BDS 在陸地智能巡檢無人車中的應用

吳清云，陳凌軒，劉昕，曹宇，謝朋洋

(1.上海海洋大學 工程學院,上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術研究中心,上海 201306)

0 引言

21 世紀以無人車、無人機、無人船等為代表的無人設備廣泛應用于生產生活中并發揮重要作用，具有廣闊的前景和上升空間.當前繼美國GPS 及俄羅斯GLONASS 之后，我國自行研制的北斗衛星導航系統(BDS)已完成全球組網，相較上述定位系統，BDS具有以下兩方面的優勢，一方面信息安全度更高，另一方面其短報文功能彌補了無線網絡通信的不足[1-2].BDS 的出現推進了定位系統國產化，將BDS 應用于產品實現自動尋跡成為一大趨勢.當前國內外對無人設備的研究重心仍聚焦于無人車，無人車的研究重點聚焦于定位導航技術[3]、運動模型[4-6]等方面.此外，近年來也有專家將研究方向投向無人車的不同應用領域.其中，無人車應用于巡檢工作是一大重點方向.朱家誠等[7]設計了一款應用于鐵路接觸網巡檢的無人車，并為其專門開發一套定位系統，融合圖像識別能實現準確停車并確定立柱位置，在鐵路巡檢過程中發揮了重要作用；李壯等[8]、彭建盛等[9]分別將無人車應用于光伏電站巡檢和火災巡檢，保障了具體場景下的安全運行和人身安全.無人車應用于巡檢是“機器換人”背景下的必然趨勢，在未來較長時間內無人車代替人工巡檢的趨勢將不會弱化，其應用場景也將趨于多元化.導航定位功能的實現往往各具優勢，在小范圍固定區域內，慣性導航[10]與捷聯式慣性導航[11]足以發揮導航定位功能；當區域范圍較大時，即時定位與地圖構建(SLAM)定位[12]是一種良好的導航定位方法，具有較高的可靠性與定位精度；若不局限于某一區域實現定位導航，現階段可使用包括GPS[13]、GLONASS[14]與BDS[15]等多種定位系統并結合避障模塊進行導航，隨著BDS 的興起，我國應用BDS 實現自動定位導航功能有望成為主流.

綜上，在無人車呈現井噴式發展與廣泛應用的時代背景下，無人車應用于巡檢領域已經得到初步普及，作為一種良好的陸上載體，無人車能夠完成許多陸地上的巡視工作，并具備替代人力巡檢的能力，適合更大規模的普及與推廣.同樣，BDS 具備的衛星無線電導航系統(RNSS)與衛星無線電測定系統(RDSS)兩種模式使得BDS 與GPS、GLONASS 等相比更具備應用價值.本文著重探討BDS 在智能巡檢無人車中的應用，從系統整體方案入手，將陸地應用的智能巡檢無人車拆分為若干模塊進行分解，并將BDS 的定位、導航和通信三大功能在巡檢無人車上的應用加以詳細分析，最終經過實地測試分析BDS 在定位、導航與通信方面的執行效果.BDS 不僅能代替GPS提供實時位置信息，其短報文系統極大地豐富了其原有的定位功能，在用戶端與執行端的雙向互聯間起到了橋梁作用；另外，巡檢智能車上位機的開發也實現了信息可視化，方便了位置信息、無人車狀態與執行功能的查看與分析.

1 系統整體方案

1.1 方案分析

無人車的運動模式可抽象為平面維度下的前后左右四個正方向，以及由四個方向衍生出的四個偏方向運動，方向控制方式一般分為差速轉向或舵機控制轉向：前者依靠無人車兩驅動輪之間的速度差完成轉向，后者依靠舵機裝置改變前輪轉角，由此控制無人車運動方向.差速轉向能夠應用于各類型的無人車，而舵機控制往往應用于形體較小的無人車.同時，智能無人車在運動過程中都需要根據目標點的設定自動到達目標點，并在途中避開障礙實現基本自動導航功能.

