基于北斗系統(tǒng)的自動駕駛實(shí)驗(yàn)平臺

張昕

（東北石油大學(xué)秦皇島校區(qū)，河北秦皇島 066000）

1 背景

北斗系統(tǒng)從問世開始，就被應(yīng)用于各種研究與應(yīng)用領(lǐng)域，自動駕駛領(lǐng)域是北斗系統(tǒng)比較早期的應(yīng)用之一，但是自動駕駛領(lǐng)域在不同的場景中會根據(jù)不同的控制策略搭建各自控制系統(tǒng)架構(gòu)。如在公路上自動駕駛車輛速度較快，考慮系統(tǒng)的硬件水平與反應(yīng)速度，會考慮采用大數(shù)據(jù)結(jié)合人工智能算法進(jìn)行車輛的行駛控制。這種控制系統(tǒng)，硬件投入很大，控制策略復(fù)雜，對網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的服務(wù)質(zhì)量要求很高。而對一些園區(qū)物流送貨車的控制，考慮車輛行駛速度不高，每天行駛路線固定，考慮成本因素，很多情況下可以繞過北斗定位系統(tǒng)，采用車輛的循跡移動控制。在農(nóng)機(jī)設(shè)備自動行駛控制領(lǐng)域，農(nóng)機(jī)設(shè)備的行駛速度比較低，場地雖然復(fù)雜，但有規(guī)律可循，因此需要有針對性的在北斗平臺中開發(fā)農(nóng)機(jī)設(shè)備的控制算法，與此類似的還有一些礦山的工程設(shè)備。

綜上所述，每種場景的特殊性決定了采用的車輛自動行駛算法不盡相同，而且目前新的自動駕駛控制算法不斷出現(xiàn)，也不斷改良，自動駕駛控制系統(tǒng)的架構(gòu)不斷更新，研究起來也需要不斷進(jìn)行組合，實(shí)驗(yàn)平臺的搭建比較困難。針對這種狀況，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種在兒童電瓶車基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的自動駕駛算法實(shí)驗(yàn)平臺，在此平臺上可以驗(yàn)證自動駕駛控制算法的原型。

2 硬件實(shí)物

兒童電瓶車（12V 供電）、角度傳感器、電機(jī)驅(qū)動板、陀螺儀（車身姿態(tài)感知）、ARM 開發(fā)板、北斗衛(wèi)星天線、北斗衛(wèi)星接收器、北斗衛(wèi)星基站。

3 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

首先改裝兒童電瓶車的轉(zhuǎn)向，改裝轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)（圖1），采用電機(jī)控制車輛方向盤下面的轉(zhuǎn)向柱。加裝角度傳感器反饋車輛前輪的角度，仰角俯角等狀態(tài)的感知采用陀螺儀（圖2）組件進(jìn)行反饋，陀螺儀安裝在車身內(nèi)部，要求一個(gè)水平平面的安裝空間如車座底部的平臺。

圖1 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)及角度傳感器

圖2 陀螺儀的位置

通過北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以獲取到經(jīng)度緯度和海拔高度等信息，在本硬件平臺中只用到這三個(gè)參數(shù)。整個(gè)北斗衛(wèi)星定位部分由三個(gè)部件構(gòu)成：北斗衛(wèi)星定位基站，北斗衛(wèi)星接收器和北斗衛(wèi)星天線。其中，北斗衛(wèi)星基站和北斗衛(wèi)星接收器之間的數(shù)據(jù)傳輸通過接收天線完成，采用無線通信，北斗接收器與ARM 控制板之間通過RS-232 串口進(jìn)行通信。

在硬件平臺的搭建過程中，可以根據(jù)不同的定位算法對平臺進(jìn)行搭建。一般在定位精度要求不算高的情況下，可以采用北斗衛(wèi)星基站，通過天線和車載接收機(jī)獲取北斗系統(tǒng)衛(wèi)星定位的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)按照設(shè)定好的控制算法自動行駛，誤差會根據(jù)實(shí)際情況，根據(jù)所處地域和當(dāng)時(shí)的天氣狀況有所不同，一般定位精度會高于米級精度。

如果要求定位精確度較高，則需要考慮采用RTK 算法。在小車上安裝兩個(gè)相距一米左右，且連線與車身垂直的接收天線，在此種情況下，北斗衛(wèi)星定位基站將作為整個(gè)自動駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)，北斗衛(wèi)星定位基站的覆蓋范圍大約5 公里左右，且固定不動，車載接收機(jī)和天線在獲取到衛(wèi)星信息之后，會同基站進(jìn)行再次的校準(zhǔn)，從而抵消衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的定位精度，目前最高可以達(dá)到厘米級的定位精度。

