張昕

（東北石油大學(xué)秦皇島校區(qū)，河北秦皇島 066000）

1 背景

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，車(chē)輛在自動(dòng)行駛時(shí)，主要通過(guò)對(duì)北斗衛(wèi)星信號(hào)的接收，來(lái)進(jìn)行自身位置的感知。然而，衛(wèi)星信號(hào)在樓宇內(nèi)部傳輸限制比較明顯，很難在樓宇內(nèi)部接收到衛(wèi)星信號(hào)，獲取衛(wèi)星定位信息[3]。目前，室內(nèi)定位技術(shù)的主要方法是以WIFI接入點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為基礎(chǔ)的指紋方式，或者采用手機(jī)基站定位方式，并不成熟。存在技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)高、精度差、性價(jià)比低等問(wèn)題[4]。

在某些場(chǎng)合中，如自動(dòng)物流送貨車(chē)，老年代步電動(dòng)輪椅等移動(dòng)行駛車(chē)輛，需要在室外和室內(nèi)自動(dòng)行駛。在室內(nèi)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛功能，單靠北斗系統(tǒng)很難做到。因此對(duì)于同時(shí)要在室內(nèi)室外自動(dòng)行駛的環(huán)境中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與其他車(chē)輛控制算法相結(jié)合短期內(nèi)將成為主流的解決方案[5]。

2 北斗目前衛(wèi)星定位技術(shù)

目前能夠從北斗定位系統(tǒng)獲得的參數(shù)主要有經(jīng)度緯度和海拔高度。在車(chē)輛的移動(dòng)過(guò)程中可以采用這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)行駛控制。北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)的常見(jiàn)解決方案主要用到三種硬件設(shè)備：北斗衛(wèi)星基站、北斗接收器和北斗車(chē)載定位天線。其中北斗衛(wèi)星基站主要通過(guò)衛(wèi)星通信獲取定位參數(shù)；北斗接收器和北斗車(chē)載定位天線一般安裝在車(chē)輛上，通過(guò)無(wú)線通信獲取北斗衛(wèi)星基站的定位信息。一個(gè)北斗衛(wèi)星基站的覆蓋范圍一般能達(dá)到5 公里。為了達(dá)到更高的精度，北斗定位導(dǎo)航算法一般采用RTK 算法。

3 循跡移動(dòng)控制

目前，循跡移動(dòng)車(chē)輛控制的方法比較成熟。一般采用光電傳感器進(jìn)行軌跡線的檢測(cè)，將結(jié)果反饋到車(chē)輛控制器，控制移動(dòng)車(chē)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(wú)法識(shí)別，循跡移動(dòng)的車(chē)輛無(wú)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(huì)被遮蓋，無(wú)法識(shí)別，甚至陰天下雨，陽(yáng)光下的樹(shù)影搖擺，也會(huì)影響循跡車(chē)輛的移動(dòng)。此外，室外由于風(fēng)化侵蝕等環(huán)境因素和人為因素，導(dǎo)致循跡線遭到破環(huán)，變得不連續(xù)，這些因素都將使循跡移動(dòng)車(chē)輛的控制效率大打折扣。在本算法中，循跡控制主要應(yīng)用于室內(nèi)車(chē)輛的移動(dòng)控制。

為了實(shí)現(xiàn)兩種算法的切換采用兒童電動(dòng)車(chē)搭建的硬件平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證，具體結(jié)構(gòu)如（圖1）。

圖1 算法驗(yàn)證小車(chē)平臺(tái)

此兒童電瓶車(chē)驅(qū)動(dòng)電池為12V，需要做如下改裝：在車(chē)頭處安裝光電傳感器，用來(lái)做循跡移動(dòng)控制。方向盤(pán)處安裝電機(jī)，控制小車(chē)轉(zhuǎn)向，對(duì)車(chē)前輪的轉(zhuǎn)向做改裝并安裝角度傳感器反饋小車(chē)前輪的轉(zhuǎn)向角度。在小車(chē)車(chē)身水平處安裝陀螺儀，用來(lái)感知車(chē)身姿態(tài)包括俯角仰角。在車(chē)身內(nèi)安裝北斗車(chē)載接收器，通過(guò)北斗定位接收天線可以接收北斗基站傳輸?shù)亩ㄎ恍畔?。在?chē)尾處安裝北斗定位接收天線，單個(gè)天線可以直接對(duì)小車(chē)進(jìn)行定位，精度可以達(dá)到米級(jí)，如果想要更精確的定位精度，需要加裝兩個(gè)定位天線實(shí)現(xiàn)RTK 算法。兩個(gè)天線最好距離0.5 米以上，考慮小車(chē)的實(shí)際情況，兩個(gè)天線應(yīng)以車(chē)身中線為對(duì)稱軸分居左右且連線與車(chē)身中線垂直。兩個(gè)天線通過(guò)銅纜與車(chē)載接收器連接。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將兩個(gè)定位天線安裝在車(chē)尾兩側(cè)，可以采用RTK 算法。此外在車(chē)內(nèi)安裝有電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和ARM開(kāi)發(fā)板，可以通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)輛的北斗定位與控制算法。硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

