園區(qū)智能防疫無(wú)人駕駛作業(yè)車(chē)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 欣， 高艾平， 陳鑫凱， 孫 帥， 吳 珂， 張士強(qiáng)

（河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 唐山學(xué)院， 河北 唐山 063000）

1 引言

新冠肺炎疫情形勢(shì)嚴(yán)峻且備受全社會(huì)關(guān)注。 校園、 企業(yè)、 居民小區(qū)、 市場(chǎng)等封閉園區(qū)類區(qū)域人員相對(duì)聚集， 藥物噴灑是目前一種常規(guī)的環(huán)境消殺方式， 但消殺作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大， 對(duì)消毒人員安全構(gòu)成威脅， 且作業(yè)難度增加， 作業(yè)時(shí)間段受限。

本次研發(fā)的自動(dòng)噴灑防疫藥物的智能作業(yè)車(chē)能按照系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間段、 行走軌跡自動(dòng)進(jìn)行指定區(qū)域的藥物噴灑作業(yè)。 操作人員只需按照提示裝備作業(yè)藥物、 設(shè)定作業(yè)行駛路徑， 作業(yè)車(chē)即可智能自動(dòng)作業(yè)， 同時(shí)作業(yè)車(chē)能監(jiān)測(cè)藥物量等狀態(tài)信息， 對(duì)噴灑環(huán)境條件進(jìn)行判斷， 自動(dòng)避障。

2 作業(yè)車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)形式

2.1 作業(yè)車(chē)底盤(pán)

如圖1所示， 作業(yè)車(chē)采用輪式驅(qū)動(dòng)底盤(pán)， 選擇4輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力源， 左右電子差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向， 底盤(pán)的主要控制包括前進(jìn)、 后退、 制動(dòng)、 轉(zhuǎn)彎等基本功能。

2.2 作業(yè)車(chē)裝備等上裝系統(tǒng)

圖1上裝部分主要包括藥物供給系統(tǒng)、 藥物噴灑控制系統(tǒng)、 GPS衛(wèi)星慣導(dǎo)定位系統(tǒng)、 超聲波傳感器、 激光雷達(dá)傳感器等； 電控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)環(huán)境感知和藥物噴灑作業(yè)控制。

圖1 作業(yè)車(chē)結(jié)構(gòu)形式示意圖

3 作業(yè)車(chē)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)采用電子線控方式， 功能上包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、 感知系統(tǒng)、 執(zhí)行系統(tǒng)等。 整個(gè)電子電氣控制系統(tǒng)包括VCU、 感知、 執(zhí)行等， 系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 電子電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.1 VCU控制核心

單片機(jī)控制核心選擇Pixhawk作為整車(chē)控制單元VCU，Pixhawk 是一款透明且可以二次開(kāi)發(fā)的硬件， 其內(nèi)置2 個(gè)STM32 系列芯片， 其中STM32F427 芯片是主控制器，STM32F103芯片作為協(xié)處理器在主控制器發(fā)生故障時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行程序， 板載加速度計(jì)、 陀螺儀和氣壓計(jì)等傳感器。

3.2 感知系統(tǒng)

GPS全稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)， 通過(guò)感知作業(yè)車(chē)地理坐標(biāo)位置信息， 實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃功能。 本設(shè)計(jì)選擇的GPS為M8N 電 子 羅 盤(pán)， 如 圖3～圖5 所 示， 它 的 定 位 精 度 誤 差 在50cm左右， 工作電壓為5V， 更新速率為1kHz。 GPS模塊的4個(gè)引腳分別與Pixhawk中的VCC、 TX、 RX、 GND相連， 另2個(gè)引腳分別與CAN中的CAN_H和CAN_L相連。

圖3 Pixhawk實(shí)物圖

圖4 GPS連線示意圖

圖5 GPS實(shí)物圖

本設(shè)計(jì)將4個(gè)傳感器布置于車(chē)頭和車(chē)尾， 為避免由于超聲波安裝過(guò)近導(dǎo)致一個(gè)超聲波接收到另一個(gè)超聲波回波的情況， 不適宜安裝較多的超聲波傳感器。 超聲波傳感器安裝與電氣原理如圖6所示。 由于Pixhawk接口有限， 因此我們將IC接入一個(gè)集線模塊ATmega2560， 使一個(gè)IC接口可以插入4個(gè)超聲波傳感器。

圖6 超聲波傳感器安裝與電氣原理圖

3.3 驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電氣原理如圖7所示， 系統(tǒng)通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)控制直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速， 本設(shè)計(jì)對(duì)4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分組為左、 右兩組， 智能車(chē)左或右2個(gè)電機(jī)為同一電調(diào)控制， 因此只配置2個(gè)電調(diào)控制， 電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)電調(diào)控制， 電調(diào)受控于Pixhawk控制器。 控制原理為Pixhawk輸出某占空比的PWM信號(hào)用來(lái)控制電調(diào)引腳的開(kāi)關(guān)信號(hào)。 控制電調(diào)引腳開(kāi)關(guān)信號(hào)再發(fā)送給電機(jī)， 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。 而本設(shè)計(jì)中， 底盤(pán)需要實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、 右轉(zhuǎn)、 前進(jìn)和后退4個(gè)功能， 前進(jìn)和后退依靠占空比改變直流無(wú)刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， 左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)通過(guò)改變左右2個(gè)電機(jī)的占空比， 左邊電機(jī)的占空比低于智能車(chē)右邊電機(jī)的占空比時(shí)， 左輪的轉(zhuǎn)速低于右輪的轉(zhuǎn)速， 智能車(chē)實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。 反之， 底盤(pán)實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)。

