵌入式物联网应用与自动控制领域。
背景技术：
这种智能控制方法针对具有车头和多节车厢组成的用于大物资运输的车列运输领域。其应用到的技术包括无线传感器网络技术、zigbee无线自动组网技术和传感器技术。
无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks)是由一组稠密布置、随机撒布的传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并发布给网关。
Zigbee自动组网技术是基于IEEE 802. 15. 4协议的通讯的基础。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。既可以实现数据的自组网无线通信，也可以利用分布在环境中的多个节点实现精确的定位功能。在基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法中，充分应用到了 zigbee在传感器网络中的技术优势
自动组网所有的模块上电即自动组网，Coordinator自动给所有的节点分配地址，不需要用户手动分配地址，网络加入、应答等专业 ZigBee组网流程，利于车列中车厢的自由控制，随时加入或者删除车列中的某一节车厢而对整个车身的运动不造成任何影响；
网络内的每一个节点(Coordinator, Router)均具有网络拓扑发现功能,只要有一个节点是正常工作的，则新的节点可通过这个节点加入网络，从而保证了车列通信的可靠性，任何一节车厢的加入或者退出将不会影响到整个车列的通信。
简单易用用户可以完全自主的编写相应的通信协议，保证在数据传送过程中资源的最大化使用，尽量不浪费传输资源。
传感器的矫正调节技术是保证车厢部分可以稳定的，协调的运行在车列中的重要保障，这种调节方式是基于若干个个位于车厢前端的传感器，通过对车厢间距离的探测，在车厢的运动过程中对其进行速度微调，从而实现整个车身的协调控制。
随着中国经济、物流行业的快速发展，物资的大规模运输已成为困扰物流行业发展的一个瓶颈。传统的运输工具如小货车和拖车要么就是太小、运输容量不够大，要么就是太笨重、使用起来不够安全、灵活性也太差。基于这种现状，我们构思的这种新型的基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法可以将整个运输车列进行自动灵活组网，需要时车厢可以随时加入车列，任务完成后即可自由离开网络。同时可以通过无线技术、定位技术对车队进行无线控制，让车队实现自动驾驶、行进。运用此项技术可以很好的取得控制运输成本、扩大运输能力的效果。
因此，我们的车列运动智能控制方法是以一种物联网技术的应用，以无线传感器网络的形式来控制一辆由车头和多节独立驱动的车厢组成的车列在运功过程中的协调控制，保证其车列运动的安全性和灵活性。目前我们可以在保证车列运动流畅，安全的前提下实现车头挂载5-10节车厢。发明内容
基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法是一种针对于大物资、超长车身运输形式下的控制方法，其很好的解决了传统拖车在运动中不易操作、安全性差的问题。在当前控制模式下，车头和车厢采用独立动力、物理上完全分离，智能控制系统分布在车头和若干车厢上，组成一个控制网，控制车头和所有车厢的运行。
本发明采用主流的ARM芯片、FPGA芯片和数字信号处理器(DSP)为控制器件，结合无线通讯技术和传感器技术的应用，实现列车对环境的智能感知，对路况的自动适应，并存储当前的行驶路径，优化运动线路。
本发明提供的一种基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法，其硬件支持如下
在车列型运输工具的控制中，我们把整个车列分为车头和车厢俩个部分
车头部分包含中央控制单元、无线通讯单元、传感器单元，传感器单元实现对路况数据的采集，包括速度传感器、红外传感器、超声波传感器，分别负责采集车轮的转速并计算出转向角度、前方障碍物位置、障碍物距离；中央控制单元实现对采集数据的处理计算， 可采用常用的ARM、FPGA处理芯片；无线通讯单元则负责将处理后的数据进行传输，无线通讯单元采用zigbee技术，可以将整个车列组成一个小型的控制局域网，是本车列智能控制方法的特色之一。
