GPS與陀螺儀捷聯導航的自助通勤車控制系統

謝 夢，郭佳琪，盛國良，童其祥，金 蓉

南京工程學院，江蘇 南京 210000

0 引言

隨著我國教育事業的迅猛發展，各大高校招生規模越來越大，高校占地面積也隨之急劇增大。校區內各功能區域的間距都比較大，在各區域間步行所用的時間很長。這就給學生、老師（特別是一些老教師）的生活、學習、出行帶來了一些不便。在這種情況下，校園內“通勤車”的需求變得越來越迫切。本論文提出一款基于GPS與單軸陀螺儀導航技術的自助式無人駕駛電動小車基本能夠解決這個問題。本論文從人性化的設計思路設計自助通勤車。當乘客上車后并在觸摸屏上選擇目的地后，通勤車給出幾條路徑供乘客選擇并將乘客送到目的地，到達目的地后控制系統進行語音提示。

本論文設計的自助通勤車采用GPS與單軸導航技術，無人駕駛。GPS導航技術是近年來運用和發展最快的技術之一，廣泛用于軍事、航空航天、汽車等各個領域。它具有全球、全天候工作，定位精度高等特點。

1 系統總體結構

系統由車輛調度系統與車輛控制系統兩大部分組成，車輛調度系統是基站為固定站，車輛控制系統是車載活動站。通常民用GPS的定位精度為10米，以這種精度是無法作為無人駕駛導航的信號，另外在一些校園或景區的道路上有可能會因為樹陰或高層建筑而變成GPS信號盲區，無法正常接收GPS信號，為了提高GPS定位系統的信號實時可靠，系統采用雙GPS接收信號，抵消掉GPS的信號漂移。另外安裝在車輛上單軸陀螺儀與編碼器對車輛與基站的方位與距離進行檢測，為車輛在GPS盲區進行定位與導航?；九c通勤之間由無線的方式進行通訊，在道路與建筑物上安裝無線節點，使得基站與通勤車都處于無線網絡的覆蓋中。系統框圖如圖1所示。

圖1 自助通勤車系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 自助通勤車控制器設計

基站主要由計算機組成，在計算機串行通訊接口上安裝了ZigBee模塊和GPS接收機，并將基站天線與GPS天線安裝在室外。

自助通勤車的控制系統由ST公司的ARM——STM32F103VET6為核心，主頻為72MHz，片內512KB Flash，內置五個高速串行通訊接口，并通過FSMC高速前端總線控制顯示專用ASIC驅動TFT全彩液晶屏，內置兩個SPI接口，觸摸屏安裝在SPI接口上。自助通勤車控制系統如圖2所示。

圖2 自助通勤車控制器系統結構圖

控制器采用模塊化設計方式，將位置檢測與電機驅動器作為單獨功能模塊分別進行設計，通過設計通訊協議完成對位置信號的檢測與電機驅動。同時通過ZigBee模塊將通勤車的狀態發送到無線網絡中。并可以接受來自基站的控制指令。

2.2 位置檢測裝置設計

圖3 位置檢測裝置系統結構

位置檢測原理：

位置檢測的原理是利用MEMS單軸陀螺儀測量車輛的偏航角，利用編碼器測量車輛的里程，采用極坐標的方式計算小車當前的位置，由于采用民用級MEMS單軸陀螺儀，其精度不高，在導航過程中積累誤差較大，所以只能作為短距離導航。所以適合在GPS信號不足的情況下作為一種替代的方式進行導航。位置檢測裝置系統如圖3所示。

單軸陀螺儀選用ADI公司的ADXRS300，該陀螺儀的精度為1度，通過對ADXRS300的信號進行積分算出其偏角，因此需要將ADXRS300安裝在車輛的質心上，如圖4所示。編碼器則安裝在通勤車的后輪上，通過對兩后輪的位移差檢測得出通勤車的實際先進距離。

圖4 單軸陀螺儀位置檢測示意圖

3 系統軟件設計

本次設計的通勤控制系統是分布式控制系統，每個功能模塊相互獨立，同時又可進行數據實時交換，降低了單個系統的計算載荷并提高整個系統的速度與精度。根據系統的分布，系統中各單元的功能劃分如圖5所示。

3.1 調度系統

調度系統是在計算機上通過桌面設計軟件編寫的，調度系統的任務包括通訊管理、車輛管理和任務管理。通訊管理負責與車載系統的通訊，車輛管理負責監控通勤車的狀態，任務管理負責分配通勤車的任務。

3.2 車載控制系統

車載控制系統中位置檢測裝置將導引信息中GPS信號進行計算，并與預設的地圖信息進行對比，并以此選擇行駛路徑。當通勤車處于GPS信號盲區時，將切換至陀螺儀的導航，通過對編碼器的計算得出的極徑l，對陀螺儀的信號進行積分得出極角a，通過式（1）的計算由極坐標系換算成x,y坐標系，此信號為增量信號，當GPS信號正常時切回GPS導航模式。

通勤車控制器根據GPS信號強度選擇GPS導航或陀螺儀導航，通勤車的位置信息實時修改路徑信息并進行路徑搜索形成行走段表同時結合障礙檢測產生對電機驅動器的行走控制與轉向控制。對于電機驅動器，對于每個行走與轉向任務都相應分配啟?？刂婆c加減速控制。

圖5 通勤車控制系統軟件功能

4 結論

通過設計與樣機驗證，用分布式系統將通勤車載控制系統按主要功能分成了通勤車控制器、位置檢測裝置和電機驅動器。提出了一種通勤車控制系統的設計方法。