群體智能無人專用車系統導航技術研究

宋朝忠，鐘應鵬

[摘? ? 要]因為產業智能及無人化將無人駕駛技術視為產業升級的關鍵手段，所以大量裝備制造產業公司開始接觸并逐漸開設項目進行無人駕駛設備研發。農機、貨運、清掃等行業都是自動駕駛方案業務的目標客戶。此項目開發完成后，裝備制造產業公司可基于無人系統與多家不同領域的裝備制造商簽訂合作協議，實現群體智能化改裝方案銷售;隨著無人專用車系統的成熟和推廣，其將承接更多的無人駕駛改裝方案的開發任務。文章以此為基礎進行探討，以期為其他學者提供參考。

[關鍵詞]群體智能;無人專用車;系統;導航技術

[中圖分類號]TO271 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–000–03

Research on Navigation Technology of Swarm

Intelligent Unmanned Special Vehicle System

Song Chao-zhong，Zhong Ying-peng

[Abstract]Industrial intelligence and unmanned technology regard unmanned driving technology as a key means of industrial upgrading. A large number of equipment manufacturing industry companies have begun to contact and gradually set up projects for the research and development of unmanned equipment. Industries such as agricultural machinery， freight transport， and cleaning are all target customers for the autonomous driving solution business. After the development of this project is completed， it can sign cooperation agreements with many equipment manufacturers in different fields based on the unmanned system to realize the sales of group intelligent modification solutions; as the unmanned special vehicle system matures and promotes， it will undertake more unmanned vehicles. The task of developing a human-driving modification program. The article will conduct in-depth discussion on this basis in order to provide reference.

[Keywords]swarm intelligence; unmanned special vehicle; system; navigation technology

1 導航定位系統分析與設計

要想一個無人專用車在道路上可以安全行駛，設定好導航定位系統是非常重要的。導航定位系統從車輛行駛開始直到車輛到達標準地點，這期間所有的行程位置都務必是可知的，并且可以被用戶準確無誤地查詢到。因此，設定智能無人專用車的導航定位系統，對其進行系統分析與設計是極其重要的。而這就需要應用到無線定位技術準確地核實車輛行駛過的地點，并且在特殊情況下可以實時跟進與追蹤。然而，目前無線定位系統還沒有絕對完善，其主要包括視覺行駛定位系統以及超寬帶定位系統（ultrawideband，UWB）等。

1.1 常用定位系統在無人駕駛導航定位中的分析

1.1.1 衛星定位

無人駕駛領域的定位導航方法有GPS定位、衛星導航、慣性導航、激光雷達定位導航以及視覺定位導航等。GPS定位系統使用的測量方式是三角測量，即通過測量當前位置距離3個不同坐標的距離時，就可以定位智能無人駕駛汽車在行駛過程中的當前位置。總得來說，GPS定位系統主要由衛星、地面控制系統和用戶設備3部分構成。衛星分布在世界各地的控制站，分布范圍廣泛。GPS定位系統存在2個問題：在信號較差的地方會影響其精度，更新頻率較低（10次/s），這對快速移動的無人駕駛車輛會造成很大的誤差。一輛以60 km/h速度運行的汽車，在0.1s內造成的誤差接近2 m。這在使用衛星定位中的圖像定位時，容易導致定位點信號丟失或容易受到干擾，使車輛位置產生偏差，因此，不能只針對目前以新型衛星定位圖像移動定位系統應用為主的一輛無人駕駛車輛直接進行衛星圖像定位。

厘米級差分高精度定位的觀測方程式集中在一起可組成一個如下的矩陣方程：

其中M-1個相互獨立的雙差載波相位測量值表達為等式左邊，各個雙差周整模糊度值Nur，基線向量bur就能從該方程中求解。

1.1.2 慣導定位

要了解什么是慣性導航，首先需要將這個詞組拆分成兩個部分，即導航+慣性。導航解決了人們從一個地方到另一個地方的方向問題。慣性，最開始源于牛頓力學，是指物體具有保持其運動狀態不變的屬性。具有物體運動狀態信息記錄的功能。而其位置信息可以說就是通過加速度信息積分得出的，可以算作是一個“副產物”。慣性導航具有自備性及可靠性。即慣性導航在使用過程中，不需要依賴外界幫助就能很大程度上完成定位工作。例如太陽黑子爆發就有可能影響衛星信號的接收，但是對于慣性導航來說，其受到的干擾很小。并且具備自備性的導航設備，只有慣導一種。

1.1.3 視覺里程算法定位

相比GPS的被動定位和對有源信號的需求，視覺SLAM更注重實現無人車對未知無源環境的主動感知，實現自身實時定位和路徑規劃，更好地完成實時避障和自動導航任務。基于智能無人駕駛車輛的實用性來說，相比昂貴的激光雷達，視覺傳感器具有更低的構造成本和更豐富的信息采集量，具有體型小，便于安裝配置的優勢。

