基于车载自组网络模式的小车互联应用开发项目组开题报告.docx
《基于车载自组网络模式的小车互联应用开发项目组开题报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于车载自组网络模式的小车互联应用开发项目组开题报告.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于车载自组网络模式的小车互联应用开发项目组开题报告
中国科学技术大学软件学院
软件工程实验项目环节
开题报告
项目名称：
基于车载自组网络模式的小
车互联应用开发
成员名单：
鲁范旗张儒瑞庞仁学陈强
导师：
孟宁
工程领域：
软件工程
研究方向：
嵌入式系统设计
开题时间：
2010-10-25
中国科学技术大学软件学院
填表日期：
2010年11月25日
一、简况
名称
中文
基于车载自组网络模式的小车互联应用开发
英文
ApplicationdevelopmentofcarinterconnectedbasedonAdHocNetworkModel
项目组成员名单
姓名
学号
项目中的分工
签章
鲁范旗
SA10225480
驱动及应用程序编写
鲁范旗
张儒瑞
SA10225459
视频采集及无线传输
张儒瑞
庞仁学
SG10225006
硬件设计及相关驱动
庞仁学
陈强
SG10225036
视频采集及无线传输
陈强
中英文摘要
摘要
本课题对智能小车的硬件系统、车载自组网络以及多传感器数据融合等相关技术进行了研究，设计实现了一种基于车载自组网络模式的智能小车的运动控制系统。
该智能小车以ARM9处理器为核心，以嵌入式ARM-Linux操作系统，包括嵌入式系统模块、视频采集传输模块、电机控制模块和自组网模块四个功能模块的设计，并根据硬件平台及嵌入式的软件设计的特点，设计图像采集程序，控制软件。
本课题最终实现小车间及小车与PC的控制信息、视频及警告类消息的传送。
Abstract
Throughthestudyofhardwaresystemofthesmartcar,vehicleadhocnetworksandmulti-sensordatafusiontechnologyandotherrelatedtechnology,wedesignasmartcar'smotioncontrolsystemwhichbasedonadhocnetworkmodelinthisproject.
ThissmartcarusesARM9processerascoreandembeddedARM-Linuxasoperatingsystem,includingfourfunctionmodules'design:
embeddedsystemmodule,Videoinformationcollectionandwirelesstransmissionmodule,motorcontrolmoduleandvehicleadhocnetworksmodule,andaccordingtothecharacteristicsofthehardwareplatformandembeddedsoftware,wedesignimageacquisitionprogramandcontrolsoftware.
Wefinallyrealizethesystemwhichcantransmitcontrolcommand,videmessageandwarningsignalbetweencarandcarorcarandPC.
主题词
主题词数量不多于三个，主题词之间空一格（英文用“/”分隔）
中文
自组网络智能小车ARM9
英文
AdHocNetwork/IntelligentVehicle/ARM9
二、选题依据
1．阐述该选题的研究意义，或工程设计的价值和意义，国内外概况和发展趋势，选题的先进性和实用性，技术难度及工作量。
（1）课题研究背景及国内外概况和发展趋势
“robot”一词源自捷克语“robota”，意谓“强迫劳动”。
1920年捷克斯洛伐克作家萨佩克写了一个名为《洛桑万能机器人公司》的剧本，他把在洛桑万能机器人公司生产劳动的那些家伙取名“Robot”，汉语音译为“罗伯特”，捷克语意为“奴隶”——萨佩克把机器人的地位确定为只管埋头干活、任由人类压榨的奴隶，他们存在的价值只是服务于人类。
他们没有思维能力，不能思考，只是类似人的机器，以便使人摆脱劳动。
1946年，美国的德沃尔发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。
1954年，德沃尔又获得可编程机器手专利，这种机器手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性。
1959年，大学攻读伺服理论的英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人，这种机器人外形有点像炮塔，基座上有一个大机械臂，大臂可以绕轴在基座上转动，大臂上又伸出一个小机器臂，它相对大臂可以伸出或缩回。
