適用于智能交通系統(tǒng)仿真平臺的微型集群機(jī)器人研究

周 娟，陸祺靈，劉 磊

（1.上海建橋?qū)W院 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201306；2.上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海 200093）

0 引言

智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）將先進(jìn)的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)［1］、控制技術(shù)以及計算技術(shù)高效地集成在一起，建立出一個強(qiáng)大的、全方位的地面交通管理系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)男枨?。自動駕駛是智能交通發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。隨著人工智能、移動網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，以自動駕駛為代表的新一代ITS 逐步成為解決交通問題的突破口［2］，其相關(guān)研究也日益受到高校重視［3］。

從系統(tǒng)工程的角度來看，ITS 屬于開放式復(fù)雜巨系統(tǒng)［4］。近年來，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能交通方案成為現(xiàn)代城市交通規(guī)劃的重點(diǎn)［5］，但構(gòu)建這樣的交通系統(tǒng)用于實(shí)踐教學(xué)意味著巨額資金投入，如清華大學(xué)的汽車交通安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室便是得到了國家“863”項目、科技攻關(guān)項目、國際合作項目等資助，才得以開展該領(lǐng)域系統(tǒng)化的研究與教學(xué)活動［6］。為降低科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，現(xiàn)有的ITS研究多集中在基于計算機(jī)視覺的目標(biāo)檢測與分類方面，尤其是運(yùn)動目標(biāo)的建模［7］多是對ITS 進(jìn)行虛擬仿真［8］，對半實(shí)物交通仿真平臺的研究相對較少。目前只有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建大型半實(shí)物交通仿真平臺對ITS 進(jìn)行研究，如麻省理工大學(xué)建立了MITSIM 實(shí)驗(yàn)室，武漢理工大學(xué)、軍事交通學(xué)院建立了半實(shí)物仿真平臺［9］，如圖1 所示。

Fig.1 A hardware-in-the-loop simulation platform built by the Military Transportation Academy圖1 軍事交通學(xué)院建造的半實(shí)物仿真平臺

雖然已有平臺可以開展ITS 實(shí)驗(yàn)，但具有仿真車輛設(shè)計不夠緊湊，需要占用較大實(shí)驗(yàn)室面積，車輛充電、編程維護(hù)成本高，車輛系統(tǒng)定位、通信系統(tǒng)設(shè)計成本高等缺點(diǎn)，使得其在微觀層面上數(shù)據(jù)獲取步驟復(fù)雜，不利于ITS 的智能化數(shù)據(jù)處理。

集群機(jī)器人是指組建一群結(jié)構(gòu)相同或類似的機(jī)器人，其可在已知環(huán)境中相互協(xié)調(diào)與合作，共同完成任務(wù)［10］。集群機(jī)器的設(shè)計靈感來自于自然界的自組織系統(tǒng)，如社會性昆蟲、魚群、鳥群等基于簡單交互規(guī)則的集群行為［11］。目前國內(nèi)只有少數(shù)機(jī)構(gòu)研究微型機(jī)器人集群，主要集中在分布式環(huán)境探測與協(xié)同物流搬運(yùn)［11］等方面，適于實(shí)驗(yàn)室研究的通用微型機(jī)器人系統(tǒng)還有所欠缺，根本原因在于硬件小型化的難題迄今尚未解決。

為此，本文設(shè)計一套通用微型集群機(jī)器人系統(tǒng)，模擬ITS 中可以自動避障的自動駕駛車輛［12］，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化、低成本、簡維護(hù)、易制造的特性，大幅降低搭建與維護(hù)難度，以便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行ITS 模擬，改善目前智能交通領(lǐng)域科研與實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際難題。

1 ITS 實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計

圖2 為ITS 實(shí)驗(yàn)平臺的總體設(shè)計。該系統(tǒng)長1m、寬1m、高2m，其中用于模擬道路交通環(huán)境的平臺高0.6m，安裝攝像頭和投影裝置的支架高2m，可容納約150 臺微型智能機(jī)器人。為方便初步測試，該系統(tǒng)采用環(huán)形邊界作為圓形軌道測試集群機(jī)器人長時間的自組織控制性能。

