無人駕駛小車導航系統研究

李 玉 張培明

（濰坊科技學院，山東 壽光262700）

1 無人駕駛小車導航系統的研究意義

無人駕駛小車(AutomatedDrivingVehicle，簡稱ADV)的導航方式影響系統運行時的可靠性以及物流系統的柔性，伴隨著科技的發展，ADV 的導航方式也在更新換代。按照ADV 導航線路的形式，可分為自由路徑導航方式、固定路徑導航方式兩種不同的導航方式。固定路徑導航方式其優勢是價格較低，定位精度較高，而且相對穩定可靠，但由于其路徑被固定，因此對現場環境要求較高。自由路徑導航方式的優點是其路徑可以改變不同的形式，有良好的柔性，對現場環境的要求與固定導航方式相比相對較低，但由于其定位精度受使用的設備及導航控制算法的限制，使得其在擁有與固定路徑導航方式相同定位精度的情況下，其ADV 的價錢也更高。

2 現階段無人駕駛小車導航系統分析

目前，無人駕駛小車常用的導航方式有光學導航方式、激光導航方式、磁帶導航方式、電磁感應導航方式和視覺導航方式等五種導航方式。光學導航原是借助于光學敏感器測量來確定航天器相對位置和姿態的一門技術，由于其導航精度較無線電導航更高，故又成為光學精確導航。后將光學導航方式應用到無人駕駛小車上，即使用在行走路徑上涂抹染料、油漆或者粘貼色帶等方法，利用光學傳感器接收色帶圖像信號進行辨別和簡單處理來實現無人駕駛小車的導航，其優點是導航路徑設置能夠靈活改變，但對色帶損害與污染很敏感，容易受現場環境限制。激光導航方式的長處是擁有較好的柔性，能夠快速適應外部環境，無需對地面進行任何處理，路徑靈活變換不受限制，可適用于各種現場環境，而且進行修改運動參數及行駛路徑等操作簡便易行，但其控制及導航算法最為復雜，定位精度取決于激光頭及算法，使得ADV 的成本較高。磁帶導航方式的優點是其磁帶鋪設相對簡單，更改導航路徑也比較簡單，但易受干擾與外界環境的限制，只能在條件良好的環境中使用。電磁感應導航方式的優點是導航線隱蔽，不易被污染和破壞，原理簡單可靠，成本低，缺點是其導航路徑的改變條件受限，且增加或改變路徑費時費力，難以適應多變的環境，靈活性差。視覺導航方式得最大的優勢是ADV 成本低廉，能夠獲取豐富的信息，可構建全景的三維地圖，與其他硬件結合實現全自動導航，然而現場光線變化難以控制，使得其運行不夠穩定，且當前硬件設施存在各種各樣的問題，難于滿足其實時性要求，現有的圖像處理算法也并不成熟。

3 研究內容

3.1 考慮現有技術以及無人駕駛小車導航方式存在的問題，我們要研發一種能夠提供路徑可靈活變換、擁有良好的柔性、并且造價低廉且不受室內外環境限制的無人駕駛小車導航系統。為實現這些目標，使無人駕駛小車導航系統擁有優良的性能，我們致力于研發出一種適用于室內外各種環境導航的無人駕駛小車導航系統。

3.2 導航系統包括：衛星導航模塊、慣性導航系統，當無人駕駛小車在室外行駛時，二者啟動，在室內行駛時關閉，通過衛星導航系統檢測無人駕駛小車的當前的位置信息，慣性模塊接收的無人駕駛小車當前的姿態信息，并將接收到的無人駕駛小車的當前的位置信息、姿態信息傳輸給控制模塊；磁帶導航模塊，在無人駕駛小車在室內行駛時啟動，在室外行駛時關閉，將其檢測到的磁信號傳送給控制模塊。

3.3 控制模塊與衛星導航模塊、慣性導航模塊相連，當無人駕駛小車在室外行駛時，通過衛星導航模塊接收無人駕駛小車的當前的位置信息和當前的位姿信息，并將其傳送給控制模塊，以此來實現對無人駕駛小車的閉環控制；控制模塊與磁帶導航模塊相連，當無人駕駛小車在室內行駛時，通過磁帶導航模塊接收的磁信號實現對無人駕駛小車的閉環控制。