小臂顶有一个腕子，可绕小臂转动，进行抚养和侧摇。
腕子前头是手，即操作器。
这个机器人的功能和人的手臂的功能相似，这是世界上第一台真正的实用工业机器人。
到目前为止,机器人技术的发展过程大致可以分为以下3个阶段：
第一代为可编程示教再现型机器人，其特征是机器人能够按照事先教给它们的程序进行重复工作。
1959年美国人英格伯格和德沃尔制造的世界上第一台工业机器人就属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用示教控制盒发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作；
第二代机器人（20世纪70年代）是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，其特征是可以根据作业对象的状况改变作业内容，即所谓的“知觉判断机器人”；
第三代机器人（20世纪80年代中期以后）是智能机器人，这种机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。
而对于机器人领域的一个分支——移动机器人，它的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的NitsNilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年间研制出了名为Shake的自主移动机器人。
进入20世纪80年代以后，人们的研究方向逐渐转移到了面向实际应用的室内移动机器人的研究，并逐步形成了自主式移动机器人AMR（IndoorAutonomousMobileRobot）概念。
美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了地面天人作战平台的战略计划。
从此在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆（ALV）计划（1983—1990），能源部制订的为期10年的机器人和智能系统计划（RIPS）（1986—1995），以及后来的空间机器人计划：
日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划：
欧洲尤里卡中的机器人计划等。
初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。
虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验。
同时，也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。
在国内，从“七五”开始，我国的移动机器人研究开始起步，经过多年来的发展，己经取得了一定的成绩。
清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。
涉及到五个方面的关键技术：
基于地图的全局路径规划技术研究（准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划）；基于传感器信息的局部路径规划技术研究（基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制）；路径规划的仿真技术研究（基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟）；传感技术、信息融合技术研究（差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术信息融合技术）；智能移动机器人的设计和实现（智能移动机器人THMR—111的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统）。
香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。
中国科学院沈阳自动化研究所的AGV和防爆机器人。
中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。
哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等等。
但是，在国内并没有哪个大学或组织侧重于研究智能移动机器人间的通信。
尤其在汽车行业越来越智能化的今天，把我们已有的导航机器人、视觉导航系统等等，通过无线自组网应用到汽车通信领域显得尤为重要。
开发这样一种网络就需要Ad-Hoc技术和当今国际研究热点——802.11p协议。
Ad-Hoc的英文原意是“特别的、特定的”，Ad-Hoc网络是建立在特定场合的无线网络，由路由器Router和主机Host组成，这些节点可以任意移动位置，因此网络的拓扑结构是任意而不可预测的。
Ad-Hoc网络的应用场合非常广泛，早期应用于军队、警察、救护等系统中，这些场合情况紧急，时常伴有灾难和危险。
