一种基于信息物理网的车队智能避障装置及避障方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于车联网导航控制领域，是一种基于信息物理网的车队智能避障装置及 避障方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着私人汽车数量的增加和公路交通基础设施的逐渐完善，道路交通日 趋严重的问题已成为人类亟待解决的共性课题。道路交通事故造成了重大的生命和财产损 失，并且已经成为全球公共的交通安全问题。当车主身处浓雾或者超视距范围的地方时，可 见度低，驾驶汽车往往面临着严重的危险。随着计算机技术和无线通信技术的飞速发展， 多辆智能车组成的群体系统通过协调、合作来完成原本由单个智能车无法或难以完成的工 作已经成为可能。智能车编队控制主要是指多个智能车在群体运动过程中，能够在克服环 境限制的同时还保持着期望队形，最终全体都能够顺利到达指定目的地的控制技术。由若 干辆车组成的一列线性车队以较小车间距保持某种队形行驶，能够很好的扩充现有道路容 量，降低车辆拥堵情况，提高实际交通道路利用率，增强交通的畅通性及安全性。在只能车 编队控制中一个关键之处在于障碍物的回避，如果车队不能整体协调车速和方向进行障碍 物回避，则车队的编队便会扰乱，无法保持队形，不仅不能提高交通道路利用率、畅通性和 安全性，反而会降低道路利用率、畅通性和安全性，甚至可能由于回避障碍物不当引起交通 事故。
[0003] 中国专利CN104049634公开了一种基于Camshift算法的智能体模糊动态避障方 法，其内容是智能体小车通过CCD摄像头获取智能体小车环境图像信息，DSP图像处理器模 块将图像信息进行处理，利用OpenCV函数库的Camshift算法进行运动目标跟踪和定位，获 取动态障碍物坐标并发送给底层控制器模块，将动态障碍物坐标、智能体小车速度和三侧 超声波测距信息输入给动态避障模糊控制器，后者输出智能体小车的转向角Φ及速度V控 制指令，实现动态避障。该智能避障方法只是实现了单车的动态避障，无法在保持车辆编队 的队形的情况下，实现避障，防止车队的编队被扰乱。
[0004] 中国专利CN104503451公开了一种基于视觉和超声传感的可避障自动导航方法 及自动导航车。其避障模块包括九个以上的超声传感器，分布在导航车的前方和侧后方，超 声传感器用于采集车身周围的距离信息，以检测车身周围是否存在障碍物及其距离；开始 导航时，首先采用导航车前方的超声传感器轮流采集障碍物的距离信息；然后对前方各个 超声传感器收集的障碍物距离信息在单片机系统里进行模糊化，并根据模糊化信息来判断 是否存在障碍物；如果存在障碍物，则停止视觉导航，并根据单片机系统得出的模糊化信息 来判断障碍物的大概位置；然后使用障碍物模糊推理规则，控制导航车初步转向；同时，采 用导航车侧后方的超声传感器测量障碍物的距离信息，当侧后方的超声传感器探测到有障 碍物时，表明障碍物已经在导航车的侧后方，此时可以判断导航车已经越过障碍物；然后控 制导航车进行回轨动作，回到视觉导航的轨道上。该专利提供一种可以同时视觉导航与超 声避障、具有较高鲁棒性、准确性、实时性的基于视觉和超声传感的可避障自动导航方法。 但虽然本文献实现了自动导航，但依然无法准确地在保持车辆编队的情况下，准确地避开 障碍物。
[0005] 因此，在车辆编队行进下，实现车队整体回避障碍物且保持编队的完整体是本领 域急需解决的技术问题。本发明提供了一种基于信息物理网的车队智能避障装置及避障方 法，该装置将所提取到的信息经处理后获得各个车辆的速度和角速度并传送给车辆控制器 对各个车辆进行控制达到在保持实时自主编队的情况下，实现自动回避障碍物。
【发明内容】
[0006] 本发明公开了一种基于信息物理网的车队智能避障装置及避障方法，可以实现智 能车实时自主编队行驶时避开障碍物的目的。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
