BDS 在陸地智能巡檢無人車中的應(yīng)用

吳清云，陳凌軒，劉昕，曹宇，謝朋洋

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心,上海 201306)

0 引言

21 世紀(jì)以無人車、無人機(jī)、無人船等為代表的無人設(shè)備廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中并發(fā)揮重要作用，具有廣闊的前景和上升空間.當(dāng)前繼美國(guó)GPS 及俄羅斯GLONASS 之后，我國(guó)自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已完成全球組網(wǎng)，相較上述定位系統(tǒng)，BDS具有以下兩方面的優(yōu)勢(shì)，一方面信息安全度更高，另一方面其短報(bào)文功能彌補(bǔ)了無線網(wǎng)絡(luò)通信的不足[1-2].BDS 的出現(xiàn)推進(jìn)了定位系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化，將BDS 應(yīng)用于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡成為一大趨勢(shì).當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)無人設(shè)備的研究重心仍聚焦于無人車，無人車的研究重點(diǎn)聚焦于定位導(dǎo)航技術(shù)[3]、運(yùn)動(dòng)模型[4-6]等方面.此外，近年來也有專家將研究方向投向無人車的不同應(yīng)用領(lǐng)域.其中，無人車應(yīng)用于巡檢工作是一大重點(diǎn)方向.朱家誠等[7]設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于鐵路接觸網(wǎng)巡檢的無人車，并為其專門開發(fā)一套定位系統(tǒng)，融合圖像識(shí)別能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車并確定立柱位置，在鐵路巡檢過程中發(fā)揮了重要作用；李壯等[8]、彭建盛等[9]分別將無人車應(yīng)用于光伏電站巡檢和火災(zāi)巡檢，保障了具體場(chǎng)景下的安全運(yùn)行和人身安全.無人車應(yīng)用于巡檢是“機(jī)器換人”背景下的必然趨勢(shì)，在未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無人車代替人工巡檢的趨勢(shì)將不會(huì)弱化，其應(yīng)用場(chǎng)景也將趨于多元化.導(dǎo)航定位功能的實(shí)現(xiàn)往往各具優(yōu)勢(shì)，在小范圍固定區(qū)域內(nèi)，慣性導(dǎo)航[10]與捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航[11]足以發(fā)揮導(dǎo)航定位功能；當(dāng)區(qū)域范圍較大時(shí)，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)定位[12]是一種良好的導(dǎo)航定位方法，具有較高的可靠性與定位精度；若不局限于某一區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定位導(dǎo)航，現(xiàn)階段可使用包括GPS[13]、GLONASS[14]與BDS[15]等多種定位系統(tǒng)并結(jié)合避障模塊進(jìn)行導(dǎo)航，隨著BDS 的興起，我國(guó)應(yīng)用BDS 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位導(dǎo)航功能有望成為主流.

綜上，在無人車呈現(xiàn)井噴式發(fā)展與廣泛應(yīng)用的時(shí)代背景下，無人車應(yīng)用于巡檢領(lǐng)域已經(jīng)得到初步普及，作為一種良好的陸上載體，無人車能夠完成許多陸地上的巡視工作，并具備替代人力巡檢的能力，適合更大規(guī)模的普及與推廣.同樣，BDS 具備的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(RNSS)與衛(wèi)星無線電測(cè)定系統(tǒng)(RDSS)兩種模式使得BDS 與GPS、GLONASS 等相比更具備應(yīng)用價(jià)值.本文著重探討B(tài)DS 在智能巡檢無人車中的應(yīng)用，從系統(tǒng)整體方案入手，將陸地應(yīng)用的智能巡檢無人車拆分為若干模塊進(jìn)行分解，并將BDS 的定位、導(dǎo)航和通信三大功能在巡檢無人車上的應(yīng)用加以詳細(xì)分析，最終經(jīng)過實(shí)地測(cè)試分析BDS 在定位、導(dǎo)航與通信方面的執(zhí)行效果.BDS 不僅能代替GPS提供實(shí)時(shí)位置信息，其短報(bào)文系統(tǒng)極大地豐富了其原有的定位功能，在用戶端與執(zhí)行端的雙向互聯(lián)間起到了橋梁作用；另外，巡檢智能車上位機(jī)的開發(fā)也實(shí)現(xiàn)了信息可視化，方便了位置信息、無人車狀態(tài)與執(zhí)行功能的查看與分析.