1972年，美国DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectAgency）就启动了分组无线（PRNET,PacketRadioNETwork）项目，研究分组无线网在战场环下数据通信中的应用。
项目完成之后，DAPRA又在1993年启动了高存性自适应网络（SURAN,SurvivableAdaptiveNetwork）项目，研究如何将PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。
1994年DARPA又启动了全球移动信息系统（GloMo,GlobleMobileInformationSystems）项目。
在分组无线网已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速铺设、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。
早前提出的移动自组织网络（MANET）是一种自治的网络，移动节点可以在飞机、船舶上，也可在卡车、小汽车上。
从这一意义上来说，车载自组织网络（VANET）完全可以看作是移动自组织网络MANET的一个重要分支。
车辆自组网与传统无线通信系统相比较，具有车辆高速行驶、信道快速衰落、多普勒效应严重、网络拓扑变化快等特征，这些也都是当前无线移动通信面临的主要难题。
把Ad-Hoc技术和移动自组网的概念应用到汽车通信领域成为一种趋势，车载环境无线接入（WAVE）被视为下一代专用短距通信（DSRC）技术，能够提供高速的车到车（V2V）和车到中心台（V2I）数据传输，主要可以用于智能交通系统（ITS），车辆安全服务以及车上因特网接入。
WAVE系统工作于5.850～5.925GHz，采用OFDM传输技术，能够达到3～27Mbit/s的信息传输速率。
在WAVE系统中，一个路侧单元（RSU）可以覆盖方圆1000英尺。
WAVE系统就是基于IEEE802.11p协议，此系统就能克服以往车载自组网络具有车辆高速行驶、信道快速衰落、多普勒效应严重、网络拓扑变化快等特征。
（2）设计目的及工程设计的价值和意义
1994年，美国的一个机器人丹蒂（Dante）探索了南极洲的埃力柏斯火山口,这无疑是智能机器人最新技术的示范。
该探险行动实际上是由相互协作的两个机器人来执行的。
其中一个是善于爬坡的运输机器人，把丹蒂从营地送到火山口边缘，然后丹蒂用攀登绳索下去取样。
虽然该项行动遇到故障，但是人们普遍承认该机器人系统是成功的。
事实上,这是代表当前智能机器人最高水平的自主式移动机器人（AMR）系列中的一个。
自主式移动机器人，它要求在野外非结构化环境中自主地执行一系列任务，例如侦察、探险、搬运等等。
环境变化的不确定性意味着机器人必须有良好的环境感知、行动规划与决策、灵巧的机动控制等功能。
涉及的技术领域包括机器视觉、多传感融合、全局与局部控制、学习与决策,以及机械构造、运动学与动力学控制等。
我们研究设计的智能小车，不仅可以用于野外探险，还可用于楼宇、仓库等一般场合，以及用于、矿井、防爆、毒气泄漏等恶劣环境。
智能小车上实现了实时视频采集及无线传输，可以方便的实现对目标环境的远程监控，在安防、交通、智能楼宇等领域有很好的应用前景。
对于汽车行业飞速发展的今天，拥有私家车的人群越来越多，而避免交通事故显得尤为重要，我们研究的小车相互之间可以自动传送警告信息，减小了交通事故的发生率；采用的通信协议—802.11p也是国际上的研究热点。
下图为探险者利用智能小车探路的模型化表示：
图1智能车在探险中应用的模型化表示
2．参考文献。
[1]王志文，郭戈.移动机器人导航技术现状与展望[J].
[2]宋伟刚.机器人学——运动学、动力学与控制[M].北京：
科学出版社，2007.
[3]吕恬生，刘文焕.机器人趣谈[M].四川科学技术出版社，1999.
[4]蔡自兴.机器人原理及应用[M].长沙：
中南工业大学出版社，2000.
[5]王耀南.机器人智能控制工程[M].北京：
科学出版社，2004.
[6]熊有伦，唐立新，丁汉，刘恩沧.机器人技术基础[M].武汉：
华中科技大学出版社，1996.
[7]蔡自兴.机器人学[M].北京：
清华大学出版社，2004.
[8]周远清，张再兴等.智能机器人系统[M].北京：
清华大学出版社，1989.
[9]孙昌安.用连杆组合的拟人双足步行机的设计与动态步行控制[J].机械科学与技术，1995，54
（2）：
37~44.
[10]王敏等.基于传感器和模糊规则的机器人在动态障碍环境中的智能运动控制[J].控制理论与应用，2000，6：
819~825.
[11]王沫楠等.步行机器人控制方案及单足控制实验研究[J].林业机械与木工设备，2003，5：
10~14.
[12]包明等.基于FPGA的搬运机器人的控制系统[J].集成电路应用，2005，12：
59~61.
[13]张汝波等.基于强化学习的智能机器人避碰方法研究[J].机器人，1999.
