智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同控制技術(shù)（第2版）課件 第15章 智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真技術(shù)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同控制技術(shù)第2版“十四五”時(shí)期國(guó)家重點(diǎn)出版物出版專項(xiàng)規(guī)劃項(xiàng)目新基建核心技術(shù)與融合應(yīng)用叢書(shū)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)系列第15章智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真技術(shù)15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理15.2智能微縮車平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)15.4仿真結(jié)果分析15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)第15章智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容：●基于車車通信技術(shù)對(duì)車輛隊(duì)列行駛的控制方法及仿真系統(tǒng)開(kāi)展研究，并對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；●建立了車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型及協(xié)同主動(dòng)避撞模型；●為解決實(shí)際的交通安全問(wèn)題，除了仿真驗(yàn)證手段外，需要用實(shí)物驗(yàn)證的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行分析，得出更具有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理在環(huán)仿真平臺(tái)：●硬件在環(huán)仿真，具有兼容性廣的特點(diǎn)，能夠在仿真實(shí)驗(yàn)高速運(yùn)行的同時(shí)完成對(duì)模型參數(shù)的獲取與控制；●對(duì)控制數(shù)據(jù)及操作指令能夠進(jìn)行采集處理，并能夠可靠地將設(shè)備數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，傳輸實(shí)時(shí)性較高，保證仿真實(shí)驗(yàn)的測(cè)試準(zhǔn)確性；●通過(guò)設(shè)計(jì)編寫(xiě)的圖形操作界面，能夠直觀簡(jiǎn)潔地將不同模塊接口獲取的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，且能夠在不同的控制模式下快速切換；●節(jié)約時(shí)間成本，提高實(shí)驗(yàn)效率。15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是指在與實(shí)際驗(yàn)證環(huán)境相似的場(chǎng)景中按照相似比例關(guān)系的測(cè)試物取代相應(yīng)實(shí)際物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試物等比放大或縮小。本章選用多智能微縮車半實(shí)物平臺(tái)按比例縮小實(shí)物，通過(guò)機(jī)電模型來(lái)模擬真實(shí)的車輛動(dòng)力學(xué)模型。其車輛傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)盡可能與實(shí)車動(dòng)力學(xué)模型保持一致。15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理智能車輛隊(duì)列系統(tǒng)主要由智能車子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、路側(cè)控制子系統(tǒng)三部分組成。15.1.1硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)框架15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理智能車輛隊(duì)列硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)實(shí)物部分主要由智能車及上位機(jī)軟件兩部分組成。兩者之間由搭載的ZigBee無(wú)線通信模塊完成數(shù)據(jù)的傳輸。15.1.1硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)框架15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理15.1.1硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)框架15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理智能微縮車平臺(tái)：1:10比例縮??；智能車路協(xié)同系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)。平臺(tái)包括智能微縮車、沙盤(pán)道路及無(wú)線通信等交通設(shè)施，面積大約為25㎡。15.1.2硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證原理15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理智能微縮車選用后輪為直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和前輪為舵機(jī)轉(zhuǎn)向的電動(dòng)模型車；車載核心控制板的處理器是32位STM32F407；采用圖像識(shí)別車道線感知環(huán)境信息，車車通信方式獲取車輛信息;沙盤(pán)道路是寬度為35cm的雙車道，表面呈磨砂狀，其與柏油公路的摩擦系數(shù)基本一致智能車在沙盤(pán)道路行駛最高速度不超過(guò)4m/s，通常設(shè)置為3m/s以下；道路沙盤(pán)的路況與真實(shí)場(chǎng)景類似，包括直道、彎道、坡道及高架橋等，與實(shí)際場(chǎng)景基本一致；智能微縮車和上位機(jī)監(jiān)控中心均有無(wú)線通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)車路直接的信息交互和命令控制。