張敏 肖廣兵

摘? 要： 面向智能車路系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了車輛換道匯入控制系統(tǒng)，由供電模塊、STM32處理器模塊、車速傳感器、攝像機(jī)、VANET自組織網(wǎng)絡(luò)以及上位機(jī)管理系統(tǒng)等組成，通過硬件模塊的信息獲取與匯入控制策略分析，完成服務(wù)器系統(tǒng)的單車匯入車隊(duì)監(jiān)控顯示與管理，通過無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)完成之間的信息傳輸交互，確保車輛安全高速平穩(wěn)匯入車隊(duì)，提高道路資源的使用率和道路通行率。

關(guān)鍵詞： STM32處理器;換道匯入;VANET自組織網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TP27? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.012

本文著錄格式：張敏，肖廣兵. 車輛換道匯入控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2020，41（10）：4549

【Abstract】： Facing the intelligent vehicle routing system， this paper designs the vehicle lane changing import control system， which is composed of power supply module， STM32 processor module， vehicle speed sensor， camera， VANET self-organizing network and host computer management system， through the analysis of Hardware Module Information Acquisition and Import Control Strategy， the display and management of server system's bicycle import fleet monitoring is completed， and the information transmission and interaction is completed through wireless communication network， to ensure the safe high-speed vehicles smoothly into the fleet， improve the use of road resources and road traffic rate.

【Key words】： STM32 processor; Lane change; VANET self-organizing network

0? 引言

目前，傳統(tǒng)車輛的換道匯入因缺乏車路之間的數(shù)據(jù)共享與安全性評(píng)估，無(wú)法保證車輛換道匯入的高速性、安全性，容易造成交通堵塞[1]，從而降低道路的通行率。隨著智能交通技術(shù)的發(fā)展，由若多個(gè)車輛以一定的安全距離編隊(duì)組成的智能車隊(duì)[2]，由于能夠增大單位面積的交通容量，提高道路資源的使用率[3]，成為智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。伏雨旋等人對(duì)車路協(xié)同軌跡跟蹤保持的研究，減小了車隊(duì)跟蹤控制的誤差，但是僅考慮車輛自身因素，未與車隊(duì)緊密聯(lián)系[4]，缺乏車輛換道匯入的綜合系統(tǒng)研究。

為此，本文設(shè)計(jì)了一套完整的車輛換道匯入控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)這三個(gè)方面研究，分析道路狀況和車輛的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合先進(jìn)的無(wú)限通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車-路、車-車的信息共享交互，完成車輛的換道匯入，提高社會(huì)效益，改善交通擁擠[5]。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛換道匯入控制系統(tǒng)以STM32處理器模塊為核心，車速傳感器、攝像機(jī)等其他硬件模塊，通過VANET自組織網(wǎng)絡(luò)完成道路與車輛的信息傳輸，并上傳到上位機(jī)管理系統(tǒng)，監(jiān)控車輛換道匯入的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)車輛安全高速的換道[6]。

系統(tǒng)通過高速專用攝像機(jī)采集道路車流量信息和車速傳感器信息獲取，將車輛運(yùn)行狀態(tài)和路況發(fā)送到STM32處理器，處理器結(jié)合換道匯入的控制算法和安全性評(píng)估，為車輛換道設(shè)計(jì)匯入軌跡，并上傳到上位機(jī)管理平臺(tái)，通過管理人員對(duì)車輛換道的監(jiān)控與管理，將換道指示發(fā)送給車輛，整個(gè)系統(tǒng)通過VANET自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛與道路信息的互聯(lián)共享，保證車輛行駛的安全性，實(shí)現(xiàn)車輛的換道匯入[7]。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

車輛換道匯入系統(tǒng)的硬件模塊主要有STM32主處理器、高速專用攝像機(jī)、供電模塊、車速傳感器和VANET自組織網(wǎng)絡(luò)組成，以處理器為核心，其他模塊通過串口連接，結(jié)合VANET自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車-路的協(xié)同控制，完成車輛的換道匯入控制。

