基于高精度衛(wèi)星差分定位的組合導(dǎo)航研究

宋麗，艾長勝，孫崇書，魯海寧，任剛長

（1.煙臺科技學(xué)院，山東 煙臺 265600；2.蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司，山東 煙臺 265600；3.山東蓬翔汽車有限公司，山東 煙臺 265600）

0 引 言

目前，工廠車間之間、工位之間以及不同廠區(qū)之間的物流搬運多為人工拖運，自動化程度低，不僅費時費力使勞動成本增加；對于特殊工廠的加工對于物流運輸員工的更是有人身安全問題。為了滿足工廠中物流運輸?shù)囊?，國?nèi)外很多學(xué)者對移動機器人做了大量研究。室內(nèi)外單一導(dǎo)航方式，在精度和穩(wěn)定性上基本滿足要求，但是對于路面環(huán)境復(fù)雜且行駛路線分布室內(nèi)外的導(dǎo)航方式仍有很多不足。為了滿足這種需求提出了一種GNSS與Lidar組合導(dǎo)航的方法。

GNSS是一種天基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，通過接收機接收天上衛(wèi)星發(fā)射的信號，根據(jù)信號發(fā)射和接收的時間差或者信號的載波相位來確定衛(wèi)星和接收機之間的距離，基本觀測量主要是碼相位（精測距碼P碼和粗測距碼C/A碼）和載波相位。測量應(yīng)用有精密單點定位技術(shù)（PrecisePoint Positioning，PPP），相對定位以及虛擬參考站動態(tài)定位技術(shù)VRS（Virtual Reference Station）技術(shù)。同時采用雙天線GNSS/INS系統(tǒng)進(jìn)行移動機器人的姿態(tài)測量。

SLAM實時定位與地圖構(gòu)建，主要應(yīng)用于一個機器人在未知的環(huán)境中運動，通過對環(huán)境的觀測確定自身的運動軌跡，同時構(gòu)建出環(huán)境的地圖。在激光SLAM系統(tǒng)中，Gmapping獲取掃描的激光雷達(dá)信息以及里程計數(shù)據(jù)不良等情況而引發(fā)的火災(zāi)、漏電等生產(chǎn)安全事故，因此這種方式一般用可動態(tài)的生成2D柵格地圖。導(dǎo)航包則利用這個柵格地圖，里程計數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)做出適合的路徑規(guī)劃和定位，最后轉(zhuǎn)換為機器人的速度指令。

本文對兩種導(dǎo)航方式組合，并進(jìn)行定位分析，在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行試驗，驗證該組合導(dǎo)航的可靠性和實用性。

1 組合導(dǎo)航原理分析

1.1 差分GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)

在室外，主要通過GNSS系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位，首先需要架設(shè)固定基站，設(shè)定基站固定的坐標(biāo)值，保證差分?jǐn)?shù)據(jù)的正確，通過電臺通信的方式將差分信息發(fā)送給移動站，移動站收到差分信息進(jìn)行差分處理，提高GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。如圖1所示，移動站GNSS天線固定在AGV或者移動機器人前后方向上，后向天線為定位天線，前向天線為輔助天線用于輔助計算航向角，由于GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的是WGS84坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，需通過高斯投影算法將WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)系，直接轉(zhuǎn)化的平面坐標(biāo)系原點距離AGV或者移動機器人很遠(yuǎn)，坐標(biāo)值數(shù)值較大，為了便于計算將轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)系原點平移到車輛附近，建立適用于AGV或者移動機器人使用的GNSS局部坐標(biāo)系。最后在局部坐標(biāo)系中利用雙天線測量獲得AGV或者移動機器人的位置和姿態(tài)信息。

圖1 差分GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)

1.2 激光SLAM導(dǎo)航

在室內(nèi)，通過激光SLAM進(jìn)行導(dǎo)航定位，對于載物體型尺寸較大的AGV或者移動機器人，不能使用單一的激光雷達(dá)置于頂部進(jìn)行環(huán)境檢測，故采用對角分布的雙激光雷達(dá)進(jìn)行360度掃描。如圖2所示，首先需要將兩個激光雷達(dá)的掃描面重合，然后開始建圖，建圖完成之后需要將所建的地圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，使地圖與GNSS局部地圖重合。在導(dǎo)航使用Lidar系統(tǒng)輸出的位姿信息時，同樣需要進(jìn)行相同的旋轉(zhuǎn)平移。