1 系統(tǒng)整體方案

1.1 方案分析

無人車的運(yùn)動(dòng)模式可抽象為平面維度下的前后左右四個(gè)正方向，以及由四個(gè)方向衍生出的四個(gè)偏方向運(yùn)動(dòng)，方向控制方式一般分為差速轉(zhuǎn)向或舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向：前者依靠無人車兩驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差完成轉(zhuǎn)向，后者依靠舵機(jī)裝置改變前輪轉(zhuǎn)角，由此控制無人車運(yùn)動(dòng)方向.差速轉(zhuǎn)向能夠應(yīng)用于各類型的無人車，而舵機(jī)控制往往應(yīng)用于形體較小的無人車.同時(shí)，智能無人車在運(yùn)動(dòng)過程中都需要根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)定自動(dòng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，并在途中避開障礙實(shí)現(xiàn)基本自動(dòng)導(dǎo)航功能.

本文通過對(duì)無人車運(yùn)動(dòng)控制的研究，將無人車的控制系統(tǒng)拆分為主控制器、定位導(dǎo)航通信模塊、避障模塊、驅(qū)動(dòng)模塊與功能模塊，基于BDS 實(shí)現(xiàn)自主定位導(dǎo)航和外部(主要指與上位機(jī)間)通信，設(shè)計(jì)出基于BDS 的智能巡檢無人車.

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)1.1 小節(jié)所述，基于BDS 的智能巡檢無人車由主控制器、定位導(dǎo)航通信模塊、避障模塊、驅(qū)動(dòng)模塊與功能模塊五大部分構(gòu)成.其中，驅(qū)動(dòng)模塊包括升/降壓電路、穩(wěn)壓電源與驅(qū)動(dòng)電機(jī)；避障模塊通過紅外線傳感器和超聲波傳感器的結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障；定位與通信采用BDS 模塊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和與上位機(jī)間的信息交互，方便觀察和遠(yuǎn)程操控；另外可自行配置功能執(zhí)行模塊，使巡檢無人車執(zhí)行特定的功能，如搭載openMV 攝像頭的智能巡檢無人車在勘察、檢測(cè)方面能夠發(fā)揮作用.上位機(jī)用于顯示巡檢無人車位置信息，或根據(jù)功能執(zhí)行模塊的類型進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控、觀察；具體架構(gòu)如圖1 所示，實(shí)物設(shè)計(jì)如圖2 所示[16].

圖1 通識(shí)型導(dǎo)航控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖2 巡檢無人車設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于BDS 的陸地智能巡檢無人車裝置采用模塊化的架構(gòu)，根據(jù)1.2 小節(jié)所述其下位機(jī)整體除主控制器外可劃分為環(huán)境感知、運(yùn)動(dòng)控制和無線通信三大系統(tǒng)，融合多傳感器，可以實(shí)現(xiàn)無人車的動(dòng)力推進(jìn)、自動(dòng)避障和自動(dòng)巡航三種功能.將各模塊通過有線或無線方式連接到一起，具體電路連接方式如圖3所示.

圖3 硬件模塊電路連接設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

其中，BDS 模塊在系統(tǒng)整體中發(fā)揮至關(guān)重要的作用.本文選取深圳市容輝信息科技有限公司推出的北斗短報(bào)文開發(fā)板N2，為其匹配短報(bào)文數(shù)傳終端，型號(hào)為K1；N2 型號(hào)的開發(fā)板采用外置天線設(shè)計(jì)，收發(fā)成功率高于97%，其RDSS 模塊工作電壓為5 V，待機(jī)功耗＜0.65 W，適用于車載場(chǎng)景下的應(yīng)用，匹配的主控制器選型為STM32L476RET6.

BDS 最主要的功能為獲取無人車自身的位置信息，將其轉(zhuǎn)化為具體的坐標(biāo)形式，一方面將位置信息傳遞至主控制器供無人車實(shí)現(xiàn)自主行駛；另一方面信息以短報(bào)文的形式由上位機(jī)接收，在上位機(jī)平臺(tái)上顯示，達(dá)到人機(jī)交互的效果.

