園區智能防疫無人駕駛作業車電控系統設計

高 欣， 高艾平， 陳鑫凱， 孫 帥， 吳 珂， 張士強

（河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室， 唐山學院， 河北 唐山 063000）

1 引言

新冠肺炎疫情形勢嚴峻且備受全社會關注。 校園、 企業、 居民小區、 市場等封閉園區類區域人員相對聚集， 藥物噴灑是目前一種常規的環境消殺方式， 但消殺作業勞動強度大， 對消毒人員安全構成威脅， 且作業難度增加， 作業時間段受限。

本次研發的自動噴灑防疫藥物的智能作業車能按照系統設定的時間段、 行走軌跡自動進行指定區域的藥物噴灑作業。 操作人員只需按照提示裝備作業藥物、 設定作業行駛路徑， 作業車即可智能自動作業， 同時作業車能監測藥物量等狀態信息， 對噴灑環境條件進行判斷， 自動避障。

2 作業車機械結構形式

2.1 作業車底盤

如圖1所示， 作業車采用輪式驅動底盤， 選擇4輪驅動電機為動力源， 左右電子差速實現轉向， 底盤的主要控制包括前進、 后退、 制動、 轉彎等基本功能。

2.2 作業車裝備等上裝系統

圖1上裝部分主要包括藥物供給系統、 藥物噴灑控制系統、 GPS衛星慣導定位系統、 超聲波傳感器、 激光雷達傳感器等； 電控系統主要負責環境感知和藥物噴灑作業控制。

圖1 作業車結構形式示意圖

3 作業車電控系統設計

電控系統采用電子線控方式， 功能上包括運動控制系統、 感知系統、 執行系統等。 整個電子電氣控制系統包括VCU、 感知、 執行等， 系統拓撲如圖2所示。

圖2 電子電氣控制系統結構拓撲圖

3.1 VCU控制核心

單片機控制核心選擇Pixhawk作為整車控制單元VCU，Pixhawk 是一款透明且可以二次開發的硬件， 其內置2 個STM32 系列芯片， 其中STM32F427 芯片是主控制器，STM32F103芯片作為協處理器在主控制器發生故障時可以繼續運行程序， 板載加速度計、 陀螺儀和氣壓計等傳感器。

3.2 感知系統

GPS全稱為全球衛星導航系統， 通過感知作業車地理坐標位置信息， 實現路徑規劃功能。 本設計選擇的GPS為M8N 電 子 羅 盤， 如 圖3～圖5 所 示， 它 的 定 位 精 度 誤 差 在50cm左右， 工作電壓為5V， 更新速率為1kHz。 GPS模塊的4個引腳分別與Pixhawk中的VCC、 TX、 RX、 GND相連， 另2個引腳分別與CAN中的CAN_H和CAN_L相連。

圖3 Pixhawk實物圖

圖4 GPS連線示意圖

圖5 GPS實物圖

本設計將4個傳感器布置于車頭和車尾， 為避免由于超聲波安裝過近導致一個超聲波接收到另一個超聲波回波的情況， 不適宜安裝較多的超聲波傳感器。 超聲波傳感器安裝與電氣原理如圖6所示。 由于Pixhawk接口有限， 因此我們將IC接入一個集線模塊ATmega2560， 使一個IC接口可以插入4個超聲波傳感器。

圖6 超聲波傳感器安裝與電氣原理圖

3.3 驅動與轉向系統

驅動電氣原理如圖7所示， 系統通過脈寬調制來控制直流無刷電機轉速， 本設計對4個驅動電機分組為左、 右兩組， 智能車左或右2個電機為同一電調控制， 因此只配置2個電調控制， 電機轉速通過電調控制， 電調受控于Pixhawk控制器。 控制原理為Pixhawk輸出某占空比的PWM信號用來控制電調引腳的開關信號。 控制電調引腳開關信號再發送給電機， 控制電機正反轉和轉速。 而本設計中， 底盤需要實現左轉、 右轉、 前進和后退4個功能， 前進和后退依靠占空比改變直流無刷電機的正反轉， 左轉和右轉通過改變左右2個電機的占空比， 左邊電機的占空比低于智能車右邊電機的占空比時， 左輪的轉速低于右輪的轉速， 智能車實現左轉。 反之， 底盤實現右轉。

圖7 驅動電機及電調電氣原理圖

3.4 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊主要是為了完成作業車與Mission Planner地面站通信任務， 實現實時對車輛數據信息的監測， 確保Mission Planner 地面站發布的命令作業車可以接收。 系統采用的是3DR 無線數傳，如圖8所示， 其具有傳輸距離遠、 體積小巧、 方便等優點，3DR數傳的一端與PC端相連， 另一端與Pixhawk板相連， 既可以向PC端發送位置信息， 又可以接收PC端指令完成指定功能。

圖8 數傳模塊工作示意圖

4 作業車系統調試

4.1 作業車地面站軟件

系統采用Mission Planner地面站軟件與Pixhawk相配合，選擇高德地圖進行路徑規劃、 下載固件、 傳感器初始化、參數標定和行駛狀態檢測等功能。 軟件界面如圖9所示。

圖9 Mission Planner地面站

4.2 參數標定與試驗

如圖10所示， 系統采用GPS單元和IMU單元感知車輛位姿作為PID的反饋信息。 如圖11所示， 進行PID調參， 首先將I和D的值歸0， 然后對P值進行設置， 設置原則根據先小后大， 且不能太大， 如果P值過大， 在實驗中發現， 智能車行駛路線會與規劃路徑相差較多， 智能車會因為慣性在路線左右多次往返運動； 如果P值過小， 智能車的反應會變慢； P值適中， 智能車也會因為慣性在路線左右往返運動，但誤差會逐漸減小， 經過多次往返運動后， 小車會在路線上行駛。 然后， 為了控制比例環節的過調， 設置微分參數D， 合適的D值會讓智能車更容易到達規劃路線上。 合適的P值和D值， 可以在平坦路面上行駛， 但如果路面崎嶇，智能車會發生偏轉， 比例和微分控制環節會讓智能車在一段時間回到正常航線， 為縮短此時間， 配置積分控制參數I。 合適的I值， 會對誤差和誤差經歷的時間做積分運算，輸出更合適的PWM信號， 讓智能車回歸軌跡。

圖10 PID參數調整圖

圖11 PID調參界面

圖12為調完PID的值后智能車的規劃路徑和行駛路徑。經過PID調參， 智能車的行駛路徑已經可以和規劃路徑基本重合， 驗證了智能車已經可以在校園環境下自動行駛。 智能作業車可以有效減輕人工投入， 提高作業速度， 便于實現多頻次、 定時消殺， 尤其是疫情嚴重地區， 進行有效的藥物噴灑工作， 能夠有效地避免人員與有害環境的接觸。

圖12 路徑規劃試驗

5 結論

本次研究的智能防疫無人駕駛作業車機械結構由通用電動線控底盤加上裝作業部分組成， 電控系統采用Pixhawk飛控作為控制核心， GPS和陀螺儀位姿信息作為軌跡控制的反饋， 超聲波傳感器負責障礙物檢測， 車輛轉向設計為電子差速轉向， 經過PID調參調試， 能實現封閉園區的規劃路線的自動行走和消殺防疫作業， 未來會進行環境感知的進一步研究， 以適應更復雜的作業環境。