該系統(tǒng)中，微型機(jī)器人群用于模擬自動駕駛車輛集群，無線充電平臺模擬道路環(huán)境，攝像頭模擬衛(wèi)星定位，投影儀進(jìn)行虛擬標(biāo)注與顯示，從而在整體上形成封閉的智能交通環(huán)境。攝像頭通過圖像處理將所有機(jī)器人的位置信息存儲于服務(wù)器，一方面通過無線路由器以WiFi 的形式為微型集群機(jī)器人提供定位服務(wù)，另一方面可用于交通數(shù)據(jù)分析。運(yùn)行平臺底面鋪設(shè)有充電線圈陣列，充電控制系統(tǒng)內(nèi)置于電氣控制柜，可不間斷地為機(jī)器人提供電力。

Fig.2 Intelligent transportation system experiment platform and its miniature swarm robot圖2 智能交通系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺及其微型集群機(jī)器人

受限于攝像機(jī)的幀率，圖像處理模塊的循環(huán)周期為300ms。跟蹤軟件采用卡爾曼濾波技術(shù)，將位置信息發(fā)送給每個機(jī)器人，焦點(diǎn)機(jī)器人通過每個機(jī)器人的位置信息還原局部相對測量信息，具體如圖3 所示。測量信息為單體車輛相對于環(huán)境與鄰居的瞬時信息，包括相對于邊界的距離rw、相對于邊界的角度θw、相對于每個鄰居的距離dij、觀察鄰居的視角ψij和與鄰居的相對航向角φij。將這些狀態(tài)信息作為變量輸入到單體的交互模型中，在模型輸出與避障程序輸出的共同作用下，最終將新目標(biāo)位置分解為機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動信息，通過WiFi 發(fā)送給每個機(jī)器人。

Fig.3 Sensing and control variables between the robot relative environment and the robots圖3 機(jī)器人相對環(huán)境與機(jī)器人之間的傳感和控制變量

機(jī)器人控制形式屬于硬件回路仿真，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。仿真回路包含3 個部分，分別為用于檢測本地環(huán)境的頂部攝像頭傳感器、用于計算決策的處理器和用于執(zhí)行決策的執(zhí)行器。雖然機(jī)器人可以完全獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與處理，但編程是一項費(fèi)時的操作，每個實(shí)驗(yàn)條件都要重新編寫、編譯和燒錄。經(jīng)過分析，本文決定使用外部計算機(jī)為每個機(jī)器人進(jìn)行分布式?jīng)Q策計算，模擬ITS 系統(tǒng)的自治性與分布式控制條件。硬件回路仿真將機(jī)器人硬件集成到計算機(jī)軟件中，不同于傳統(tǒng)的軟件仿真，硬件回路仿真集成了硬件約束，可以提供更加真實(shí)的仿真效果。

Fig.4 Hardware loop simulation圖4 硬件回路仿真

2 微型集群機(jī)器人設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖5 所示，尺寸為長40mm×寬40mm ×高66mm。電機(jī)?無級調(diào)速，機(jī)身配備WiFi 收發(fā)裝置⑧，可通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議獲取服務(wù)器上的位置信息、運(yùn)行腳本，也可上傳自身狀態(tài)。機(jī)器人裝載兩臺微控制器，一臺32 位ARM 微控制器位于中間電路板?，用于運(yùn)行自動駕駛車輛控制策略；另一臺8 位微控制器位于上電路板①，用于執(zhí)行紅外雷達(dá)②、③的近程通訊協(xié)議，該協(xié)議已獲得國家發(fā)明專利［13］，能夠在160mm 范圍內(nèi)與其他微型機(jī)器人同時進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊與相對定位，通過該裝置可模擬車車通訊以及車載雷達(dá)。機(jī)器人底部裝有無線充電接收線圈?，通過鋰電池充電管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)同時工作與充電，從而保證了智能體的不間斷實(shí)驗(yàn)。上電路板①上側(cè)焊接有1 個3 色LED 燈?，用于顯示機(jī)器人的狀態(tài)。液晶顯示器?用于具體參數(shù)顯示，3 軸磁傳感器?用于姿態(tài)測量，中間電路板?上側(cè)為大容量3.7V 方形聚合物鋰離子電池?，電池上方粘有一球面反光鏡⑤，用于增強(qiáng)紅外通訊距離。上電路板①與中間電路板?之間采用4 根銅棒④進(jìn)行電路連接，分別為電源正極、電源地、串行發(fā)送和串行接收，該串行通訊可使主控ARM 芯片與上電路板的傳感控制8 位微控制芯片進(jìn)行通訊連接。

