基于导航系统的自动寻迹智能小车研究

基于导航系统的自动寻迹智能小车研究
艾皖东;卢浩;陈振斌;姜立标
【摘要】提出了基于主动导航的自动寻迹智能车设计方案,通过设计主控芯片、驱动控制电路和导航系统等,建立主动寻迹模型,实时准确地对航向角和行驶路线进行控制,并完成了程序编译,搭建自动寻迹智能小车模型.道路试验结果表明,智能小车中心点偏移量在±0.30 m范围内,达到预期要求,可以依靠GPS定位数据实现基于主动导航的自动寻迹.%Based on active navigation, this paper proposed design proposal of automatic tracking intelligent car. the model of automatic tracking by designing master chip was established, with control circuit and navigation system that could control the real-time heading angle and driving routes accurately; and finally the control program were compiled and a model of automatic tracking car was established. The road test shows that the offset at the center of the intelligent car ranges within
±0.30 m, which meets the expected requirements. Therefore, the intelligent car can rely on GPS positioning data to achieve automatic tracking under the active navigation.
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2018(000)005
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】导航系统;处理器;控制程序;自动寻迹
【作者】艾皖东;卢浩;陈振斌;姜立标
【作者单位】海南大学,海口570228;海南大学,海口570228;海南大学,海口570228;华南理工大学,广州510641
【正文语种】中文
【中图分类】U462.1
1 前言
随着高精度地图数据库的建立，导航系统对于自动驾驶的重要性也得以突显[1]。

汽车导航系统配合高精度地图不仅能为车辆决策出最优路径，还可以实时监控车辆行驶速度、加速度、道路环境、位置等行车数据，也是实现智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）的必需条件[2]。

传统汽车对GPS和高精度地图的利用多为定位、被动导航、道路环境等行车数据
监测，而基于主动导航的自动驾驶汽车不仅能有效解决城市交通拥堵问题，还具有提高车辆安全性等重要作用。

然而，目前国内对于主动导航下的汽车研究相对较少。

本文以智能车模型为研究对象，基于高精度地图数据库，将GPS对汽车的精准定
位与避障系统对周围环境的识别相结合，通过搭建硬件系统、编译控制程序，准确识别智能车实时行车数据并进行计算处理，为智能车决策出正确的行驶方向[3]，
实现智能车的主动导航、安全行驶以及按照规定路线从放置点到达给定目标点的目的，并为主动导航下的自动驾驶汽车安全等性能控制提供参考。

2 车辆模型结构
本文使用的车辆模型装有3个直流电机，可实现全时四驱、独立转向，且其四边
减振器弹性可调，采用空心高弹性橡胶轮胎，不仅能衰减振动，还可以适应全地形。

车辆模型结构如图1所示。

图1 车辆模型结构简图1.轮胎2.底盘连接件3.电机4.驱动桥5.转向机构6.减振器
7.控制器集成
3 硬件系统设计
3.1 主控芯片
基于处理器数据解析和逻辑运算器的功能，结合主控固件库、内部资源等，主控芯片采用STM32F103C8T6。

该芯片采用了ARM 32位CortexTMM3 CPU内核，程序和数据并行独立存储，加设输入/输出端口（I/O）、模数转换器（ADC）、集成电路总线（IIC）、通用同步/异步串行接收/发送器（USART）等，核心板内部资源丰富，模块相对独立[4]。

主控芯片原理如图2所示。

图2 主控芯片原理图
3.2 电机驱动
基于车辆模型装载的3个直流电机，调用标准定时器模块（TIM）配置脉冲宽度调制（PWM）输出[5]，通过改变占空比实现对电机分状态控制以满足前、后移动、转向。

电机驱动原理如图3所示。

图3 电机驱动原理图
3.3 导航系统
3.3.1 定位原理
GPS由空间卫星、控制站和接收机3部分组成，各部分的协同与数据交换为用户提供了定位服务[6]。

由于卫星时钟与接收机时钟的不同步[7]，当存在时钟差Δ t 时，卫星与接收机之间的距离即为伪距PR（Pseudo Range）[8]，表示为：
式中，Δt为卫星时钟与接收机时钟的差，接收机时钟慢于卫星时钟时，Δt取正，反之为负；c为速度常数。