車載北斗系統(tǒng)的安裝如圖3 所示。在車尾方向看，車載北斗接收器上連接兩個(gè)北斗定位天線，并置于車體內(nèi)部，兩個(gè)定位天線要求處在同一平面上，并與車頭到車尾的連線體垂直，最好以車體中線為對稱軸，分居兩側(cè)。由于實(shí)驗(yàn)小車寬度較窄，所以天線安裝在最外側(cè)。兩個(gè)天線距離大約為0.6 米，可以實(shí)現(xiàn)RTK 算法，達(dá)到厘米的定位精度。

圖3 車載北斗系統(tǒng)安裝圖

定位系統(tǒng)通過串口通信將定位信息傳到ARM 開發(fā)板，然后通過控制算法對車輛進(jìn)行控制。其中ARM 開發(fā)板需要連接一塊電機(jī)的驅(qū)動控制板，控制車輛的轉(zhuǎn)向電機(jī)，通過角度傳感器感知車輛的轉(zhuǎn)彎角度和半徑，通過陀螺儀感知車身姿態(tài)，根據(jù)對北斗定位信息和車輛實(shí)際行進(jìn)的狀態(tài)控制車輛的行駛軌跡，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)行起來。實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)如圖4 所示，在設(shè)計(jì)好控制算法之后，通過對ARM 開發(fā)板編程。可以根據(jù)小車的行駛狀態(tài)進(jìn)行各類控制算法的橫向評測，對控制算法進(jìn)行改良。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)驗(yàn)平臺的意義與展望

本實(shí)驗(yàn)平臺主要應(yīng)用在教育與科研方面，成本不算高，可供學(xué)生按照教材中的內(nèi)容進(jìn)行經(jīng)典控制算法如PID 算法的編程，然后將程序移植到ARM 開發(fā)板中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和修改，最終通過電瓶車的行駛軌跡進(jìn)行驗(yàn)證。也可以用來驗(yàn)證更先進(jìn)的車輛自動行駛控制算法，如采用預(yù)測、模糊、迭代學(xué)習(xí)等算法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動車輛的高精度路線追蹤控制。以便于科研人員對前沿的控制算法進(jìn)行改良與創(chuàng)新。圖5 為在該平臺實(shí)驗(yàn)下仿真PID 算法對小車行駛的控制框圖。

圖5 通過PID 控制算法對小車行駛控制框圖

首先通過北斗定位系統(tǒng)獲取小車當(dāng)前的位置信息作為原始參數(shù)。之后，根據(jù)陀螺儀對車身狀態(tài)的感知，考慮車身的仰角俯角等信息，對小車的具體位置信息進(jìn)行矯正，這個(gè)操作主要考慮提高小車控制的精準(zhǔn)度。根絕小車下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，采用PID算法根據(jù)已知參數(shù)進(jìn)行控制指令的運(yùn)算。將指令發(fā)送至轉(zhuǎn)向電機(jī)，進(jìn)行車輛行駛的軌跡控制。同時(shí)，通過獲取角度傳感器的反饋信息，根據(jù)實(shí)際距離目的點(diǎn)的偏差，進(jìn)行控制指令的運(yùn)算。循環(huán)上述PID 控制過程，直至小車到達(dá)目的點(diǎn)。

目前本實(shí)驗(yàn)平臺主要瓶頸在于12V 的兒童電瓶車不能體現(xiàn)較高速度自動行駛控制算法的真實(shí)情況。

不同的ARM 開發(fā)板可以支持不同的功能，如果換上比較高端的ARM 開發(fā)板，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能仿真，例如加裝雷達(dá)或者紅外探頭，可以進(jìn)行車輛簡單避障算法的測試。加裝攝像頭之后，可以結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)算法進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對周邊物體的感知和判斷。加裝安卓屏，通過對安卓屏進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，對自動行進(jìn)的小車進(jìn)行更多的參數(shù)控制，提供更多的控制選項(xiàng)；借助4G 或5G 通信甚至可以實(shí)現(xiàn)目前主流的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過車聯(lián)網(wǎng)體系，進(jìn)行公路無人駕駛方面的嘗試。