無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)研究

李 玉 張培明

（濰坊科技學(xué)院，山東 壽光262700）

1 無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)的研究意義

無人駕駛小車(AutomatedDrivingVehicle，簡稱ADV)的導(dǎo)航方式影響系統(tǒng)運行時的可靠性以及物流系統(tǒng)的柔性，伴隨著科技的發(fā)展，ADV 的導(dǎo)航方式也在更新?lián)Q代。按照ADV 導(dǎo)航線路的形式，可分為自由路徑導(dǎo)航方式、固定路徑導(dǎo)航方式兩種不同的導(dǎo)航方式。固定路徑導(dǎo)航方式其優(yōu)勢是價格較低，定位精度較高，而且相對穩(wěn)定可靠，但由于其路徑被固定，因此對現(xiàn)場環(huán)境要求較高。自由路徑導(dǎo)航方式的優(yōu)點是其路徑可以改變不同的形式，有良好的柔性，對現(xiàn)場環(huán)境的要求與固定導(dǎo)航方式相比相對較低，但由于其定位精度受使用的設(shè)備及導(dǎo)航控制算法的限制，使得其在擁有與固定路徑導(dǎo)航方式相同定位精度的情況下，其ADV 的價錢也更高。

2 現(xiàn)階段無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)分析

目前，無人駕駛小車常用的導(dǎo)航方式有光學(xué)導(dǎo)航方式、激光導(dǎo)航方式、磁帶導(dǎo)航方式、電磁感應(yīng)導(dǎo)航方式和視覺導(dǎo)航方式等五種導(dǎo)航方式。光學(xué)導(dǎo)航原是借助于光學(xué)敏感器測量來確定航天器相對位置和姿態(tài)的一門技術(shù)，由于其導(dǎo)航精度較無線電導(dǎo)航更高，故又成為光學(xué)精確導(dǎo)航。后將光學(xué)導(dǎo)航方式應(yīng)用到無人駕駛小車上，即使用在行走路徑上涂抹染料、油漆或者粘貼色帶等方法，利用光學(xué)傳感器接收色帶圖像信號進行辨別和簡單處理來實現(xiàn)無人駕駛小車的導(dǎo)航，其優(yōu)點是導(dǎo)航路徑設(shè)置能夠靈活改變，但對色帶損害與污染很敏感，容易受現(xiàn)場環(huán)境限制。激光導(dǎo)航方式的長處是擁有較好的柔性，能夠快速適應(yīng)外部環(huán)境，無需對地面進行任何處理，路徑靈活變換不受限制，可適用于各種現(xiàn)場環(huán)境，而且進行修改運動參數(shù)及行駛路徑等操作簡便易行，但其控制及導(dǎo)航算法最為復(fù)雜，定位精度取決于激光頭及算法，使得ADV 的成本較高。磁帶導(dǎo)航方式的優(yōu)點是其磁帶鋪設(shè)相對簡單，更改導(dǎo)航路徑也比較簡單，但易受干擾與外界環(huán)境的限制，只能在條件良好的環(huán)境中使用。電磁感應(yīng)導(dǎo)航方式的優(yōu)點是導(dǎo)航線隱蔽，不易被污染和破壞，原理簡單可靠，成本低，缺點是其導(dǎo)航路徑的改變條件受限，且增加或改變路徑費時費力，難以適應(yīng)多變的環(huán)境，靈活性差。視覺導(dǎo)航方式得最大的優(yōu)勢是ADV 成本低廉，能夠獲取豐富的信息，可構(gòu)建全景的三維地圖，與其他硬件結(jié)合實現(xiàn)全自動導(dǎo)航，然而現(xiàn)場光線變化難以控制，使得其運行不夠穩(wěn)定，且當(dāng)前硬件設(shè)施存在各種各樣的問題，難于滿足其實時性要求，現(xiàn)有的圖像處理算法也并不成熟。

3 研究內(nèi)容

3.1 考慮現(xiàn)有技術(shù)以及無人駕駛小車導(dǎo)航方式存在的問題，我們要研發(fā)一種能夠提供路徑可靈活變換、擁有良好的柔性、并且造價低廉且不受室內(nèi)外環(huán)境限制的無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)。為實現(xiàn)這些目標，使無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)擁有優(yōu)良的性能，我們致力于研發(fā)出一種適用于室內(nèi)外各種環(huán)境導(dǎo)航的無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)。

3.2 導(dǎo)航系統(tǒng)包括：衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)無人駕駛小車在室外行駛時，二者啟動，在室內(nèi)行駛時關(guān)閉，通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)檢測無人駕駛小車的當(dāng)前的位置信息，慣性模塊接收的無人駕駛小車當(dāng)前的姿態(tài)信息，并將接收到的無人駕駛小車的當(dāng)前的位置信息、姿態(tài)信息傳輸給控制模塊；磁帶導(dǎo)航模塊，在無人駕駛小車在室內(nèi)行駛時啟動，在室外行駛時關(guān)閉，將其檢測到的磁信號傳送給控制模塊。

3.3 控制模塊與衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、慣性導(dǎo)航模塊相連，當(dāng)無人駕駛小車在室外行駛時，通過衛(wèi)星導(dǎo)航模塊接收無人駕駛小車的當(dāng)前的位置信息和當(dāng)前的位姿信息，并將其傳送給控制模塊，以此來實現(xiàn)對無人駕駛小車的閉環(huán)控制；控制模塊與磁帶導(dǎo)航模塊相連，當(dāng)無人駕駛小車在室內(nèi)行駛時，通過磁帶導(dǎo)航模塊接收的磁信號實現(xiàn)對無人駕駛小車的閉環(huán)控制。

