基于單線激光雷達(dá)的無人車輛導(dǎo)航避障系統(tǒng)分析

李睿哲，馬曉毅，王子帥，孫瑞澤

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 江西，南昌，330013）

0 引言

無人車輛行駛過程中，需要自動完成對周圍障礙物的避讓工作，所以需要有專門的障礙物監(jiān)測裝置幫助開展導(dǎo)航工作。其中單線激光雷達(dá)能在低能耗的情況下獲得較好的導(dǎo)航效果，滿足避讓導(dǎo)航的要求。

1 導(dǎo)航避障系統(tǒng)工作原理

1.1 全局導(dǎo)航

全局導(dǎo)航設(shè)計(jì)的算法理論基礎(chǔ)是給車輛數(shù)個目標(biāo)點(diǎn)，從而引導(dǎo)無人車輛沿著制定好的路線前進(jìn)。確定行駛路線時，也是通過在地圖中輸入關(guān)鍵點(diǎn)，建立起地圖信息，數(shù)據(jù)處理模塊就可以利用地圖信息完成對車輛的控制，實(shí)現(xiàn)對無人車輛的導(dǎo)航[1]。如果途中有障礙物出現(xiàn)，影響車輛的行駛道路，車輛會調(diào)整原有的線路，躲避障礙物之后控制車輛返回指定線路，避免車輛和障礙物碰撞。

1.2 局部避障

為了準(zhǔn)確獲得激光雷達(dá)對周圍的感知，結(jié)合激光雷達(dá)極坐標(biāo)的輸出特點(diǎn)，使用扇區(qū)曲率算法來計(jì)算周圍的情況。扇區(qū)可以完成對雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的劃分工作，經(jīng)過選取后，劃分可行駛扇區(qū)來確定行駛路線，有效簡化了極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為局域坐標(biāo)的過程，提升計(jì)算效率的同時也保證了精度，提升計(jì)算結(jié)果的可靠性，科學(xué)規(guī)劃避障路線。例如在控制車輛行駛時，扇區(qū)曲率算法就能自動對激光雷達(dá)的感知區(qū)域進(jìn)行劃分，并計(jì)算不同區(qū)域的方向和長度，確定汽車行駛的最佳扇區(qū)，然后控制車輛運(yùn)行。為了保證安全性，避免碰撞，計(jì)算時還要專門計(jì)算障礙物的膨脹情況，確定最合適的避障路線曲率中心和曲率半徑。

使用傳統(tǒng)的扇區(qū)算法并不能準(zhǔn)確計(jì)算車輛的安全行駛寬度，所以獲得路徑并非是最短局部路徑，為了能滿足對無人車行駛控制的要求，可以對曲率算法進(jìn)行改進(jìn)。在最初設(shè)計(jì)的模型中，僅僅為電腦提供了關(guān)鍵點(diǎn)的信息，是缺少障礙信息的，所以在進(jìn)行局部路徑規(guī)劃的工作中，只能使用單激光雷達(dá)探測障礙物。由于單線激光雷達(dá)采用單線掃描，所以不能確定障礙物的三維信息，僅僅能獲得障礙物面向激光雷達(dá)的邊緣距離信息。為了能獲得準(zhǔn)確的掃描結(jié)果，可以對扇區(qū)根據(jù)車輛的碰撞情況進(jìn)行分類，包括撞山扇區(qū)和安全扇區(qū)，撞山扇區(qū)是車輛會裝到障礙物的扇區(qū)，安全扇區(qū)是車輛不會和障礙物碰撞的扇區(qū)。計(jì)算時應(yīng)設(shè)定距離d為安全距離數(shù)值，更為直接的扇區(qū)劃分能簡化對避障的計(jì)算工作，還能減少路徑的彎曲和轉(zhuǎn)彎，縮短路徑的總長度。

2 硬件設(shè)計(jì)

對硬件的設(shè)計(jì)工作中，可以基于傳感器融合選擇硬件配置，并采取面向?qū)ο蟮姆绞阶鞒鲎詈啙嵱布渲眠x擇。通過增加使用GPS技術(shù)，可以更好地利用全地圖信息，通過GPS的導(dǎo)航作用，完善對車輛路線的規(guī)劃工作[3]。之后根據(jù)全局地圖的需求選擇激光雷達(dá)，以及幫助無人車輛規(guī)劃避障路線。

2.1 GPS選型

GPS系統(tǒng)選擇MB100，具有雙拼和雙系統(tǒng)運(yùn)行功能，通過內(nèi)置定向算法，實(shí)現(xiàn)GLONASS定向，在動態(tài)定向中有比較好的效果，具有較高的可靠性，以及滿足可用性要求。并且MB100的體積相對比較小，尺寸為58×56×11，模塊的功耗也比較低，對工作環(huán)境要求并不苛刻，可以在-40℃的情況下工作，還能有效抵抗外部沖擊和振動，定位的精度較高，而且具有較高的可靠性[4]。

在進(jìn)行獨(dú)立導(dǎo)航時，MB100的可靠性比較高，其所具有的兩個射頻口在工作過程中能夠根據(jù)工作狀態(tài)自動切換，以及根據(jù)要求切換工作模式。在動態(tài)定向中，可以適合各類高精度工作場景，在無人駕駛車輛、手持設(shè)備等定位工作中都有比較好的表現(xiàn)，尤其在對安全系數(shù)要求比較高的產(chǎn)品中使用比較廣泛。

