李小川

(中海油能源物流有限公司，天津 300452)

0 前言

在自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展的背景下，我國(guó)自動(dòng)駕駛技術(shù)公司與港口企業(yè)合作，在貨柜港口上使用智能集卡、智能導(dǎo)引車(IGV)進(jìn)行了試驗(yàn)，并取得了一定的成效[1]。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)是目前無人機(jī)上應(yīng)用最多的全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)，但因橋吊、龍門吊等大件及貨柜等障礙物，造成 GNSS的數(shù)據(jù)損失和多路徑的反射，不能確保定位的準(zhǔn)確性和可靠性，容易引起交通事故。因此，必須探究自動(dòng)駕駛車輛中融合定位技術(shù)的可行性，通過多種先進(jìn)技術(shù)提高定位的精度和可靠性。

1 港口車輛管理的主要問題

為了滿足生產(chǎn)需求，各港口都會(huì)配置一些車輛，以增加工作的便利和快捷。然而，許多港口的自動(dòng)駕駛車輛費(fèi)用都很高，在車輛的日常管理中經(jīng)常涉及駕駛員和車輛違反規(guī)則或發(fā)生意外、駕駛員不能正常工作等情況。自動(dòng)駕駛車輛的調(diào)度工作如果不能按時(shí)完成，則無法充分發(fā)揮其交通工具的作用。另外，由于缺少有效的管理，汽車失竊和搶劫頻繁，在造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也給市民帶來傷害；同時(shí)，駕駛員常常會(huì)超速駕駛，造成交通事故。這些港口車輛管理上的問題都導(dǎo)致港口工作效率下降，經(jīng)營(yíng)成本上升。

2 港口自動(dòng)駕駛定位技術(shù)的設(shè)計(jì)思路

2.1 整體定位

自動(dòng)駕駛車輛能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航的前提是獲得車輛在全球范圍內(nèi)的定位。GPS技術(shù)主要是利用GPS和高精度的地圖進(jìn)行匹配，以確定車輛的精確位置。GNSS以信號(hào)為基礎(chǔ)，利用航程測(cè)距技術(shù)獲得了目標(biāo)之間的距離，利用三角形定位原理，對(duì)車輛進(jìn)行定位。GNSS的位置需要不斷接收來自多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星的測(cè)距存在著衛(wèi)星的時(shí)延和時(shí)延誤差。采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)載波相位差分技術(shù)可以有效克服 GNSS中因傳輸延遲等造成的錯(cuò)誤，同時(shí)保持5 cm內(nèi)海港開放區(qū)域的定位準(zhǔn)確率。

差分參考臺(tái)安裝在船塢的最高點(diǎn)，接收器安裝在交通工具上，參考站通過5G/4G通信向交通工具上的接收器發(fā)送所觀察到的載波相位的測(cè)量結(jié)果。在接收到基準(zhǔn)點(diǎn)的信息之后，接收器可以根據(jù)觀察數(shù)據(jù)立即進(jìn)行求解和處理，以達(dá)到對(duì)坐標(biāo)的即時(shí)獲取。但是在碼頭上，龍門吊和集裝箱遮擋、多路徑反射等多種原因會(huì)導(dǎo)致 GPS接收器的定位信息丟失、干擾等問題，而且GNSS接收器不易察覺，因此GNSS接收器會(huì)不斷地輸出虛假的固定數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤的定位信息，從而導(dǎo)致交通事故。另外，GNSS的更新頻率很低，約為10 Hz，因此自動(dòng)駕駛車輛在高速行駛中，單靠GNSS定位難以保證其實(shí)時(shí)定位的準(zhǔn)確性。

車輛的自動(dòng)導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)車輛精確定位的關(guān)鍵，精確、穩(wěn)定的定位是自動(dòng)駕駛車輛的前提。自動(dòng)駕駛車輛需要能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地感知自己在周圍的位置，并能實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的定位，這需要很高的可靠性和安全性。傳統(tǒng)的地圖定位、衛(wèi)星定位、基地臺(tái)定位方法無法滿足港口的高精度定位需求，所以多個(gè)傳感器的集成定位是未來的發(fā)展方向。目前，沒有一種單一的定位方式可以保證100%的可靠性，冗余度與多源數(shù)據(jù)融合是保證高精度、高可靠定位的前提，多個(gè)傳感器的融合可以很好地彌補(bǔ)各種定位方式的不足。