STM32 單片機(jī)通過控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無人車的推進(jìn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型一般可分為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩類.自動(dòng)避障模塊采用紅外線傳感器和HYSTR05 超聲波傳感器，紅外線傳感器的檢測(cè)角度為35°，工作距離為30 cm 以內(nèi)，采用3 個(gè)紅外線傳感器分別安裝在設(shè)備的頭部和兩旁；超聲波傳感器探測(cè)距離最大可達(dá)4.5 m，精度為3 mm，安裝在無人車前方.在巡檢過程中前方超聲波傳感器可定時(shí)向前方發(fā)射一定頻率脈沖信號(hào)，根據(jù)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算出與障礙物之間的距離.當(dāng)兩側(cè)和前部的傳感器檢測(cè)到與障礙物距離過近時(shí)可控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，上述控制通過主控制器實(shí)現(xiàn).紅外線與超聲波傳感器的聯(lián)合使用方法如圖4 所示.

圖4 紅外線、超聲波傳感器聯(lián)合避障原理圖

此外，動(dòng)力系統(tǒng)采用7.2 V 穩(wěn)壓電源大容量鋰電池進(jìn)行供電，電源模塊接多路輸出升/降壓模塊以實(shí)現(xiàn)不同模塊之間的電壓需求；為保障巡檢機(jī)器人的持續(xù)正常工作，避免自動(dòng)控制系統(tǒng)失靈的情況，選取DX-BT054.0 藍(lán)牙控制模塊，必要時(shí)可通過藍(lán)牙模塊手動(dòng)接管無人模型實(shí)現(xiàn)300 m 范圍內(nèi)的手動(dòng)遙控控制.

3 BDS 在無人巡檢車中的應(yīng)用

3.1 BDS 定位基本原理與無人車運(yùn)動(dòng)模型

在無人車工作過程中，通過BDS 模塊與BDS 衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位.BDS 模塊與BDS 衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號(hào)在真空與近地面大氣層中的傳播速度為光速c，則BDS 模塊與定位終端之間的距離可通過信號(hào)傳播時(shí)間與速度乘積得到.BDS 衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文經(jīng)解調(diào)后可解算出發(fā)報(bào)衛(wèi)星當(dāng)前的三維坐標(biāo)位置，令其為(x(n)，y(n)，z(n))，同時(shí)設(shè)無人車模型上接收機(jī)的位置坐標(biāo)為(x0，y0，z0)，由此建立兩者間的幾何距離方程[17-19]，如式(1)所示：

式中： ρ(n)為BDS 衛(wèi)星n與無人車BDS 接收端之間的幾何距離，n=1,2,3,4；δt為BDS 衛(wèi)星n與無人車BDS 接收端時(shí)鐘精度不同產(chǎn)生的時(shí)鐘誤差，其計(jì)算公式如式(2)所示：

式中：T(n)為BDS 衛(wèi)星n的時(shí)鐘差，可由衛(wèi)星星歷得出；T0為無人車BDS 接收端時(shí)鐘差.由式(1)可知，由于引入時(shí)鐘誤差 δt，式(1)出現(xiàn)四元未知數(shù)，故需引入4 顆BDS 衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)合求解，最終得出無人車當(dāng)前的位置信息.

無人車的運(yùn)動(dòng)過程可視為在二維平面上進(jìn)行，忽略摩擦等影響運(yùn)動(dòng)的因素后，建立平面直角坐標(biāo)系如圖5 所示.

圖5 無人車運(yùn)動(dòng)建模示意圖

圖中A點(diǎn)為巡檢無人車BDS 模塊定位得出的當(dāng)前坐標(biāo)，B點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，AB兩點(diǎn)間距離記作dAB，速度方向角為 α，與實(shí)際路徑偏差為 β，根據(jù)距離公式可求得AB兩點(diǎn)之間的距離為

由圖5 可得：

式中：K為相鄰時(shí)刻無人車位置在XOY平面上變化的斜率；V(t)為當(dāng)前時(shí)刻無人車的速度；無人車運(yùn)動(dòng)過程中方向微分參數(shù)為