Fig.5 Micro-robot structure圖5 微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2.2 特色功能設(shè)計

用于ITS 實(shí)驗(yàn)的微型機(jī)器人數(shù)量龐大，采用人工充電與人工燒寫實(shí)驗(yàn)程序的方式維護(hù)成本高昂。針對此問題，本文在機(jī)器人上配備大容量聚合物鋰電池。為使機(jī)器人能正常連續(xù)工作8h，還安裝了大功率無線充電電路，使其在短時間內(nèi)充滿電力。設(shè)計WiFi 收發(fā)程序，使用無線網(wǎng)絡(luò)通訊的方式批量更新底層所有機(jī)器人的程序，以提高實(shí)驗(yàn)效率。

機(jī)器人上電路板①下方正中焊接有一個紅外發(fā)射管③和對稱放置的2 枚紅外接收管②，上電路板①的8 位微控制器通過調(diào)制紅外信號向外發(fā)送機(jī)器人的身份信息，調(diào)制紅外光經(jīng)過球面反光鏡⑤反射，被其他機(jī)器人的兩側(cè)紅外接收管②所接收。接收機(jī)器人的8 位控制器解調(diào)信號能獲取源機(jī)器人的身份信息，同時該控制器還可分別測量兩側(cè)接收管的信號強(qiáng)度，由此推算信號源相對于兩側(cè)傳感器的距離，利用三角測量法［14］反算出信號源的方位與距離。該技術(shù)可低成本地實(shí)現(xiàn)可靠的車輛間短距離通信，又同時仿真了車載雷達(dá)［13］。

2.3 程序設(shè)計

微型集群機(jī)器人常用的處理器包括單片機(jī)、DSP、ARM等。每種控制器都有其獨(dú)有特點(diǎn)，其中單片機(jī)價格低廉，適用于批量生產(chǎn)，但性能偏低；DSP 計算高速，但更適用于專業(yè)的數(shù)字信號處理；ARM 芯片可以承載操作系統(tǒng)，適合多任務(wù)、并發(fā)運(yùn)行。通過反復(fù)衡量性能、成本、功耗等因素，微型機(jī)器人最終選定ARM 系列芯片，程序框架如圖6所示。ARM 芯片的程序外層是一個BootLoader 外殼，其在腳本運(yùn)行前初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間映射，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境配置到一個合適的狀態(tài)，為最終運(yùn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)_本程序作好準(zhǔn)備。

Fig.6 Micro-robot programming framework圖6 微型機(jī)器人程序框架

實(shí)驗(yàn)?zāi)_本程序包括協(xié)同腳本、導(dǎo)航腳本、生存腳本3 個部分。機(jī)器人的協(xié)同程序稱為協(xié)同腳本，用于實(shí)驗(yàn)機(jī)器人之間的安全交互與協(xié)同運(yùn)動。該腳本可以通過紅外協(xié)議和WiFi 通道與周圍仿真車輛（機(jī)器人）共享信息，協(xié)商實(shí)現(xiàn)智能車隊的協(xié)同控制。機(jī)器人的導(dǎo)航程序稱為導(dǎo)航腳本，可使用運(yùn)輸路徑最優(yōu)選擇模型［15］規(guī)劃自動駕駛車輛從初始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑。機(jī)器人的運(yùn)動控制程序稱為生存腳本，其使用PID 控制器實(shí)現(xiàn)對模擬無人駕駛汽車的行駛控制［16］，負(fù)責(zé)機(jī)器人的安全移動。生存腳本聽從導(dǎo)航腳本與協(xié)同腳本的命令，根據(jù)WiFi 廣播的機(jī)器人位置與MP9250 姿態(tài)傳感器測量的朝向，使用卡爾曼濾波器［17］計算出機(jī)器人車輪的加減速與轉(zhuǎn)向控制?？梢愿鶕?jù)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康拈_發(fā)腳本，更換機(jī)器人運(yùn)行策略，輔助教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)不同的智能交通協(xié)同策略。ITS 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)自動駕駛車輛的巡航、跟隨、換道，以及自動駕駛車隊的組合與拆分等任務(wù)，因此協(xié)同腳本與生存腳本的算法實(shí)驗(yàn)是其教學(xué)重點(diǎn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)與測試