MB100配置了45條通道，精度在50cm以內(nèi)，DGPS定位時小于30cm。以下為該系統(tǒng)的定位時間。

表1 MB100的定位時間

2.2 激光雷達(dá)的選型工作

設(shè)計(jì)過程中所選擇的激光雷達(dá)測距范圍為0.1～30m，有10%的反射率，測量角度為190°，每個掃描周期為50ms，具有1/4°的測量精度，雷達(dá)的測距精度為±100mm[5]。依靠該雷達(dá)能夠滿足低速情況下對車輛的掃描工作，可以比較準(zhǔn)確地完成對障礙物的判斷，為保證無人車輛的續(xù)航要求，所選擇的產(chǎn)品也要滿足穩(wěn)定性翻墻、功耗低的要求。為滿足對戶外移動載體的導(dǎo)航和避讓工作，雷達(dá)的運(yùn)行過程中會進(jìn)行三次回波。為適應(yīng)戶外的影響，采取IP67防護(hù)等級，也能直接完成對黑色物體的測量，包括測量黑色轎車等等，在大雨等惡劣工況下也能完成對周圍環(huán)境的監(jiān)測工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

對避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)該保證軟件可以利用激光雷達(dá)的分析，計(jì)算出車輛行駛過程中避障的最佳路線。運(yùn)行過程中需要使用極坐標(biāo)來表示障礙物的位置，之后使用GPS完成對全局路徑的規(guī)劃，以及建立平面直角局部坐標(biāo)。在進(jìn)行導(dǎo)航避障的過程中，軟件系統(tǒng)需要先完成對各種傳感器數(shù)據(jù)信息的處理工作，然后判斷目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)的大小，以大關(guān)鍵點(diǎn)作為逼走路線，而小目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)作為可不走路線。在軟件系統(tǒng)中，使用兩條鏈表分別儲存大小坐標(biāo)，車輛行進(jìn)的過程中，根據(jù)車輛的運(yùn)行位置，會不斷更新小目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)列表，但是對大目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)，會在新的導(dǎo)航任務(wù)加入之后，進(jìn)行更新工作。通過這種設(shè)計(jì)，可以保證車輛在完成局部必然之后，可以繼續(xù)按照給定的路線前進(jìn)，保證無人車輛在運(yùn)行過程中能不偏離設(shè)計(jì)路線[6]。而為了避免軟件程序出現(xiàn)冗余，對于大目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)都在輸出過程中儲存，對于小目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)會隨著指針順序指向大目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)分析之后建立。小目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)為初始位置，或者已經(jīng)完成的上一個大目標(biāo)關(guān)鍵和當(dāng)前大目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)之間的連線，然后在連線上建立起小目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)。由于其實(shí)位置和大目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離不相等，所以產(chǎn)生的小目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量也會有所區(qū)別。經(jīng)過目標(biāo)更新模塊，可以完成對小目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)的動態(tài)提取，并快速完成對路徑的規(guī)劃和制定。

4 系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 硬件試驗(yàn)結(jié)果

對硬件工作情況的試驗(yàn)使用了無人車輛所選型號的GPS頂欸裝置分析單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)，以及分析浮點(diǎn)數(shù)據(jù)和固定解數(shù)據(jù)。在單點(diǎn)定位測試數(shù)據(jù)處理工作中，需要完成對基站數(shù)據(jù)的自然擬合工作，以及計(jì)算基站自身經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的誤差，處理每個點(diǎn)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過計(jì)算，基準(zhǔn)站的RMS為0.320。固定解測試數(shù)據(jù)的處理中，將基準(zhǔn)站的行為信息設(shè)置為A組，移動站的定位信息設(shè)置為B組，在分析驗(yàn)證過程中，會選擇A、B兩組數(shù)據(jù)中處在相同時間段的數(shù)據(jù)，分析相同時刻下的經(jīng)度、緯度、高度等數(shù)據(jù)的差別，之后對兩組數(shù)據(jù)相同時刻數(shù)據(jù)的差值進(jìn)行動態(tài)分布的分析，將經(jīng)度、緯度差提出，然后計(jì)算RTK精度RMS為0.008。

以基準(zhǔn)站定位信息作為A組，移動站的定位信息作為B組，之后對A、B兩組數(shù)據(jù)取相同時間段數(shù)據(jù)，計(jì)算在相同時刻的各類數(shù)據(jù)差，然后就可以計(jì)算在相同時刻，兩組數(shù)據(jù)的差值，之后就可以完成動態(tài)分析工作，獲得經(jīng)緯度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算獲得RTK浮點(diǎn)解的精度RMS為0.530。

通過試驗(yàn)分析，證明該型號的無人車定位精度較高，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。然后還需要測試?yán)走_(dá)的聚類效果、環(huán)境識別能力等等，經(jīng)過測試，證明可以滿足應(yīng)用要求，并不會出現(xiàn)穿透墻面等問題，也沒有出現(xiàn)距離錯誤。對于障礙物的輪廓測量中，也表現(xiàn)出了比較好的聚類效果，能比較準(zhǔn)確地完成對障礙物邊界的分辨工作，符合避障工作的要求。比如可以完成對障礙物距離的測試，并且能提供危險(xiǎn)信息，并自行完成對避讓路線的規(guī)劃。

4.2 軟件試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對車載計(jì)算機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備的通信，輔助程序可以比較好地完成無人車輛行駛數(shù)據(jù)的輸出，可以比較好地進(jìn)行無人車輛的操控。

5 結(jié)語

激光雷達(dá)受天氣、光照、溫度等因素的影響比較小，所以在無人車輛運(yùn)行過程中，可以比較準(zhǔn)確地獲取周圍的信息，以計(jì)算最為合理的無人車輛行駛路線。為了滿足導(dǎo)航工作的要求，應(yīng)該綜合利用GPS等其他導(dǎo)航設(shè)備配合激光雷達(dá)，并加強(qiáng)算法開發(fā)工作，保證對周圍障礙物的識別速度，提升避讓速度。