三、课题内容及具体方案
1．课题内容
项目名称：
基于车载自组网络模式的小车互联应用开发
项目描述：
在实现小车的基础功能上，开发小车间的联网协作。
需要实现的主要功能包括：
（1）控制信息的传送，例如通过后面的小车将前进、后退等控制信息传到前面的小车；
（2）视频等数据信息的传送；（3）警告类消息的传送，例如前面的小车碰到障碍物停止，将信息传送到后面的小车。
2．系统需求分析
通过我们组员深入的理解分析，对项目的设计要求做了详细系统的分析，对项目的功能分析如下：
基本功能：
（1）PC通过Ad-Hoc网络向小车发送控制命令到小车的控制中心（ARM9开发板），控制中心把控制命令传给单片机，单片机控制步进电机，从而控制小车的转向和速度；
（2）小车在行走的过程中，能够实现自动避障，通过超声波传感器，把障碍物信息传给单片机，单片机控制电机，使小车停止行走或倒退；
（3）前方小车遇到障碍物时，完成避障的同时，单片机把障碍物信息传给控制中心，控制中心通过Ad-Hoc网络传给PC和另一辆小车，实现预警功能；
（4）小车上的视频采集系统，把采集到的路况信息传给控制中心，经过一定的视频压缩处理后，控制中心通过Ad-Hoc网络把路况信息传给PC；PC端解压后，可以根据路况信息控制小车的动作；
（5）在PC上集成了控制软件，并通过可视化窗口，能够观察采集回来的视频信息，从而可以控制小车的动作。
扩展功能：
（1）在小车实现自动避障的基础上，小车能够以最佳路线绕过障碍物，并能防止滑落；最终实现在一定环境下（包括障碍物和滑坡）两辆小车可以在一定的速度范围内无差错行走；
（2）在小车上实现无线定位系统，PC上可以看到小车在整个地图中的位置信息，并能根据小车的移动，做出相应的更新；
（3）小车通过图像处理技术完全自主行驶，能识别和测量周围的物体，理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力。
3．系统概要设计
本系统采用以ARM9为核心，增添其他外围功能模块，如电源模块、超声波探测模块、显示模块、电机驱动模块、无线WiFi收发模块等，设计实现一款具有人车交互的多功能自组网络模式的智能小车。
整体方案设计
多功能智能小车主要由硬件系统和软件系统构成。
硬件系统主要包括：
嵌入式微处理器、数据存储器、外围接口、步进电机、小车车体以及电源等外围电路，其中嵌入式微处理器是整个硬件系统的核心；软件包括：
嵌入式操作系统、外设驱动程序及应用软件等。
下图为基于802.11p协议的车载自组网在高速公路上的系统概要设计：
图1802.11p的车载自组网系统概要设计
小车系统的工作流程为：
车载传感器模块实时采集周围环境信息，将此数据信息传输到嵌入式系统中，嵌入式微处理器通过数据分析获取有效数据，从而获知小车与障碍物的相对位置，然后根据此位置信息产生控制信号，并将此信号通过接口发给单片机，单片机会产生PWM信号控制步进电机来控制小车转向，从而达到小车自主“行走”的目的。
其工作流程如图2所示
图2工作流程
根据当前步进电机控制技术，目前比较成熟的单片机对步进电机的控制有串行和并行控制方式。
两种控制系统各有利弊，处于简化系统结构的考虑，本设计拟采用穿行控制方式，此方式下单片机控制系统与步进电机驱动器之间只有两条控制线。
一条发出时钟脉冲信号开控制步进电机的转速；另一条发出转向信号控制步进电机的转向。
控制系统按速度控制的要求从时钟脉冲控制线发出相应的控制脉冲即可对步进电机的转速进行控制。
当需要恒速运行时，就发出恒定频率的控制脉冲；当需要加速运行时，就发出频率递增的控制脉冲；同理，发出频率递减的脉冲可以控制减速；当需要锁定状态时，只需要停止发脉冲并通入直流电就可以了。
因此，可以方便地对步进电机的转速进行控制。
转向控制线可以实现对步进电机转向的控制，当输出高电平“1”时，环形分配器按正向进行脉冲分配，步进电机正向转向；当输出低电平“0”时，环形分配器按反向进行脉冲分配，步进电机反向旋转。
根据串行控制步进电机反馈系统的基本框架，设计出智能小车“行走”控制系统方框图（如图3）。
图3控制系统方框图
如图3所示，小车“行走”系统是一个以传感器信号为检测量和反馈量的闭环控制系统，其核心环节为数据分析和反馈控制器，它们性能的好坏将直接关系到系统的优劣，这也是设计的关键所在。
嵌入式硬件平台选型
介于目前市场上已有比较成熟的嵌入式开发板硬件解决方案，为缩短设计周期，降低不必要的设计难度，采用目前比较成熟的嵌入式开发板来实现。
选择开发板首要的就是需要选定合适的嵌入式微处理器。
嵌入式微处理器是整个硬件系统的核心部件。
