可按多個指定地點自主規劃路徑無人駕駛智能車

周宇洋，蔡宇豪，葉紅兵，武泱光，胡安正，黃河

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

無人駕駛智能車是一種自動控制的機器人系統。它通常包含多種傳感器，能夠感知周圍環境，并規劃自己的路線。在本文中，設計者提出了一種新型的無接觸貨物配送智能貨物小車，它可以通過樹莓派輸入指定地點，來進行無接觸的物資運輸。這種小車設計與傳統模式有所不同，通過引入GPS、慣性測量單元和雷達模塊，并通過路徑規劃和濾波、PID 算法調節等處理方式，實現了高效的自動控制。

1 設計思路

這款可按多個指定地點自主規劃路徑無人駕駛智能物流運輸車設計方案如圖1 所示。其控制系統以MM32F3277微處理器為主控芯片，利用GPS 定位模塊實現導航定位，使得運輸車能夠自動找到目標位置，再利用樹莓派會讀取來自GPS 模塊的數據，解析出當前的經度和緯度坐標樹莓派上的地圖軟件會將這些信息與預設的目標點進行比較處理，生成指令發送主控芯片MM32F3277，然后，再利用激光雷達感知電磁波測距原理、PID 算法等技術根據接收到的指令完成自主避障、自動導航和物流運輸任務。

圖1 系統總體方案框圖

圖2 IR2104 電機驅動圖

2 智能貨物小車電路單元設計

■2.1 主控芯片簡介

MM32F3277G9P 單片機工作頻率可達120MHz，512KB Flash，128KB SRAM，3 個12 位的 ADC、2 個 12位的DAC、2 個比較器，2 個16 位通用定時器、2 個32 位通用定時器、2 個16 位基本定時器和2 個16 位高級定時器，能夠很好地滿足自主避障、自動導航的需求。

■2.2 驅動模塊簡介

我們采用 IR2104 設計了一個單路驅動，控制車模的電機工作，IR2104 是一款高性能的雙通道驅動芯片，可用于驅動半橋和全橋直流電機。該電路圖包含兩個 MOSFET 管（Q1 和 Q2），用于控制電機的正轉和反轉。電機的電源由航模電池提供。輸入信號由 IN 引腳接收，控制 MOSFET 管的開關狀態。通過控制 IN 引腳的高低電平來實現電機的正轉、反轉和停止當 IN 輸入為高電平時，MOSFET 管 Q1 開啟，Q2 關閉，電機正轉；當 IN 輸入為低電平時，Q1 關閉，Q2開啟，電機反轉；當 IN 輸入為高阻態時，Q1 和 Q2 都關閉，電機停止。此外，由于 MOSFET 管的特性，可以使用 PWM波形調節電機的轉速。

■2.3 GPS 模塊簡介

GPS 采用正點原子(ALIENTEK)生產的一款高性能GPS模塊，體積小巧，性能優異，搜星能力強。模塊可通過串口進行各種參數設置，并可保存在內部EEPROM，使用方便。同時模塊自帶可充電后備電池，后備電池可以維持半小時左右的GPS 星歷數據的保存，以支持溫啟動或熱啟動，從而實現快速定位[1]。GPS 模塊包括一個GPS 接收機和一個天線，它們用于接收來自衛星的信號。GPS 接收機通過計算信號的時間差來確定自身的位置，其原理是利用了光的速度的常數性。天線的作用是將衛星的信號轉換成電信號，傳遞給GPS 接收機。

■2.4 車模簡介

車模部分選用四輪越野車模，如圖3所示，因為整車采用仿真車結構的行星齒輪差速器設計，使整車的操控性更強，可以更好地應對路面的突發狀況；全車四個輪胎的支架位置均配備由液壓減震彈簧組成的減震結構，使整車在坑洼不平的路面也可以保證穩定的功率輸出，并且使車模平穩運行。

圖3 越野車模圖

3 GPS 定位原理和多點配送自主路徑規劃研究

■3.1 GPS 簡介

GPS 主要由衛星星座(空間部分)、地面監控系統(地面部分)、GPS 接收機(用戶設備部分)三大部分組成[2]。衛星星座有24 顆衛星，其中包括3 顆備用衛星。工作衛星分布在6 個軌道面內，軌道平均高度約為20200 千米，軌道傾角為55 度，衛星運行周期為11 小時58 分。地面監控系統是整個系統的中樞，主要由5 個監測站、1 個主控站、3 個注入站組成。GPS 接收機是能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS 信號的接收設備，由主機、天線和電源組成。

■3.2 GPS 定位原理及方程

GPS 衛星定位測量的基本原理是：利用 GPS 接收機在某一時刻同時接收 3顆（或3 顆以上）的GPS 衛星信號，用戶利用這些信息測量出測站點至3 顆（或 3顆以上）GPS 衛星的距離，并計算出該 時刻 GPS 衛星的三維坐標，根據距離交會原理解算出測站點的三維坐標。然而，由于衛星和接收機的時鐘誤差，因此，GPS 衛星定位 測量應至少對4 顆衛星進行觀測來進行定位計算。如圖4 所示可確定四個距離觀測方程[3]。