算法實(shí)現(xiàn)：將循跡移動(dòng)的軌跡線從樓內(nèi)延伸至樓外。在有衛(wèi)星信號(hào)的場(chǎng)地中，確定排成直線的五個(gè)點(diǎn)，間距1.25 米，A 點(diǎn)半徑為50cm，其他每個(gè)點(diǎn)半徑為30cm。軌跡線如圖3 所示。首先通過(guò)北斗導(dǎo)航到達(dá)A 點(diǎn)，當(dāng)車(chē)輛移動(dòng)至A 時(shí)，開(kāi)始執(zhí)行循跡控制算法，判斷A 是否在軌跡線內(nèi)，之后繼續(xù)向B 點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)循跡算法，對(duì)于車(chē)輛移動(dòng)的軌跡進(jìn)是否在軌跡線內(nèi)進(jìn)行判斷。當(dāng)移動(dòng)到B 點(diǎn)C 點(diǎn)直至E 點(diǎn)時(shí)，確定有兩點(diǎn)在車(chē)輛移動(dòng)的軌跡線內(nèi)時(shí)，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(shí)際工作中，有時(shí)由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誤差，導(dǎo)致小車(chē)無(wú)法找到正確的定位點(diǎn)，如導(dǎo)航到A 點(diǎn)所在的經(jīng)緯度，但是由于誤差，并沒(méi)有在A 點(diǎn)的實(shí)際位置，無(wú)法發(fā)現(xiàn)軌跡線，所以A 點(diǎn)的半徑設(shè)置為50cm，這樣對(duì)于最低米級(jí)精度的北斗定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，精確度應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)A 點(diǎn)，如果采用定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)的RTK 算法，則很容易定位到A 點(diǎn)，之后按照衛(wèi)星定位導(dǎo)航，依次行駛到B、C、D、E 點(diǎn)，并判斷B、C、D、E 點(diǎn)是否在循跡線內(nèi)，只要有兩點(diǎn)滿足在循跡線內(nèi)，則小車(chē)按照兩點(diǎn)連線的方向循跡移動(dòng)，同時(shí)切換行駛控制算法，關(guān)閉衛(wèi)星導(dǎo)航，切換到循跡線移動(dòng)控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小車(chē)的實(shí)際場(chǎng)地測(cè)試，五個(gè)點(diǎn)能夠保證大概率完成從衛(wèi)星導(dǎo)航控制到循跡移動(dòng)控制的過(guò)度。具體算法的流程圖如圖4 所示。

圖4 算法流程圖

算法測(cè)試適用范圍：（1）實(shí)際的硬件處理速度和算法的復(fù)雜程度決定了此算法適合小車(chē)移動(dòng)速度較慢的場(chǎng)合，如老年代步電動(dòng)輪椅，樓宇內(nèi)部的配送小車(chē)等。（2）樓宇內(nèi)部的軌跡線需要規(guī)劃好，不能出現(xiàn)交叉。（3）上下樓時(shí)，小車(chē)在樓宇內(nèi)部的測(cè)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(chǎng)景需要人工輔助，才能使小車(chē)按照軌跡線繼續(xù)移動(dòng)。

4 展望

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小車(chē)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(guò)圖像標(biāo)識(shí)的識(shí)別進(jìn)行復(fù)雜一些的路線規(guī)劃。此外，在ARM控制板上加裝雷達(dá)探頭可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)的簡(jiǎn)單避障，相關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)已經(jīng)在立項(xiàng)驗(yàn)證過(guò)程中。