15.1.2硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證原理15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理相比實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)，本智能微縮車平臺(tái)有以下優(yōu)勢(shì)：1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)便于設(shè)計(jì)，各部件成本低廉并且容易更換。2）微縮車的電池續(xù)航能力較強(qiáng)，零部件磨損較小，適合長(zhǎng)時(shí)間做驗(yàn)證測(cè)試，并且不存在危險(xiǎn)性，保證了實(shí)驗(yàn)的安全性和重復(fù)性。3）沙盤(pán)道路和交通設(shè)置不存在占用公共資源問(wèn)題，并且不需要考慮路面磨損和駕駛、行人的人身安全，將實(shí)際問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。4）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)需求可以任意修改，并且可以做實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)的臨界測(cè)試場(chǎng)景，如緊急加減速運(yùn)動(dòng)等。半實(shí)物仿真平臺(tái)和縮微版本與實(shí)際智能車路系統(tǒng)之間具有極大相似性，并將很多現(xiàn)實(shí)情況下難以解決的問(wèn)題大大簡(jiǎn)化，對(duì)于需要占用過(guò)多交通資源的車輛隊(duì)列實(shí)驗(yàn)是較好的選擇。15.1.2硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證原理15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理美國(guó)麻省理工學(xué)院Buckingham的車輛“πg(shù)roups”縮比模型法則：縮比模型車和實(shí)車的下列參數(shù)比例一致時(shí)，兩車的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果符合縮比性質(zhì)。美國(guó)密歇根大學(xué)Rajeev團(tuán)隊(duì)選用1：13的智能微縮車通過(guò)配置五項(xiàng)“πg(shù)roups”法則基本參數(shù)，并按照0.5節(jié)氣門(mén)開(kāi)度加速曲線標(biāo)定了縮比模型速度控制性能，實(shí)現(xiàn)了車輛動(dòng)力學(xué)的縮比模型，并驗(yàn)證了避撞控制模型的實(shí)際效果。本章沿用Rajeev團(tuán)隊(duì)的微縮車模型，比例為1：10；選擇“B-Class”轎車作為實(shí)車依據(jù)。15.1.3硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理15.1.3硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理15.1.3硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理（1）輪胎半徑與車長(zhǎng)比例標(biāo)準(zhǔn)輪胎半徑為0.4412m、車長(zhǎng)為4.8m，能微縮車長(zhǎng)為0.4m，有智能微縮車輪胎半徑為0.0368m。15.1.3硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理（2）車長(zhǎng)與車身質(zhì)量比實(shí)車重量為2000kg，有智能微縮車重量為1.157kg。15.1.3硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理（3）車速與車長(zhǎng)比例實(shí)際車速與微縮車車速的比例關(guān)系為12倍。15.1.3硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理（4）車長(zhǎng)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比例關(guān)系15.1.3硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理（5）發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)車速下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩關(guān)系15.1.3硬件在環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理參考美國(guó)密歇根大學(xué)Rajeev團(tuán)隊(duì)的微縮車動(dòng)力學(xué)模型：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)PWM控制方式：根據(jù)參考文獻(xiàn)帶入?yún)?shù)，有15.1.4車輛動(dòng)力學(xué)的微縮車實(shí)現(xiàn)15.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為0.5，驗(yàn)證智能微縮車加速曲線與實(shí)際車輛加速曲線15.1.4車輛動(dòng)力學(xué)的微縮車實(shí)現(xiàn)15.2智能微縮車平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)高性能智能微縮車硬件電路設(shè)計(jì)方案為雙層結(jié)構(gòu)：圖像處理層；控制層。