圖4 對四個衛星進行觀測

式中：i=1、2、3、4；C 為 GPS 信號的傳播速度；(Xi,Yi,Zi)為衛星的軌道坐標；ti為各個衛星的時鐘差；ρi為各個衛星到測站點接收機天線的距離。

■3.3 多點配送自主路徑規劃原理

首先用戶在樹莓派的觸摸屏上輸入目標地點，樹莓派上的地圖軟件會將目標地點轉化為經緯度信息，當GPS 模塊通電并正常工作時導航衛星連續地發送自身的星歷參數和時間信息，模塊在接收到這些信息后，經過樹莓派通過上一時刻接收到的經緯度和下一時刻接收到的經緯度運算處理計算求解出運輸車上GPS 模塊的空間位置并顯示在地圖軟件上，算法思路如下，第一個點的緯度latitude1，第一個點的經度longitude1，第二個點的緯度latitude2，第二個點的經度longitude2，將第一個點的緯度latistude1 轉化為弧度rad_latitude1，其他的同理轉化為rad_latitude2，rad_longitude1，rad_longitude2，運輸車行進距離和偏航角用C 語言代碼實現如下：

樹莓派通過分析運輸車的運動狀態推斷下一刻運輸車所處的位置，并將方向角發送給主控芯片MM32F3277，從而控制舵機打角，實現指定地點運輸。

■3.4 PID 算法原理

在無接觸貨物配送智能貨物小車行駛過程中需要預設一個行駛速度上限、倒車速度上限以及靜止速度設定值，并將這一設定值與當前小車速度進行匹配.針對轉向舵機，需預先測出其打角至機械左右極限和機械零點對應的PWM 波占空比，并將其與方向角的角度進行匹配，實現方向控制的功能.關于上述 PWM 波占空比的閉環控制算法，系統采取的是使用廣泛、技術成熟的PID 控制算法,算法流程圖如圖5 所示。算法的系統函數如下：

圖5 算法流程圖

圖6 樹莓派初始界面圖

其中，SV為速度設定值，PV為編碼器所采集到的速度當前值，KP和K1以及K為三個需要設定的系數。

■3.5 樹莓派電子地圖配置

樹莓派通過不斷地獲取GPS 經緯度信息，將物流運輸車顯示在離線地圖上，樹莓派上選用的離線地圖導航軟件navit，它使用openstreetmaps 作為地圖源，在配置完gpsd 之后只要輸入命令sudo apt-get install navit 就可以下載地圖包了。下載完成后修改部分navit 的配置，把“zoom="256"”改為“zoom="8"”，即地圖的默認縮放級別。地圖比例尺越大，需要加載的數據就越多，運算起來越慢，navit 使用一個“地圖集”的概念，可以按地圖格式或者區域等建立不同的地圖集，每次只能啟用一個地圖集，但是每個地圖集里可以包括很多個不同的地圖文件，通過mapset標簽里的enabled 來打開或者關閉一個地圖集。這里我們關閉示例地圖集，打開openstreetmaps 格式地圖集，并指明地圖文件位置，就能將小車的定位顯示在地圖上了，如圖7 所示。

圖7 樹莓派物流運輸車于地圖上顯示

4 激光雷達測距原理和自動避障無人駕駛探究

■4.1 激光雷達測距原理

激光雷達物理原理是通過激光雷達的發射器發射出一束激光，激光光束遇到物體后，經過漫反射，返回至激光接收器，雷達模塊根據發送和接收信號的時間間隔乘以光速的2 倍，即可計算出發射器與物體之間的距離，遠距離測量具有較高的精度[5]。

■4.2 自動避障無人駕駛原理

避障模塊采用的是激光雷達測距模塊，激光雷達測距模塊主要用于測量車子前方距離，單片機根據所測的距離判斷車子是否遇到了障礙從實現車子的轉向。當然智能貨物小車不能只實現正前方的避障而要實現多個方向的避障，激光雷達所測距的方向則根據激光雷達下面的舵機來實現，舵機的控制通過發送可變寬度或脈沖寬度調制(PWM)的電脈沖來控制舵機，MM32F3277 控制器產生一個20ms 的脈沖信號，以0.5ms～2.5ms 的高電平來控制舵機的角度，可以使舵機旋轉180 度，從而判斷車子所在環境各個方向的障礙物，更好的實現避障。

5 結束語

利用物聯網和信息科技的無人駕駛技術研究和應用涉及領域越來越廣泛，本項目主要聚焦的是在疫情影響下如何實現無接觸配送貨物問題。目前，已經初步設計并完成了可按多個指定地點自主規劃路徑無人駕駛貨物配送智能車整車模型（如圖8 所示），并對相關物理原理進行了初步探討，起到拋磚引玉的作用，后續要投入實際應用還有很多可研究開發工作要做，期待大家共同探究、研發出各種實用的無人駕駛智能車，給人們的生活帶來更多的便利。

圖8 貨物配送智能車實物模型