微型機(jī)器人樣機(jī)如圖2 所示。機(jī)器人底部使用2 盎司銅印刷電路板繪制的充電線圈，與銅線圈相比，其成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、易于批量生產(chǎn)。機(jī)器人電路可使用表面帖裝技術(shù)（SMT）在工廠中批量制造，手動組裝一臺機(jī)器人僅需約10min，批量生產(chǎn)十分便捷。無線充電發(fā)射電路線圈采用印刷電路板形式，可方便地粘貼在實(shí)驗(yàn)平臺底面，使機(jī)器人邊運(yùn)行邊充電。

對該機(jī)器人的性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)其在滿電狀態(tài)下可連續(xù)中速移動超過10h，2h 內(nèi)即可快速充電完畢。兩個機(jī)器人之間在白色桌面上可實(shí)現(xiàn)160mm 范圍的有效通訊定位，角度定位精度為±3°，距離定位精度為±5mm，多機(jī)器人紅外通訊可通過協(xié)議［10］控制而互不影響。WiFi 通訊程序下載速度可達(dá)200kb/s。

實(shí)驗(yàn)程序腳本使用標(biāo)準(zhǔn)C 語言，采用KEIL C 編譯工具開發(fā)腳本HEX 文件［18］。學(xué)生由于有先修課的基礎(chǔ)，平臺腳本編程掌握迅速，實(shí)驗(yàn)效果較好。運(yùn)行數(shù)據(jù)可使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行分析，為后續(xù)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘課程提供了大數(shù)據(jù)支撐。

通過對試制樣機(jī)的仿真測試可知，本文機(jī)器人符合以下條件：①微型化，保證了在有限實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)形成規(guī)模效應(yīng)；②低成本，可降低大規(guī)模機(jī)器人制造費(fèi)用；③簡維護(hù)，便于大規(guī)模機(jī)器人充電、燒寫程序等；④易制造，保證大規(guī)模機(jī)器人的快速生產(chǎn)。樣機(jī)指標(biāo)符合設(shè)計預(yù)期，且制造方便、成本低廉、維護(hù)簡單。

3 智能交通系統(tǒng)架構(gòu)

ITS 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括微型機(jī)器人集群、服務(wù)器系統(tǒng)以及客戶機(jī)3 個部分，具體如圖7 所示。

Fig.7 Architecture of ITS laboratory protocol system圖7 ITS 實(shí)驗(yàn)室方案系統(tǒng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接入局域網(wǎng)中的系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器，在該服務(wù)器中運(yùn)行圖像處理算法［19］，用于定位圖2 環(huán)境中各機(jī)器人的位置，并開放API 接口，通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)向微型機(jī)器人單體提供實(shí)時定位服務(wù)。與此同時，該服務(wù)器還將定位數(shù)據(jù)通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)存儲于數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，用于實(shí)驗(yàn)完成后對整體交通狀況進(jìn)行分析。投影儀連接系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器，用于向無線充電平臺投影交通信號，例如路口交通信號燈、禁止通行標(biāo)志等，該環(huán)境信息也將一并存儲于數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器中，用于實(shí)驗(yàn)后分析。機(jī)器人的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，如機(jī)器人身份信息、機(jī)器人動力學(xué)數(shù)據(jù)、機(jī)器人傳感數(shù)據(jù)等也可通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。