15.2智能微縮車平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)1.硬件原理圖設(shè)計(jì)（1）STM32F407最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)晶振起振電路、程序下載電路、指示燈電路和基本處理器外圍電路等。（2）系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)12V、2000mA·h、驅(qū)動(dòng)電流為5A的可充電鋰電池。（3）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制電路電動(dòng)機(jī)型號(hào)為RS-540SH直流電動(dòng)機(jī)，輸出功率為0.9～60W。設(shè)計(jì)H型全橋驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制電路。（4）車車通信模塊智能微縮車設(shè)計(jì)采用ZigBee無(wú)線通信方式。車車通信模型核心單元為美國(guó)飛思卡爾高靈敏度ZigBee芯片MC13213。15.2.1控制部分電路設(shè)計(jì)15.2智能微縮車平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)2.控制板的PCB設(shè)計(jì)（1）接地設(shè)計(jì)不讓大電流經(jīng)過(guò)控制電路區(qū)域，同時(shí)避免驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反向電流干擾需要通過(guò)信號(hào)輸入端接入光耦隔離器件控制電流流向。（2）信號(hào)線包地處理實(shí)時(shí)性要求高的信號(hào)電路與底層控制板通信電路采用包地處理；信號(hào)包地線還可以吸收這些高頻信號(hào)走線上電流產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)其他電路產(chǎn)生電磁干擾也可以避免；智能微縮車系統(tǒng)控制板上處理器周圍的SPI、SDIO總線、IIC總線等也需要包地處理，防止干擾處理器工作。15.2.1控制部分電路設(shè)計(jì)15.2智能微縮車平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)（3）模擬地、數(shù)字地分開(kāi)設(shè)計(jì)，在一點(diǎn)接地PCB的數(shù)字地和模擬地采用單獨(dú)布線，并且數(shù)字地平面和模擬地平面分割，最后在PCB上沒(méi)有通信線路的區(qū)域通過(guò)0Ω電阻單點(diǎn)連接。（4）提供穩(wěn)定系統(tǒng)供電，電源網(wǎng)絡(luò)中需分配儲(chǔ)能鉭電容器電源芯片引腳附近都布置有0.01～0.1μF的去耦電容器，給電路中有源器件提供局部的直流電源。15.2.1控制部分電路設(shè)計(jì)15.2智能微縮車平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)15.2.1控制部分電路設(shè)計(jì)15.2智能微縮車平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)（1）Mini-ITX圖像處理微型控制板硬件接口包括一路高速HDMI接口，用于連接高速USB高清攝像頭；識(shí)別車輛周圍環(huán)境通過(guò)Mini-ITX板，通過(guò)上層OpenCV函數(shù)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的圖像處理程序。。15.2.2環(huán)境感知部分設(shè)計(jì)15.2智能微縮車平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)（2）智能微縮車外觀15.2.2環(huán)境感知部分設(shè)計(jì)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)圖像處理前期階段，首先經(jīng)過(guò)濾波濾掉一些噪點(diǎn)；然后對(duì)圖像進(jìn)行二值化為黑白像素圖。根據(jù)二值化圖像，對(duì)車道線特征點(diǎn)和白色矩形區(qū)域進(jìn)行判斷，對(duì)判斷為車道線特征點(diǎn)進(jìn)行霍夫變換并求出連續(xù)兩幀圖像的車道中線位置差來(lái)計(jì)算方向舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度來(lái)控制微縮車的轉(zhuǎn)向。通過(guò)對(duì)白色聯(lián)通區(qū)域的識(shí)別來(lái)判斷前方是否存在車輛。當(dāng)判定為矩形區(qū)域是前車的標(biāo)示時(shí)同時(shí)讀取超聲波采集的距離信息，即為當(dāng)前車距信息；然后，根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的反饋值計(jì)算當(dāng)前車速，從而執(zhí)行安全車距控制模型。15.3.1圖像處理部分軟件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)15.3.2控制系統(tǒng)部分軟件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)首先，通過(guò)車車通信實(shí)時(shí)獲取前車信息；然后，根據(jù)提取出的信息判斷通信區(qū)域內(nèi)是否有目標(biāo)車輛；存在目標(biāo)車輛則進(jìn)入車距保持控制程序，否則選擇按當(dāng)前車速勻速行駛；協(xié)同主動(dòng)避撞模型實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前狀態(tài)，存在安全隱患時(shí)，選擇前車車速和車距作為安全車距控制模型的輸出期望加速度值來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以避免碰撞事故的發(fā)生；加速度輸出值由微縮車執(zhí)行機(jī)構(gòu)去執(zhí)行，最后由輸出的車速反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)入下一周期的閉環(huán)避撞控制程序。