车厢部分包含车厢中控单元，车厢无线通讯单元，车厢电机控制单元，车厢传感器单元。车厢无线通信单元采用zigbee技术，负责接收车头发送的数据，并发送给车厢中控单元，车厢中控单元可采用，具体可采用简单的51芯片即可满足对数据的处理，然后将处理后的数据发送给车厢电机控制单元，车厢电机控制单元由与驱动芯片及电压调制电路组成，对接收到的数据进行处理，将控制信号转换成可以直接控制电机的PWM信号，控制电机开始转动，实现车厢的运动，运动过程中车厢的运动信息全部来源于车头部分的运动控制信号，这样可以保证车厢在独立驱动的情况下模仿车头的运动轨迹，实现车厢对车头的跟踪，同时车厢传感器单元中的超声波传感器，负责采集倆节车厢间的距离，并反馈到车厢中控单元，对车厢的运动作出实时调整，保证车厢在车列中处于稳定的位置。
此种车列控制方法可以实现车列的智能化，功能包括
车列的智能避险，面对复杂危险路况时，车列自动判断前方是否存在障碍物，并相应采取避让、急停的处理方式；
车列的远程控制，操作人员可以通过无线通信对车头进行无线控制，让车列实现无人驾驶；
车列路径的自动获取，在第一列车通过指定路径之后，获取了当前行驶过程中的车轮转速，转向角度，通过计算，得出车列的行驶路径，通过无线通信方式，将路径反馈并进行存储，可作为大雾、道路环境突变等情况下的行驶的参考；
灵活车列的行驶，在无轨道的情况下，本控制方法可以实现类似轨道车列运输的特点，降低了运输的成本，更提高了运输环境的灵活性。
此种智能控制方法，不仅提高了车列运输能力，更利用其独立驱动，物理分离特性，降低了运输成本，提高了运输环境的灵活性、安全性。
图I :基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法结构示意图2 :基于zigbee的无线传感器网络小型局域网不意图3 :基于传感器的车厢控制调节示意图4 :车头路径信息记忆示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图I所示，在这种基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法下，我们采取了车身部分的独立驱动，依靠无线通信单元组成的无线传感器网络将整个拖车组成一个小型的局域网，通过信息通信实现对车身的协调控制，同时通过车厢传感器单元采集车车厢间距离，实时监控，通过数据分析，对行动状态进行实时调整，从而很好的避免了传统拖拽方式下车身无法控制自如，车身过长出现的危险状况。
无线通信单元中应用到的基于zigbee的无线传感器是将无线传感器网络中的 zigbee模块嵌入到需要控制车列中的每一节车厢及车头上，将整个车列组成一个小型的局域网(如图2)，每节车厢视为网络中的一个节点，车头设为协调节点，车厢为网络中的每个节点，当需要增加或者删除一辆车厢是，局域网中的协调节点将会自动的发现变动，并给新加入的节点分配地址或者删除要离开的节点。在车辆行径的过程中，车头实时的给车厢发送当前的车头的车轮转速、转向角度，使车厢可以做出正确的行驶动作，同时车头作为整个网络的协调器，可以实时反馈车列通过的路径，并绘制出车辆目前行驶的轨迹。
在车辆运行中，车头部分负责选择具体的控制方法，包括无线控制模式、驾驶模式。当车辆通过具体的路径后，通过嵌入在车头部分传感器实时采集车头的车轮转速，转向角度，将这些数据保存在一个队列中(如图3)，队列采用的先进先出的策略保证了数据采集和发送的顺序性，每个数据段包括了接受数据的目标地址及当前的车头的车轮转速和转向角度。
我们将这些数据利用无线网络传输到随后的车厢中，车厢通过对数据的分析，计算出信息的有效执行时刻，初步的模仿了车头的运行过程。与此同时，嵌入在车厢中的车厢传感器单元(图4)将对车厢进行运动微调，它们通过实时采集与前车间的距离X，通过A/D 转换实现信号的量化。同时构建了一个速度与距离的分段函数，在有车厢间的有效距离内， 分为加速，恒速，减速三个速度等级，当车厢距离过远时，后车加速追上前车，达到最合适距离，这样就保证了其在车列中的协调性，从而实现了对于车头的路径跟踪。
此种智能控制方法的工作流程如下
