基于北斗系統的自動駕駛實驗平臺

張昕

（東北石油大學秦皇島校區，河北秦皇島 066000）

1 背景

北斗系統從問世開始，就被應用于各種研究與應用領域，自動駕駛領域是北斗系統比較早期的應用之一，但是自動駕駛領域在不同的場景中會根據不同的控制策略搭建各自控制系統架構。如在公路上自動駕駛車輛速度較快，考慮系統的硬件水平與反應速度，會考慮采用大數據結合人工智能算法進行車輛的行駛控制。這種控制系統，硬件投入很大，控制策略復雜，對網絡傳輸帶寬的服務質量要求很高。而對一些園區物流送貨車的控制，考慮車輛行駛速度不高，每天行駛路線固定，考慮成本因素，很多情況下可以繞過北斗定位系統，采用車輛的循跡移動控制。在農機設備自動行駛控制領域，農機設備的行駛速度比較低，場地雖然復雜，但有規律可循，因此需要有針對性的在北斗平臺中開發農機設備的控制算法，與此類似的還有一些礦山的工程設備。

綜上所述，每種場景的特殊性決定了采用的車輛自動行駛算法不盡相同，而且目前新的自動駕駛控制算法不斷出現，也不斷改良，自動駕駛控制系統的架構不斷更新，研究起來也需要不斷進行組合，實驗平臺的搭建比較困難。針對這種狀況，本文研究并實現了一種在兒童電瓶車基礎上進行改進的自動駕駛算法實驗平臺，在此平臺上可以驗證自動駕駛控制算法的原型。

2 硬件實物

兒童電瓶車（12V 供電）、角度傳感器、電機驅動板、陀螺儀（車身姿態感知）、ARM 開發板、北斗衛星天線、北斗衛星接收器、北斗衛星基站。

3 實驗平臺的搭建

首先改裝兒童電瓶車的轉向，改裝轉向結構（圖1），采用電機控制車輛方向盤下面的轉向柱。加裝角度傳感器反饋車輛前輪的角度，仰角俯角等狀態的感知采用陀螺儀（圖2）組件進行反饋，陀螺儀安裝在車身內部，要求一個水平平面的安裝空間如車座底部的平臺。

圖1 轉向結構及角度傳感器

圖2 陀螺儀的位置

通過北斗衛星定位系統可以獲取到經度緯度和海拔高度等信息，在本硬件平臺中只用到這三個參數。整個北斗衛星定位部分由三個部件構成：北斗衛星定位基站，北斗衛星接收器和北斗衛星天線。其中，北斗衛星基站和北斗衛星接收器之間的數據傳輸通過接收天線完成，采用無線通信，北斗接收器與ARM 控制板之間通過RS-232 串口進行通信。

在硬件平臺的搭建過程中，可以根據不同的定位算法對平臺進行搭建。一般在定位精度要求不算高的情況下，可以采用北斗衛星基站，通過天線和車載接收機獲取北斗系統衛星定位的參數，從而實現按照設定好的控制算法自動行駛，誤差會根據實際情況，根據所處地域和當時的天氣狀況有所不同，一般定位精度會高于米級精度。

如果要求定位精確度較高，則需要考慮采用RTK 算法。在小車上安裝兩個相距一米左右，且連線與車身垂直的接收天線，在此種情況下，北斗衛星定位基站將作為整個自動駕駛系統的基礎，北斗衛星定位基站的覆蓋范圍大約5 公里左右，且固定不動，車載接收機和天線在獲取到衛星信息之后，會同基站進行再次的校準，從而抵消衛星定位系統誤差，能夠實現更高的定位精度，目前最高可以達到厘米級的定位精度。

車載北斗系統的安裝如圖3 所示。在車尾方向看，車載北斗接收器上連接兩個北斗定位天線，并置于車體內部，兩個定位天線要求處在同一平面上，并與車頭到車尾的連線體垂直，最好以車體中線為對稱軸，分居兩側。由于實驗小車寬度較窄，所以天線安裝在最外側。兩個天線距離大約為0.6 米，可以實現RTK 算法，達到厘米的定位精度。

圖3 車載北斗系統安裝圖

定位系統通過串口通信將定位信息傳到ARM 開發板，然后通過控制算法對車輛進行控制。其中ARM 開發板需要連接一塊電機的驅動控制板，控制車輛的轉向電機，通過角度傳感器感知車輛的轉彎角度和半徑，通過陀螺儀感知車身姿態，根據對北斗定位信息和車輛實際行進的狀態控制車輛的行駛軌跡，使整個實驗平臺運行起來。實驗平臺結構如圖4 所示，在設計好控制算法之后，通過對ARM 開發板編程。可以根據小車的行駛狀態進行各類控制算法的橫向評測，對控制算法進行改良。

圖4 實驗平臺結構圖

4 實驗平臺的意義與展望

本實驗平臺主要應用在教育與科研方面，成本不算高，可供學生按照教材中的內容進行經典控制算法如PID 算法的編程，然后將程序移植到ARM 開發板中進行實驗和修改，最終通過電瓶車的行駛軌跡進行驗證。也可以用來驗證更先進的車輛自動行駛控制算法，如采用預測、模糊、迭代學習等算法實現運動車輛的高精度路線追蹤控制。以便于科研人員對前沿的控制算法進行改良與創新。圖5 為在該平臺實驗下仿真PID 算法對小車行駛的控制框圖。

圖5 通過PID 控制算法對小車行駛控制框圖

首先通過北斗定位系統獲取小車當前的位置信息作為原始參數。之后，根據陀螺儀對車身狀態的感知，考慮車身的仰角俯角等信息，對小車的具體位置信息進行矯正，這個操作主要考慮提高小車控制的精準度。根絕小車下一個目標點，采用PID算法根據已知參數進行控制指令的運算。將指令發送至轉向電機，進行車輛行駛的軌跡控制。同時，通過獲取角度傳感器的反饋信息，根據實際距離目的點的偏差，進行控制指令的運算。循環上述PID 控制過程，直至小車到達目的點。

目前本實驗平臺主要瓶頸在于12V 的兒童電瓶車不能體現較高速度自動行駛控制算法的真實情況。

不同的ARM 開發板可以支持不同的功能，如果換上比較高端的ARM 開發板，可以實現更多的功能仿真，例如加裝雷達或者紅外探頭，可以進行車輛簡單避障算法的測試。加裝攝像頭之后，可以結合人工智能和大數據算法進行機器學習，實現對周邊物體的感知和判斷。加裝安卓屏，通過對安卓屏進行開發，實現人機交互功能，對自動行進的小車進行更多的參數控制，提供更多的控制選項；借助4G 或5G 通信甚至可以實現目前主流的車聯網架構，通過車聯網體系，進行公路無人駕駛方面的嘗試。