15.3.2控制系統(tǒng)部分軟件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)15.3.2控制系統(tǒng)部分軟件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)智能微縮車驗(yàn)證過(guò)程中會(huì)接收和處理大量數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)必須按照統(tǒng)一的規(guī)范進(jìn)行處理，也必須遵循一定的協(xié)議規(guī)則。15.3.3數(shù)據(jù)濾波處理程序結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)15.3.3數(shù)據(jù)濾波處理程序結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)監(jiān)控中心上位機(jī)軟件與底層控制板進(jìn)行無(wú)線通信，用戶通過(guò)操作上位機(jī)軟件來(lái)完成對(duì)智能微縮車的命令控制，實(shí)現(xiàn)智能微縮車控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控和數(shù)據(jù)記錄分析。15.3.4上位機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)（1）隊(duì)列控制操作平臺(tái)用VisualStudio2020的C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)上位機(jī)界面；通過(guò)界面的MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)與控制終端的ZigBee無(wú)線通信模塊的串行接口鏈接，實(shí)現(xiàn)串口通信；顯示并儲(chǔ)存智能微縮車在道路沙盤(pán)上的行駛信息；后期數(shù)據(jù)分析處理；通過(guò)設(shè)置ID地址與智能微縮車進(jìn)行命令控制。15.3.4上位機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)15.3.4上位機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)（2）VISSIM仿真平臺(tái)通過(guò)VISSIM軟件提供的的Cc接口，與MATLAB軟件建立連接，獲取智能車輛隊(duì)列控制與信息顯示平臺(tái)中采集的實(shí)際車輛數(shù)據(jù)，并對(duì)仿真車輛進(jìn)行同步控制；同時(shí)，仿真車輛實(shí)時(shí)將坐標(biāo)（根據(jù)車輛所在車道及行駛里程確定）返回給平臺(tái)；通過(guò)安置檢測(cè)器，將仿真隊(duì)列行駛狀態(tài)進(jìn)行保存，通過(guò)分析數(shù)據(jù)進(jìn)一步為隊(duì)列控制模型進(jìn)行優(yōu)化。15.3.4上位機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)15.3智能微縮車平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)15.3.4上位機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)15.4仿真結(jié)果分析15.4.1仿真場(chǎng)景環(huán)境參數(shù)設(shè)置15.4仿真結(jié)果分析15.4.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制效果輸入加速度正弦變化，驗(yàn)證車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型控制效果。頭車在做正弦加速度變化時(shí)，會(huì)按照正弦輸入變化車速，與后車的車距也會(huì)實(shí)時(shí)變化；車輛隊(duì)列控制模型會(huì)將三車作為一體進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前狀態(tài)并及時(shí)調(diào)整速度大小保證車輛隊(duì)列按最小安全車距行駛；三車之間距離基本穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，車速不會(huì)發(fā)生跳變引起安全隱患，整個(gè)過(guò)程車輛隊(duì)列安全穩(wěn)定行駛。15.4仿真結(jié)果分析15.4.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制效果15.4仿真結(jié)果分析15.4.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)主動(dòng)安全控制效果驗(yàn)證CACA模型和CCA模型實(shí)驗(yàn)——車輛進(jìn)入彎道和高架橋時(shí)，存在傳感器感知盲區(qū)，行駛信息丟失嚴(yán)重，特別是隊(duì)列中某車輛存在階躍變化時(shí)，隊(duì)列穩(wěn)定性很難保證。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：選取第6章仿真驗(yàn)證場(chǎng)景縮比參數(shù)，前兩車按1m/s的速度行駛，后車速度階躍變化為3m/s的車速行駛，并分別驗(yàn)證3證3證控制下的協(xié)同主動(dòng)避撞控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)入彎道和高架橋信息缺失情況：0號(hào)車的車速發(fā)生階躍變化且與前車距離小于安全車距，CACA模型協(xié)同主動(dòng)避撞控制完成避撞，三車最終按照穩(wěn)定的狀態(tài)安全行駛。滿足車輛隊(duì)列的安全性條件，充分說(shuō)明CACA模型的可行性。15.4仿真結(jié)果分析15.4.