4 基本功能

4.1 利用四大基本模塊之間的相互聯系，無人駕駛小車可利用無人駕駛導航系統實現室內外的無人駕駛小車的導航。無人駕駛小車導航系統由衛星導航模塊1、慣性導航模塊2 以及磁帶導航模塊3 控制模塊4 組成。其中，衛星導航模塊1 可以是全球衛星定位系統(GPS)導航模塊，也可以是其他衛星定位系統導航模塊，例如我國的北斗衛星定位系統導航模塊、伽利略衛星導航系統模塊、俄羅斯全球導航衛星系統模塊。無人駕駛小車導航系統根據實時變換的環境數據對小車進行導航。具體來說，無人駕駛小車在室外行駛時利用衛星導航模塊1 和慣性導航模塊2 完成操作。當無人駕駛小車在室外行駛時，衛星導航模塊1開啟，將其接收到的無人駕駛小車的當前的位置信息實時傳送給控制模塊4，同時開啟慣性導航模塊3，將處理得到的無人駕駛小車當前的姿態信息及時傳輸給控制模塊4，由控制模塊對兩部分信息進行整合處理，繼而發布指令，使無人駕駛小車按照規定路徑以及合適的速度穩定行駛。其中，位姿信息包括位置信息、速度、轉向角、加速度等。其運動模型表述如下：

其中，L 為車輪軸距。

4.2 無人駕駛小車在室內行駛時利用控制模塊與磁性導航模塊完成指令與操作，在無人駕駛小車在室內行駛時啟動磁性導航模塊與控制模塊，關閉衛星導航模塊、慣性導航模塊，利用磁帶導航模塊檢測磁信號，然后輸送給控制模塊，控制模塊對磁信號進行分析處理得到導航路徑信息和指示用的無人駕駛小車的姿態信息，并利用該導航路徑信息和指示用的姿態信息對無人駕駛小車實行閉環控制，使無人駕駛小車按照既定的速度及路徑行駛。

4.3 無人駕駛小車導航系統其混合采用了衛星導航模塊、慣性導航模塊、磁帶導航模塊等不同的模塊，可實現自由切換室內和室外兩種不同的導航方式，適應復雜多變的壞境，滿足室內及室外導航的雙重需求，成本低且容易接受。此外，該無人駕駛小車導航系統采用了衛星導航和慣性導航進行雙重定位，利用融合算法得到車輛實時傳送位置信息，保證了定位精度。使其擁有定位精度高、控制穩定可靠、結構簡單、不受外界環境干擾與路徑要求限制、導航路徑修改方便等優勢，因此無人駕駛小車導航系統是一種高效、實際可操作的導航系統。

5 無人駕駛小車系統進一步發展

此外在無人駕駛小車導航系統的基礎上，無人駕駛小車還能夠有選擇地與其他模塊相結合，可以與單個模塊結合，也可與多個模塊同時結合，無人駕駛小車導航系統還可與自動充電模塊、防撞模塊、無線通信模塊、電量顯示模塊、語音提示模塊相結合實現不同的功能。自動充電模塊的作用是在無人駕駛小車的電量不足時，將電量信息及充電指令的信號及時反饋給控制模塊，而后控制模塊再根據無人駕駛小車的當前的位置信息、當前的小車的姿態信息或磁信號進行整合處理，發布指令，指引無人駕駛小車行駛到指定充電位置進行充電。防撞模塊的作用是用于檢測行駛路徑是否存在障礙物，若檢測到障礙物的存在，及時向控制模塊發送障礙物的位置信息，控制模塊根據障礙物的位置信息、無人駕駛小車的當前的位置信息、當前的姿態信息或磁信號對無人駕駛小車完成閉環控制操作，使無人駕駛小車對障礙物及時進行規避，實現正常行駛。無線通信模塊的作用是通過控制模塊相連，用于無線通信。電量顯示模塊是通過與控制模塊相連，用于顯示電量信息。語音提示模塊的作用是與控制模塊連接用于進行語音提示。

6 結論

本文所述無人駕駛小車導航系統比其他導航系統更有優勢，無人駕駛小車導航系統及導航技術擁有廣闊的發展前景，但其需要進一步的鞏固與創新，需更更多科研人員的努力。在不久的將來無人駕駛導航系統會更加完善，與現有的交通系統有效結合，改善交通擁堵的情況，促使人們更好、更快、更安全的出行，并期待其能夠成熟的應用于無人駕駛汽車，與人們近距離接觸，讓科技走進生活。