本文通過對無人車運動控制的研究，將無人車的控制系統拆分為主控制器、定位導航通信模塊、避障模塊、驅動模塊與功能模塊，基于BDS 實現自主定位導航和外部(主要指與上位機間)通信，設計出基于BDS 的智能巡檢無人車.

1.2 系統結構

根據1.1 小節所述，基于BDS 的智能巡檢無人車由主控制器、定位導航通信模塊、避障模塊、驅動模塊與功能模塊五大部分構成.其中，驅動模塊包括升/降壓電路、穩壓電源與驅動電機；避障模塊通過紅外線傳感器和超聲波傳感器的結合實現自動避障；定位與通信采用BDS 模塊實現精準定位和與上位機間的信息交互，方便觀察和遠程操控；另外可自行配置功能執行模塊，使巡檢無人車執行特定的功能，如搭載openMV 攝像頭的智能巡檢無人車在勘察、檢測方面能夠發揮作用.上位機用于顯示巡檢無人車位置信息，或根據功能執行模塊的類型進行遠程遙控、觀察；具體架構如圖1 所示，實物設計如圖2 所示[16].

圖1 通識型導航控制器結構框圖

圖2 巡檢無人車設計圖

2 系統硬件設計

基于BDS 的陸地智能巡檢無人車裝置采用模塊化的架構，根據1.2 小節所述其下位機整體除主控制器外可劃分為環境感知、運動控制和無線通信三大系統，融合多傳感器，可以實現無人車的動力推進、自動避障和自動巡航三種功能.將各模塊通過有線或無線方式連接到一起，具體電路連接方式如圖3所示.

圖3 硬件模塊電路連接設計簡圖

其中，BDS 模塊在系統整體中發揮至關重要的作用.本文選取深圳市容輝信息科技有限公司推出的北斗短報文開發板N2，為其匹配短報文數傳終端，型號為K1；N2 型號的開發板采用外置天線設計，收發成功率高于97%，其RDSS 模塊工作電壓為5 V，待機功耗＜0.65 W，適用于車載場景下的應用，匹配的主控制器選型為STM32L476RET6.

BDS 最主要的功能為獲取無人車自身的位置信息，將其轉化為具體的坐標形式，一方面將位置信息傳遞至主控制器供無人車實現自主行駛；另一方面信息以短報文的形式由上位機接收，在上位機平臺上顯示，達到人機交互的效果.

STM32 單片機通過控制電機的運動實現無人車的推進，驅動電機的選型一般可分為直流電機和步進電機兩類.自動避障模塊采用紅外線傳感器和HYSTR05 超聲波傳感器，紅外線傳感器的檢測角度為35°，工作距離為30 cm 以內，采用3 個紅外線傳感器分別安裝在設備的頭部和兩旁；超聲波傳感器探測距離最大可達4.5 m，精度為3 mm，安裝在無人車前方.在巡檢過程中前方超聲波傳感器可定時向前方發射一定頻率脈沖信號，根據發射信號與接收信號的時間差計算出與障礙物之間的距離.當兩側和前部的傳感器檢測到與障礙物距離過近時可控制電機實現差速轉向，上述控制通過主控制器實現.紅外線與超聲波傳感器的聯合使用方法如圖4 所示.

圖4 紅外線、超聲波傳感器聯合避障原理圖

此外，動力系統采用7.2 V 穩壓電源大容量鋰電池進行供電，電源模塊接多路輸出升/降壓模塊以實現不同模塊之間的電壓需求；為保障巡檢機器人的持續正常工作，避免自動控制系統失靈的情況，選取DX-BT054.0 藍牙控制模塊，必要時可通過藍牙模塊手動接管無人模型實現300 m 范圍內的手動遙控控制.

