可按多个指定地点自主规划路径无人驾驶智能车

周宇洋，蔡宇豪，叶红兵，武泱光，胡安正，黄河

（湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

无人驾驶智能车是一种自动控制的机器人系统。它通常包含多种传感器，能够感知周围环境，并规划自己的路线。在本文中，设计者提出了一种新型的无接触货物配送智能货物小车，它可以通过树莓派输入指定地点，来进行无接触的物资运输。这种小车设计与传统模式有所不同，通过引入GPS、惯性测量单元和雷达模块，并通过路径规划和滤波、PID 算法调节等处理方式，实现了高效的自动控制。

1 设计思路

这款可按多个指定地点自主规划路径无人驾驶智能物流运输车设计方案如图1 所示。其控制系统以MM32F3277微处理器为主控芯片，利用GPS 定位模块实现导航定位，使得运输车能够自动找到目标位置，再利用树莓派会读取来自GPS 模块的数据，解析出当前的经度和纬度坐标树莓派上的地图软件会将这些信息与预设的目标点进行比较处理，生成指令发送主控芯片MM32F3277，然后，再利用激光雷达感知电磁波测距原理、PID 算法等技术根据接收到的指令完成自主避障、自动导航和物流运输任务。

图1 系统总体方案框图

图2 IR2104 电机驱动图

2 智能货物小车电路单元设计

■2.1 主控芯片简介

MM32F3277G9P 单片机工作频率可达120MHz，512KB Flash，128KB SRAM，3 个12 位的 ADC、2 个 12位的DAC、2 个比较器，2 个16 位通用定时器、2 个32 位通用定时器、2 个16 位基本定时器和2 个16 位高级定时器，能够很好地满足自主避障、自动导航的需求。

■2.2 驱动模块简介

我们采用 IR2104 设计了一个单路驱动，控制车模的电机工作，IR2104 是一款高性能的双通道驱动芯片，可用于驱动半桥和全桥直流电机。该电路图包含两个 MOSFET 管（Q1 和 Q2），用于控制电机的正转和反转。电机的电源由航模电池提供。输入信号由 IN 引脚接收，控制 MOSFET 管的开关状态。通过控制 IN 引脚的高低电平来实现电机的正转、反转和停止当 IN 输入为高电平时，MOSFET 管 Q1 开启，Q2 关闭，电机正转；当 IN 输入为低电平时，Q1 关闭，Q2开启，电机反转；当 IN 输入为高阻态时，Q1 和 Q2 都关闭，电机停止。此外，由于 MOSFET 管的特性，可以使用 PWM波形调节电机的转速。

■2.3 GPS 模块简介

GPS 采用正点原子(ALIENTEK)生产的一款高性能GPS模块，体积小巧，性能优异，搜星能力强。模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部EEPROM，使用方便。同时模块自带可充电后备电池，后备电池可以维持半小时左右的GPS 星历数据的保存，以支持温启动或热启动，从而实现快速定位[1]。GPS 模块包括一个GPS 接收机和一个天线，它们用于接收来自卫星的信号。GPS 接收机通过计算信号的时间差来确定自身的位置，其原理是利用了光的速度的常数性。天线的作用是将卫星的信号转换成电信号，传递给GPS 接收机。

■2.4 车模简介

车模部分选用四轮越野车模，如图3所示，因为整车采用仿真车结构的行星齿轮差速器设计，使整车的操控性更强，可以更好地应对路面的突发状况；全车四个轮胎的支架位置均配备由液压减震弹簧组成的减震结构，使整车在坑洼不平的路面也可以保证稳定的功率输出，并且使车模平稳运行。

图3 越野车模图

3 GPS 定位原理和多点配送自主路径规划研究

■3.1 GPS 简介

GPS 主要由卫星星座(空间部分)、地面监控系统(地面部分)、GPS 接收机(用户设备部分)三大部分组成[2]。卫星星座有24 颗卫星，其中包括3 颗备用卫星。工作卫星分布在6 个轨道面内，轨道平均高度约为20200 千米，轨道倾角为55 度，卫星运行周期为11 小时58 分。地面监控系统是整个系统的中枢，主要由5 个监测站、1 个主控站、3 个注入站组成。GPS 接收机是能够接收、跟踪、变换和测量GPS 信号的接收设备，由主机、天线和电源组成。

■3.2 GPS 定位原理及方程

GPS 卫星定位测量的基本原理是：利用 GPS 接收机在某一时刻同时接收 3颗（或3 颗以上）的GPS 卫星信号，用户利用这些信息测量出测站点至3 颗（或 3颗以上）GPS 卫星的距离，并计算出该 时刻 GPS 卫星的三维坐标，根据距离交会原理解算出测站点的三维坐标。然而，由于卫星和接收机的时钟误差，因此，GPS 卫星定位 测量应至少对4 颗卫星进行观测来进行定位计算。如图4 所示可确定四个距离观测方程[3]。

