趙軼，胡國(guó)輝，楊翠，曹曉鋒

（重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401123）

基于慣性導(dǎo)航的LED道路照度自動(dòng)測(cè)量裝置的研究

趙軼，胡國(guó)輝，楊翠，曹曉鋒

（重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401123）

LED照明具有節(jié)能、照度均勻度好、平均照度高、光衰小等優(yōu)點(diǎn)，通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和分析LED道路照明的照度值對(duì)城市道路照明改造工程具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。研究開發(fā)一種基于慣性導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位測(cè)量道路LED照明照度自動(dòng)測(cè)量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)布點(diǎn)、自動(dòng)測(cè)量等功能，能夠降低測(cè)量過程中的安全隱患和減小測(cè)量誤差。

LED照明；慣性導(dǎo)航；照度；自動(dòng)測(cè)量裝置

隨著半導(dǎo)體發(fā)光二極管技術(shù)的成熟，LED道路照明燈具在近年來得到廣泛推廣應(yīng)用，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和分析LED道路照明的照度值對(duì)城市道路照明改造工程具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。在人車共同參與的測(cè)量環(huán)境中，尤其是快速路、主干道等車流量大、車速較快的道路，即使逐條封閉車道，采用人工布點(diǎn)的方式進(jìn)行照度測(cè)量始終存在著極大的安全隱患和照度均勻度測(cè)量誤差較大的問題。為了避免測(cè)量過程中的安全隱患和減小測(cè)量誤差，研究開發(fā)一種基于慣性導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位測(cè)量道路LED照明照度自動(dòng)測(cè)量裝置，在實(shí)際測(cè)量過程中具有良好的應(yīng)用效果。

1 技術(shù)要求

道路照度測(cè)量自動(dòng)行走小車作為道路照度自動(dòng)測(cè)試裝置的載具，用于現(xiàn)場(chǎng)燈與路面組成區(qū)域各點(diǎn)照度值的測(cè)量。由于燈的橫向間距和縱向間距是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的，所以要求自動(dòng)行走小車的測(cè)量路徑可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，即燈與燈的橫向間距可輸入，橫向間距等分?jǐn)?shù)量可輸入；燈與燈縱向間距可輸入，縱向間距等分?jǐn)?shù)量可輸入。另外，小車應(yīng)具有行走偏差矯正功能，具有足夠的行走控制精度，定位精度偏差小于2cm，能夠滿足道路照度測(cè)試的要求。由此可見，自動(dòng)行走小車對(duì)行走間距及行走方位角的控制有較高的精度要求。

由于道路照度測(cè)量的工作區(qū)域較小，而精度要求較高，GPS、北斗等導(dǎo)航定位技術(shù)不能滿足要求。慣性導(dǎo)航具有數(shù)據(jù)更新速度快、短期精度高、穩(wěn)定性好，無需外接交互等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。因此，采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航結(jié)合編碼器、激光測(cè)距數(shù)據(jù)修正的方案從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走小車的導(dǎo)航定位。

2 定位行走原理

慣性導(dǎo)航利用角速度得到實(shí)時(shí)更新的四元數(shù)值，通過實(shí)時(shí)更新的四元數(shù)值來計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣，并通過旋轉(zhuǎn)矩陣解算出自動(dòng)行走小車在現(xiàn)狀態(tài)下的姿態(tài)角Ⅰ。針對(duì)姿態(tài)角的累計(jì)誤差問題，利用加速度計(jì)和磁力計(jì)測(cè)量出的姿態(tài)角并經(jīng)卡爾曼濾波后得到姿態(tài)角Ⅱ，并結(jié)合編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合計(jì)算得出修正后的最優(yōu)姿態(tài)角。利用比力方程完成加速度由載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的換算，并對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系下的加速度兩次積分得到的位置信息L1與編碼器得到位置信息L2加權(quán)融合的到現(xiàn)狀態(tài)下的最優(yōu)位置信息。針對(duì)慣性導(dǎo)航位置信息固有的誤差累計(jì)問題以及航向誤差，以及小車行走時(shí)振動(dòng)、沖擊對(duì)導(dǎo)航定位的影響，通過在每個(gè)照度測(cè)試點(diǎn)利用激光測(cè)距的方法進(jìn)行修正。

圖1為姿態(tài)角Ⅰ的計(jì)算過程，姿態(tài)角Ⅰ通過四元數(shù)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣得到。四元數(shù)算法中涉及到兩個(gè)坐標(biāo)系，載體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系。四元數(shù)算法能夠快速地實(shí)現(xiàn)載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。先用迭代算法更新四元數(shù)的值并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，再通過歸一化后四元數(shù)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)矩陣，從旋轉(zhuǎn)矩陣的三角表達(dá)式中即可解算出姿態(tài)角Ⅰ。利用加速度計(jì)和磁力計(jì)測(cè)量出的姿態(tài)角并經(jīng)卡爾曼濾波后得到姿態(tài)角Ⅱ，如圖2所示。

