樊曉楠

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

隨著電子技術(shù)的成熟與人工智能的不斷進(jìn)步，汽車的無人駕駛正在被許多科研院所、企業(yè)、高校作為戰(zhàn)略項(xiàng)目進(jìn)行深入研發(fā)。百度、Google起步較早，憑借自己所具有的高精度地圖、高GPS定位等現(xiàn)有技術(shù)，在開發(fā)過程中具有一定的優(yōu)勢(shì)。京東、順豐等也成立了自己的無人駕駛配貨車的研發(fā)事業(yè)部門，全力打造未來的快遞的智能配送。同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、武漢理工大學(xué)等高校也具有自己的無人駕駛研發(fā)團(tuán)隊(duì)[1]。與此同時(shí)，無人配貨系統(tǒng)前景廣闊，市場(chǎng)容量巨大，將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，商業(yè)價(jià)值明顯。

1 頂層環(huán)境采集系統(tǒng)的選型及設(shè)計(jì)

1.1 差分GPS

全球定位系統(tǒng)（GPS）是當(dāng)前行車定位不可或缺的技術(shù)，在無人駕駛定位領(lǐng)域中也擔(dān)負(fù)起相當(dāng)重要的職責(zé)。在本系統(tǒng)中，利用到差分GPS對(duì)無人配貨車進(jìn)行精確定位，在無人配貨車中，系統(tǒng)利用高精度天寶GPS接收機(jī)及GPS天線接收GPS信號(hào)，運(yùn)用千尋基站規(guī)避GPS誤差，以達(dá)到更好的定位效果。系統(tǒng)利用兩個(gè)GPS接收天線構(gòu)成一條直線即可確定當(dāng)前配貨小精靈的運(yùn)行方向。

1.2 激光雷達(dá)

業(yè)界比較主流的三維重建方案主要有兩種，一類是視覺方式，另外一類就是激光雷達(dá)?？梢哉f這兩種技術(shù)是各有優(yōu)缺點(diǎn)，二者的應(yīng)用場(chǎng)景也有很大的差異。

在本系統(tǒng)中應(yīng)用到16線激光掃描雷達(dá)，能自動(dòng)識(shí)別道路信息和行人并且能夠自動(dòng)控制配貨車完成避障等功能。實(shí)現(xiàn)這些的前提是利用激光雷達(dá)獲取到的環(huán)境信息，這其中的關(guān)鍵技術(shù)是激光點(diǎn)云后處理算法，首先，通過激光雷達(dá)獲取到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，進(jìn)行點(diǎn)云分離，然后進(jìn)行聚類，一般都是通過計(jì)算相鄰兩個(gè)激光點(diǎn)間的距離來決定是否屬于同一類，聚類完之后進(jìn)行障礙物識(shí)別。識(shí)別完障礙物之后，進(jìn)行前后兩頻對(duì)比，可以識(shí)別是靜態(tài)障礙物還是動(dòng)態(tài)障礙物。動(dòng)態(tài)障礙物也可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)速度等，從而實(shí)現(xiàn)無人配貨車的避障功能[2]。

1.3 ZED相機(jī)

在本系統(tǒng)中使用ZED雙目相機(jī)。ZED相機(jī)的視覺能力來自于CUDA，也就是Nvidia頂級(jí)圖形顯卡的編程模型。它讓運(yùn)行相機(jī)配套軟件的的計(jì)算機(jī)有能力以 15fps的速度去處理最高4416x1242分辨率的實(shí)時(shí)景深地圖。如果分辨率降低，其處理速度更是可以達(dá)到最高120 fps。這款相機(jī)配備了一種基于被動(dòng)立體視覺的景深傳感器，可通過USB 3.0輸出左右兩個(gè)并行的高分辨率視頻流。在ZED SDK的幫助下，主機(jī)PC中的圖形處理器（GPU）可從并行視頻當(dāng)中實(shí)時(shí)計(jì)算出景深地圖。