圖2 Lidar布局方案

1.3 組合導(dǎo)航

首先在室外采用差分GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)提高GNSS定位導(dǎo)航信息的精度，同時GNSS系統(tǒng)與INS系統(tǒng)組合提高導(dǎo)航信息的穩(wěn)定性，經(jīng)高斯投影方法將大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)系，通過雙天線測量方式計算獲得位姿信息（，，）；在室內(nèi)使用激光SLAM算法獲得激光平面坐標(biāo)系下的位姿信息（，，）。然后將兩坐標(biāo)系分別平移旋轉(zhuǎn)進(jìn)行重合處理獲得導(dǎo)航位姿信息（，，），最后根據(jù)不同來源的導(dǎo)航信息狀態(tài)隨時進(jìn)行切換處理保證室內(nèi)外導(dǎo)航信息可靠性。過程如圖3所示。

圖3 差分GNSS和激光SLAM組合定位框圖

1.3.1 高斯投影與構(gòu)建GNSS局部坐標(biāo)系

在室外，主要通過GNSS系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，由于GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的是WGS84大地坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，地心坐標(biāo)系是坐標(biāo)系原點與地球質(zhì)心重合的坐標(biāo)系，輸出數(shù)據(jù)的格式是經(jīng)度、緯度和海拔高度，此信息不能直接用于AGV或者移動機器人導(dǎo)航，需轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)系。采用高斯投影方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

1.3.2 建立Lidar局部坐標(biāo)系

在室內(nèi)GNSS信號很弱，采用對角分布的雙激光雷達(dá)進(jìn)行導(dǎo)航。采用對角分布的激光雷達(dá)需調(diào)整兩個雷達(dá)的掃描面在同一水平面，進(jìn)行360度掃描，兩激光雷達(dá)通過網(wǎng)線連接到交換機上，從交換機引出網(wǎng)線，將激光掃描信息發(fā)送給工控機，同時將車輛狀態(tài)信息也發(fā)送給工控機進(jìn)行建圖等處理操作，過程如圖5所示。

圖4 高斯投影簡圖

圖5 激光SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)

然后緩慢駕駛AGV或者移動機器人根據(jù)掃面獲得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行建圖處理，為了保證不同數(shù)據(jù)源切換時數(shù)據(jù)穩(wěn)定，把激光導(dǎo)航系統(tǒng)局部坐標(biāo)系原點設(shè)置在GNSS信號穩(wěn)定的位置，一般設(shè)立在切換點上，建圖完成之后保存地圖。在使用激光導(dǎo)航系統(tǒng)時。需要時時向激光導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送AGV或者移動機器人的位置姿態(tài)信息，便于激光系統(tǒng)導(dǎo)航根據(jù)相對特征快速匹配地圖。同時為了與GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的局部地圖快速對接，需將不同數(shù)據(jù)源的坐標(biāo)系融合，保證在AGV或者移動機器人運行時只有一個局部坐標(biāo)系原點，應(yīng)將激光導(dǎo)航系統(tǒng)的地圖和時時的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移。

1.3.3 狀態(tài)檢測與地圖切換

地圖切換主要包括兩種形式，分別是從GNSS強信號區(qū)域行駛到GNSS弱信號區(qū)域和從GNSS弱信號區(qū)域行駛到GNSS強信號區(qū)域，對應(yīng)著GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)與激光導(dǎo)航系統(tǒng)的切換，由于這兩種導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息中包含導(dǎo)航信息可信度等狀態(tài)信息，有了這些狀態(tài)信息可以靈活的進(jìn)行兩種導(dǎo)航方式地圖切換。

Lidar導(dǎo)航系統(tǒng)切換至GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)，若在GNSS信號變?nèi)踔暗貓D匹配成功，則進(jìn)行導(dǎo)航信息源的切換，AGV或者移動機器人繼續(xù)行駛，否則車輛暫停，靜態(tài)完成地圖匹配之后在進(jìn)行導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)源切換，切換完成繼續(xù)行駛。GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)切換至Lidar導(dǎo)航系統(tǒng)，在Lidar導(dǎo)航系統(tǒng)地圖匹配時需要一定時間，故在切換過程中GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息狀態(tài)由接收到的衛(wèi)星信息和衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)行判定，而Lidar導(dǎo)航系統(tǒng)的局部地圖是否匹配成功需要由計算出的地圖可信度信息進(jìn)行判定，確保導(dǎo)航系統(tǒng)切換成功。