4 基本功能

4.1 利用四大基本模塊之間的相互聯(lián)系，無人駕駛小車可利用無人駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)外的無人駕駛小車的導(dǎo)航。無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)由衛(wèi)星導(dǎo)航模塊1、慣性導(dǎo)航模塊2 以及磁帶導(dǎo)航模塊3 控制模塊4 組成。其中，衛(wèi)星導(dǎo)航模塊1 可以是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)導(dǎo)航模塊，也可以是其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)導(dǎo)航模塊，例如我國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)導(dǎo)航模塊、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)模塊、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)模塊。無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)實時變換的環(huán)境數(shù)據(jù)對小車進行導(dǎo)航。具體來說，無人駕駛小車在室外行駛時利用衛(wèi)星導(dǎo)航模塊1 和慣性導(dǎo)航模塊2 完成操作。當(dāng)無人駕駛小車在室外行駛時，衛(wèi)星導(dǎo)航模塊1開啟，將其接收到的無人駕駛小車的當(dāng)前的位置信息實時傳送給控制模塊4，同時開啟慣性導(dǎo)航模塊3，將處理得到的無人駕駛小車當(dāng)前的姿態(tài)信息及時傳輸給控制模塊4，由控制模塊對兩部分信息進行整合處理，繼而發(fā)布指令，使無人駕駛小車按照規(guī)定路徑以及合適的速度穩(wěn)定行駛。其中，位姿信息包括位置信息、速度、轉(zhuǎn)向角、加速度等。其運動模型表述如下：

其中，L 為車輪軸距。

4.2 無人駕駛小車在室內(nèi)行駛時利用控制模塊與磁性導(dǎo)航模塊完成指令與操作，在無人駕駛小車在室內(nèi)行駛時啟動磁性導(dǎo)航模塊與控制模塊，關(guān)閉衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、慣性導(dǎo)航模塊，利用磁帶導(dǎo)航模塊檢測磁信號，然后輸送給控制模塊，控制模塊對磁信號進行分析處理得到導(dǎo)航路徑信息和指示用的無人駕駛小車的姿態(tài)信息，并利用該導(dǎo)航路徑信息和指示用的姿態(tài)信息對無人駕駛小車實行閉環(huán)控制，使無人駕駛小車按照既定的速度及路徑行駛。

4.3 無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)其混合采用了衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、慣性導(dǎo)航模塊、磁帶導(dǎo)航模塊等不同的模塊，可實現(xiàn)自由切換室內(nèi)和室外兩種不同的導(dǎo)航方式，適應(yīng)復(fù)雜多變的壞境，滿足室內(nèi)及室外導(dǎo)航的雙重需求，成本低且容易接受。此外，該無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)采用了衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航進行雙重定位，利用融合算法得到車輛實時傳送位置信息，保證了定位精度。使其擁有定位精度高、控制穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、不受外界環(huán)境干擾與路徑要求限制、導(dǎo)航路徑修改方便等優(yōu)勢，因此無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)是一種高效、實際可操作的導(dǎo)航系統(tǒng)。

5 無人駕駛小車系統(tǒng)進一步發(fā)展

此外在無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，無人駕駛小車還能夠有選擇地與其他模塊相結(jié)合，可以與單個模塊結(jié)合，也可與多個模塊同時結(jié)合，無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)還可與自動充電模塊、防撞模塊、無線通信模塊、電量顯示模塊、語音提示模塊相結(jié)合實現(xiàn)不同的功能。自動充電模塊的作用是在無人駕駛小車的電量不足時，將電量信息及充電指令的信號及時反饋給控制模塊，而后控制模塊再根據(jù)無人駕駛小車的當(dāng)前的位置信息、當(dāng)前的小車的姿態(tài)信息或磁信號進行整合處理，發(fā)布指令，指引無人駕駛小車行駛到指定充電位置進行充電。防撞模塊的作用是用于檢測行駛路徑是否存在障礙物，若檢測到障礙物的存在，及時向控制模塊發(fā)送障礙物的位置信息，控制模塊根據(jù)障礙物的位置信息、無人駕駛小車的當(dāng)前的位置信息、當(dāng)前的姿態(tài)信息或磁信號對無人駕駛小車完成閉環(huán)控制操作，使無人駕駛小車對障礙物及時進行規(guī)避，實現(xiàn)正常行駛。無線通信模塊的作用是通過控制模塊相連，用于無線通信。電量顯示模塊是通過與控制模塊相連，用于顯示電量信息。語音提示模塊的作用是與控制模塊連接用于進行語音提示。

6 結(jié)論

本文所述無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)比其他導(dǎo)航系統(tǒng)更有優(yōu)勢，無人駕駛小車導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景，但其需要進一步的鞏固與創(chuàng)新，需更更多科研人員的努力。在不久的將來無人駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)會更加完善，與現(xiàn)有的交通系統(tǒng)有效結(jié)合，改善交通擁堵的情況，促使人們更好、更快、更安全的出行，并期待其能夠成熟的應(yīng)用于無人駕駛汽車，與人們近距離接觸，讓科技走進生活。