基于GPS導航技術的智能無人快遞車技術研究

鄭 陽，陳美玲，李欣鵬，徐 偉

（南京工業大學浦江學院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

互聯網的快速發展帶動了快遞行業的空前繁榮。業務量的增加，致使快遞業面臨著一系列問題。例如，很多較偏遠地區取件不便；部分地區快遞派送人員工作量較為繁重，無法快速派件引發買家與快遞公司的爭執。歸結原因，在于不斷增加的快遞物流公司成本和服務風險，尤其到了每年的“雙十一”，這些矛盾聚焦成為社會的熱點問題。校園、住宅小區等人口較為集中并有一定停車空間的場所屬于人群高密度區域，因此適合無人快遞車的行駛路線[1]。這需要快遞車在對服務區域道路基本熟悉的情況下具備良好的路徑規劃能力，既能夠滿足區域內所有用戶的需求，又能夠保證行駛路線的合理，節約時間和成本。基于這樣的社會背景，研究一種智能無人快遞車物流體系，可有效解決“最后一公里”的資源浪費、效率略低、可靠性無法得到保障以及用戶體驗性差等一系列問題。

研究帶有定位導航技術的智能無人快遞車是一種發展趨勢。首先，定位導航技術能夠更加方便用戶的取件，更高效地完成配送任務，且可以省略很多現有取件環節，只需用戶確認到達定位點便可以取件。其次，智能快遞車基于自助寄取快遞系統，融入模塊化、集成化的設計理念，實現了工序間的相互配合，以工業化的流程實現了整個快遞過程，提高了快遞行業的工作效率，擺脫了對寄取快遞的時間限制，實現了取件過程的智能化，具有較好的推廣應用價值。

1 系統設計

系統包括樹莓派3B、DC-DC降壓電源模塊、GPS模塊M8N（帶地磁傳感器）、L298N電機驅動板模塊以及紅外線傳感器等[2]，結構如圖1所示。以樹莓派為主控，GPS的數據通過串口使樹莓派計算出導航角，與當前位置對比后到達事先設置好的導航點，通過軟件設定多個導航點使小車到達指定位置，并通過紅外線傳感器檢測環境后，由舵機帶動打開艙門，從而實現快遞的智能運輸功能。

圖1 系統設計結構圖

2 GPS導航原理

圖2為GPS導航系統定位示意圖。

2.1 導航系統基本原理

測量出用戶接收機與已知位置衛星之間的距離，是GPS導航的基本原理[3]。要實現這一原理，首先要通過現有的衛星星歷查出已知衛星對應的位置，其次通過記錄傳輸時間即已知的衛星所發出的信號傳播到用戶所經歷的時間，將這一時間乘以光速，從而實現GPS導航[4]。但是，由于大氣層電離層的干擾，使得這一結果并不是用戶與衛星之間的真實距離信息，而是GPS衛星正常工作時偽隨機碼發射的導航電文。

圖2 導航系統定位示意圖

2.2 導航系統定位原理

單點定位和差分定位是GPS導航系統中的兩種基本定位方式[5]。根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法確定待測點的位置。假設t1時刻將GPS接收設備安裝于地面待測點，可以測定GPS信號到達接收設備的時間t2，再加上接收設備所接收到的衛星星歷等參數設置即可實現定位。

3 GPS數據表示

理論上，從GPS得到的數據一般是經緯度[6]，而經緯度有多種表示方法。本文采用的坐標格式為度.分.分的十進制小數。為了和谷歌地球的坐標格式一致，本文在軟件設計中將DD.MMMMM轉換成DDD.DDDDD格式[7]。

4 小車導航原理

行駛過程中，各元器件在樹莓派中的對應接口如圖3所示[8]。

圖3 接口示意圖

4.1 GPS坐標解算程序

GPS通過串口與樹莓派連接。通過選用M8N模塊，樹莓派接受到GPS信號后開始解算GPS坐標，解算完成后記錄下當前位置，并與目標航點GPS進行對比計算，計算出航向角，調整小車方向與航向角一致，然后向航點駛去，小車導航如圖4所示。

圖4 小車導航圖

通過對當前GPS坐標與航點GPS坐標解算出來的航向角，結合當前GPS坐標與航點的距離，由haversine公式[9]可知兩個GPS點之間的距離和方位。這就是小車導航的基本原理，但是這里涉及一個問題，即小車如何知道自己車頭的方向角去調整至航點方向航向角。這里需要用到數字羅盤，通過數字羅盤小車能判斷車頭所朝方向，然后調整小車車頭至航點角度，最終當方向角與航向角相同時，小車便開始直行。

4.2 數字羅盤的選定

數字羅盤選用的是HMC5883L，并通過I2C方式與樹莓派連接，連接后再通過主程序中whlie循環，輪回訪問HMC5883L。當返回數據后，計算小車的方向角，然后對比之前計算的航向角，將兩者求差值計算出小車應調整的角度。得到角度后只需讓小車旋轉即可，直至小車航向角與方位角一致，此時小車直線駛往航點。當距離到規定值時，小車即到達航點，這個定值就是程序開始初期所輸入的誤差范圍[10]。在這個范圍內，小車認為已經到達目標點。

4.3 避障功能的實現

樹莓派外接避障傳感器的目的在于，通過利用紅外避障傳感器自身可以將模擬或數字信號轉化為開關量信號的特點，實現小車實現遇到信號會避障的功能[11]。

4.4 客戶端操作的實現

利用HDIM線與HDIM接口顯示器，直接將樹莓派和計算機顯示器相連，查出樹莓派的USB口后連接路由器提供的WiFi，此時樹莓派會與路由器相連接，獲得樹莓派在路由器連接下的IP地址后，便可在計算機上運行程序。

5 快遞運輸功能原理

小車通過GPS完成指定航程后，自身貨倉攜帶的紅外線傳感器檢測指定地點附近是否有客戶，檢測到后發出對應信號傳遞給樹莓派。樹莓派接收到信號后向舵機發出指令，打開貨艙艙門，等到客戶拿走快遞離開指定位置后，傳感器不再向樹莓派發出信號。此時，樹莓派將會對舵機再一次發出指令，使得貨艙艙門關閉。

6 結 論

本文采取一種通過以樹莓派為控制核心與多種模塊結合來實現智能物流運輸的小車設計方案。經過調試，小車能夠靈活應用于各個領域和普通用戶中，為人們的日常生活提供方便，具有較強的推廣使用價值。