由于本系统要实现视频的实时采集与传输，故要进行处理数据量巨大的视频图像，因此对处理器的要求比较高。
在目前种类繁多的处理器架构中，基于ARM（AdvanceRICSMachines）架构的嵌入式微处理器不仅功能强大，而且有着良好的技术支持和极高的市场占有率。
ARM微处理器目前包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Xscale、StrongARM和ARM11几个系列。
在综合考虑处理器的处理能力、系统开发的技术支持以及成本等因素，决定采用三星公司的基于ARM9架构微处理器ARM9。
ARM9微处理器不仅具有强大的数据处理能力，能兼容目前大多数常用外设，而且有相当理想的技术支持，选用此款处理器能较好的满足系统视频采集传输的要求，并降低了系统开发的难度，缩短了开发周期。
选定了微处理器为ARM9之后，再综合考虑存储器容量的大小、对外设的支持、尺寸和成本等因素。
嵌入式操作系统选择
嵌入式操作系统（EmbeddedOperationSystem）是支持嵌入式系统应用的系统软件，为嵌入式系统的应用程序提供平台，是嵌入式系统的重要组成部分。
它通常包括以下构件：
与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器Browers等。
嵌入式操作系统种类很多，通常它们都具有这样一些功能：
内存管理、进程调度、文件系统、进程间通信机制等。
对嵌入式系统而言，这些功能足以支撑所需要实现的复杂任务。
与普通操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面有突出的特点。
目前，嵌入式操作系统已达数百种之多，较为流行的主要有：
WindowsCE、PalmOS、Vxworks、Uc/os、Linux等。
从对外设的支持和经济性考虑，在智能小车系统中采用Linux嵌入式操作系统中的一种：
ARM-Linux操作系统。
ARM-Linux是将Linux操作系统经过小型化剪彩后，并加入对ARM处理器的支持的操作系统。
选定ARM-Linux嵌入式操作系统为本系统的设计带来了许多便利：
系统稳定、可靠、安全，并具有良好的实时性；
完全免费，且源代码公开；
操作系统移植相对简单，开发难度小；
对目前常用硬件有良好的支持；
应用广泛，有大量的源程序代码可供参考，降低了开发难度；
硬件系统设计
在完成智能小车的整体方案设计后，为搭建系统运行的平台，首要解决的问题是硬件系统的设计。
硬件系统的设计包括整体设计和相应硬件模块的设计，其中智能小车控制主板是设计的重点和难点。
根据小车的工作环境，采用四轮移动平台，其架构简单、稳定性好，且控制简单，每运动单位距离所消耗的能量较小，通常比履带式和步进式平台运动速度要快。
小车采用四轮平台，后两轮为驱动轮，驱动小车前进，前两轮轮为转向轮，负责小车转向。
这种结构的小车也被成为汽车式结构移动小车。
本系统的硬件结构如图4、5所示。
1、
LCD
2、启动开关
3、单片机电路板
4、控制主板
5、摄像头模块
图4小车侧面结构示意图
1、驱动轮
2、电机电池
3、驱动电机
4、蓄电池
5-6、转向轮和舵机
图5小车底部结构示意图
图4、5中需要说明的是：
摄像头通过GPIO口和开发板相连接；电机电池用来给两个电机供电，蓄电池给控制主板和单片机电路板供电；后轮由步进电机驱动，可进行调速；前轮为转向轮，由舵机驱动，其输出为扭矩，可使得前轮转向。
智能小车控制系统的结构方框图如图6所示。
ARM9内核处理器
图6主控系统结构方框图
各个硬件的功能说明如下：
ARM9内核处理器为硬件系统核心，板上集成了64MB的Flash和64MB的SDRAM以及相应的外设接口，负责数据处理；传感器模块采集周围环境信息，然后通过采集接口将数据传输给微处理器；单片机电路板和ARM9内核处理器板载RS232接口相连，产生并发送PWM信号给驱动电路，驱动电路负责转向和驱动电机的驱动；上位机PC通过RS232、JTAG、以太网接口与ARM9内核处理器相连，主要完成软件系统移植和调试功能。
为使硬件设计条理化，很据功能的不同，把智能车硬件系统分为4各模块：
嵌入式模块、视频采集模块、电机驱动模块、车载电源模块。
嵌入式模块主要由ARM9内核处理器核心板构成；图像采集模块主要有CMOS摄像头构成；电机驱动模块主要由CPLD电路板、驱动电路构成；电源模块主要由蓄电池、电压转换电路构成。
软件系统设计
智能小车的嵌入式系统软件设计和一般计算机软件在开发环境、功能实现上有许多不同，其设计时必须与硬件设计协同。
软
升级会员 