无人驾驶小车导航系统研究

李 玉 张培明

（潍坊科技学院，山东 寿光262700）

1 无人驾驶小车导航系统的研究意义

无人驾驶小车(AutomatedDrivingVehicle，简称ADV)的导航方式影响系统运行时的可靠性以及物流系统的柔性，伴随着科技的发展，ADV 的导航方式也在更新换代。按照ADV 导航线路的形式，可分为自由路径导航方式、固定路径导航方式两种不同的导航方式。固定路径导航方式其优势是价格较低，定位精度较高，而且相对稳定可靠，但由于其路径被固定，因此对现场环境要求较高。自由路径导航方式的优点是其路径可以改变不同的形式，有良好的柔性，对现场环境的要求与固定导航方式相比相对较低，但由于其定位精度受使用的设备及导航控制算法的限制，使得其在拥有与固定路径导航方式相同定位精度的情况下，其ADV 的价钱也更高。

2 现阶段无人驾驶小车导航系统分析

目前，无人驾驶小车常用的导航方式有光学导航方式、激光导航方式、磁带导航方式、电磁感应导航方式和视觉导航方式等五种导航方式。光学导航原是借助于光学敏感器测量来确定航天器相对位置和姿态的一门技术，由于其导航精度较无线电导航更高，故又成为光学精确导航。后将光学导航方式应用到无人驾驶小车上，即使用在行走路径上涂抹染料、油漆或者粘贴色带等方法，利用光学传感器接收色带图像信号进行辨别和简单处理来实现无人驾驶小车的导航，其优点是导航路径设置能够灵活改变，但对色带损害与污染很敏感，容易受现场环境限制。激光导航方式的长处是拥有较好的柔性，能够快速适应外部环境，无需对地面进行任何处理，路径灵活变换不受限制，可适用于各种现场环境，而且进行修改运动参数及行驶路径等操作简便易行，但其控制及导航算法最为复杂，定位精度取决于激光头及算法，使得ADV 的成本较高。磁带导航方式的优点是其磁带铺设相对简单，更改导航路径也比较简单，但易受干扰与外界环境的限制，只能在条件良好的环境中使用。电磁感应导航方式的优点是导航线隐蔽，不易被污染和破坏，原理简单可靠，成本低，缺点是其导航路径的改变条件受限，且增加或改变路径费时费力，难以适应多变的环境，灵活性差。视觉导航方式得最大的优势是ADV 成本低廉，能够获取丰富的信息，可构建全景的三维地图，与其他硬件结合实现全自动导航，然而现场光线变化难以控制，使得其运行不够稳定，且当前硬件设施存在各种各样的问题，难于满足其实时性要求，现有的图像处理算法也并不成熟。

3 研究内容

3.1 考虑现有技术以及无人驾驶小车导航方式存在的问题，我们要研发一种能够提供路径可灵活变换、拥有良好的柔性、并且造价低廉且不受室内外环境限制的无人驾驶小车导航系统。为实现这些目标，使无人驾驶小车导航系统拥有优良的性能，我们致力于研发出一种适用于室内外各种环境导航的无人驾驶小车导航系统。

3.2 导航系统包括：卫星导航模块、惯性导航系统，当无人驾驶小车在室外行驶时，二者启动，在室内行驶时关闭，通过卫星导航系统检测无人驾驶小车的当前的位置信息，惯性模块接收的无人驾驶小车当前的姿态信息，并将接收到的无人驾驶小车的当前的位置信息、姿态信息传输给控制模块；磁带导航模块，在无人驾驶小车在室内行驶时启动，在室外行驶时关闭，将其检测到的磁信号传送给控制模块。

3.3 控制模块与卫星导航模块、惯性导航模块相连，当无人驾驶小车在室外行驶时，通过卫星导航模块接收无人驾驶小车的当前的位置信息和当前的位姿信息，并将其传送给控制模块，以此来实现对无人驾驶小车的闭环控制；控制模块与磁带导航模块相连，当无人驾驶小车在室内行驶时，通过磁带导航模块接收的磁信号实现对无人驾驶小车的闭环控制。

