北斗定位導航系統與其他自動行駛算法的融合

張昕

（東北石油大學秦皇島校區，河北秦皇島 066000）

1 背景

北斗導航系統中，車輛在自動行駛時，主要通過對北斗衛星信號的接收，來進行自身位置的感知。然而，衛星信號在樓宇內部傳輸限制比較明顯，很難在樓宇內部接收到衛星信號，獲取衛星定位信息[3]。目前，室內定位技術的主要方法是以WIFI接入點等網絡設備為基礎的指紋方式，或者采用手機基站定位方式，并不成熟。存在技術復雜、造價高、精度差、性價比低等問題[4]。

在某些場合中，如自動物流送貨車，老年代步電動輪椅等移動行駛車輛，需要在室外和室內自動行駛。在室內要實現自動行駛功能，單靠北斗系統很難做到。因此對于同時要在室內室外自動行駛的環境中，北斗衛星導航與其他車輛控制算法相結合短期內將成為主流的解決方案[5]。

2 北斗目前衛星定位技術

目前能夠從北斗定位系統獲得的參數主要有經度緯度和海拔高度。在車輛的移動過程中可以采用這三個參數進行自動行駛控制。北斗定位導航系統的常見解決方案主要用到三種硬件設備：北斗衛星基站、北斗接收器和北斗車載定位天線。其中北斗衛星基站主要通過衛星通信獲取定位參數；北斗接收器和北斗車載定位天線一般安裝在車輛上，通過無線通信獲取北斗衛星基站的定位信息。一個北斗衛星基站的覆蓋范圍一般能達到5 公里。為了達到更高的精度，北斗定位導航算法一般采用RTK 算法。

3 循跡移動控制

目前，循跡移動車輛控制的方法比較成熟。一般采用光電傳感器進行軌跡線的檢測，將結果反饋到車輛控制器，控制移動車輛沿著軌跡線行駛。目前循跡控制算法在室外使用具有一定的局限性，首先，在不具備照明條件的路面上，夜晚循跡線無法識別，循跡移動的車輛無法工作。其次，在一些極端的天氣中，比如下雪、冰雹等，循跡線會被遮蓋，無法識別，甚至陰天下雨，陽光下的樹影搖擺，也會影響循跡車輛的移動。此外，室外由于風化侵蝕等環境因素和人為因素，導致循跡線遭到破環，變得不連續，這些因素都將使循跡移動車輛的控制效率大打折扣。在本算法中，循跡控制主要應用于室內車輛的移動控制。

為了實現兩種算法的切換采用兒童電動車搭建的硬件平臺來驗證，具體結構如（圖1）。

圖1 算法驗證小車平臺

此兒童電瓶車驅動電池為12V，需要做如下改裝：在車頭處安裝光電傳感器，用來做循跡移動控制。方向盤處安裝電機，控制小車轉向，對車前輪的轉向做改裝并安裝角度傳感器反饋小車前輪的轉向角度。在小車車身水平處安裝陀螺儀，用來感知車身姿態包括俯角仰角。在車身內安裝北斗車載接收器，通過北斗定位接收天線可以接收北斗基站傳輸的定位信息。在車尾處安裝北斗定位接收天線，單個天線可以直接對小車進行定位，精度可以達到米級，如果想要更精確的定位精度，需要加裝兩個定位天線實現RTK 算法。兩個天線最好距離0.5 米以上，考慮小車的實際情況，兩個天線應以車身中線為對稱軸分居左右且連線與車身中線垂直。兩個天線通過銅纜與車載接收器連接。本實驗平臺將兩個定位天線安裝在車尾兩側，可以采用RTK 算法。此外在車內安裝有電機驅動板和ARM開發板，可以通過程序實現對車輛的北斗定位與控制算法。硬件平臺的結構框圖如圖2 所示。

圖2 硬件平臺結構框圖

算法實現：將循跡移動的軌跡線從樓內延伸至樓外。在有衛星信號的場地中，確定排成直線的五個點，間距1.25 米，A 點半徑為50cm，其他每個點半徑為30cm。軌跡線如圖3 所示。首先通過北斗導航到達A 點，當車輛移動至A 時，開始執行循跡控制算法，判斷A 是否在軌跡線內，之后繼續向B 點移動，同時啟動循跡算法，對于車輛移動的軌跡進是否在軌跡線內進行判斷。當移動到B 點C 點直至E 點時，確定有兩點在車輛移動的軌跡線內時，將沿著軌跡線行駛，完成控制算法的切換。

圖3 控制算法切換部分的循跡線

在實際工作中，有時由于衛星定位系統的誤差，導致小車無法找到正確的定位點，如導航到A 點所在的經緯度，但是由于誤差，并沒有在A 點的實際位置，無法發現軌跡線，所以A 點的半徑設置為50cm，這樣對于最低米級精度的北斗定位系統來說，精確度應該可以發現A 點，如果采用定位精度可以達到厘米級的RTK 算法，則很容易定位到A 點，之后按照衛星定位導航，依次行駛到B、C、D、E 點，并判斷B、C、D、E 點是否在循跡線內，只要有兩點滿足在循跡線內，則小車按照兩點連線的方向循跡移動，同時切換行駛控制算法，關閉衛星導航，切換到循跡線移動控制。經實驗平臺小車的實際場地測試，五個點能夠保證大概率完成從衛星導航控制到循跡移動控制的過度。具體算法的流程圖如圖4 所示。

圖4 算法流程圖

算法測試適用范圍：（1）實際的硬件處理速度和算法的復雜程度決定了此算法適合小車移動速度較慢的場合，如老年代步電動輪椅，樓宇內部的配送小車等。（2）樓宇內部的軌跡線需要規劃好，不能出現交叉。（3）上下樓時，小車在樓宇內部的測斜坡式扶梯能夠直接采用軌跡線循跡正常行駛。階梯式扶梯和升降電梯場景需要人工輔助，才能使小車按照軌跡線繼續移動。

4 展望

實驗平臺小車循跡部分采用的是光電傳感器，如果改成攝像裝置，上述的2 和3 可以通過圖像標識的識別進行復雜一些的路線規劃。此外，在ARM控制板上加裝雷達探頭可以實現在室內的簡單避障，相關設計和實現已經在立項驗證過程中。