微控制器結(jié)合編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合計(jì)算得出修正后的最優(yōu)姿態(tài)角，如圖3所示；利用比力方程完成加速度由載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的換算，并對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系下的加速度兩次積分得到的位置信息L1與編碼器得到位置信息L2加權(quán)融合的到現(xiàn)狀態(tài)下的最優(yōu)位置信息；再通過最優(yōu)位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)照度測(cè)試點(diǎn)的定位；所述激光壁障模塊會(huì)在每個(gè)照度測(cè)試點(diǎn)利用激光測(cè)距的方法針對(duì)慣性導(dǎo)航位置信息固有的誤差累計(jì)問題以及航向誤差，以及小車行走時(shí)振動(dòng)、沖擊對(duì)導(dǎo)航定位的影響，通過在每個(gè)照度測(cè)試點(diǎn)利用激光測(cè)距的方法進(jìn)行修正，如圖4所示。

圖1 姿態(tài)角Ⅰ計(jì)算

圖2 姿態(tài)角Ⅱ的計(jì)算

圖3 最優(yōu)姿態(tài)角計(jì)算

圖4 最優(yōu)位置信息計(jì)算及修正

圖5 自動(dòng)行走小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的組成與工作原理

自動(dòng)行走小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。包括STM32F103VCT6微控制器、MPU6050陀螺加速度計(jì)模塊、HMC5983三軸數(shù)字羅盤模塊、激光修正模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、左/右直流電機(jī)、左/右編碼器、超聲波避障模塊和藍(lán)牙通訊模塊組成。左/右直流電機(jī)與左/右編碼器共軸安裝，通過左/右編碼器可以得到左/右直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在已知車輪周長(zhǎng)的條件下，可以得到自動(dòng)行走小車的行駛距離；藍(lán)牙通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走小車與手持主機(jī)的通信，通過手持主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走小車參數(shù)的設(shè)置以及行走的控制。

STM32F103VCT6微控制器是自動(dòng)行走小車的控制核心，用于實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航算法和定位算法，以及導(dǎo)航定位誤差修正、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制、超聲波避障控制，并通過藍(lán)牙通訊模塊實(shí)現(xiàn)與手持主機(jī)的數(shù)據(jù)通信。MPU6050模塊用于測(cè)量三軸加速度和三軸角速度，HMC5983模塊由于測(cè)量三軸磁力計(jì)數(shù)據(jù)。STM32 F103VCT6微控制器利用角速度得到實(shí)時(shí)更新的四元數(shù)值，計(jì)算出旋轉(zhuǎn)矩陣，并通過旋轉(zhuǎn)矩陣解算出自動(dòng)行走小車在現(xiàn)狀態(tài)下的姿態(tài)角Ⅰ；利用加速度計(jì)和磁力計(jì)測(cè)量出的姿態(tài)角并經(jīng)卡爾曼濾波后得到姿態(tài)角Ⅱ。并結(jié)合編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合計(jì)算得出修正后的最優(yōu)姿態(tài)角；利用比力方程完成加速度由載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的換算，并對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系下的加速度兩次積分得到的位置信息L1與編碼器得到位置信息L2加權(quán)融合的到現(xiàn)狀態(tài)下的最優(yōu)位置信息；通過最優(yōu)位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)照度測(cè)試點(diǎn)的定位；在每個(gè)照度測(cè)試點(diǎn)利用激光測(cè)距的方法對(duì)位置信息數(shù)據(jù)和航向數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而消除積累誤差的影響。

4 結(jié)語

LED道路照明在道路路面上照度水平是決定道路照明質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)新建、改建或運(yùn)行中的LED道路照明設(shè)施有必要進(jìn)行照度測(cè)量。而傳統(tǒng)的測(cè)量方法是人工的進(jìn)行拉線、劃線進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量，該方式存在著效率低、成本高而且對(duì)人身安全有著一定的潛在威脅等不足。因此，研究并運(yùn)用照度自動(dòng)測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量具有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過研究并采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航結(jié)合編碼器、激光測(cè)距數(shù)據(jù)修正的方案可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量裝置的導(dǎo)航定位，從而取代傳統(tǒng)的人工布點(diǎn)測(cè)試以及車道封閉測(cè)試模式，提高了測(cè)量的安全性和效率，避免安全隱患的出現(xiàn)，也不會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生較大的影響。

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