多傳感器信息融合的無人車導航系統(tǒng)設計研究

惠州市德賽西威汽車電子股份有限公司 張愛群 李炯球

為了切實推動智能無人車的安全行駛、實現(xiàn)環(huán)境感知，本文分別就系統(tǒng)綜合設計工作、硬件系統(tǒng)設計、分析控制系統(tǒng)設計三個方面分析如何實現(xiàn)無人車導航系統(tǒng)的設計工作，并透過系統(tǒng)測驗，驗證多傳感器信息融合導航系統(tǒng)本身的應用效能。

在現(xiàn)代社會的快速發(fā)展下，智慧交通已經(jīng)成為大勢所趨，通過無人車的應用，能夠有效保障交通控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。而通過應用基于多傳感器信息融合的無人車導航系統(tǒng)能夠有效提高導航性能，促使切實帶動地圖信息和空間結構的一致性和穩(wěn)定性。

1 無人車導航系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)綜合設計工作

伴隨著各種現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展，社會生活出現(xiàn)了方方面面的改變。無人車駕駛技術開始改變以往運作模式，進行技術創(chuàng)新。但是事實上，在無人車行駛過程中極易出現(xiàn)諸多問題，如果采用單一傳感器完成導航，很容易出現(xiàn)操作穩(wěn)安全性問題，在此情況下，通過構建多傳感器信息融合導航系統(tǒng)，能夠有效克服單一傳感器導航系統(tǒng)的弊端，提高導航性能，形成良好的定位效果。工作人員可以直接通過應用多傳感器信息融合組合導航系統(tǒng)完成物體探測工作，探測性能較為穩(wěn)定，而且能夠將最新探測得到的空間信息進行自動增加，進一步完善地圖內容，實現(xiàn)地圖內容和實際空間環(huán)境的有機統(tǒng)一，而且還能夠智能推薦導航路線，有效提升導航的精準性和穩(wěn)定性。本文則基于傳統(tǒng)的單一傳感器導航方式，對其進行修正，并能夠對導航系統(tǒng)性能進行研究，有效優(yōu)化空間信息采集質量和采集效率，切實保障無人駕駛智能車的穩(wěn)定運行。

在對無人機進行設計工作時，則以四輪驅動平臺作為整個無人機的平臺基礎，并通過感知系統(tǒng)完成對實際地理環(huán)境多種空間信息的采集工作，并能夠透過采集得到的數(shù)據(jù)信息，通過控制系統(tǒng)完成融合處理工作。融合處理得到的數(shù)據(jù)信息，可以及時進行反饋，從而促使無人車能夠智能展開駕駛行為，切實保障無人車運行效果。

基于感知硬件系統(tǒng)，無人機導航系統(tǒng)能夠完成無人車位置姿態(tài)信息的動態(tài)監(jiān)測，并能夠借助激光雷達掃描，搭建二維場景地圖信息。在實際地面工程中的障礙物也能夠完成標定。基于數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，無人機導航系統(tǒng)能夠完成無人車數(shù)據(jù)的標定，進而融合和處理數(shù)據(jù)信息，靈活控制無人車驅動鉆機轉速，從而完成車輛自動駕駛工作。

1.2 硬件系統(tǒng)設計工作

（1）二維激光測距儀

二維激光測距儀借助激光測距原理，能夠完成不同區(qū)域的定位、監(jiān)控和輪廓測量工作。除了二維激光測距儀，還有一維激光測距儀、三維激光測距儀。二維激光測距儀作為一種檢測效果穩(wěn)定且精準的單線激光雷達，能夠實現(xiàn)360°的掃描工作，最大掃描半徑大約在6m左右，整體掃描速度處于4000Hz。當二維激光測距儀處于運行過程中，能夠由測距儀發(fā)射端進行激光發(fā)射，當檢測物體在發(fā)射后形成反射作用，進而將其傳回到接收端。二維激光測距儀的應用原理則為通過測距三角，從而完成距離測量工作。通過二維激光測距儀能夠檢測到測距儀和物體之間的準確距離。測距儀通過驅動電機能夠完成空間環(huán)境的智能檢測，從而快速獲取空間范圍內所有的數(shù)據(jù)信息。而獲取得到的二維距離信息數(shù)組中不僅包括空間角度信息，而且也涉及到距離信息，通過數(shù)據(jù)處理工作，能夠進一步明確空間環(huán)境中的障礙物情況，實現(xiàn)智慧交通。

