基于北斗導航的無人駕駛垃圾清潔車

(桂林電子科技大學信息與通信學院 廣西 桂林 541004)

一、背景及意義

我國國民經(jīng)濟水平在不斷提高，環(huán)境問題也逐漸顯現(xiàn)。特別是到了旅游旺季，即使各個景點都雇傭了很多清潔衛(wèi)生人員，但是依然不能及時清理垃圾，影響環(huán)境美觀，破壞市容。而這些問題借助于北斗導航無人駕駛清潔車，可以快速有效解決。由于我國北斗導航系統(tǒng)的不斷完善，基于北斗導航系統(tǒng)的無人駕駛車輛的研發(fā)也得到了國家以及相關(guān)部門的大力支持，以此來推動我國無人駕駛車輛的技術(shù)水平與國際水平相接軌，因此，可以預(yù)想隨著技術(shù)成熟度的不斷提高，我們可以通過這項技術(shù)生產(chǎn)無人駕駛清潔車，保證城市的干凈美麗，減少人力勞動費用開支，有效而快速地工作。

二、總體設(shè)計方案

該產(chǎn)品的主要目的是在無人駕駛的條件下完成在城市環(huán)境中的道路清潔。主要通過北斗導航系統(tǒng)獲取車輛當前位置信息、速度和航向，再由環(huán)境識別系統(tǒng)對周圍環(huán)境進行感知，識別各種障礙和交通標識，最后通過計算機處理環(huán)境和位置信息，建立環(huán)境模型，根據(jù)一定的控制算法規(guī)劃駕駛路徑，再由控制系統(tǒng)控制車輛行動從而完成車輛的自主駕駛和道路清潔。

三、工作原理與性能分析

(一)環(huán)境感知和交通識別系統(tǒng)

1.環(huán)境感知系統(tǒng)。環(huán)境感知系統(tǒng)是垃圾清潔車無人駕駛的一個重要組成部分，也是實現(xiàn)智能化行駛的一個關(guān)鍵因素。環(huán)境感知因素能夠在最大程度上發(fā)揮設(shè)備的潛能，實時搜索并采集路面的狀況，形成數(shù)據(jù)信息參考?？偟膩碚f，就是對環(huán)境進行感知，形成數(shù)據(jù)信息。在清潔車的自主行駛過程中，會遇到各種各樣的情況。路過的行人，穿梭的動物，并排的非機動車等，都是路面障礙的一種，會對清潔車的行駛產(chǎn)生影響。環(huán)境感知系統(tǒng)能夠?qū)β访嬲系K提前預(yù)知，以指導清潔車及時做出反應(yīng)，例如剎車、倒退、避開障礙物、選擇最佳可通行道路、識別打掃垃圾物等。

2.交通識別系統(tǒng)。交通標示識別模塊主要有以下幾部分：圖像與視頻的輸入；交通標示與交通信號燈的檢測與識別；識別結(jié)果的輸出；實驗數(shù)據(jù)庫和訓練樣本數(shù)據(jù)庫；識別結(jié)果的輸出。

車道線檢測與識別模塊是通過對傳感器進行車道線檢測和提取，獲取行駛道路上的車道線的位置，它是清潔車無人駕駛安全的基礎(chǔ)。清潔車主要是采用相機作為傳感器，提供車輛在當前行駛地圖中的位置，幫助無人駕駛車輛遵守交通規(guī)則，為自主行駛清潔車提供導向，提高行車的穩(wěn)定性。

道路路沿檢測模塊將道路路面與四周的環(huán)境進行區(qū)分，然后快速精確地檢測行駛處道路，為清潔車的自主駕駛選擇最小風險的可通行區(qū)域。清潔車采用三維激光雷 達來進行道路邊界的檢測。

車輛檢測模塊測試通過對圖像進行處理來將環(huán)境中的車輛檢測出來。

障礙物檢測模塊是通過分析處理各種激光雷達返回的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進行柵格化處理，投影到柵格地圖中，從而實現(xiàn)對環(huán)境中障礙物的檢測。