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)主動(dòng)安全控制效果15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的研究方法：一種為利用實(shí)車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，耗費(fèi)大、不易在復(fù)雜道路、大量車流中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，多為針對(duì)駕駛?cè)诵袨榉治黾败囕v碰撞實(shí)驗(yàn)的研究；另一種為利用車輛仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，利用Unity、CarSim、PreScan等車輛仿真軟件。本章將PreScan軟件、智能駕駛模擬器及車輛控制輸入設(shè)備作為軟件仿真平臺(tái)，并將STM32等比微縮智能小車與道路交通沙盤(pán)作為硬件仿真平臺(tái)，對(duì)智能駕駛模擬器與等比微縮智能小車間進(jìn)行協(xié)同聯(lián)調(diào)，搭建智能駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)搭建流程：1）將道路交通沙盤(pán)環(huán)境在PreScan軟件中進(jìn)行建模。2）在PreScan軟件中添加仿真車輛，并設(shè)置車輛動(dòng)力學(xué)模型及車輛參數(shù)。3）搭建駕駛模擬器和車輛的模擬駕駛設(shè)備。4）在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下運(yùn)行仿真工程，利用真人操控方向盤(pán)及踏板控制仿真車輛的行駛行為。5）通過(guò)Simulink軟件串口通信實(shí)現(xiàn)駕駛模擬器對(duì)微縮智能小車的啟動(dòng)、停止、加速、減速進(jìn)行控制。6）編寫(xiě)程序使得經(jīng)過(guò)程序處理后駕駛模擬器控制的仿真動(dòng)畫(huà)中的仿真車輛與沙盤(pán)上的智能小車的行駛行為和實(shí)時(shí)位置一致。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)：1）在環(huán)境搭建方面。首先繪制沙盤(pán)環(huán)境，通過(guò)設(shè)置車輛的動(dòng)力學(xué)模型及駕駛模式，使得車輛模擬駕駛設(shè)備能夠控制仿真車輛。2）在聯(lián)調(diào)智能小車方面。首先研究智能小車的整體結(jié)構(gòu)及利用ZigBee串口無(wú)線通信模塊向智能小車發(fā)送控制指令。串口通信需要在Simulink軟件中實(shí)現(xiàn)。發(fā)送指令需要經(jīng)過(guò)Simulink軟件中S-function模塊的處理。3）在驗(yàn)證MPC模型方面。首先需要研究分析已知的一種在MATLAB/Simulink軟件中編寫(xiě)的模型預(yù)測(cè)控制（MPC）車輛編隊(duì)控制模型，并設(shè)置自動(dòng)駕駛仿真車輛與駕駛模擬器控制的仿真車輛；利用MPC模型實(shí)時(shí)計(jì)算出的結(jié)果控制自動(dòng)駕駛仿真車輛行駛；同時(shí)編寫(xiě)智能小車車輛隊(duì)列行駛的程序，利用超聲波測(cè)距功能來(lái)根據(jù)不同的距離調(diào)整速度，實(shí)現(xiàn)跟隨行駛；最后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在仿真中基于MPC模型的車輛編隊(duì)效果。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)：●較好模擬搭建現(xiàn)實(shí)中的交通環(huán)境，較為精確地設(shè)置車輛的動(dòng)力學(xué)模型及車輛行駛控制器?！駥?shí)現(xiàn)駕駛器與沙盤(pán)上的智能小車聯(lián)調(diào)，更清晰且直觀地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)具有直觀的演示效果?！窨紤]車輛動(dòng)力學(xué)模型、車輛控制器等物理因素的條件下，可驗(yàn)證混行車流車輛編隊(duì)的控制模型的可行性與穩(wěn)定性等。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.1仿真環(huán)境建立1.在軟件中搭建交通沙盤(pán)環(huán)境在軟件中按照1：25的比例進(jìn)行繪制；三維。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.1仿真環(huán)境建立2.設(shè)置車輛動(dòng)力學(xué)模型及駕駛模式（1）車輛動(dòng)力學(xué)模型選擇PreScan軟件中的2DSimple車輛動(dòng)力學(xué)模型。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.1仿真環(huán)境建立（2）駕駛模式在PreScan軟件中，駕駛模擬器控制的車輛選擇GameController駕駛模式，自動(dòng)駕駛車輛選擇PathFollower駕駛模式。3.駕駛模擬器控制仿真車輛PreScan軟件支持使用一個(gè)外部力量反饋方向盤(pán)、踏板及變速桿設(shè)備。選擇外接的駕駛模擬設(shè)備采用鋼質(zhì)滾珠軸承，以及配備不銹鋼換擋撥片；其踏板部分采用金屬材質(zhì)，底部采用防滑橡膠腳墊，離合踏板、制動(dòng)踏板、加速踏板按真實(shí)車輛位置設(shè)計(jì)，便于做跟趾動(dòng)作；同時(shí)，用霍爾式轉(zhuǎn)向傳感器。由此設(shè)備的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)，應(yīng)用該設(shè)備可以使得仿真實(shí)驗(yàn)更加貼近顯示并符合駕駛?cè)说鸟{駛習(xí)慣，使得仿真結(jié)果不存在設(shè)備問(wèn)題的干擾，且更加具有說(shuō)服力。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.1仿真環(huán)境建立4.PreScan與MATLAB/Simulink軟件聯(lián)合仿真PreScan軟件支持使用一個(gè)外部力量反饋方向盤(pán)、踏板及變速桿設(shè)備。選擇外接的駕駛模擬設(shè)備采用鋼質(zhì)滾珠軸承，以及配備不銹鋼換擋撥片；其踏板部分采用金屬材質(zhì)，底部采用防滑橡膠腳墊，離合踏板、制動(dòng)踏板、加速踏板按真實(shí)車輛位置設(shè)計(jì)，便于做跟趾動(dòng)作；同時(shí)，用霍爾式轉(zhuǎn)向傳感器。