（2）深度攝像頭

近些年來，各行各業(yè)對于深度視覺的需求不斷增加，主要應用的深度視覺產(chǎn)品則為深度攝像頭，通過深度攝像頭的作用，有效保障導航效果，也能夠準確識別和勘測路面信息。采用深度攝像頭相比于一般的攝像頭，不僅能夠高效獲取實際場景平面圖像信息，而且還能夠獲取得到更具空間感的三維數(shù)據(jù)信息。基于技術進行分類，現(xiàn)階段深度攝像頭中應用較為廣泛的技術類別主要包括三種，分別是雙目視覺、結構光以及TOF飛行時間法。深度攝像頭結構光應用原理如圖1所示。深度攝像頭帶有USB，能夠直接將獲取得到的真實數(shù)據(jù)信息進行傳送，從而有效完成主處理器傳送的功效。與此同時，通過紅外激光發(fā)射器，能夠實現(xiàn)激光發(fā)射的效用，進而構建形成干涉斑點、紅外激光編碼圖。在紅外激光編碼圖中，紅外散斑能夠透過照射，進行生成相應路面信息的紅外錄像，從而結合路面距離變化情況，總結變化規(guī)律，獲取深度信息數(shù)據(jù)。通常而言，采用深度攝像頭也有一定的距離范圍，能夠獲取得到的圖像距離范圍在0.8m到3.5m之間。對于路面故障檢測工作，首先可以通過進行RGB采集圖像，從而結合灰度特性，有效識別各種道路故障物。

圖1 深度攝像頭結構光應用原理

（3）GPS模塊

GPS模塊主要功效在于對地面信息的獲取，構建形成GPS定位系統(tǒng)，高效提供參數(shù)結果。在無人車上安裝GPS模塊，能夠高效獲取地面信息。

1.3 控制系統(tǒng)設計工作

基于多傳感器信息融合的無人機導航系統(tǒng)設計工作，還需要就分析控制系統(tǒng)進行研究，控制系統(tǒng)作為各個系統(tǒng)功能模塊的核心部件，能夠智能化的完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信息融合、定位、規(guī)劃最佳路徑等多項功能。

具體來講，當用戶下達具體指令后，控制系統(tǒng)中的主處理器將會結合道路工程環(huán)境實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)信息的采集工作，并將獲取得到的數(shù)據(jù)進行發(fā)送，當信息接收后主處理器將會自動展開信息融合，進而明確無人車當前所處位置信息、運行狀態(tài)和機器運行速度，并能夠結合指令信息規(guī)劃最佳路徑，將規(guī)劃內容進行反饋，控制系統(tǒng)中的控制器進行電機驅動，沿著規(guī)劃路徑進行移動。需要注意的是，在無人車運行過程中，系統(tǒng)內部主處理器將會時刻保持監(jiān)控狀態(tài)，避免無人車撞到障礙物，直到達到目標點，停止繼續(xù)行駛無人車。

無人車驅動控制器在實際運行過程中，通過應用3.3V直流電源完成整個控制器的供電功能。而無人車導航系統(tǒng)中的時鐘主要借助外部晶振完成效用，外部晶振自身具有多方面的應用效能，無論是時鐘系統(tǒng)存儲空間，還是時鐘系統(tǒng)頻率都具有多方面的優(yōu)勢。

2 多傳感器信息融合策略

基于多傳感器信息融合的無人車導航系統(tǒng)能夠應用在無人車中，利用傳感器的應用效能，將傳感器獲取得到的數(shù)據(jù)信息進行整合，促使導航數(shù)據(jù)和實際空間信息相符，切實提升導航系統(tǒng)的精確性和可靠性。

在無人機導航系統(tǒng)設計過程中，構建空間地圖是一個關鍵問題。當無人車處于運作過程中，結合地圖位置信息進行無人車定位工作，而且還能夠基于定位情況，搭建增量式地圖。具體來講，通過應用SLAM技術能夠完成地圖搭建的效用。通過傳感器對空間環(huán)境特征量進行反復觀測，觀測自身位置、更新觀測內容、定位位置信息，并將此過程進行重復操作，直到到達目的地，完成定位導航。如圖2所示。

圖2 構建地圖

與此同時，通過時間數(shù)據(jù)融合、空間數(shù)據(jù)融合，能夠更好地保障導航系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定性和時效性，完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作，促使導航系統(tǒng)能夠正常發(fā)揮效用。

3 測試實驗

測試試驗應用多種傳感器，促使其共同發(fā)揮效用，從而完成組合定位導航的目的，提高導航的精準性。具體來講，在試驗中，選擇障礙物較多的室內空間環(huán)境作為主要試驗場所，設定無人車始發(fā)點、目標點，從而完成無人車多傳感器信息融合導航系統(tǒng)測驗工作。

試驗發(fā)現(xiàn)，利用深度攝像頭、激光雷達、GPS三種傳感器進行信息融合，無人車能夠沿著構建地圖形成的行駛路線進行移動，還能夠敏銳探測障礙物，更新地圖信息，提供最佳規(guī)劃路線。整個無人車行駛過程中，無人車能夠充分借助數(shù)據(jù)融合方式，實現(xiàn)智能化導航的效用，實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)信息和現(xiàn)實空間結構的一致性，切實提高導航系統(tǒng)的本身的精確度。

結論：綜上所述，對基于多傳感器信息融合的無人車導航系統(tǒng)設計工作展開分析具有十分重要的意義。為了實現(xiàn)無人車的智能行駛，通過將深度攝像頭、激光雷達、GPS傳感器組合在一起，進行數(shù)據(jù)融合，能夠有效實現(xiàn)無人駕駛智能車行駛。