內(nèi)網(wǎng)客戶機(jī)可直接訪問數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以進(jìn)行本地顯示或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)分析，也可編寫腳本上傳至應(yīng)用服務(wù)器。這些腳本可下載至底層微型集群機(jī)器人中，腳本的版本控制信息存儲在數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器中。服務(wù)器數(shù)據(jù)也可上傳至公網(wǎng)云平臺，在云平臺上部署WEB 服務(wù)?？蛻魴C(jī)則可使用瀏覽器操控仿真平臺，監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺腳本以及運(yùn)行效果，還可根據(jù)云平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與預(yù)測分析［20］。

4 簡易智能車隊模擬實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為測試平臺仿真ITS 的有效性，初步驗(yàn)證智能車隊集群運(yùn)動的自組織控制性能，在如圖2 所示的圓形邊界軌道中，保持車隊靠近道路邊界而又不發(fā)生碰撞，進(jìn)行集群運(yùn)輸。在每個單體的決策時刻，觀測圖3 所示的鄰居與環(huán)境信息，機(jī)器人自主控制自身方向變化，并減速保持一定的安全距離。

在n+1 時刻，單體i的位置向量和朝向角可表示為如下離散決策模型：

決策長度需根據(jù)前進(jìn)方向上的車輛與環(huán)境距離適當(dāng)縮減，而決策時的航向角變化是環(huán)境與鄰居共同作用的結(jié)果，表示為：

式中，γw為邊界作用力強(qiáng)度，lw為邊界作用范圍。

鄰居影響單體轉(zhuǎn)向的模型δφij需要保證ITS 車隊的匯聚性，可將轉(zhuǎn)向模型分解為吸引與對齊兩個方面，其值取決于機(jī)器人之間的相對信息dij,ψij,Δφij，表示為：

式中，dij為兩智能體之間的距離，ψij為焦點(diǎn)智能體i觀察鄰居j的視角；Δφij=Δφj-Δφi，為機(jī)器人i與機(jī)器人j的相對航向角。

吸引力函數(shù)可以解析為：

式中，dAtt用于平衡短距離排斥作用與長距離吸引作用，避免過于凝聚導(dǎo)致的碰撞；γAtt為吸引作用力的強(qiáng)度，lAtt為引力影響的范圍。同樣可以假設(shè)對齊力函數(shù)為：

式中，dAli用以避免因?qū)R作用力而導(dǎo)致碰撞，γAli為對齊作用強(qiáng)度，lAli為對齊作用影響范圍。

仿真實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)如表1所示。

Table 1 Related parameters of robot simulation experiment表1 機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

Fig.8 Results of the ITS simulation圖8 ITS 仿真結(jié)果

對上述自組織控制過程進(jìn)行由5 個機(jī)器人組成的車隊模擬實(shí)驗(yàn)，獲取了ITS 仿真數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計了車隊集群運(yùn)行過程中，單體相對道路邊界以及車隊中心的距離分布情況，具體如圖8 所示。仿真數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計的實(shí)驗(yàn)室微型機(jī)器人平臺可以保持集群在靠近道路的位置上連續(xù)運(yùn)動，并保持車隊的匯聚性。

5 結(jié)論

本文使用自主研發(fā)的微型集群機(jī)器人替代自動交通運(yùn)輸系統(tǒng)，提出一種實(shí)驗(yàn)室級ITS 解決方案，有助于ITS 實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)化，為高校教學(xué)、科研提供了便捷實(shí)用的實(shí)驗(yàn)平臺，是教學(xué)改革的一次有益嘗試。本方案的不足之處在于：智能車隊實(shí)驗(yàn)針對的是初步模擬簡化的車隊交通，且集群機(jī)器人的設(shè)計只適用于在二維空間中探索，不適用于三維空間。后續(xù)會考慮改進(jìn)集群機(jī)器人的傳感機(jī)構(gòu)，使其能夠在三維空間中運(yùn)行，以便進(jìn)行更復(fù)雜的交通環(huán)境模擬。