2 組合導(dǎo)航試驗測試

驗內(nèi)容：本試驗主要測試大廠區(qū)構(gòu)建3D點云圖的精度、GNSS與3D Lidar組合定位精度，以及車輛軌跡和停車精度。

測試地點：本測試報告實驗場地在某制藥公司。

清朝初年，著名藏書家孫從添總結(jié)古人藏書經(jīng)驗，并加以系統(tǒng)整理后，撰寫了中國第一部全面論述藏書技術(shù)的理論著作《藏書紀(jì)要》。該書詳細(xì)介紹古人藏書在購求、鑒別、鈔錄、校讎、裝訂、編目、收藏和曝書等方面的經(jīng)驗，對后世的古籍整理具有重要的參考價值。特別是相關(guān)術(shù)語和準(zhǔn)則，至今仍在延用。

測試環(huán)境：現(xiàn)場環(huán)境包括空曠的室外環(huán)境和半室內(nèi)環(huán)境。

導(dǎo)航方式：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）與雙3D SLAM雷達(dá)組合導(dǎo)航。

測試速度：直線行駛速度為1.5 m/s、轉(zhuǎn)彎速度為0.8 m/s、停車速度為0.3 m/s。

2.1 全局路徑規(guī)劃

針對某藥廠生產(chǎn)實際和已知條件進(jìn)行了基本分析和全局路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃如圖6所示，現(xiàn)場測試如圖7所示。

圖6 路徑規(guī)劃圖

圖7 現(xiàn)場測試圖

2.2 建圖效果

圖8為現(xiàn)場建圖側(cè)視圖效果，經(jīng)過測試?yán)锍逃嫈?shù)據(jù)與真實環(huán)境的偏差小于0.1 m。

圖8 現(xiàn)場建圖側(cè)視圖效果

2.3 避障程序試驗

避障程序開發(fā)通過指令選擇不同的防護(hù)區(qū)域，防護(hù)區(qū)域的不同，防護(hù)區(qū)域的防護(hù)范圍不同，圖9為防護(hù)區(qū)域的大小變化，圖紙不同顏色的點為不同的防護(hù)區(qū)域障礙。

圖9 接收指令后的數(shù)據(jù)

2.4 定位精度測試試驗

定位精度是在建圖的基礎(chǔ)上測試，圖10為構(gòu)建點云圖的局部視圖。

圖10 局部點云圖

圖11 定位數(shù)據(jù)波動情況

2.5 通信接口測試

通信接口測試接口程序穩(wěn)定性和硬件接口穩(wěn)定性，在校通過串口助手測試發(fā)送782 213個數(shù)據(jù)未出現(xiàn)不良情況，如圖12所示。

圖12 接口數(shù)據(jù)

2.6 停車精度

車輛在作業(yè)過程中，導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)定位數(shù)據(jù)控制車輛運行，停車精度這個指標(biāo)保證了車輛作業(yè)的穩(wěn)定性。圖13為現(xiàn)場10次運行過程中多次停車的精度，圖中白色線為自動駕駛模式下軌跡。經(jīng)實驗車輛橫縱方向的停車精度在±5 cm以內(nèi)。

圖13 車輛多次運行停車范圍

2.7 試驗結(jié)果

經(jīng)過實驗測試，構(gòu)建3D點云圖的精度與真實場景偏差小于0.1 m；定位數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為25.45 mm，的標(biāo)準(zhǔn)差為24.20 mm；在自動駕駛模式下車輛的直線行駛軌跡重合偏差和停車偏差小于±5 cm。經(jīng)過以上測試，車輛的軌跡重合精度和停車精度滿足現(xiàn)場需要，可以實現(xiàn)全自動搬運。

3 結(jié) 論

基于高精度衛(wèi)星定位組合導(dǎo)航的卡車AGV控制系統(tǒng)，采用Lidar和GNSS/INS組合定位，室內(nèi)采用激光SLAM進(jìn)行導(dǎo)航，室外采用差分GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，通過對差分GNSS構(gòu)建的局部坐標(biāo)系平移和對激光SLAM構(gòu)建的局部坐標(biāo)系先旋轉(zhuǎn)再平移，使兩種坐標(biāo)系重合。在運動導(dǎo)航過程中檢測導(dǎo)航信息狀態(tài)，根據(jù)導(dǎo)航信息的狀態(tài)特征進(jìn)行兩種導(dǎo)航方式的切換。差分GNSS和激光SLAM組合導(dǎo)航的方法彌補了單一導(dǎo)航方式的不足，實現(xiàn)了室內(nèi)外穩(wěn)定的輸出導(dǎo)航信息，停車精度小于±2 cm，可廣泛應(yīng)用于工廠車間之間、工位之間的物流搬運。