多傳感器信息融合的無人車導航系統設計研究

惠州市德賽西威汽車電子股份有限公司 張愛群 李炯球

為了切實推動智能無人車的安全行駛、實現環境感知，本文分別就系統綜合設計工作、硬件系統設計、分析控制系統設計三個方面分析如何實現無人車導航系統的設計工作，并透過系統測驗，驗證多傳感器信息融合導航系統本身的應用效能。

在現代社會的快速發展下，智慧交通已經成為大勢所趨，通過無人車的應用，能夠有效保障交通控制系統的穩定運行。而通過應用基于多傳感器信息融合的無人車導航系統能夠有效提高導航性能，促使切實帶動地圖信息和空間結構的一致性和穩定性。

1 無人車導航系統設計

1.1 系統綜合設計工作

伴隨著各種現代信息技術的快速發展，社會生活出現了方方面面的改變。無人車駕駛技術開始改變以往運作模式，進行技術創新。但是事實上，在無人車行駛過程中極易出現諸多問題，如果采用單一傳感器完成導航，很容易出現操作穩安全性問題，在此情況下，通過構建多傳感器信息融合導航系統，能夠有效克服單一傳感器導航系統的弊端，提高導航性能，形成良好的定位效果。工作人員可以直接通過應用多傳感器信息融合組合導航系統完成物體探測工作，探測性能較為穩定，而且能夠將最新探測得到的空間信息進行自動增加，進一步完善地圖內容，實現地圖內容和實際空間環境的有機統一，而且還能夠智能推薦導航路線，有效提升導航的精準性和穩定性。本文則基于傳統的單一傳感器導航方式，對其進行修正，并能夠對導航系統性能進行研究，有效優化空間信息采集質量和采集效率，切實保障無人駕駛智能車的穩定運行。

在對無人機進行設計工作時，則以四輪驅動平臺作為整個無人機的平臺基礎，并通過感知系統完成對實際地理環境多種空間信息的采集工作，并能夠透過采集得到的數據信息，通過控制系統完成融合處理工作。融合處理得到的數據信息，可以及時進行反饋，從而促使無人車能夠智能展開駕駛行為，切實保障無人車運行效果。

基于感知硬件系統，無人機導航系統能夠完成無人車位置姿態信息的動態監測，并能夠借助激光雷達掃描，搭建二維場景地圖信息。在實際地面工程中的障礙物也能夠完成標定。基于數據控制系統，無人機導航系統能夠完成無人車數據的標定，進而融合和處理數據信息，靈活控制無人車驅動鉆機轉速，從而完成車輛自動駕駛工作。

1.2 硬件系統設計工作

（1）二維激光測距儀

二維激光測距儀借助激光測距原理，能夠完成不同區域的定位、監控和輪廓測量工作。除了二維激光測距儀，還有一維激光測距儀、三維激光測距儀。二維激光測距儀作為一種檢測效果穩定且精準的單線激光雷達，能夠實現360°的掃描工作，最大掃描半徑大約在6m左右，整體掃描速度處于4000Hz。當二維激光測距儀處于運行過程中，能夠由測距儀發射端進行激光發射，當檢測物體在發射后形成反射作用，進而將其傳回到接收端。二維激光測距儀的應用原理則為通過測距三角，從而完成距離測量工作。通過二維激光測距儀能夠檢測到測距儀和物體之間的準確距離。測距儀通過驅動電機能夠完成空間環境的智能檢測，從而快速獲取空間范圍內所有的數據信息。而獲取得到的二維距離信息數組中不僅包括空間角度信息，而且也涉及到距離信息，通過數據處理工作，能夠進一步明確空間環境中的障礙物情況，實現智慧交通。

