地面無人平臺技術發(fā)展與應用探討

范晶晶

摘 要：無人駕駛技術的蓬勃發(fā)展，使得地面無人平臺在軍用和民用領域得到廣泛的應用。本文針對地面無人平臺的潛在應用場景，對無人系統(tǒng)的整體方案進行介紹，并討論無人平臺落地應用所涉及的環(huán)境感知、高精定位與高精地圖、決策規(guī)劃、車輛控制、人機交互、系統(tǒng)安全、網聯(lián)通信關鍵技術。最后，結合在“跨越險阻2018——陸上無人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽”中的技術實踐經驗，對無人平臺推廣應用存在的挑戰(zhàn)進行探討和展望。

關鍵詞：地面無人平臺;系統(tǒng)方案;關鍵技術

1 前言

隨著信息通信技術的發(fā)展，智能無人系統(tǒng)與傳統(tǒng)地面運載工具相結合的智能地面無人平臺得到越來越廣泛的應用[1-3]。軍用方面，可用于武裝作戰(zhàn)、后勤補給、班組伴隨、邊防巡邏，用于班組伴隨的1噸級無人平臺，和執(zhí)行戰(zhàn)地偵察任務的小型無人平臺。民用方面，可用于消防救災、社區(qū)巡邏、交通巡檢、電力巡檢、危化品巡檢、工業(yè)生產、排爆防暴等。

2 無人平臺系統(tǒng)方案

面向自主伴隨和/或特定區(qū)域自主駕駛適用場景和功能需求，我方進行無人平臺系統(tǒng)方案的設計和各項關鍵模塊功能的開發(fā)，并已形成完整解決方案?；谠摲桨?，參加了“跨越險阻2018——陸上無人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽”，同時向客戶交付的200kg級、500kg級小型無人平臺，也在地方公安巡邏執(zhí)法場景中應用落地。

2.1 整體方案

該整體方案包含線控平臺、硬件平臺、軟件平臺、模塊化交付方案、系統(tǒng)級交付方案，并可根據需求進行定制和裁剪。具體如下：

（1）線控平臺：包括輪式車輛平臺和履帶式車輛平臺，涵蓋100kg級至1噸級，均具備CAN通信控制接口，采用車規(guī)級控制器，保證實時性和安全性。

（2）硬件平臺：包括車載計算單元、雷達（激光、毫米波、超聲波）、相機（自然光、紅外光）、GPS/北斗導航設備、IMU慣性測量單元、拉線傳感器和HMI人機交互終端。其中，拉線傳感器為自主開發(fā)，具備距離、方位測量能力，可適用于班組伴隨場景中的牽引控制。

（3）軟件平臺：包括SLAM同步定位與建圖、行人識別、可通行區(qū)域識別、行為決策與路徑規(guī)劃、路徑跟蹤等模塊。其中，SLAM同步定位與建圖可在野外未知環(huán)境中，在跟隨引導員行走過程完成一次性建圖，保證回程過程中的高精度定位;行人識別可在草地、砂石路、泥濘路、坡道等野外環(huán)境中，穩(wěn)定識別前方引導員，實現(xiàn)車輛對行人的穩(wěn)定跟蹤。上述功能在“跨越險阻2018——陸上無人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽”實際使用，表現(xiàn)優(yōu)異。

（4）模塊交付：包括定位與建圖模塊、行人識別模塊、可通行區(qū)域識別模塊、決策與規(guī)劃模塊、路徑跟蹤模塊。采用模塊化設計的優(yōu)點在于，采用統(tǒng)一固化的接口，可根據不同系統(tǒng)需求，完成獨立的拼圖式開發(fā)并快速集成。

（5）系統(tǒng)交付：包括自主跟隨系統(tǒng)、自主跟隨+一鍵返航系統(tǒng)、指定線路自主駕駛系統(tǒng)、指定區(qū)域自主駕駛系統(tǒng)。可作為完整的無人系統(tǒng)模塊，參與更高層級系統(tǒng)的整合與應用，例如車隊、車群等應用場景。

2.2 硬件架構

以“跨越險阻2018——陸上無人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽”的無人平臺為例，基于比賽任務需求和無人系統(tǒng)各個功能要求，無人上裝的各項配置及總布置示意圖如圖1。其中，定位采用高精度組合導航，傳感方案主要采用多線激光雷達、前視相機、環(huán)視相機，計算平臺采用工控機。

2.3 軟件架構

無人系統(tǒng)的軟件架構如下，包括定位、感知、HMI、決策、規(guī)劃、車控等模塊，各模塊的主要任務如下：

（1）感知模塊：引導員識別、靜態(tài)/動態(tài)障礙物識別、圖像識別、可通行區(qū)域識別等。

（2）定位模塊：SLAM同步定位與建圖、歷史軌跡生成、參考軌跡生成等。

（3）決策模塊：任務規(guī)劃，如自主跟隨、前突偵察、一鍵返航等;行為規(guī)劃，如連續(xù)跟隨行駛、靠邊停車、中心轉向等。

（4）規(guī)劃模塊：全局路徑規(guī)劃、局部路徑規(guī)劃、動作序列規(guī)劃、脫困路徑規(guī)劃等。

（5）人機交互模塊：接收開關/按鈕輸入信號;車輛狀態(tài)、圖像信息接收與顯示等。

（6）車輛控制模塊：車輛啟動、停止、速度閉環(huán)、轉向控制、制動、擋位控制等。

3 未來展望

面向大規(guī)模推廣應用，地面無人平臺仍面臨諸多問題。技術方面，復雜場景感知，特別是惡劣天氣、惡劣環(huán)境的感知和目標識別，制約無人平臺的實際使用效果;未知環(huán)境中的建圖和定位問題，也尚待完善;同時，車輛的高精度控制，特別是高速、大曲率工況下的精確控制，也尚有提升空間;無人系統(tǒng)的故障安全技術尚不完善等。另一方面，結合實際使用需求，無人平臺也面臨傳感器成本高昂、使用條件苛刻、續(xù)航里程較短、需要與上裝作業(yè)系統(tǒng)融合等問題。面向未來，團隊將以“車輛+上裝+智能+網聯(lián)”為方向，逐項克服關鍵技術難題的同時，以場景落地需求為牽引，逐步實現(xiàn)無人平臺的落地應用。

參考文獻：

[1]余雪瑋，趙熙俊，蘇波.地面無人平臺體系架構研究綜述[J].車輛與動力技術，2019（1）：8-15.

[2]王金梅，龐曉賓.地面無人作戰(zhàn)平臺武器系統(tǒng)技術分析及展望[J]. 兵工學報，2010（s2）：163-166.

[3]李寧，郭江華，藍偉.基于多線激光雷達的非結構化道路感知技術研究[J].車輛與動力技術，2017（3）：8-14.