GPS與陀螺儀捷聯(lián)導(dǎo)航的自助通勤車控制系統(tǒng)

謝 夢，郭佳琪，盛國良，童其祥，金 蓉

南京工程學(xué)院，江蘇 南京 210000

0 引言

隨著我國教育事業(yè)的迅猛發(fā)展，各大高校招生規(guī)模越來越大，高校占地面積也隨之急劇增大。校區(qū)內(nèi)各功能區(qū)域的間距都比較大，在各區(qū)域間步行所用的時(shí)間很長。這就給學(xué)生、老師（特別是一些老教師）的生活、學(xué)習(xí)、出行帶來了一些不便。在這種情況下，校園內(nèi)“通勤車”的需求變得越來越迫切。本論文提出一款基于GPS與單軸陀螺儀導(dǎo)航技術(shù)的自助式無人駕駛電動(dòng)小車基本能夠解決這個(gè)問題。本論文從人性化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)自助通勤車。當(dāng)乘客上車后并在觸摸屏上選擇目的地后，通勤車給出幾條路徑供乘客選擇并將乘客送到目的地，到達(dá)目的地后控制系統(tǒng)進(jìn)行語音提示。

本論文設(shè)計(jì)的自助通勤車采用GPS與單軸導(dǎo)航技術(shù)，無人駕駛。GPS導(dǎo)航技術(shù)是近年來運(yùn)用和發(fā)展最快的技術(shù)之一，廣泛用于軍事、航空航天、汽車等各個(gè)領(lǐng)域。它具有全球、全天候工作，定位精度高等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由車輛調(diào)度系統(tǒng)與車輛控制系統(tǒng)兩大部分組成，車輛調(diào)度系統(tǒng)是基站為固定站，車輛控制系統(tǒng)是車載活動(dòng)站。通常民用GPS的定位精度為10米，以這種精度是無法作為無人駕駛導(dǎo)航的信號(hào)，另外在一些校園或景區(qū)的道路上有可能會(huì)因?yàn)闃潢幓蚋邔咏ㄖ兂蒅PS信號(hào)盲區(qū)，無法正常接收GPS信號(hào)，為了提高GPS定位系統(tǒng)的信號(hào)實(shí)時(shí)可靠，系統(tǒng)采用雙GPS接收信號(hào)，抵消掉GPS的信號(hào)漂移。另外安裝在車輛上單軸陀螺儀與編碼器對車輛與基站的方位與距離進(jìn)行檢測，為車輛在GPS盲區(qū)進(jìn)行定位與導(dǎo)航?；九c通勤之間由無線的方式進(jìn)行通訊，在道路與建筑物上安裝無線節(jié)點(diǎn)，使得基站與通勤車都處于無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋中。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自助通勤車系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 自助通勤車控制器設(shè)計(jì)

基站主要由計(jì)算機(jī)組成，在計(jì)算機(jī)串行通訊接口上安裝了ZigBee模塊和GPS接收機(jī)，并將基站天線與GPS天線安裝在室外。

自助通勤車的控制系統(tǒng)由ST公司的ARM——STM32F103VET6為核心，主頻為72MHz，片內(nèi)512KB Flash，內(nèi)置五個(gè)高速串行通訊接口，并通過FSMC高速前端總線控制顯示專用ASIC驅(qū)動(dòng)TFT全彩液晶屏，內(nèi)置兩個(gè)SPI接口，觸摸屏安裝在SPI接口上。自助通勤車控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 自助通勤車控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制器采用模塊化設(shè)計(jì)方式，將位置檢測與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為單獨(dú)功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)通訊協(xié)議完成對位置信號(hào)的檢測與電機(jī)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)通過ZigBee模塊將通勤車的狀態(tài)發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中。并可以接受來自基站的控制指令。

2.2 位置檢測裝置設(shè)計(jì)

圖3 位置檢測裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

位置檢測原理：

位置檢測的原理是利用MEMS單軸陀螺儀測量車輛的偏航角，利用編碼器測量車輛的里程，采用極坐標(biāo)的方式計(jì)算小車當(dāng)前的位置，由于采用民用級MEMS單軸陀螺儀，其精度不高，在導(dǎo)航過程中積累誤差較大，所以只能作為短距離導(dǎo)航。所以適合在GPS信號(hào)不足的情況下作為一種替代的方式進(jìn)行導(dǎo)航。位置檢測裝置系統(tǒng)如圖3所示。

單軸陀螺儀選用ADI公司的ADXRS300，該陀螺儀的精度為1度，通過對ADXRS300的信號(hào)進(jìn)行積分算出其偏角，因此需要將ADXRS300安裝在車輛的質(zhì)心上，如圖4所示。編碼器則安裝在通勤車的后輪上，通過對兩后輪的位移差檢測得出通勤車的實(shí)際先進(jìn)距離。

圖4 單軸陀螺儀位置檢測示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的通勤控制系統(tǒng)是分布式控制系統(tǒng)，每個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，同時(shí)又可進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換，降低了單個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算載荷并提高整個(gè)系統(tǒng)的速度與精度。根據(jù)系統(tǒng)的分布，系統(tǒng)中各單元的功能劃分如圖5所示。

3.1 調(diào)度系統(tǒng)

調(diào)度系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上通過桌面設(shè)計(jì)軟件編寫的，調(diào)度系統(tǒng)的任務(wù)包括通訊管理、車輛管理和任務(wù)管理。通訊管理負(fù)責(zé)與車載系統(tǒng)的通訊，車輛管理負(fù)責(zé)監(jiān)控通勤車的狀態(tài)，任務(wù)管理負(fù)責(zé)分配通勤車的任務(wù)。

3.2 車載控制系統(tǒng)

車載控制系統(tǒng)中位置檢測裝置將導(dǎo)引信息中GPS信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并與預(yù)設(shè)的地圖信息進(jìn)行對比，并以此選擇行駛路徑。當(dāng)通勤車處于GPS信號(hào)盲區(qū)時(shí)，將切換至陀螺儀的導(dǎo)航，通過對編碼器的計(jì)算得出的極徑l，對陀螺儀的信號(hào)進(jìn)行積分得出極角a，通過式（1）的計(jì)算由極坐標(biāo)系換算成x,y坐標(biāo)系，此信號(hào)為增量信號(hào)，當(dāng)GPS信號(hào)正常時(shí)切回GPS導(dǎo)航模式。

通勤車控制器根據(jù)GPS信號(hào)強(qiáng)度選擇GPS導(dǎo)航或陀螺儀導(dǎo)航，通勤車的位置信息實(shí)時(shí)修改路徑信息并進(jìn)行路徑搜索形成行走段表同時(shí)結(jié)合障礙檢測產(chǎn)生對電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的行走控制與轉(zhuǎn)向控制。對于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對于每個(gè)行走與轉(zhuǎn)向任務(wù)都相應(yīng)分配啟停控制與加減速控制。

圖5 通勤車控制系統(tǒng)軟件功能

4 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)與樣機(jī)驗(yàn)證，用分布式系統(tǒng)將通勤車載控制系統(tǒng)按主要功能分成了通勤車控制器、位置檢測裝置和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。提出了一種通勤車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。