（2）深度攝像頭

近些年來，各行各業對于深度視覺的需求不斷增加，主要應用的深度視覺產品則為深度攝像頭，通過深度攝像頭的作用，有效保障導航效果，也能夠準確識別和勘測路面信息。采用深度攝像頭相比于一般的攝像頭，不僅能夠高效獲取實際場景平面圖像信息，而且還能夠獲取得到更具空間感的三維數據信息。基于技術進行分類，現階段深度攝像頭中應用較為廣泛的技術類別主要包括三種，分別是雙目視覺、結構光以及TOF飛行時間法。深度攝像頭結構光應用原理如圖1所示。深度攝像頭帶有USB，能夠直接將獲取得到的真實數據信息進行傳送，從而有效完成主處理器傳送的功效。與此同時，通過紅外激光發射器，能夠實現激光發射的效用，進而構建形成干涉斑點、紅外激光編碼圖。在紅外激光編碼圖中，紅外散斑能夠透過照射，進行生成相應路面信息的紅外錄像，從而結合路面距離變化情況，總結變化規律，獲取深度信息數據。通常而言，采用深度攝像頭也有一定的距離范圍，能夠獲取得到的圖像距離范圍在0.8m到3.5m之間。對于路面故障檢測工作，首先可以通過進行RGB采集圖像，從而結合灰度特性，有效識別各種道路故障物。

圖1 深度攝像頭結構光應用原理

（3）GPS模塊

GPS模塊主要功效在于對地面信息的獲取，構建形成GPS定位系統，高效提供參數結果。在無人車上安裝GPS模塊，能夠高效獲取地面信息。

1.3 控制系統設計工作

基于多傳感器信息融合的無人機導航系統設計工作，還需要就分析控制系統進行研究，控制系統作為各個系統功能模塊的核心部件，能夠智能化的完成數據采集、數據分析、信息融合、定位、規劃最佳路徑等多項功能。

具體來講，當用戶下達具體指令后，控制系統中的主處理器將會結合道路工程環境實現多種數據信息的采集工作，并將獲取得到的數據進行發送，當信息接收后主處理器將會自動展開信息融合，進而明確無人車當前所處位置信息、運行狀態和機器運行速度，并能夠結合指令信息規劃最佳路徑，將規劃內容進行反饋，控制系統中的控制器進行電機驅動，沿著規劃路徑進行移動。需要注意的是，在無人車運行過程中，系統內部主處理器將會時刻保持監控狀態，避免無人車撞到障礙物，直到達到目標點，停止繼續行駛無人車。

無人車驅動控制器在實際運行過程中，通過應用3.3V直流電源完成整個控制器的供電功能。而無人車導航系統中的時鐘主要借助外部晶振完成效用，外部晶振自身具有多方面的應用效能，無論是時鐘系統存儲空間，還是時鐘系統頻率都具有多方面的優勢。

2 多傳感器信息融合策略

基于多傳感器信息融合的無人車導航系統能夠應用在無人車中，利用傳感器的應用效能，將傳感器獲取得到的數據信息進行整合，促使導航數據和實際空間信息相符，切實提升導航系統的精確性和可靠性。

在無人機導航系統設計過程中，構建空間地圖是一個關鍵問題。當無人車處于運作過程中，結合地圖位置信息進行無人車定位工作，而且還能夠基于定位情況，搭建增量式地圖。具體來講，通過應用SLAM技術能夠完成地圖搭建的效用。通過傳感器對空間環境特征量進行反復觀測，觀測自身位置、更新觀測內容、定位位置信息，并將此過程進行重復操作，直到到達目的地，完成定位導航。如圖2所示。

圖2 構建地圖

與此同時，通過時間數據融合、空間數據融合，能夠更好地保障導航系統處理數據信息的穩定性和時效性，完成后續數據處理工作，促使導航系統能夠正常發揮效用。

3 測試實驗

測試試驗應用多種傳感器，促使其共同發揮效用，從而完成組合定位導航的目的，提高導航的精準性。具體來講，在試驗中，選擇障礙物較多的室內空間環境作為主要試驗場所，設定無人車始發點、目標點，從而完成無人車多傳感器信息融合導航系統測驗工作。

試驗發現，利用深度攝像頭、激光雷達、GPS三種傳感器進行信息融合，無人車能夠沿著構建地圖形成的行駛路線進行移動，還能夠敏銳探測障礙物，更新地圖信息，提供最佳規劃路線。整個無人車行駛過程中，無人車能夠充分借助數據融合方式，實現智能化導航的效用，實現地圖數據信息和現實空間結構的一致性，切實提高導航系統的本身的精確度。

結論：綜上所述，對基于多傳感器信息融合的無人車導航系統設計工作展開分析具有十分重要的意義。為了實現無人車的智能行駛，通過將深度攝像頭、激光雷達、GPS傳感器組合在一起，進行數據融合，能夠有效實現無人駕駛智能車行駛。