2.1? 供電模塊

STM32模塊一般選用2.0-3.5 V的直流電壓，車速傳感器采用4.5-20 V的直流電，WiFi模塊使用3.3-5 V的直流電壓，攝像機(jī)模塊采用4-5 V的直流電壓，供電模塊需要將220 V交流電通過二極管、電感和電容器的不斷濾波、降壓，在LNK304DN開關(guān)控制器的作用下，最后電流通過電阻R3轉(zhuǎn)化成5 V直流，為處理器模塊、WiFi模塊、攝像機(jī)模塊供電，供電圖如圖2所示。

2.2? 主處理器STM32模塊

本文選用STM32F103處理器，是以ARM32位Cortex-M3 CPU為核心，最高工作頻率72 MHz，1.25DMIPS/MHz。片上集成Flash和SRAM存儲(chǔ)器，內(nèi)有2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器，可以外設(shè)ADC，DAC等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器，能容納多元件，集成度高。車速傳感器、攝像機(jī)可以通過處理器的串行調(diào)試或JTAG接口調(diào)試[8]，完成STM32的安全啟動(dòng)。處理器在2.0- 3.6 V下電壓工作，有3種低能耗方式，可延長(zhǎng)電池的壽命，具有高性能、低能耗等特點(diǎn)。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3? VANET自組織網(wǎng)絡(luò)

VANET自組織網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)專門應(yīng)用在車輛通信的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過車路間設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)車路通信平臺(tái)，使駕駛員在一定范圍內(nèi)快速獲得車輛的運(yùn)行狀態(tài)信息以及路況數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車車與車路之間的信息交互，提高道路的通行率。

VANET自組織網(wǎng)絡(luò)的物理層模塊選用WiFi網(wǎng)絡(luò)，WiFi作為無(wú)線城域網(wǎng)，傳播速度快，網(wǎng)絡(luò)性能好，覆蓋范圍廣，使用快捷方便，最高寬帶可達(dá)1 Mbps，WiFi模塊選用WM-G-MR-08芯片，與處理器串口通信，可滿足VANET自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，安全性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如圖4所示的WiFi電路原理圖。

2.4? 車速傳感器

車速傳感器是一種檢測(cè)車輛速度的裝置，通過信號(hào)的轉(zhuǎn)換，可輸出三種信號(hào)，這里選用霍爾式車速傳感器，利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)車速的檢測(cè)，輸出霍爾式交流信號(hào)[10]，汽車指針的擺動(dòng)受車速影響，傳感器的脈沖信號(hào)頻率越大，車速越大。此傳感器具有穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)速準(zhǔn)確度高、防干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過與STM32主處理器的串口連接，處理器參考速度進(jìn)行控制策略分析，實(shí)現(xiàn)車輛換道匯入的車速管理控制。如圖5所示的電路圖。

2.5? 高速專用攝像機(jī)

車輛換道匯入需要采集道路狀況和匯入車隊(duì)的信息，本文選用高速專用攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)車流量的監(jiān)測(cè)與路況監(jiān)控，這里選用OV7725攝像機(jī)，可以對(duì)道路上快速移動(dòng)的車輛快速監(jiān)控、采樣、記錄，完成道路的監(jiān)控[11]。

OV7725攝像機(jī)像素可達(dá)30萬(wàn)，分辨率髙，寄存器的數(shù)據(jù)通過SDA、SCL的引腳輸入和圖像格式、信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從D0-D9引腳輸出信號(hào)。OV7725與STM32處理器連接，選用SCCB協(xié)議完成數(shù)據(jù)的輸入與輸出，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)車輛的換道匯入。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車輛換道匯入控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在Visual Basic 6.0軟件搭建。由車輛的編隊(duì)匯入控制管理作為主功能，加以硬件設(shè)備檢測(cè)、歷史數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)置作為輔助功能。這里主要介紹車輛的換道匯入控制與管理的算法以及主界面設(shè)計(jì)。