3 BDS 在無人巡檢車中的應用

3.1 BDS 定位基本原理與無人車運動模型

在無人車工作過程中，通過BDS 模塊與BDS 衛星之間的數據交互實現準確的定位.BDS 模塊與BDS 衛星發出的無線電信號在真空與近地面大氣層中的傳播速度為光速c，則BDS 模塊與定位終端之間的距離可通過信號傳播時間與速度乘積得到.BDS 衛星發出的導航電文經解調后可解算出發報衛星當前的三維坐標位置，令其為(x(n)，y(n)，z(n))，同時設無人車模型上接收機的位置坐標為(x0，y0，z0)，由此建立兩者間的幾何距離方程[17-19]，如式(1)所示：

式中： ρ(n)為BDS 衛星n與無人車BDS 接收端之間的幾何距離，n=1,2,3,4；δt為BDS 衛星n與無人車BDS 接收端時鐘精度不同產生的時鐘誤差，其計算公式如式(2)所示：

式中：T(n)為BDS 衛星n的時鐘差，可由衛星星歷得出；T0為無人車BDS 接收端時鐘差.由式(1)可知，由于引入時鐘誤差 δt，式(1)出現四元未知數，故需引入4 顆BDS 衛星進行聯合求解，最終得出無人車當前的位置信息.

無人車的運動過程可視為在二維平面上進行，忽略摩擦等影響運動的因素后，建立平面直角坐標系如圖5 所示.

圖5 無人車運動建模示意圖

圖中A點為巡檢無人車BDS 模塊定位得出的當前坐標，B點為目標點，AB兩點間距離記作dAB，速度方向角為 α，與實際路徑偏差為 β，根據距離公式可求得AB兩點之間的距離為

由圖5 可得：

式中：K為相鄰時刻無人車位置在XOY平面上變化的斜率；V(t)為當前時刻無人車的速度；無人車運動過程中方向微分參數為

式中：為無人車t時刻x方向上的運動微分量；為y方向上的運動微分量，得出的結果即為依據速度與前一時刻運動方向得出的當前時刻巡檢無人車運動方程，而由圖5 可知，運動起始點A與運動終點B的坐標均可由BDS 較為準確得出，但小運動范圍內BDS 仍然存在一定的測量誤差，因此結合上述修正模型的微觀方法，在BDS 的定位變動范圍超出閾值時，將修正值與BDS 定位結果采用中值濾波方式進行重新確定，可較準確地得出任一時刻巡檢無人車運動方向與位置信息，充分補充了BDS 定位精度的部分缺陷，提高整體定位精度，后續設置了實驗驗證修正模型的優越性.

3.2 BDS 導航功能的實現

根據上述硬件結構設計，得出相應的軟件設計流程圖和運動控制步驟，整體流程圖如圖6 所示.

圖6 基于BDS 模塊應用的無人車巡檢工作流程圖

在設備初始化之后，首先檢測接收到的信號是否為藍牙信號，若為藍牙信號即進入藍牙鏈路控制運動模式，按照上位機指示進行操作.藍牙模塊P1 口的主要作用為工作狀態檢測，P0 口低四位實現對電機的控制，針對雙電機結構，P0 口低四位接收上位機控制信號，并按照引腳順序分別接兩驅動模塊即可實現對應電機控制[20-21].

控制過程中定位模塊判斷與終點位置是否重合，同時根據超聲波傳感器與紅外線傳感器的信號判斷周圍環境中是否存在障礙，若遇到障礙物根據程序旋轉角度進行再判定直至避開障礙.

3.3 BDS 通信系統設計

智能巡檢無人車基于BDS 的通信架構，可劃分為三個層級，以巡檢無人車為載體的層級成為執行層，通過BDS 衛星所在的空間層，與上位機(PC)端的用戶層實現通信；用戶層亦可通過空間層向執行層發送指令，進行控制并實現遠程接管，其全過程示意圖如圖7 所示.