當(dāng)配貨車在社區(qū)、校區(qū)等道路實(shí)際運(yùn)行時(shí)，GPS信號(hào)容易被遮擋，運(yùn)用ZED雙目視覺得出的景深地圖與之配合，通過 GPS對(duì)視覺點(diǎn)位進(jìn)行修正從而降低誤差，視覺可以在無GPS信號(hào)時(shí)也可以起到相應(yīng)的導(dǎo)航作用。從而系統(tǒng)首先利用差分GPS與ZED相機(jī)精確采集無人配貨車的點(diǎn)位數(shù)據(jù)[3]。

2 底層控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)無人駕駛車輛部傳感器信號(hào)的采集以及實(shí)現(xiàn)對(duì)無人駕駛車輛三大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制[4]。主控系統(tǒng)核心處理器選用NXP的MK60DN512芯片，主控系統(tǒng)有兩種工作模式：遙控模式與自主模式，兩種模式可以通過遙控器上面的模式選擇實(shí)現(xiàn)切換功能。

主控系統(tǒng)需要接收車輛行駛過程中的車速信號(hào)、轉(zhuǎn)向信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)并完成對(duì)控速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)的控制[5]。在改裝過程中，通過3個(gè)大力舵機(jī)完成機(jī)械方面的改裝，車速的提取可以通過安裝旋轉(zhuǎn)編碼器來進(jìn)行采集，傳遞給主控系統(tǒng)。無線遙控系統(tǒng)包括模式切換部分、轉(zhuǎn)向信號(hào)輸入采集部分、控速信號(hào)輸入采集部分、制動(dòng)信號(hào)輸入采集部分、監(jiān)控顯示部分、虛擬檔位信號(hào)輸入采集部分等。主控系統(tǒng)與無線遙控系統(tǒng)通過SPI通訊實(shí)現(xiàn)全雙工的信息傳遞。控制系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

本次設(shè)計(jì)中主控系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)都采用 32位單片機(jī)K60作為核心處理器，主要用到K60的ADC模塊、GPIO模塊、FTM模塊、SPI通訊模塊等。主控系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)通過NRF24l01模塊實(shí)現(xiàn)信息的互發(fā)互收。相互通訊的信號(hào)有：車速控制信號(hào)、轉(zhuǎn)向控制信號(hào)、制動(dòng)控制信號(hào)、故障緊急制動(dòng)信號(hào)、遙控與自主切換信等。

3 無人配貨車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2 智能化配貨系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

針對(duì)無人配貨車我們?cè)O(shè)計(jì)了一整套的智能配貨系統(tǒng)，包括GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、激光掃描雷達(dá)系統(tǒng)、雙目立體視覺系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。如圖2所示為智能配貨系統(tǒng)的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，其中GPS導(dǎo)航系統(tǒng)通過采集車輛在行駛過程中的道路信息，進(jìn)而為自動(dòng)導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)；激光掃描雷達(dá)系統(tǒng)可生成車輛周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云圖進(jìn)而為車輛主動(dòng)避障做好準(zhǔn)備工作；而雙目立體視覺系統(tǒng)則用于識(shí)別周圍環(huán)境中的車輛、行人、障礙物等，并且可以進(jìn)行定位；互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可以顯示當(dāng)前車輛的行駛軌跡，并進(jìn)行信息的存儲(chǔ)。

4 總結(jié)與展望

得益于近幾年中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展，我國(guó)社會(huì)物流總額持續(xù)增長(zhǎng)。物流行業(yè)在煥發(fā)蓬勃生機(jī)的同時(shí)，仍然暴露出許多亟待解決的問題，例如快遞員配送量大，無法解決最后一公里配送任務(wù)等。本文所推出的無人智能配貨系統(tǒng)基于以上問題主要達(dá)到兩方面目的：首先，進(jìn)一步解放一線配送人員的運(yùn)單壓力，降低單位快遞運(yùn)送成本，提高物流公司經(jīng)濟(jì)效益；其次，實(shí)現(xiàn)最后一公里的短途物流配送任務(wù)，實(shí)現(xiàn)快遞送到客戶樓下甚至門口。無人配貨車可以在校園、城市小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等人口密集度大的地方運(yùn)營(yíng)，可以解決這些地方最后一公里的配送任務(wù)，降低物流公司的運(yùn)營(yíng)成本，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。