本文建立車輛換道匯入場(chǎng)景，如圖7所示，d為車道寬度，V0為匯入車輛，V1，V2，V3為車隊(duì)的跟隨車輛，V0向車隊(duì)發(fā)出換道請(qǐng)求以及車輛位置、運(yùn)行狀態(tài)信息，車隊(duì)通過對(duì)V1、V2變速來確保車輛V0的換道匯入，這里設(shè)車隊(duì)的初始速度為，車隊(duì)的安全距離為c，無(wú)橫向加速度，V0的轉(zhuǎn)向角為θ，車長(zhǎng)為m，車寬為n，位置為（x0， y0），橫向加速度為ay，縱向加速度為ax，橫向位移，縱向位移 ，，為避免碰撞，V0與V1，V2縱向距離S>0。

最終的最小時(shí)間匯入模型為：minT=minF（， c， θ， d， m， n， ax， ay）

圖8是車輛的換道匯入界面，通過車載自組織網(wǎng)絡(luò)，車輛發(fā)送換道請(qǐng)求，管理員首先確定系統(tǒng)接收換道請(qǐng)求的范圍，選擇手動(dòng)輸入或者基于GPS定位確定監(jiān)控范圍，即可出現(xiàn)發(fā)送請(qǐng)求的換道車輛車牌號(hào)顯示，點(diǎn)擊其中一輛車，便可以查看車輛信息，所在位置的道路狀況，換道匯入的控制與車隊(duì)的管理。

圖9是車輛所在位置的道路狀況界面，內(nèi)有從OV7725獲取的道路視頻監(jiān)控，并顯示道路的車寬、抗滑能力、承載能力、安全率、通行率等信息，對(duì)于當(dāng)前道路以往的突發(fā)事件可查看分析，可方便管理者清晰探測(cè)路況以及有效管理，確保道路的安全性、流通性。

圖10是車輛信息界面，內(nèi)有車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，包括車速、橫縱向加速度、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、重量和尺寸，以及車內(nèi)視頻監(jiān)控，通過車輛運(yùn)行狀態(tài)的直觀顯示，便于管理對(duì)車輛的了解[17]，對(duì)于車輛的突發(fā)事件，管理者通過運(yùn)行狀態(tài)可手動(dòng)管理?yè)Q道策略，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給車主，同時(shí)管理員也可以查看最近一段時(shí)間的車輛歷史軌跡。

圖11是車輛的匯入控制界面。圖11（a）是對(duì)換道車輛的匯入控制與管理，內(nèi)有車輛的匯入開始和預(yù)期結(jié)束時(shí)間，車輛的轉(zhuǎn)向角以及節(jié)氣門開度，同時(shí)有車輛在換道時(shí)間內(nèi)的加速度時(shí)間圖以及匯入軌跡圖，黑色曲線表示通過換道策略算法獲取的圖像，紅色表示車輛實(shí)際的運(yùn)行圖[13]，這些信息均會(huì)在車載終端顯示。當(dāng)車輛運(yùn)行異常時(shí)，管理者可以點(diǎn)擊匯入監(jiān)控，查看車輛內(nèi)部視頻監(jiān)控，并語(yǔ)音發(fā)送警報(bào)信息，確保車輛安全平穩(wěn)的匯入。

圖11（b）是換道車輛匯入車隊(duì)的前后車車輛的運(yùn)行狀態(tài)分析，內(nèi)有車輛的加速度時(shí)間圖，以及實(shí)時(shí)的與匯入車輛的縱向距離顯示[14]，避免車輛發(fā)生碰撞，并保證車輛以較短時(shí)間匯入車隊(duì)。

圖12是車隊(duì)管理界面，為避免道路擁堵和交通事故的發(fā)生，對(duì)于車隊(duì)的長(zhǎng)度、車速、安全距離、飽和度設(shè)置合理指標(biāo)，發(fā)揮車隊(duì)的最大作用，通過車隊(duì)的穩(wěn)定性分析[15]，查看車隊(duì)車輛的違規(guī)行為，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)車輛之間安全距離過大等行為時(shí)，將自動(dòng)發(fā)送信息給駕駛員，提醒車主安全行駛[16]。