圖7 BDS 通信架構原理圖

北斗獨特的短報文系統支持將信息以無線通信的形式傳達給上位機平臺，K1 型號的數傳終端支持78 字節單次傳輸，傳輸時間間隔為1 min，為方便用戶在上位機端清晰地了解巡檢無人車當前的運行狀態，需在傳輸最大容量允許的前提下合理設計傳輸協議.本文設計的傳輸協議中包含了ID、定位、速度、電壓及系統狀態等關鍵信息，用戶端可以全面地了解到無人車當前的執行任務狀態，實現良好的人機交互，數據傳輸協議具體如表1 所示.在傳輸協議的框架下，短報文信息經用戶層BDS模塊接收解調處理后，傳遞至上位機端進行接收顯示.要求上位機端能夠實時顯示巡檢無人車的周圍環境與位置，通過可視化的方式呈現并呈現其經緯度信息，同時輸出無人車的速度、電壓、工作狀態等信息.采用LabVIEW 平臺開發上位機端界面，利用C++語言編寫用戶層上位機軟件，安裝與用戶層計算機中，用于接收執行層中傳輸的數據，或必要時發送控制指令，遠程遙控無人車的運動，并由用戶層計算機通過BDS 終端數傳傳遞給巡檢狀態下的無人車.用戶層與執行層之間的體系結構如圖8 所示，上位機示意圖如圖9 所示.

圖8 用戶層與執行層間體系結構圖

圖9 上位機界面示意圖

表1 BDS 衛星RDSS 短報文數據傳輸協議

4 實驗測試

4.1 測試環境

根據本文研究成果和相關算法設計，選擇智能巡檢無人車為載體將程序燒錄至STM32 單片機主控制器中，并與相關傳感器等其他器件相連以獲取相關參數并實現相應功能.巡檢無人車自身結構參數與測試環境參數同如表2 所示，該測試環境下對測試結果的影響較小，可以認為實驗結果準確.實地測試過程如圖10 所示.

表2 測試環境參數記錄表

圖10 巡檢無人車實地測試現場

4.2 測試結果及分析

經過多次實地測試，在上位機觀察運動結果得到如圖11 所示的運動軌跡散點圖，并計算出各次測試中記錄下的運動路徑與預設路徑之間的偏差和各次測試耗時，匯總如圖12 所示.

圖11 運動軌跡散點圖

圖12 運動過程誤差分析與耗時記錄

經分析可知在各導航的使用中無人車運行均正常，最大誤差限制在40 cm 以內，同時其運動控制具備如下特點：

1)無人車可正常行駛，中途無故障，電機運轉正常；

2)無人車在運行過程中可自動避開障礙，在實驗中途擺放特定障礙物時無人設備可自主繞開未發生碰撞；

3)通過程序給無人設備施加終點后，無人設備可自動向終點方向行駛，最終位置與終點基本重合無過大偏差；

4)在調試過程中觀察到無人設備避開障礙物后有規則地調整角度，并自行尋找設定路徑行駛；

5)中途藍牙接管自動運行時未發生運行狀態混亂和停滯現象，從自主巡航到無線遙控切換流暢效果良好.

由誤差分析可知，BDS 衛星導航下的巡檢無人車較GPS 導航下的無人車準確性更高，達到了較小的路徑偏移度；而加上了修正模型后的BDS 導航則又在原基礎上擬合了最優路徑，實現了時間尺度和路程尺度的優化統一.

5 結束語

隨著BDS 的廣泛應用，未來在巡檢無人車領域可大規模普及BDS 定位模塊，BDS 較GPS 擁有獨特的短報文系統，適用于雙向通信的開發與研究，提升了信息交互性.本文采用了多傳感器技術，進行全方位的環境感知，通過紅外線傳感器與超聲波傳感器實現自動避障，利用BDS 獲取當前精確定位并對行駛方向做出規劃，解決了避障過程進行后的行駛方向問題，使系統具備了快速糾偏能力.同時加入無線遙控元素，保證了系統的安全性和可控性.采用LabVIEW平臺開發上位機，充分利用BDS 的短報文系統，可在上位機端實時查詢并記錄無人車的運動狀態.實驗結果表明：該系統可廣泛應用于巡檢無人車定點巡航作業，搭載多傳感器的智能系統具備環境感知、自動避障、定點巡航和遠程遙控控制的多方面優勢，可滿足實際工作中的要求，兼具模塊化架構，具有較高的可開發性和實用性.