1.1.4 超帶寬定位

超寬帶定位是一種廣泛使用了提高報文信息到達率和時間差的新型移動無線通信定位技術。用這種UWB定位方式對其進行標準定位，需要一個被標準定位的通信終端、一個普通參考定位基站以及至少3個普通參考基站。這個新的UWB定位終端就被稱為一個UWB定位標簽（tag），UWB標簽定位使用方式設計示意圖如圖1所示。

使用每個參考UWB基站標簽進行每次標簽數據定位時，經過一系列的處理，經過標簽數據庫的解析，UWB到各個基站參考者到基站的標簽數據沒有時間差，當標簽數據進行解析計算后得出來后的時間差數據中的標簽數量最小長度大于或數據長度最大等于3 h時，可直接選擇利用數據計算公式。

建立四元二次微分方程標簽組，解析計算方法求得了UWB 4個標簽的交點位置。

UWB基站定位的位置精度在厘米數量級，能夠完全滿足很多無人駕駛智能車輛對基站定位的各種需求。UWB基站定位這種方式高度完全依賴整個UWB基站，建設過程成本高昂，在很多無人駕駛智能車輛中不一定建議單獨安裝使用，而UWB基站定位這種方式用來進行基站定位。

1.2 無人駕駛導航定位設計

本文分析使用捷聯衛星慣導定位、捷聯車和慣導衛星定位、機器駕駛視覺學和里程碑計算法慣導定位和捷聯UWB慣導定位4種系統方式相互聯結合的慣導定位系統方式，能夠同時使一輛無人駕駛車輛在各種高速道路上實現高標準精度慣導定位。將衛星導航定位系統與慣性導航系統和視覺導航系統等聯合進行使用，共同作用于無人駕駛車的行駛過程中，是最優的無人駕駛導航定位設計方案。這些定位導航系統經過一系列的改進與融合應用，能夠從很大程度上上取長補短，避免了各自的缺點，融合成一個集成型的導航定位系統，如此應用與智能無人駕駛汽車上，增加行駛的安全保障。將衛星導航系統與視覺導航想組合應用，可以從很大程度上通過算法的數據分析，確定出行駛過程中的前后方車輛的運動情況等因素，并且對其進行識別，可以從很大程度上避免了智能無人駕駛汽車的交通安全事故的發生，保證了交通安全。然而，在信號不通暢的地方，如底下隧道，如果單純使用衛星定位系統進行智能無人駕駛汽車的定位工作，是不可靠的。因為衛星自動定位系統可能會從很大程度上失去智能無人駕駛汽車的信號源，從而對智能無人駕駛汽車的準確位置不能精準進行定位。因此，可以讓UWB衛星定位系統與其融合，可以從很大程度上讓智能無人駕駛汽車的定位更加準確。在此種汽車混合自動定位應用模式下，無人駕駛車輛系統能夠輕松實現車輛持續高速低精度混合定位。汽車混合自動定位系統示意如圖2所示。

2 智能車系統設計

為了有效實現汽車無人駕駛自動車輛從目標起始指定位置自動加速行駛并直至到達目標指定位置，無人駕駛自動車輛系統要充分應用自動駕駛定位導航、路徑路線規劃、運動姿勢決策和速度控制等功能，對系統模塊進行各種模塊化架構設計，無人小車駕駛硬件控制系統總體框圖設計如軟件圖3所示。

2.1 選擇主控芯片

主控系統模塊器件芯片外設器件是用于實現汽車無人駕駛自動操控系統車輛的重要一個核心部件，需要同時使用結合外圍汽車主控模塊器件，因此，選擇的汽車主控模塊芯片外設器件應必須同時具有一個新的fsmc總線接口協議串行接口作為通用汽車自動主控系統模塊外設芯片。

2.2 小車系統電源設計

電機小車驅動系統的電壓為12 V，屏幕顯示電源工作電壓為5 V。因此，小車驅動電池就是采用12 V輸出電壓進行輸出的小車電池，以便提供給小車系統各個電源模塊同時使用。并且其最大功率輸出投入電流設定為1.5 A，最大功率輸出投入功率分別設定為7.5 W和4.95 W，經過對兩款小車驅動系統電源功耗情況進行綜合分析我們可以明顯發現，兩款小車電源控制芯片同樣能夠為整個小車系統提供一個足夠的最大功率投入輸出，并且具有一定的最大功率輸出裕量。