4? 結(jié)論

本文借助車載自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)車路、車車之間實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互傳輸，設(shè)計(jì)一個(gè)車輛換道匯入系統(tǒng)，通過上位機(jī)平臺(tái)的監(jiān)控管理顯示，控制車輛的換道匯入，確保換道車輛在短時(shí)間內(nèi)高速安全匯入車隊(duì)。該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單易操作，能夠解決車輛的換道時(shí)間長(zhǎng)、安全性低等問題，硬件設(shè)備可滿足車輛的換道匯入的信息采集要求，可以在智能車路系統(tǒng)中運(yùn)用實(shí)踐。本文以單車換道匯入的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主，不能滿足現(xiàn)實(shí)道路中存在的多種復(fù)雜情況需求，未來如何控制多車換道匯入是一個(gè)重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]馬育林， 徐友春， 吳青. 車隊(duì)協(xié)同駕駛混成控制研究現(xiàn)狀與展望[J]. 汽車工程學(xué)報(bào)， 2014， 4（1）： 1-13.

[2]游峰， 張榮輝， 王海瑋， 等. 基于縱向安全距離的超車安全預(yù)警模型[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2013， 41（8）： 87-92.

[3]何杰， 劉霞， 陳一鍇， 等. 惡劣天氣路面條件對(duì)行車安全的影響[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2011， 11（1）： 58-63.

[4]伏雨旋， 李孝銀， 吳鵬. 基于時(shí)變?nèi)斯?shì)場(chǎng)PID的智能汽車軌跡跟蹤控制[J]. 時(shí)代汽車， 2019（7）： 17-18.

[5]NIE J， ZHANG J， DING W， et al. Decentralized Cooperative Lane-changing Decision-making for Connected Autonomous Vehicles[J]. IEEE Access， 2016（4）： 9413-9420.

[6]姜冬雪. 快速路匝道匯入路段的瓶頸特性及駕駛?cè)藫Q道行為研究[D]. 南京： 東南大學(xué)， 2017.

[7]MOHAMMAD A A， YASSER H， TAREK A S. Modeling Driver Behavior and Safety on Freeway Merging Areas[J]. Journal of Transportation Engineering， 2008， 134（9）： 370-377.

[8]左康， 劉啟遠(yuǎn)， 孫劍. 城市快速路匝道匯入行為建模及仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2017， 29（9）： 1895-1906.

[9]薛行健， 歐陽(yáng)歡， 陳歡， 等. 匝道布置與設(shè)計(jì)對(duì)快速集散道路通行能力影響[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2017， 14（8）， 1799-1804.

[10]郝媛， 孫立軍， 徐天東. 交通流Breakdown現(xiàn)象與交通擾動(dòng)演化模型[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版）， 2009， 37（9）： 1178-1184.

[11]楊京帥， 任書杭， 馬志政， 等. 道路交通碰撞事故致因建模與影響因素試驗(yàn)分析[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2015， 45（5）： 1008-1012.

[12]禹偉. 車道變換與交通擁擠致因關(guān)系的研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2013.

[13]陳永恒， 陶楚青， 白喬文. 基于SVM的快速路合流區(qū)車輛間隙選擇模型[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2018， 48（4）： 752-758.

[14]張榮輝， 游峰， 初鑫男， 等. 車-車協(xié)同下無(wú)人駕駛車輛的換道匯入控制方法[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2018， v.31; No.176（4）： 184-195.

[15]范世鵬， 吳廣， 王亮， 等. 基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的飛行器軌跡規(guī)劃[J]. 航天控制， 2018， 36（1）： 50-54.

[16]王華， 張小寧. 走廊通道高架道路匝道設(shè)計(jì)模型[J]. 交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息， 2012（5）： 162-167.

[17]任德錕. 基于毫米波雷達(dá)的車間位置關(guān)系的識(shí)別方法[D]. 西安： 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文， 2012.