多傳感器信息融合與環(huán)境建模模塊是將各種傳感器獲取的環(huán)境信息進行融合，建立起道路模型并最終用柵格地圖進行表示。

(二)控制執(zhí)行系統(tǒng)。控制執(zhí)行系統(tǒng)由全局路徑規(guī)劃、局部路徑規(guī)劃、底層控制三部分組成。在這其中，全局路徑規(guī)劃用來判斷車輛當前所在的位置，然后依據(jù)車輛的位置信息給出車輛的路徑控制要求，它會將當前的位置信息與計算機中的數(shù)據(jù)庫結(jié)合，把橫向與縱向控制模塊的要求分別發(fā)送到局部路徑規(guī)劃；局部路徑規(guī)劃有縱向控制和橫向控制，其中縱向控制是對智能車輛的速度或者加速度進行控制，橫向控制是對車輛的行進轉(zhuǎn)向部分進行控制，它將依據(jù)收到的信息與北斗高精度導航定位、激光雷達檢測到的信息相結(jié)合，得到前輪轉(zhuǎn)角指令和速度指令，發(fā)送給底層控制模塊；底層控制模塊包括控制速度和前輪轉(zhuǎn)向，依據(jù)局部路徑規(guī)劃所發(fā)送的指令控制。

1.全局路徑規(guī)劃。對于全局路徑規(guī)劃，此模塊主要接收交通標志與交通信號燈檢測、減速帶和停車線的檢測以及北斗定位模塊的運行結(jié)果，然后依據(jù)這些檢測結(jié)果判斷目前智能車在全局中的位置，將此相關(guān)信息發(fā)送給控制性能要求模塊，控制性能要求模塊再根據(jù)智能車目前的信息，結(jié)合儲存在計算機中的數(shù)據(jù)，分別給出橫向控制要求和縱向控制要求，最后將其發(fā)送給局部路徑規(guī)劃。

2.局部路徑規(guī)劃。對于全局路徑規(guī)劃，此模塊主要接收交通標志與交通信號燈檢測、減速帶和停車線的檢測以及北斗定位模塊的運行結(jié)果，然后依據(jù)這些檢測結(jié)果判斷目前智能車在全局中的位置，將此相關(guān)信息發(fā)送給控制性能要求模塊，控制性能要求模塊再根據(jù)智能車目前的信息，結(jié)合儲存在計算機中的數(shù)據(jù)，分別給出橫向控制要求和縱向控制要求，最后將其發(fā)送給局部路徑規(guī)劃。

3.底層控制系統(tǒng)。底層控制是智能車的一個基礎(chǔ)系統(tǒng)，所有規(guī)劃系統(tǒng)的處理結(jié)果都需要依靠底 層控制來實現(xiàn)，其主要控制智能車的運動，包括：前進、后退、轉(zhuǎn)向、掉頭以及剎車。它接收由局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)送來的指令，然后依照這些指令執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而控制清潔車的駕駛。從功能上來說，環(huán)境感知系統(tǒng)相當于“眼 睛”和“耳朵”，上層規(guī)劃系統(tǒng)相當于“大腦”，底層控制系統(tǒng)則相當于“手” 和“腳”，是清潔車的動作執(zhí)行機構(gòu)。

四、創(chuàng)新點及應(yīng)用

在經(jīng)濟性方面，該清潔車采用無人駕駛技術(shù)，維護簡單，可大大減少在道路清潔中耗費的人力資源和管理費用,同時可以減少清潔工人在工作中發(fā)生車禍的危險。

在智能性方面，該清潔車采用智能控制系統(tǒng)、全方位感知系統(tǒng)、基于北斗定位的無人駕駛智能系統(tǒng)，使該清潔車不僅可以下降環(huán)衛(wèi)人員的勞動強度，又可以作為移動的智能終端，成為建設(shè)現(xiàn)代化城市的重要載體。

在高效性方面，在導航系統(tǒng)的幫助下，該清潔車可以智能規(guī)劃各自的清理區(qū) 域，并且相比于人力清掃，無人車可以保證更高的的出勤率和更穩(wěn)定的工作質(zhì)量，大大提高工作效率。

在可靠性方面，在導航系統(tǒng)、相機和激光雷達和識別系統(tǒng)的幫助下，清潔車 可以對周圍環(huán)境進行準確感知并建立模型，再由計算機規(guī)劃出合理的行駛路徑，保證無人駕駛的可靠性。