2.3 定位系統設計

該自動定位管理模塊的當前衛星定位精度信息范圍約2.5 m，首次上車輸入衛星定位后的持續時間定位精度為32 s。自動定位管理模塊在運載車輛首次上車完成通電后，會自動對其文件進行定位文件格式初始化，初始化定位工作進行完成后，定位數據會被傳送給電腦，車載電腦按照相同或與其對應的協議標準解碼格式對其進行文件解碼后并計算當前定位精度數據，解碼后的計算定位工作進行完成后再由車載電腦自動分析獲得了該模塊車輛的當前各個定位點的位置精度信息。

機器人的視覺圖像通過各種攝像頭接口，可以同時采集不同的圖像信息訊號，而所采集的圖像訊號及顏色深度應具有高分辨率。以利于提高對物體重要特征的辨識度，降低由各種不同圖像系統信號采集而出現的圖像信號誤差。本文研究的系統軟件設計主要采用了一款基于ovcmos多種圖像信號傳感器及其接口制作的多種不同攝像頭輸出信號系統ov5640。其最大輸出功率可同時輸出多個不同像素的圖像，支持jpg、png、tif等多種不同圖像格式的圖像訊號信息同時輸出。

2.4 電機驅動模塊設計

單片的電機設計能夠直接控制電機輸入，pwm用來控制驅動電機的最大轉動量和速度。pwm的輸出占空比越大，電機進行轉動時的速度越快。

2.5 系統原理

此系統的核心部分主要分為6個模塊，為mpu9250接口驅動開關電路模塊等6個核心模塊，并且這6個核心模塊總體設計方案構成了本產品系統內部模塊整體的電機工作電路原理設計結構圖。

3 樣機及性能測試

設計師在制作完成所有整個車輛關鍵部件主要原理加工設計圖后，可以對所有整個車輛主要部件原理進行全部加工焊接和部件安裝調試。驅動系統控制支架設計中，主控系統需要準備使用一塊同時帶有一個電源驅動控制支架和srgb888屏幕接口排線部件接口的整個驅動支架stm32f429的最小汽車控制驅動系統板。同時主控需要準備一塊萬用板，將一輛微型小車所用的需要同時使用的所有汽車主機電源驅動控制支架芯片、mpu9250模塊、電機控制芯片定位驅動系統控制支架模塊、gps88定位驅動控制支架模塊等經過處理，構成自動化乘務。最后各個功能模塊的自動數據采集準確無誤后，對各個功能模塊的自動數據處理進行自動算法分析融合，使自動小車系統能夠非常持續穩定地實時獲得高質量精度的自動定位路徑信息，進行自動定位路徑運行規劃。

4 技術實施步驟

（1）調研準備階段。組建項目團隊，查閱人工智能相關的國內外最新論文，即查閱已具有的汽車級開源操作系統源代碼，所有相關的技術標準和體系標準。調查國外域控制器的最新實現方法和功能安全實現方法，以及所有相關的芯片及硬件架構選擇。制定產品項目改進任務書，公司產品技術總體設計改進方案及產品技術改進路線圖的選擇，制訂項目實施計劃、風險分析及相應的應對措施、采購相應硬件設施。

（2）項目實施階段。項目的實施基于開發計劃，主要的實施過程有感知融合算法開發、5G技術應用、算法移植、樣機準備、樣品測試等。完成域控制器的所有設計方案，分析所有國內、外最先進的同行案例，對比分析保證先項目技術先進性。

（3）項目測試階段。對系統相關設計算法參數做出了調整設計參數，并對其做出了相應的系統性能穩定測試，使其在不同的技術使用條件環境下，達到其所預定的性能穩定性和性能可靠性。解決系統調試中可能出現的各種問題，算法兼容性的測試。系統進行實際應用測試，將系統安裝于無人專用車樣車，進行包括汽車全場景路測，域控制器多場景應用實測，芯片多場景應用實測等系列測試。

（4）項目應用階段。對實現的自動駕駛多傳感器及5G的融合感知和規劃關鍵技術輸出，應用于正在實施和將要實施的商業項目中，并對已完成的商業項目進行升級。

5 結束語

隨著時代的不斷發展，我國的信息技術也在不斷發展，所以在智能無人駕駛車的應用過程中，合理地提高定位系統的設計方案是極其重要的，利用慣性定位以及衛星定位等定位系統，并且做出創新和改革應用于無人駕駛汽車上是有著廣闊的發展前景的。而提高這些定位系統的精度并且減小偏差也是非常重要的。這主要通過各個定位系統的相互融合以及優點借鑒在組合之后產生數據分析，找出最佳的數據算法來確定無人駕駛汽車的定位。因此，對于智能無人駕駛汽車的未來發展來說起到了極大的促進作用，也讓社會大眾的出行變得更為便利輕松。

參考文獻

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