式中：為無人車t時(shí)刻x方向上的運(yùn)動(dòng)微分量；為y方向上的運(yùn)動(dòng)微分量，得出的結(jié)果即為依據(jù)速度與前一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)方向得出的當(dāng)前時(shí)刻巡檢無人車運(yùn)動(dòng)方程，而由圖5 可知，運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)A與運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)B的坐標(biāo)均可由BDS 較為準(zhǔn)確得出，但小運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)BDS 仍然存在一定的測(cè)量誤差，因此結(jié)合上述修正模型的微觀方法，在BDS 的定位變動(dòng)范圍超出閾值時(shí)，將修正值與BDS 定位結(jié)果采用中值濾波方式進(jìn)行重新確定，可較準(zhǔn)確地得出任一時(shí)刻巡檢無人車運(yùn)動(dòng)方向與位置信息，充分補(bǔ)充了BDS 定位精度的部分缺陷，提高整體定位精度，后續(xù)設(shè)置了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證修正模型的優(yōu)越性.

3.2 BDS 導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得出相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖和運(yùn)動(dòng)控制步驟，整體流程圖如圖6 所示.

圖6 基于BDS 模塊應(yīng)用的無人車巡檢工作流程圖

在設(shè)備初始化之后，首先檢測(cè)接收到的信號(hào)是否為藍(lán)牙信號(hào)，若為藍(lán)牙信號(hào)即進(jìn)入藍(lán)牙鏈路控制運(yùn)動(dòng)模式，按照上位機(jī)指示進(jìn)行操作.藍(lán)牙模塊P1 口的主要作用為工作狀態(tài)檢測(cè)，P0 口低四位實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，針對(duì)雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，P0 口低四位接收上位機(jī)控制信號(hào)，并按照引腳順序分別接兩驅(qū)動(dòng)模塊即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)電機(jī)控制[20-21].

控制過程中定位模塊判斷與終點(diǎn)位置是否重合，同時(shí)根據(jù)超聲波傳感器與紅外線傳感器的信號(hào)判斷周圍環(huán)境中是否存在障礙，若遇到障礙物根據(jù)程序旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行再判定直至避開障礙.

3.3 BDS 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能巡檢無人車基于BDS 的通信架構(gòu)，可劃分為三個(gè)層級(jí)，以巡檢無人車為載體的層級(jí)成為執(zhí)行層，通過BDS 衛(wèi)星所在的空間層，與上位機(jī)(PC)端的用戶層實(shí)現(xiàn)通信；用戶層亦可通過空間層向執(zhí)行層發(fā)送指令，進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接管，其全過程示意圖如圖7 所示.

圖7 BDS 通信架構(gòu)原理圖

北斗獨(dú)特的短報(bào)文系統(tǒng)支持將信息以無線通信的形式傳達(dá)給上位機(jī)平臺(tái)，K1 型號(hào)的數(shù)傳終端支持78 字節(jié)單次傳輸，傳輸時(shí)間間隔為1 min，為方便用戶在上位機(jī)端清晰地了解巡檢無人車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，需在傳輸最大容量允許的前提下合理設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議.本文設(shè)計(jì)的傳輸協(xié)議中包含了ID、定位、速度、電壓及系統(tǒng)狀態(tài)等關(guān)鍵信息，用戶端可以全面地了解到無人車當(dāng)前的執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議具體如表1 所示.在傳輸協(xié)議的框架下，短報(bào)文信息經(jīng)用戶層BDS模塊接收解調(diào)處理后，傳遞至上位機(jī)端進(jìn)行接收顯示.要求上位機(jī)端能夠?qū)崟r(shí)顯示巡檢無人車的周圍環(huán)境與位置，通過可視化的方式呈現(xiàn)并呈現(xiàn)其經(jīng)緯度信息，同時(shí)輸出無人車的速度、電壓、工作狀態(tài)等信息.采用LabVIEW 平臺(tái)開發(fā)上位機(jī)端界面，利用C++語言編寫用戶層上位機(jī)軟件，安裝與用戶層計(jì)算機(jī)中，用于接收?qǐng)?zhí)行層中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，或必要時(shí)發(fā)送控制指令，遠(yuǎn)程遙控?zé)o人車的運(yùn)動(dòng)，并由用戶層計(jì)算機(jī)通過BDS 終端數(shù)傳傳遞給巡檢狀態(tài)下的無人車.用戶層與執(zhí)行層之間的體系結(jié)構(gòu)如圖8 所示，上位機(jī)示意圖如圖9 所示.

