基于慣性導航的LED道路照度自動測量裝置的研究

趙軼，胡國輝，楊翠，曹曉鋒

（重慶市計量質量檢測研究院，重慶 401123）

基于慣性導航的LED道路照度自動測量裝置的研究

趙軼，胡國輝，楊翠，曹曉鋒

（重慶市計量質量檢測研究院，重慶 401123）

LED照明具有節能、照度均勻度好、平均照度高、光衰小等優點，通過長期監測和分析LED道路照明的照度值對城市道路照明改造工程具有現實的指導意義。研究開發一種基于慣性導航技術實現自動定位測量道路LED照明照度自動測量裝置，能夠實現自動布點、自動測量等功能，能夠降低測量過程中的安全隱患和減小測量誤差。

LED照明；慣性導航；照度；自動測量裝置

隨著半導體發光二極管技術的成熟，LED道路照明燈具在近年來得到廣泛推廣應用，長期監測和分析LED道路照明的照度值對城市道路照明改造工程具有現實的指導意義。在人車共同參與的測量環境中，尤其是快速路、主干道等車流量大、車速較快的道路，即使逐條封閉車道，采用人工布點的方式進行照度測量始終存在著極大的安全隱患和照度均勻度測量誤差較大的問題。為了避免測量過程中的安全隱患和減小測量誤差，研究開發一種基于慣性導航技術實現自動定位測量道路LED照明照度自動測量裝置，在實際測量過程中具有良好的應用效果。

1 技術要求

道路照度測量自動行走小車作為道路照度自動測試裝置的載具，用于現場燈與路面組成區域各點照度值的測量。由于燈的橫向間距和縱向間距是現場進行測量的，所以要求自動行走小車的測量路徑可根據要求進行調整，即燈與燈的橫向間距可輸入，橫向間距等分數量可輸入；燈與燈縱向間距可輸入，縱向間距等分數量可輸入。另外，小車應具有行走偏差矯正功能，具有足夠的行走控制精度，定位精度偏差小于2cm，能夠滿足道路照度測試的要求。由此可見，自動行走小車對行走間距及行走方位角的控制有較高的精度要求。

由于道路照度測量的工作區域較小，而精度要求較高，GPS、北斗等導航定位技術不能滿足要求。慣性導航具有數據更新速度快、短期精度高、穩定性好，無需外接交互等優點而得到了廣泛的應用。因此，采用捷聯慣性導航結合編碼器、激光測距數據修正的方案從而實現自動行走小車的導航定位。

2 定位行走原理

慣性導航利用角速度得到實時更新的四元數值，通過實時更新的四元數值來計算旋轉矩陣，并通過旋轉矩陣解算出自動行走小車在現狀態下的姿態角Ⅰ。針對姿態角的累計誤差問題，利用加速度計和磁力計測量出的姿態角并經卡爾曼濾波后得到姿態角Ⅱ，并結合編碼器數據進行加權融合計算得出修正后的最優姿態角。利用比力方程完成加速度由載體坐標系到導航坐標系的換算，并對導航坐標系下的加速度兩次積分得到的位置信息L1與編碼器得到位置信息L2加權融合的到現狀態下的最優位置信息。針對慣性導航位置信息固有的誤差累計問題以及航向誤差，以及小車行走時振動、沖擊對導航定位的影響，通過在每個照度測試點利用激光測距的方法進行修正。

圖1為姿態角Ⅰ的計算過程，姿態角Ⅰ通過四元數計算旋轉矩陣得到。四元數算法中涉及到兩個坐標系，載體坐標系和導航坐標系。四元數算法能夠快速地實現載體坐標系到導航坐標系的坐標轉換。先用迭代算法更新四元數的值并對其進行歸一化處理，再通過歸一化后四元數計算出旋轉矩陣，從旋轉矩陣的三角表達式中即可解算出姿態角Ⅰ。利用加速度計和磁力計測量出的姿態角并經卡爾曼濾波后得到姿態角Ⅱ，如圖2所示。

微控制器結合編碼器數據進行加權融合計算得出修正后的最優姿態角，如圖3所示；利用比力方程完成加速度由載體坐標系到導航坐標系的換算，并對導航坐標系下的加速度兩次積分得到的位置信息L1與編碼器得到位置信息L2加權融合的到現狀態下的最優位置信息；再通過最優位置信息實現對照度測試點的定位；所述激光壁障模塊會在每個照度測試點利用激光測距的方法針對慣性導航位置信息固有的誤差累計問題以及航向誤差，以及小車行走時振動、沖擊對導航定位的影響，通過在每個照度測試點利用激光測距的方法進行修正，如圖4所示。

圖1 姿態角Ⅰ計算

圖2 姿態角Ⅱ的計算

圖3 最優姿態角計算

圖4 最優位置信息計算及修正

圖5 自動行走小車系統結構圖

3 系統的組成與工作原理

自動行走小車的系統結構如圖5所示。包括STM32F103VCT6微控制器、MPU6050陀螺加速度計模塊、HMC5983三軸數字羅盤模塊、激光修正模塊、直流電機驅動模塊、左/右直流電機、左/右編碼器、超聲波避障模塊和藍牙通訊模塊組成。左/右直流電機與左/右編碼器共軸安裝，通過左/右編碼器可以得到左/右直流電機的轉速，在已知車輪周長的條件下，可以得到自動行走小車的行駛距離；藍牙通訊模塊用于實現自動行走小車與手持主機的通信，通過手持主機可以實現自動行走小車參數的設置以及行走的控制。

STM32F103VCT6微控制器是自動行走小車的控制核心，用于實現慣性導航算法和定位算法，以及導航定位誤差修正、直流電機轉速的控制、超聲波避障控制，并通過藍牙通訊模塊實現與手持主機的數據通信。MPU6050模塊用于測量三軸加速度和三軸角速度，HMC5983模塊由于測量三軸磁力計數據。STM32 F103VCT6微控制器利用角速度得到實時更新的四元數值，計算出旋轉矩陣，并通過旋轉矩陣解算出自動行走小車在現狀態下的姿態角Ⅰ；利用加速度計和磁力計測量出的姿態角并經卡爾曼濾波后得到姿態角Ⅱ。并結合編碼器數據進行加權融合計算得出修正后的最優姿態角；利用比力方程完成加速度由載體坐標系到導航坐標系的換算，并對導航坐標系下的加速度兩次積分得到的位置信息L1與編碼器得到位置信息L2加權融合的到現狀態下的最優位置信息；通過最優位置信息實現對照度測試點的定位；在每個照度測試點利用激光測距的方法對位置信息數據和航向數據進行修正，從而消除積累誤差的影響。

4 結語

LED道路照明在道路路面上照度水平是決定道路照明質量的一個重要指標，對新建、改建或運行中的LED道路照明設施有必要進行照度測量。而傳統的測量方法是人工的進行拉線、劃線進行相應的測量，該方式存在著效率低、成本高而且對人身安全有著一定的潛在威脅等不足。因此，研究并運用照度自動測量裝置進行測量具有著重要的現實意義。通過研究并采用捷聯慣性導航結合編碼器、激光測距數據修正的方案可以實現自動測量裝置的導航定位，從而取代傳統的人工布點測試以及車道封閉測試模式，提高了測量的安全性和效率，避免安全隱患的出現，也不會對交通產生較大的影響。

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TM923.34

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1671-0711（2017）04（下）-0057-02