I.将车头及各独立车厢整齐的停放为一条直线，有控制人员选择车头的控制模式，包括无线远程控制、自动避险、指定目的地自动导航；
2.开启各车厢的车厢无线通信单元、车厢传感器单元，然后启动车头，实现车列的行驶，在运动过程中，车头不停地采集自身的车轮转速，转向角度数据，同时位于车头的传感器单元实时采集车头的车轮转速，转向角度，位于车头的中央控制单元将这些数据集中计算，得出车厢的运动控制数据(车轮转速，转向角度)，并分别将这俩种数据通过zigbee模块发送车厢，同时进行存储，作为绘制路径的重要参数；
3.车厢接收到车头的运动控数据后，直接通过车厢中控单元，将控制数据转换成电机控制信号，发送给车厢电机控制单元，实现车厢的初步跟踪；
4.位于车厢上的车厢传感器单元，在车厢初步运动的情况下，采集车厢与车头， 车厢之间的距离，并计算该采用出车厢有效距离范围内的加速、恒速、减速三种模式中的一种，实时的对车列的运动调整，保证车列可以再运动中保证整体的平滑；
5.最终，所有的数据将会反馈回来，在接受到车头发送的车轮转速，转向角度后， 利用电脑绘制出车列的运输状况，实现车列实时监控，同时这些数据将会被保存到指定的数据库中，作为此道路在大雾、道路环境突变等情况下的行驶的参考。
综上所述，基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法是一种在大物资、未知区域进行车列运输的新型智能运输方式。它即避免了车列运输过程中由于长车身造成的安全隐患，同时实现了车厢独立驱动控制，智能路径跟随，行驶路径反馈多种实用功能。另外， 利用此种技术，我们同时可以扩展多种应用，比如利用路径跟踪，实现在大型仓库、码头集装箱的自动智能寻货，指定路径的车辆导航，未知区域的大量救援物资，战争物资运输等。 因此，基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法是一种典型的物联网应用，将会显著提高车列运输能力，并保证了其运输的安全性和灵活性。
权利要求
1.基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法，其特征在于 整个车列分为车头和车厢两部分 车头部分包含中央控制单元、无线通讯单元、传感器单元，传感器单元实现对路况数据的采集，包括速度传感器、红外传感器和超声波传感器，分别负责采集车轮的转速并计算出转向角度、前方障碍物位置、障碍物距离；中央控制单元实现对采集数据的处理计算，中央控制单元采用ARM或FPGA处理芯片；无线通讯单元则负责将处理后的数据进行传输，无线通讯单元采用zigbee网络； 车厢部分包含车厢中控单元，车厢无线通讯单元，车厢电机控制单元，车厢传感器单元；车厢无线通信单元采用zigbee网络，负责接收车头发送的数据，并发送给车厢中控单元，车厢中控单元，然后将处理后的数据发送给车厢电机控制单元，车厢电机控制单元由与驱动芯片及电压调制电路组成，对接收到的数据进行处理，将控制信号转换成控制电机的PWM信号，控制电机开始转动，实现车厢的运动，运动过程中车厢的运动信息全部来源于车头部分的运动控制信号，保证车厢在独立驱动的情况下模仿车头的运动轨迹，实现车厢对车头的跟踪，同时车厢传感器单元中的超声波传感器，负责采集倆节车厢间的距离，并反馈到车厢中控单元，对车厢的运动作出实时调整，保证车厢在车列中处于稳定的位置。
全文摘要
基于无线传感器网络的车列运动智能控制方法属于嵌入式物联网应用与自动控制领域。整个车列分为车头和车厢两部分车头部分包含中央控制单元、无线通讯单元、传感器单元，无线通讯单元采用zigbee网络；车厢部分包含车厢中控单元，车厢无线通讯单元，车厢电机控制单元，车厢传感器单元；车厢无线通信单元采用zigbee网络，发送给车厢中控单元，电机转动实现车厢的运动，同时车厢传感器单元中的超声波传感器，负责采集倆节车厢间的距离，并反馈到车厢中控单元，对车厢的运动作出实时调整，保证车厢在车列中处于稳定的位置。本发明不仅提高了车列运输能力，降低了成本，提高了运输环境的灵活性、安全性。
文档编号H04W84/18GK102923135SQ20121045214
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者严海蓉, 张 杰, 曹群生 申请人:北京工业大学