圖8 用戶層與執(zhí)行層間體系結(jié)構(gòu)圖

圖9 上位機(jī)界面示意圖

表1 BDS 衛(wèi)星RDSS 短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 測(cè)試環(huán)境

根據(jù)本文研究成果和相關(guān)算法設(shè)計(jì)，選擇智能巡檢無人車為載體將程序燒錄至STM32 單片機(jī)主控制器中，并與相關(guān)傳感器等其他器件相連以獲取相關(guān)參數(shù)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能.巡檢無人車自身結(jié)構(gòu)參數(shù)與測(cè)試環(huán)境參數(shù)同如表2 所示，該測(cè)試環(huán)境下對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確.實(shí)地測(cè)試過程如圖10 所示.

表2 測(cè)試環(huán)境參數(shù)記錄表

圖10 巡檢無人車實(shí)地測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

經(jīng)過多次實(shí)地測(cè)試，在上位機(jī)觀察運(yùn)動(dòng)結(jié)果得到如圖11 所示的運(yùn)動(dòng)軌跡散點(diǎn)圖，并計(jì)算出各次測(cè)試中記錄下的運(yùn)動(dòng)路徑與預(yù)設(shè)路徑之間的偏差和各次測(cè)試耗時(shí)，匯總?cè)鐖D12 所示.

圖11 運(yùn)動(dòng)軌跡散點(diǎn)圖

圖12 運(yùn)動(dòng)過程誤差分析與耗時(shí)記錄

經(jīng)分析可知在各導(dǎo)航的使用中無人車運(yùn)行均正常，最大誤差限制在40 cm 以內(nèi)，同時(shí)其運(yùn)動(dòng)控制具備如下特點(diǎn)：

1)無人車可正常行駛，中途無故障，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常；

2)無人車在運(yùn)行過程中可自動(dòng)避開障礙，在實(shí)驗(yàn)中途擺放特定障礙物時(shí)無人設(shè)備可自主繞開未發(fā)生碰撞；

3)通過程序給無人設(shè)備施加終點(diǎn)后，無人設(shè)備可自動(dòng)向終點(diǎn)方向行駛，最終位置與終點(diǎn)基本重合無過大偏差；

4)在調(diào)試過程中觀察到無人設(shè)備避開障礙物后有規(guī)則地調(diào)整角度，并自行尋找設(shè)定路徑行駛；

5)中途藍(lán)牙接管自動(dòng)運(yùn)行時(shí)未發(fā)生運(yùn)行狀態(tài)混亂和停滯現(xiàn)象，從自主巡航到無線遙控切換流暢效果良好.

由誤差分析可知，BDS 衛(wèi)星導(dǎo)航下的巡檢無人車較GPS 導(dǎo)航下的無人車準(zhǔn)確性更高，達(dá)到了較小的路徑偏移度；而加上了修正模型后的BDS 導(dǎo)航則又在原基礎(chǔ)上擬合了最優(yōu)路徑，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間尺度和路程尺度的優(yōu)化統(tǒng)一.

5 結(jié)束語

隨著BDS 的廣泛應(yīng)用，未來在巡檢無人車領(lǐng)域可大規(guī)模普及BDS 定位模塊，BDS 較GPS 擁有獨(dú)特的短報(bào)文系統(tǒng)，適用于雙向通信的開發(fā)與研究，提升了信息交互性.本文采用了多傳感器技術(shù)，進(jìn)行全方位的環(huán)境感知，通過紅外線傳感器與超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，利用BDS 獲取當(dāng)前精確定位并對(duì)行駛方向做出規(guī)劃，解決了避障過程進(jìn)行后的行駛方向問題，使系統(tǒng)具備了快速糾偏能力.同時(shí)加入無線遙控元素，保證了系統(tǒng)的安全性和可控性.采用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)上位機(jī)，充分利用BDS 的短報(bào)文系統(tǒng)，可在上位機(jī)端實(shí)時(shí)查詢并記錄無人車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于巡檢無人車定點(diǎn)巡航作業(yè)，搭載多傳感器的智能系統(tǒng)具備環(huán)境感知、自動(dòng)避障、定點(diǎn)巡航和遠(yuǎn)程遙控控制的多方面優(yōu)勢(shì)，可滿足實(shí)際工作中的要求，兼具模塊化架構(gòu)，具有較高的可開發(fā)性和實(shí)用性.