碼頭運(yùn)輸車輛在岸邊、主干道和堆料區(qū)內(nèi)采用線性行駛，最大誤差為10 cm，與橋吊、龍門吊、堆高機(jī)、自升機(jī)等比較，其測(cè)量誤差為0。運(yùn)輸車輛的高精度定位系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的冗余，并建立分類管理；當(dāng)偏差超出某一限值時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，直到運(yùn)輸車輛自動(dòng)停止，并通過遙控平臺(tái)對(duì)運(yùn)輸車輛進(jìn)行控制，將信息反饋給智能交通管理系統(tǒng)。GPS技術(shù)與高準(zhǔn)確率的地圖相融合，可以為道路規(guī)劃、道路感知、行車管理等方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。高精度的地形圖資料收集與加工、制圖模式構(gòu)建，要求精確到一定的地理位置；同時(shí)，高精度的道路交通元素和特征也更加豐富和精細(xì)，不僅可以準(zhǔn)確地進(jìn)行地理位置的確定，還可以繪制出道路形狀、車道線、車道中心線、交通標(biāo)志等。從標(biāo)記的絕對(duì)坐標(biāo)和諸如激光、攝像機(jī)等的感應(yīng)器得到的相關(guān)坐標(biāo)，可以計(jì)算出車身的絕對(duì)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)高精度的定位。基于高精度地圖，并與感知匹配相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高精度的自動(dòng)導(dǎo)航，即使存在故障或不穩(wěn)定，也可以保證無人機(jī)在現(xiàn)實(shí)中的準(zhǔn)確位置[2]。采用高分辨率的雷射圖像，既可以進(jìn)行圖像的識(shí)別，又可以進(jìn)行圖像的自動(dòng)采集，同時(shí)能夠生成密集的點(diǎn)云地圖，并利用激光對(duì)其進(jìn)行高精度的匹配。由于港口環(huán)境具有高動(dòng)態(tài)的特征，貨柜的定位隨時(shí)都在變動(dòng)，因此，可以在高精度的地圖上標(biāo)注固定建筑物、燈桿、圍欄、箱變等固定設(shè)備的定位。

2.2 航跡推算

慣性導(dǎo)航、輪速儀和角度傳感器等車輛內(nèi)置式傳感器可以實(shí)現(xiàn)車輛的運(yùn)動(dòng)，并在采樣期間獲取車輛的位置和方位角的增量，通過累計(jì)的位姿來獲取車輛的姿態(tài)。

慣性導(dǎo)航(IMU)是一種由加速度計(jì)和陀螺等感測(cè)裝置組成的運(yùn)動(dòng)參量解算體系。IMU采用加速傳感器來測(cè)量汽車的加速度，然后計(jì)算車輛速度；同時(shí)，采用回轉(zhuǎn)計(jì)測(cè)得汽車的角速率，構(gòu)成了一套導(dǎo)航系統(tǒng)。該方法能夠提供車輛的定位、速度和姿態(tài)等信息。IMU是一種基于預(yù)測(cè)的導(dǎo)航方法，它是由一個(gè)已知的地點(diǎn)，通過持續(xù)測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的航向角度和速度來確定下一個(gè)地點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的車輛定位測(cè)量。IMU是一種完全自動(dòng)的導(dǎo)航方法，它可以為車輛提供實(shí)時(shí)的定位和姿態(tài)信息，而且它的更新速度很快。但是，由于慣性制導(dǎo)的存在，IMU系統(tǒng)的導(dǎo)航與位置的偏差也會(huì)隨之增加。

GNSS定位技術(shù)雖然有多路反射問題，但是其定位準(zhǔn)確率高、速度快，而且不受時(shí)間和地域影響。然而，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)被遮蔽時(shí)，GNSS接收器就不能準(zhǔn)確定位。將GNSS和IMU進(jìn)行聯(lián)合，當(dāng)GNSS出現(xiàn)信號(hào)丟失的情況，IMU可以根據(jù)當(dāng)前的位置、速度、方向和角度等建立起相應(yīng)的坐標(biāo)，計(jì)算出預(yù)測(cè)的定位，直到接收到新的GNSS定位資料。2種定位方法結(jié)合后，各自發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，從而提高了車輛的定位精度。

IMU的定位準(zhǔn)確率只有1 m，在岸橋、龍門懸掛的情況下，GNSS的數(shù)據(jù)將會(huì)受到很長(zhǎng)一段時(shí)間的干擾。自動(dòng)行駛的運(yùn)輸車輛的主動(dòng)輪都裝有輪速儀。利用輪速儀可以檢測(cè)出車輪的旋轉(zhuǎn)速度，并利用積分法求出車輛在行駛過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而對(duì)車輛的姿態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

在自動(dòng)行駛的運(yùn)輸車量的各個(gè)轉(zhuǎn)向軸上都裝有1個(gè)角度傳感器，利用車輪的轉(zhuǎn)角信息，通過計(jì)算可以得到車輪的轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向半徑，再通過綜合方法得到車輛的轉(zhuǎn)向角，以實(shí)現(xiàn)車輛的位置預(yù)測(cè)。

2.3 局部定位

通過對(duì)自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)行局部布置，確保了其在整個(gè)工作過程中的運(yùn)行軌跡；而局部的定位可以保證橋式起重機(jī)在龍門吊下安全高效運(yùn)行。局部定位技術(shù)是將視覺定位技術(shù)、激光定位技術(shù)和集卡片定位技術(shù)相結(jié)合的重要技術(shù)。在自動(dòng)運(yùn)輸車輛的前端裝有1臺(tái)攝影機(jī)，不僅可以探測(cè)到障礙物，而且能夠?qū)Φ缆诽卣?、可通行區(qū)域、車道等信息進(jìn)行精確的對(duì)比，從而確定當(dāng)前位置。

