地面GPS自主導航車的設計

齊建家++王騰飛

摘要：設計了一種自主導航車，以OpenWrt嵌入式Linux系統作為導航車的控制核心，包含電源模塊、電機驅動電路、GPS模塊，超聲波測距模塊及相應軟件設計方案。通過GPS模塊確定位置信息，結合超聲波測距檢測路面狀況，處理器內部程序控制直流電機的轉速以及轉向和伺服電機進行導航車行進方向控制，從而使小車能夠沿著規劃軌跡自動行駛，實現小車自主導航的目的。試驗結果表明，整個系統的電路結構簡單，可靠性高，程序運行穩定，實現了預期的自主導航功能。

Abstract： The paper designs an autonomous navigation vehicle based on OpenWrt used embedded Linux control system as the core of the car navigation， including power module， motor drive circuit， GPS module， ultrasonic ranging module and the corresponding software design. It determines the location information through the GPS module， combined with ultrasonic detection of pavement condition， internal processor program controls DC motor speed and steering， vehicle navigation control and direction of the servo motor， so that the car can achieve automatic driving along the trajectory planning， car navigation purposes. The test results show that the whole system has simple circuit structure， high reliability， stable program operation， and achieved the desired autonomous navigation function.

關鍵詞：自主導航；智能車；GPS定位；OpenWrt

Key words： autonomous navigation；intelligent vehicle；GPS positioning；OpenWrt

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0139-02

0 引言

GPS自動導航小車作為移動機器人的一種，搭配上各種車載傳感器，感知周圍的環境，小車通過獲取GPS衛星定位接收模塊和電子羅盤發出的數據，規劃小車的行駛路徑，同時系統自動多次校正行駛方向與行駛距離。系統成本低而精度高。

GPS地面自主導航車的組成單片機控制是一個實現現代工業自動化的典型系統，它主要由運動機構、控制部分、信息處理部分及輔助部分四大部分組成，其中控制部分是整個車導航過程的核心，常被稱為其運動的心臟。其主要根據上位機傳遞過去的一系列經緯度信息，通過GPS衛星定位模塊實時獲取當前位置信息，并根據目標位置信息實時調整應該行進的方向和速度，同時使用超聲波距離傳感器探測前方的障礙物，并及時避過，控制器輸出PWM信號控制直流電機和舵機從而控制了導航車的行進速度和方向。

1 導航車硬件設計

導航車以RT3052為控制核心，硬件包括電源管理模塊、電機驅動模塊、GPS導航模塊、舵機轉向模塊、超聲波障礙檢測模塊、GPRS通信模塊、上位機控制軟件和手機端遙控軟件，其中上位機控制軟件使用C#編寫，與控制核心通過中間服務器（有公網IP地址）中轉通信。導航車總體框圖如圖1所示。

智能車采用RT3052作為系統的控制核心，它負責各個模塊之間的相互協調工作，接收來自GPS衛星定位模塊獲取到的位置信息，電子指南針的信息和三軸加速度傳感器的信息，采用慣性導航算法對這些信息進行處理，形成合適的控制量，對轉向/動力電機進行控制，保證導航車能安全有效地到達目標點。同時在行駛的過程中還通過UDP協議把運行過程中的關鍵信息發送到上位機軟件，由上位機軟件進行監視和控制。

電源管理模塊：導航車通過一個2S鎳氫電池給直流電機和轉向舵機供電，同時鎳氫電池經過穩壓慮波電路給控制核心板各個傳感器供電，以減小動力電路和控制電路之間的干擾。

電機驅動模塊：電機驅動部分由一個直流有刷電機和兩個微型伺服電機組成，直流有刷電機使用大功率MOS控制，由處理核心發送PWM信號控制電機的轉速和轉向。伺服電機使用半雙工串口通信，半雙工串口經緩沖電路轉換成TTL電平串口與處理核心通訊，處理核心通過控制兩個伺服電機的位置參數對前后輪的轉向進行控制，更加靈活地轉向。

GPS導航模塊：使用雙模北斗衛星定位模塊，控制系統核心通過全雙工異步串口協議與GPS模塊進行通信，并實時解析出當前的經緯度信息。

超聲波障礙檢測模塊：由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒，但其傳播速度V易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1℃，聲速增加約0.6米/秒。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正（本系統正是采用了溫度補償的方法）。已知現場環境溫度T時，超聲波傳播速度V的計算公式為：V=331.45+0.607T。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。