4 基本功能

4.1 利用四大基本模块之间的相互联系，无人驾驶小车可利用无人驾驶导航系统实现室内外的无人驾驶小车的导航。无人驾驶小车导航系统由卫星导航模块1、惯性导航模块2 以及磁带导航模块3 控制模块4 组成。其中，卫星导航模块1 可以是全球卫星定位系统(GPS)导航模块，也可以是其他卫星定位系统导航模块，例如我国的北斗卫星定位系统导航模块、伽利略卫星导航系统模块、俄罗斯全球导航卫星系统模块。无人驾驶小车导航系统根据实时变换的环境数据对小车进行导航。具体来说，无人驾驶小车在室外行驶时利用卫星导航模块1 和惯性导航模块2 完成操作。当无人驾驶小车在室外行驶时，卫星导航模块1开启，将其接收到的无人驾驶小车的当前的位置信息实时传送给控制模块4，同时开启惯性导航模块3，将处理得到的无人驾驶小车当前的姿态信息及时传输给控制模块4，由控制模块对两部分信息进行整合处理，继而发布指令，使无人驾驶小车按照规定路径以及合适的速度稳定行驶。其中，位姿信息包括位置信息、速度、转向角、加速度等。其运动模型表述如下：

其中，L 为车轮轴距。

4.2 无人驾驶小车在室内行驶时利用控制模块与磁性导航模块完成指令与操作，在无人驾驶小车在室内行驶时启动磁性导航模块与控制模块，关闭卫星导航模块、惯性导航模块，利用磁带导航模块检测磁信号，然后输送给控制模块，控制模块对磁信号进行分析处理得到导航路径信息和指示用的无人驾驶小车的姿态信息，并利用该导航路径信息和指示用的姿态信息对无人驾驶小车实行闭环控制，使无人驾驶小车按照既定的速度及路径行驶。

4.3 无人驾驶小车导航系统其混合采用了卫星导航模块、惯性导航模块、磁带导航模块等不同的模块，可实现自由切换室内和室外两种不同的导航方式，适应复杂多变的坏境，满足室内及室外导航的双重需求，成本低且容易接受。此外，该无人驾驶小车导航系统采用了卫星导航和惯性导航进行双重定位，利用融合算法得到车辆实时传送位置信息，保证了定位精度。使其拥有定位精度高、控制稳定可靠、结构简单、不受外界环境干扰与路径要求限制、导航路径修改方便等优势，因此无人驾驶小车导航系统是一种高效、实际可操作的导航系统。

5 无人驾驶小车系统进一步发展

此外在无人驾驶小车导航系统的基础上，无人驾驶小车还能够有选择地与其他模块相结合，可以与单个模块结合，也可与多个模块同时结合，无人驾驶小车导航系统还可与自动充电模块、防撞模块、无线通信模块、电量显示模块、语音提示模块相结合实现不同的功能。自动充电模块的作用是在无人驾驶小车的电量不足时，将电量信息及充电指令的信号及时反馈给控制模块，而后控制模块再根据无人驾驶小车的当前的位置信息、当前的小车的姿态信息或磁信号进行整合处理，发布指令，指引无人驾驶小车行驶到指定充电位置进行充电。防撞模块的作用是用于检测行驶路径是否存在障碍物，若检测到障碍物的存在，及时向控制模块发送障碍物的位置信息，控制模块根据障碍物的位置信息、无人驾驶小车的当前的位置信息、当前的姿态信息或磁信号对无人驾驶小车完成闭环控制操作，使无人驾驶小车对障碍物及时进行规避，实现正常行驶。无线通信模块的作用是通过控制模块相连，用于无线通信。电量显示模块是通过与控制模块相连，用于显示电量信息。语音提示模块的作用是与控制模块连接用于进行语音提示。

6 结论

本文所述无人驾驶小车导航系统比其他导航系统更有优势，无人驾驶小车导航系统及导航技术拥有广阔的发展前景，但其需要进一步的巩固与创新，需更更多科研人员的努力。在不久的将来无人驾驶导航系统会更加完善，与现有的交通系统有效结合，改善交通拥堵的情况，促使人们更好、更快、更安全的出行，并期待其能够成熟的应用于无人驾驶汽车，与人们近距离接触，让科技走进生活。