車道線的識(shí)別是為了確保車輛側(cè)向控制的準(zhǔn)確性。將圖像中的像素點(diǎn)進(jìn)行分割和提取，然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割，獲得最終的車道線。在港口內(nèi)部封閉的情況下只有車道線，所以不能用肉眼來進(jìn)行所有維度的定位，只能根據(jù)車輛的軌跡和與道路的方向來進(jìn)行判斷。在此情形下，利用反透視映射(IPM)將攝像機(jī)的視角直接對(duì)準(zhǔn)地面，能夠精確地求出在影像坐標(biāo)系統(tǒng)中車道線的側(cè)向和傾角。通過數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，找出存儲(chǔ)在拓?fù)鋱D中的車輛路線，計(jì)算出目前的航線和平行于道路的橫軸坐標(biāo)。

激光內(nèi)程計(jì)與激光點(diǎn)云匹配是實(shí)現(xiàn)激光定位的重要手段[3]。在自動(dòng)行駛運(yùn)輸車輛的主動(dòng)輪上，輪式里程表在某些情況下會(huì)出現(xiàn)諸如輪胎打滑等問題；當(dāng)車輛載重后，車輛的輪胎半徑會(huì)有不同程度的改變，從而影響到里程計(jì)的準(zhǔn)確度。因此，研制一種高效、魯棒性強(qiáng)的激光里程計(jì)是十分必要的。

將IMU與里程計(jì)的積分結(jié)果結(jié)合起來，利用激光進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)車輪速度的在線標(biāo)定。里程計(jì)的使用范圍很小，只有當(dāng)所有的定位方法都不能使用，并且在地圖上的真空區(qū)域時(shí)，才能起到臨時(shí)的定位作用。當(dāng)車輛在高精度地圖上行駛時(shí)，配合點(diǎn)云地圖，可以避免因里程計(jì)造成的累積誤差。一般情況下，在地圖上，車輛的定位不會(huì)出現(xiàn)太大的偏移，一般都在3 m以內(nèi)，重新定位不會(huì)搜索整個(gè)港口的地圖，只會(huì)在5 m內(nèi)搜索。首先，從地圖中提取可辨認(rèn)的各種特征，如路燈桿、高反射標(biāo)識(shí)、圍欄立柱、地面標(biāo)識(shí)等，從而得到各個(gè)特性的位置關(guān)系。其次，基于現(xiàn)有點(diǎn)云的資料，采用基于深度學(xué)習(xí)的算法，找到對(duì)應(yīng)的特征，并進(jìn)行相關(guān)的定位。最后，將2個(gè)特征進(jìn)行配對(duì)，通過2個(gè)以上的條件，得到了目前的激光和星圖之間的位置，實(shí)現(xiàn)了位置的再確定[4]。該算法簡(jiǎn)單、直觀，并且在有特征的情況下，計(jì)算速度和精度都很高。除了車輛前方的激光雷達(dá)外，激光輪廓掃描自動(dòng)駕駛運(yùn)輸車將裝有向上掃描的激光雷達(dá)。通過對(duì)岸橋、龍門吊橋的外形進(jìn)行掃描，確定起重裝置的中心點(diǎn)，使其在吊車下準(zhǔn)確地進(jìn)行定位，并進(jìn)一步解決了岸橋下龍門吊下僅能識(shí)別車道線時(shí)的縱向定位問題。

目前，無論是遠(yuǎn)控岸橋還是龍門起重機(jī)，都已裝備了集卡導(dǎo)向裝置，采用龍門起重機(jī)管理系統(tǒng)、岸橋管理系統(tǒng)、卡車導(dǎo)航采集系統(tǒng)、岸橋及龍門下方車輛精確停車系統(tǒng)等技術(shù)手段，可以使自動(dòng)駕駛車輛定位更加高效、更加精準(zhǔn)。

2.4 車聯(lián)網(wǎng)高精度定位系技術(shù)

隨著5G和基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。高精度定位是整個(gè)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心，包括終端層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。終端層采用多源融合(衛(wèi)星、傳感器和蜂窩網(wǎng)絡(luò))技術(shù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)的定位要求；平臺(tái)層提供了汽車定位系統(tǒng)的集成功能，包含了集中差分算法、地圖數(shù)據(jù)庫、高清動(dòng)態(tài)地圖、定位引擎，以及定位能力的開放；網(wǎng)絡(luò)層由5G基站、RTK基站、路旁單元(RSU)組成，可以保證定位終端的數(shù)據(jù)可靠傳送；應(yīng)用層的高精度定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車道級(jí)導(dǎo)航、線路規(guī)劃、自動(dòng)駕駛等功能[5]。

3 結(jié)語

根據(jù)港口實(shí)際情況和現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，運(yùn)用多種定位方法和多種傳感器信息進(jìn)行融合，在各個(gè)地區(qū)分別制定了一種光滑的變換方法。采用基于圖像的方法，可以很好地克服因 GNSS的干擾和多路徑的影響而導(dǎo)致的無源或信號(hào)漂移，同時(shí)也能保證自動(dòng)駕駛車輛在吊車下的精確定位。