電子指南針模塊：使用數字羅盤IC，控制系統核心通過I2C協議實時讀取導航車的方向信息。

轉向舵機模塊：由于道路情況復雜，導航車需要不停地調整轉向以適應環境的變化，轉向舵機模塊為導航車的方向控制執行機構。控制系統核心通過對外圍傳感器獲得的一系列信息進行分析計算，輸出PWM信號來控制舵機的方向，以準確地按照預定規劃的路徑行駛。

三軸加速度傳感器傳感器部分：由三軸加速度傳感器來獲得車體姿態和加速度，由電子指南針獲得車體方向，GPS衛星定位模塊獲得地理位置信息，超聲波測距傳感器獲得周圍障礙物情況。

通信部分由控制核心openwrt掛載USB 3G網卡，通過有公網IP地址的服務器與電腦端上位機之間實現數據通信，在保證了連接可靠性的同時去除了傳統遙控的距離限制。

車體結構部分使用一個直流有刷電機驅動四個輪子。前后兩個轉向機構，能夠更加靈活地改變車的姿態，可適應復雜的地形。

2 導航車的軟件設計

電腦端上位機使用C#語言編寫，調用百度地圖API獲取衛星地圖信息，并根據道路信息和周圍建筑物信息進行路徑規劃。同時實時接收導航車的詳細信息，進行導航路徑參數的下載、上傳，和導航車的運動以及模式控制。

手機端APP與導航車之間同樣經公網服務器與導航車通訊，控制導航車的運行模式和運動姿態。手機端APP仿照賽車游戲的控制界面，充分考慮手動模式的易操作性。

導航車的運行模式有航跡規劃模式、自主導航模式、手動控制模式、回家模式。

其中航跡規劃模式中航跡規劃任務由上位機軟件處理：上位機軟件根據導航車的位置信息在視圖里顯示附近的衛星地圖，根據導航車的起點和要到達的終點和衛星地圖的路況在中途添加一系列中間點，構成完整路徑信息并發送到導航車。

手動控制模式中導航車在行進過程中會緩存之前走過的點，在行進方向改變時候會記錄轉彎點，并去除路徑中的直線點，最后獲得路徑信息。

自主導航模式中導航車根據上位機傳輸或者手動行駛過程得到的路徑信息進行行駛速度以及方向控制，同時由超聲波傳感器測量前進方向的障礙物距離，并在保證最終目標點不變的前提下適當地進行局部路徑的重新規劃同時提醒上位機。

在導航車與上位機連接丟失或者上位機強制切換模式到回家模式時候，導航車會以啟動時候的位置為終點，原路返回。

其主程序流程圖如圖2。

■

3 結束語

本文設計的自主導航車獲取上位機發送的路徑信息后，在進行導航的同時進行避障的同時，將車的各種信息通過GPRS網絡傳輸到電腦端，由上位機軟件進行分析控制。該控制系統運用了嵌入式Linux、單片機、GPS衛星定位、電子羅盤、超聲波測距、直流電機、PWM調速等技術，基本實現了GPS導航車輛的要求，如果將智能車技術與互聯網、云計算等技術結合在一起，實現最優路徑規劃，那么將有望解決城市交通擁堵難題，如果城市專門劃出一條公交道路，則完全可以實現公交車無人駕駛化。

參考文獻：

[1]陳淑艷.移動機器人履帶行走裝置的構型與機動性能研究[D].揚州：揚州大學，2008.

[2]陳孟元.基于圖像識別的循跡智能車設計[J].重慶理工大學學報，2013.

[3]隆文革，王艾倫.便攜式四輪履機器人的設計與仿真[J].機床與液壓，2008，36（1）.

[4]何希才，薛永毅.傳感器及其應用實例[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]孫寶元，楊寶清，主編.傳感器及其應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]王密，郭丙軒，雷霆，李德仁.車載GPS導航系統中GPS定位與道路匹配方法研究[J].武漢測繪科技大學學報，2000（03）：248-251，256.

[7]匡翠林，劉經南，趙齊樂.低軌衛星與GPS導航衛星聯合定軌研究[J].大地測量與地球動力學，2009（02）：121-125.

[8]楊元喜，張雙成，高為廣.GPS導航解算中幾種非線性Kalman濾波的理論分析與比較[J].測繪工程，2005（03）：4-7，25.

[9]邵婷婷，馬建倉，胡士峰，王超.電子羅盤的傾斜及羅差補償算法研究[J].傳感技術學報，2007（06）：1335-1337.

[10]侯鴻斌.嵌入式通用運動控制系統的研究與應用[D].華南理工大學，2010.