由此設(shè)備的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)，應(yīng)用該設(shè)備可以使得仿真實(shí)驗(yàn)更加貼近顯示并符合駕駛?cè)说鸟{駛習(xí)慣，使得仿真結(jié)果不存在設(shè)備問(wèn)題的干擾，且更加具有說(shuō)服力。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.2仿真平臺(tái)與智能小車聯(lián)調(diào)測(cè)試1.微縮智能小車核心是基于循跡算法進(jìn)行控制行駛。2.車車/車路無(wú)線通信基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制指令控制智能小車駕駛行為的功能。選取兩個(gè)ZigBee模塊：一個(gè)下載ZigBee主機(jī)程序；另一個(gè)下載ZigBee從機(jī)程序。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.2仿真平臺(tái)與智能小車聯(lián)調(diào)測(cè)試15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.2仿真平臺(tái)與智能小車聯(lián)調(diào)測(cè)試3.Simulink軟件串口通信模塊本實(shí)驗(yàn)使用的ZigBee模塊利用串口進(jìn)行通信，則在Simulink軟件中主要需要應(yīng)用兩種模塊：串口配置模塊；串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。1）串口配置（serialconfiuration）模塊。利用該模塊對(duì)串口進(jìn)行基本配置，主要需要修改的有串口號(hào)及波特率，數(shù)據(jù)位為默認(rèn)8，8停止位為默認(rèn)1，其他參數(shù)也均使用默認(rèn)配置及默認(rèn)值。2）串口數(shù)據(jù)發(fā)送（serialsend）模塊。利用該模塊對(duì)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息發(fā)送，只修改串口號(hào)，其余參數(shù)使用默認(rèn)配置及默認(rèn)值，結(jié)合已經(jīng)配置好的串口配置模塊。在外接入設(shè)備后，即可實(shí)現(xiàn)Simulink軟件的串口通信。4.S-funtion模塊及其編寫(xiě)模擬駕駛器控制智能小車的駕駛行為。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.2仿真平臺(tái)與智能小車聯(lián)調(diào)測(cè)試15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.2仿真平臺(tái)與智能小車聯(lián)調(diào)測(cè)試15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.2仿真平臺(tái)與智能小車聯(lián)調(diào)測(cè)試5.實(shí)現(xiàn)駕駛模擬器同步控制智能小車且與仿真對(duì)應(yīng)左側(cè)為仿真環(huán)境實(shí)時(shí)俯視圖，可以觀察到仿真車輛的行駛行為與實(shí)時(shí)位置；中間為仿真車輛駕駛?cè)艘暯?；右?cè)為實(shí)際沙盤(pán)環(huán)境實(shí)時(shí)俯視圖，可以觀察到智能小車的行駛行為與實(shí)時(shí)位置。實(shí)現(xiàn)駕駛模擬器能夠控制智能小車后，可以觀察到仿真車輛與智能小車的行駛行為一致，且它們?cè)诟髯原h(huán)境中的位置基本對(duì)應(yīng)，這樣使得智能駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成，可以作為智能車輛駕駛的仿真平臺(tái)進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.2仿真平臺(tái)與智能小車聯(lián)調(diào)測(cè)試15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.2仿真平臺(tái)與智能小車聯(lián)調(diào)測(cè)試15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.3智能網(wǎng)聯(lián)虛擬駕駛運(yùn)行效果1.基于MPC的車輛編隊(duì)模型利用Simulink軟件驗(yàn)證基于MPC的車輛編隊(duì)控制模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5輛車的車輛編隊(duì)模型。其中，1輛為領(lǐng)航車，其余4輛為跟隨車輛。該模型可以令車隊(duì)中車輛近似保持設(shè)定好的理想車間距，同時(shí)后車根據(jù)領(lǐng)航車行駛行為的變化而做出不同的反應(yīng)。15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.3智能網(wǎng)聯(lián)虛擬駕駛運(yùn)行效果15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.3智能網(wǎng)聯(lián)虛擬駕駛運(yùn)行效果15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.3智能網(wǎng)聯(lián)虛擬駕駛運(yùn)行效果15.5智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛模擬平臺(tái)15.5.3智能網(wǎng)聯(lián)虛擬駕駛運(yùn)行效果2.仿真車輛模型搭建設(shè)置1輛模擬駕駛車輛（駕駛模擬器實(shí)際控制的車輛），4輛自動(dòng)駕駛車輛，共計(jì)5輛車，均選用“AudiA8Sedan”車型；第1輛為模擬駕駛車輛（黑色噴漆），后4輛為自動(dòng)駕駛車輛（紅色噴漆）。模擬駕駛車輛駕駛模式選用“GameController”；自動(dòng)駕駛車輛駕駛模式選用“PathFollower”，并選用“WithP