[0008] 根据本发明的第一方面，公开了一种基于信息物理网的车队智能避障装置，其中， 所述车队包括领航车辆R 1和跟随车辆R ，设在车队中的每辆车Rp R,上的所述车队智能避 障装置包括车外传感器模块、GPS定位模块、无线通信模块和中央处理单元模块。
[0009] 车外传感器模块包括用于检测前方障碍物的红外传感器和用于检测车行驶速度 的速度传感器。
[0010] GPS定位模块安装在每辆车民、R,前端中间位置用于实时采集所述车的位置信息 且同步时间。
[0011] 所述无线通信模块包括无线网卡和无线路由器用于与所述车队中的其他车辆建 立网络连接。
[0012] 用于实现通信和应用协议的所述中央处理单元模块通过无线通信模块接收车辆 的速度、位置信息并处理，当红外传感器检测前方存在障碍物，所述中央处理单元模块通过 公式F-I计算获得跟随车辆R j的线速度V j和角速度ω」，公式F-I如下：
[0013]
[0014] 为常数，1,为领航车辆R i和跟随车辆R之间的相对距离，d表示跟随车辆R ,质心到轴心的 距离，其中定义虚拟车辆Rk，它以恒定线速度vk相切于障碍物的方向Θ k沿着障碍物运动， 即9k的运动方向Vk始终垂直于与虚拟车辆R k的连线δ ]k，δ ]k表示跟随车辆与障碍 物间的最近距离，9k为虚拟车辆Rk相切于障碍物的方向，Θ P 分别是领航车辆^和跟 随车辆R,的角度，V P V]分别是领航车辆R i和跟随车辆R的线速度，Φ JP U,分别表示领 航车辆R1和跟随车辆R /司相对角度和距离。
[0015] 跟随车辆&通过CAN总线8将中央处理单元模块获得的线速度^和角速度ω衣 送到车辆控制器7进行调整跟随车辆1^的线速度^和角速度ω '人而确保车队在编队的 情况下进行避障。
[0016] 优选地，车外传感器模块在车辆民、R,左前侧和右前侧分别安装红外传感器用于 检测前方障碍物，在车轮轴上安装速度传感器用于检测车辆民、R,行驶的速度。
[0017] 优选地，GPS定位模块含有GPS天线及转接线，其供电电压为5V。
[0018] 优选地，所述无线通信模块采用FPV 5. 8G 200MW发送接收套装，其供电电压均为 12V〇
[0019] 优选地，所述中央处理单元模块为嵌入式DSP处理单元。
[0020] 根据本发明的第二方面，公开了一种基于信息物理网的车队智能避障方法。
[0021] 第一步骤中，将所述车队编队，其中所述车队包括领航车辆R1和跟随车辆R ,，设在 车队中的每辆车民、&上的所述车队智能避障装置包括车外传感器模块、GPS定位模块、无 线通信模块和中央处理单元模块。
[0022] 车外传感器模块包括用于检测前方障碍物的红外传感器和用于检测车行驶速度 的速度传感器。
[0023] GPS定位模块安装在每辆车民、R,前端中间位置用于实时采集所述车的位置信息 且同步时间。
[0024] 所述无线通信模块包括无线网卡和无线路由器用于与所述车队中的其他车辆建 立网络连接。
[0025] 用于实现通信和应用协议的所述中央处理单元模块通过无线通信模块接收车辆 的速度、位置信息并处理。
[0026] 第二步骤中，红外传感器检测前方是否存在障碍物，如果存在障碍物，所述中央处 理单元模块建立坐标系，并通过公式F-I计算获得跟随车辆R j的线速度^和角速度ω j，公 式F-I如下：
[0027]
[0028] 为常数，1,为领航车辆R i和跟随车辆R之间的相对距离，d表示跟随车辆R ,质心到轴心的 距离，其中定义虚拟车辆Rk，它以恒定线速度vk相切于障碍物的方向Θ k沿着障碍物运动， 即9k的运动方向Vk始终垂直于与虚拟车辆R k的连线δ ]k，δ ]k表示跟随车辆与障碍 物间的最近距离，9k为虚拟车辆Rk相切于障碍物的方向，Θ P 分别是领航车辆^和跟 随车辆R,的角度，V P V]分别是领航车辆R i和跟随车辆R的线速度，Φ JP U,分别表示领 航车辆R1和跟随车辆R /司相对角度和距离。
[0029] 第三步骤中，跟随车辆Rj通过CAN总线将中央处理单元模块获得的线速度