圖7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電調(diào)電氣原理圖

3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是為了完成作業(yè)車(chē)與Mission Planner地面站通信任務(wù)， 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)車(chē)輛數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)， 確保Mission Planner 地面站發(fā)布的命令作業(yè)車(chē)可以接收。 系統(tǒng)采用的是3DR 無(wú)線數(shù)傳，如圖8所示， 其具有傳輸距離遠(yuǎn)、 體積小巧、 方便等優(yōu)點(diǎn)，3DR數(shù)傳的一端與PC端相連， 另一端與Pixhawk板相連， 既可以向PC端發(fā)送位置信息， 又可以接收PC端指令完成指定功能。

圖8 數(shù)傳模塊工作示意圖

4 作業(yè)車(chē)系統(tǒng)調(diào)試

4.1 作業(yè)車(chē)地面站軟件

系統(tǒng)采用Mission Planner地面站軟件與Pixhawk相配合，選擇高德地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃、 下載固件、 傳感器初始化、參數(shù)標(biāo)定和行駛狀態(tài)檢測(cè)等功能。 軟件界面如圖9所示。

圖9 Mission Planner地面站

4.2 參數(shù)標(biāo)定與試驗(yàn)

如圖10所示， 系統(tǒng)采用GPS單元和IMU單元感知車(chē)輛位姿作為PID的反饋信息。 如圖11所示， 進(jìn)行PID調(diào)參， 首先將I和D的值歸0， 然后對(duì)P值進(jìn)行設(shè)置， 設(shè)置原則根據(jù)先小后大， 且不能太大， 如果P值過(guò)大， 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 智能車(chē)行駛路線會(huì)與規(guī)劃路徑相差較多， 智能車(chē)會(huì)因?yàn)閼T性在路線左右多次往返運(yùn)動(dòng)； 如果P值過(guò)小， 智能車(chē)的反應(yīng)會(huì)變慢； P值適中， 智能車(chē)也會(huì)因?yàn)閼T性在路線左右往返運(yùn)動(dòng)，但誤差會(huì)逐漸減小， 經(jīng)過(guò)多次往返運(yùn)動(dòng)后， 小車(chē)會(huì)在路線上行駛。 然后， 為了控制比例環(huán)節(jié)的過(guò)調(diào)， 設(shè)置微分參數(shù)D， 合適的D值會(huì)讓智能車(chē)更容易到達(dá)規(guī)劃路線上。 合適的P值和D值， 可以在平坦路面上行駛， 但如果路面崎嶇，智能車(chē)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 比例和微分控制環(huán)節(jié)會(huì)讓智能車(chē)在一段時(shí)間回到正常航線， 為縮短此時(shí)間， 配置積分控制參數(shù)I。 合適的I值， 會(huì)對(duì)誤差和誤差經(jīng)歷的時(shí)間做積分運(yùn)算，輸出更合適的PWM信號(hào)， 讓智能車(chē)回歸軌跡。

圖10 PID參數(shù)調(diào)整圖

圖11 PID調(diào)參界面

圖12為調(diào)完P(guān)ID的值后智能車(chē)的規(guī)劃路徑和行駛路徑。經(jīng)過(guò)PID調(diào)參， 智能車(chē)的行駛路徑已經(jīng)可以和規(guī)劃路徑基本重合， 驗(yàn)證了智能車(chē)已經(jīng)可以在校園環(huán)境下自動(dòng)行駛。 智能作業(yè)車(chē)可以有效減輕人工投入， 提高作業(yè)速度， 便于實(shí)現(xiàn)多頻次、 定時(shí)消殺， 尤其是疫情嚴(yán)重地區(qū)， 進(jìn)行有效的藥物噴灑工作， 能夠有效地避免人員與有害環(huán)境的接觸。

圖12 路徑規(guī)劃試驗(yàn)

5 結(jié)論

本次研究的智能防疫無(wú)人駕駛作業(yè)車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)由通用電動(dòng)線控底盤(pán)加上裝作業(yè)部分組成， 電控系統(tǒng)采用Pixhawk飛控作為控制核心， GPS和陀螺儀位姿信息作為軌跡控制的反饋， 超聲波傳感器負(fù)責(zé)障礙物檢測(cè)， 車(chē)輛轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)為電子差速轉(zhuǎn)向， 經(jīng)過(guò)PID調(diào)參調(diào)試， 能實(shí)現(xiàn)封閉園區(qū)的規(guī)劃路線的自動(dòng)行走和消殺防疫作業(yè)， 未來(lái)會(huì)進(jìn)行環(huán)境感知的進(jìn)一步研究， 以適應(yīng)更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。