图4 对四个卫星进行观测

式中：i=1、2、3、4；C 为 GPS 信号的传播速度；(Xi,Yi,Zi)为卫星的轨道坐标；ti为各个卫星的时钟差；ρi为各个卫星到测站点接收机天线的距离。

■3.3 多点配送自主路径规划原理

首先用户在树莓派的触摸屏上输入目标地点，树莓派上的地图软件会将目标地点转化为经纬度信息，当GPS 模块通电并正常工作时导航卫星连续地发送自身的星历参数和时间信息，模块在接收到这些信息后，经过树莓派通过上一时刻接收到的经纬度和下一时刻接收到的经纬度运算处理计算求解出运输车上GPS 模块的空间位置并显示在地图软件上，算法思路如下，第一个点的纬度latitude1，第一个点的经度longitude1，第二个点的纬度latitude2，第二个点的经度longitude2，将第一个点的纬度latistude1 转化为弧度rad_latitude1，其他的同理转化为rad_latitude2，rad_longitude1，rad_longitude2，运输车行进距离和偏航角用C 语言代码实现如下：

树莓派通过分析运输车的运动状态推断下一刻运输车所处的位置，并将方向角发送给主控芯片MM32F3277，从而控制舵机打角，实现指定地点运输。

■3.4 PID 算法原理

在无接触货物配送智能货物小车行驶过程中需要预设一个行驶速度上限、倒车速度上限以及静止速度设定值，并将这一设定值与当前小车速度进行匹配.针对转向舵机，需预先测出其打角至机械左右极限和机械零点对应的PWM 波占空比，并将其与方向角的角度进行匹配，实现方向控制的功能.关于上述 PWM 波占空比的闭环控制算法，系统采取的是使用广泛、技术成熟的PID 控制算法,算法流程图如图5 所示。算法的系统函数如下：

图5 算法流程图

图6 树莓派初始界面图

其中，SV为速度设定值，PV为编码器所采集到的速度当前值，KP和K1以及K为三个需要设定的系数。

■3.5 树莓派电子地图配置

树莓派通过不断地获取GPS 经纬度信息，将物流运输车显示在离线地图上，树莓派上选用的离线地图导航软件navit，它使用openstreetmaps 作为地图源，在配置完gpsd 之后只要输入命令sudo apt-get install navit 就可以下载地图包了。下载完成后修改部分navit 的配置，把“zoom="256"”改为“zoom="8"”，即地图的默认缩放级别。地图比例尺越大，需要加载的数据就越多，运算起来越慢，navit 使用一个“地图集”的概念，可以按地图格式或者区域等建立不同的地图集，每次只能启用一个地图集，但是每个地图集里可以包括很多个不同的地图文件，通过mapset标签里的enabled 来打开或者关闭一个地图集。这里我们关闭示例地图集，打开openstreetmaps 格式地图集，并指明地图文件位置，就能将小车的定位显示在地图上了，如图7 所示。

图7 树莓派物流运输车于地图上显示

4 激光雷达测距原理和自动避障无人驾驶探究

■4.1 激光雷达测距原理

激光雷达物理原理是通过激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔乘以光速的2 倍，即可计算出发射器与物体之间的距离，远距离测量具有较高的精度[5]。

■4.2 自动避障无人驾驶原理

避障模块采用的是激光雷达测距模块，激光雷达测距模块主要用于测量车子前方距离，单片机根据所测的距离判断车子是否遇到了障碍从实现车子的转向。当然智能货物小车不能只实现正前方的避障而要实现多个方向的避障，激光雷达所测距的方向则根据激光雷达下面的舵机来实现，舵机的控制通过发送可变宽度或脉冲宽度调制(PWM)的电脉冲来控制舵机，MM32F3277 控制器产生一个20ms 的脉冲信号，以0.5ms～2.5ms 的高电平来控制舵机的角度，可以使舵机旋转180 度，从而判断车子所在环境各个方向的障碍物，更好的实现避障。

5 结束语

利用物联网和信息科技的无人驾驶技术研究和应用涉及领域越来越广泛，本项目主要聚焦的是在疫情影响下如何实现无接触配送货物问题。目前，已经初步设计并完成了可按多个指定地点自主规划路径无人驾驶货物配送智能车整车模型（如图8 所示），并对相关物理原理进行了初步探讨，起到抛砖引玉的作用，后续要投入实际应用还有很多可研究开发工作要做，期待大家共同探究、研发出各种实用的无人驾驶智能车，给人们的生活带来更多的便利。

图8 货物配送智能车实物模型