基于北斗導航的無人駕駛垃圾清潔車

(桂林電子科技大學信息與通信學院 廣西 桂林 541004)

一、背景及意義

我國國民經濟水平在不斷提高，環境問題也逐漸顯現。特別是到了旅游旺季，即使各個景點都雇傭了很多清潔衛生人員，但是依然不能及時清理垃圾，影響環境美觀，破壞市容。而這些問題借助于北斗導航無人駕駛清潔車，可以快速有效解決。由于我國北斗導航系統的不斷完善，基于北斗導航系統的無人駕駛車輛的研發也得到了國家以及相關部門的大力支持，以此來推動我國無人駕駛車輛的技術水平與國際水平相接軌，因此，可以預想隨著技術成熟度的不斷提高，我們可以通過這項技術生產無人駕駛清潔車，保證城市的干凈美麗，減少人力勞動費用開支，有效而快速地工作。

二、總體設計方案

該產品的主要目的是在無人駕駛的條件下完成在城市環境中的道路清潔。主要通過北斗導航系統獲取車輛當前位置信息、速度和航向，再由環境識別系統對周圍環境進行感知，識別各種障礙和交通標識，最后通過計算機處理環境和位置信息，建立環境模型，根據一定的控制算法規劃駕駛路徑，再由控制系統控制車輛行動從而完成車輛的自主駕駛和道路清潔。

三、工作原理與性能分析

(一)環境感知和交通識別系統

1.環境感知系統。環境感知系統是垃圾清潔車無人駕駛的一個重要組成部分，也是實現智能化行駛的一個關鍵因素。環境感知因素能夠在最大程度上發揮設備的潛能，實時搜索并采集路面的狀況，形成數據信息參考。總的來說，就是對環境進行感知，形成數據信息。在清潔車的自主行駛過程中，會遇到各種各樣的情況。路過的行人，穿梭的動物，并排的非機動車等，都是路面障礙的一種，會對清潔車的行駛產生影響。環境感知系統能夠對路面障礙提前預知，以指導清潔車及時做出反應，例如剎車、倒退、避開障礙物、選擇最佳可通行道路、識別打掃垃圾物等。

2.交通識別系統。交通標示識別模塊主要有以下幾部分：圖像與視頻的輸入；交通標示與交通信號燈的檢測與識別；識別結果的輸出；實驗數據庫和訓練樣本數據庫；識別結果的輸出。

車道線檢測與識別模塊是通過對傳感器進行車道線檢測和提取，獲取行駛道路上的車道線的位置，它是清潔車無人駕駛安全的基礎。清潔車主要是采用相機作為傳感器，提供車輛在當前行駛地圖中的位置，幫助無人駕駛車輛遵守交通規則，為自主行駛清潔車提供導向，提高行車的穩定性。

道路路沿檢測模塊將道路路面與四周的環境進行區分，然后快速精確地檢測行駛處道路，為清潔車的自主駕駛選擇最小風險的可通行區域。清潔車采用三維激光雷 達來進行道路邊界的檢測。

車輛檢測模塊測試通過對圖像進行處理來將環境中的車輛檢測出來。

障礙物檢測模塊是通過分析處理各種激光雷達返回的數據，將這些數據進行柵格化處理，投影到柵格地圖中，從而實現對環境中障礙物的檢測。

多傳感器信息融合與環境建模模塊是將各種傳感器獲取的環境信息進行融合，建立起道路模型并最終用柵格地圖進行表示。

(二)控制執行系統。控制執行系統由全局路徑規劃、局部路徑規劃、底層控制三部分組成。在這其中，全局路徑規劃用來判斷車輛當前所在的位置，然后依據車輛的位置信息給出車輛的路徑控制要求，它會將當前的位置信息與計算機中的數據庫結合，把橫向與縱向控制模塊的要求分別發送到局部路徑規劃；局部路徑規劃有縱向控制和橫向控制，其中縱向控制是對智能車輛的速度或者加速度進行控制，橫向控制是對車輛的行進轉向部分進行控制，它將依據收到的信息與北斗高精度導航定位、激光雷達檢測到的信息相結合，得到前輪轉角指令和速度指令，發送給底層控制模塊；底層控制模塊包括控制速度和前輪轉向，依據局部路徑規劃所發送的指令控制。

1.全局路徑規劃。對于全局路徑規劃，此模塊主要接收交通標志與交通信號燈檢測、減速帶和停車線的檢測以及北斗定位模塊的運行結果，然后依據這些檢測結果判斷目前智能車在全局中的位置，將此相關信息發送給控制性能要求模塊，控制性能要求模塊再根據智能車目前的信息，結合儲存在計算機中的數據，分別給出橫向控制要求和縱向控制要求，最后將其發送給局部路徑規劃。

2.局部路徑規劃。對于全局路徑規劃，此模塊主要接收交通標志與交通信號燈檢測、減速帶和停車線的檢測以及北斗定位模塊的運行結果，然后依據這些檢測結果判斷目前智能車在全局中的位置，將此相關信息發送給控制性能要求模塊，控制性能要求模塊再根據智能車目前的信息，結合儲存在計算機中的數據，分別給出橫向控制要求和縱向控制要求，最后將其發送給局部路徑規劃。

3.底層控制系統。底層控制是智能車的一個基礎系統，所有規劃系統的處理結果都需要依靠底 層控制來實現，其主要控制智能車的運動，包括：前進、后退、轉向、掉頭以及剎車。它接收由局部路徑規劃系統發送來的指令，然后依照這些指令執行相應的動作，從而控制清潔車的駕駛。從功能上來說，環境感知系統相當于“眼 睛”和“耳朵”，上層規劃系統相當于“大腦”，底層控制系統則相當于“手” 和“腳”，是清潔車的動作執行機構。

四、創新點及應用

在經濟性方面，該清潔車采用無人駕駛技術，維護簡單，可大大減少在道路清潔中耗費的人力資源和管理費用,同時可以減少清潔工人在工作中發生車禍的危險。

在智能性方面，該清潔車采用智能控制系統、全方位感知系統、基于北斗定位的無人駕駛智能系統，使該清潔車不僅可以下降環衛人員的勞動強度，又可以作為移動的智能終端，成為建設現代化城市的重要載體。

在高效性方面，在導航系統的幫助下，該清潔車可以智能規劃各自的清理區 域，并且相比于人力清掃，無人車可以保證更高的的出勤率和更穩定的工作質量，大大提高工作效率。

在可靠性方面，在導航系統、相機和激光雷達和識別系統的幫助下，清潔車 可以對周圍環境進行準確感知并建立模型，再由計算機規劃出合理的行駛路徑，保證無人駕駛的可靠性。