研究使用的定位模块根据一台接收机的观测数据进行单点定位，定位模型[9]如图4所示。

图4 卫星单点定位模型
至少4颗卫星就可以得到接收机定位信息，设接收机坐标为（x,y,z），空间卫星坐标分别为（x1,y1,z1）、（x2,y2,z2）、（x3,y3,z3）、（x4,y4,z4），卫星与小车的空间距离分别为d1、d2、d3、d4[10]，则
3.3.2 定位模块
双模 ATGM332D-5N能够捕获 GPS、BDS和GLONASS三大导航系统的空间卫星，为加强信号接收，配置了一个带有互联网络数据包交换（IPX）接口的外置有源天线。

ATGM332D-5N原理如图5所示。

图5 ATGM332D-5N原理图
ATGM332D输出数据默认采用美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association，NMEA）的NMEA-0183协议[11]，主控芯片主要对$GPGGA、$GPVTG数据进行解析调用。

数据示例：
3.3.3 定位数据采集分析和结果整理
由于定位模块存在一定的误差，并且受天气、地球自转、卫星运行、云层流动等因素的影响，即使定位模块固定于一点不动，其定位信息仍为浮动数据[12]。

如果浮动数据直接赋给主控芯片用于运算，那么车辆电机转速和转向的控制数据会出现浮动，不仅增加主控芯片数据处理的误差，也伤害电机的运转，致使车辆稳定性能和机动性能下降。

此外，数据的量级浮动也增加了后续数据计算的复杂性，所以对浮动数据量级简化处理以提高计算速度是有必要的。

对试验中所采集数据的经度差和纬度差的处理结果如图6、图7所示。

图6 定点测试经度差值
图7 定点测试纬度差值
根据图6和图7所显示的结果，纬度差值波动范围为-0.000 1～0.000 1，经度差值波动范围为-0.000 1～0.000 1。

显然，使用的定位模块经纬度数值精确度可达到千分位。

3.4 硬件系统结构
除了机械机构、定位模块、主控STM32F03C8T6和电机外，为方便二次开发，硬件系统还附有18 650锂电池包、可调降压稳压板、TTL串口、下载调试器、夏普红外避障传感器、OLED液晶显示屏等，如图8所示。

图8 硬件系统组成及控制框图
4 主动寻迹模型的建立
4.1 航向控制
$GPVTG包含以真北为参考基准的地面航向，可以指示车辆的运动方向，即以真北为0°位，顺时针所扫过的夹角为车辆航向角。

将车辆的航向角和当前位置与目标位置间的动态角度建立关系，即航向控制模型，如图9所示。

其中，（x0,y0）为起始坐标点，（x1,y1）为目标终止点，θ0为航向参考角（0°～89.99°），α为车辆某一时刻的行进方向（0°～359.99°），即航向角。

图9 航向角控制模型
航向角α不能直接与航向参考角θ0作比较，以大地经纬度建立虚拟平面坐标系[13]，得到航向参考角θ0所对应的目标航向角θ。

目标航向角θ的计算如表1所示。

航向角α由GPS数据解析，为使车辆的行进方向（航向角）等于或逼近目标航向角θ，采取求差值的方法[14]：
当角度差值Δ=0°或者Δ→0°时，即达到了航向控制的目的。

4.2 寻迹模型
车辆按照(x0,y0)到(x1,y1)的直线路径行驶是其自动寻迹的最佳路线。

规定当
Δ≥180°时，车辆前轮左转，0°＜Δ＜180°时，车辆前轮右转，Δ=0°时，车辆直线行驶。

寻迹控制模型如图10所示。

其中，A为起始点，G为设定目标点，AB为车辆起
动后在GPS数据未更新之前的路径。

车辆处于B点时，GPS数据更新，AB段路
径的行驶数据和B点坐标被解析，B点则替代A点作为新起始点。

表1 目标航向角θ计算表θ0 θ 90°90°0°0°条件x1=x0；y1＞y0 x1=x0；y1＜y0 x1＞x0；y1=y0 x1＜x0；y1=y0 x1＞x0；y1＞y0位置坐标轴坐标轴坐标轴坐标轴I象限180°||||y1-y0 x1-x0|||0°180°90°270°90°-α 180°x1＞x0；y1＜y0Ⅱ象
限||||||π ·arctan |π ·arctan |y1-y0 x1-x0|90°+αⅢ象限x1＜x0；y1＜
y0||||180°y1-y0 x1-x0 π ·arctan ||||270°-α x1＜x0；y1＞y0Ⅳ象限
180°π ·arctan |||||||y1-y0 x1-x0|270°+α
图10 寻迹控制模型简图
主控STM32F03C8T6计算BG段的行进参考角和角度差值，对外执行前轮转向和驱动电机驱动。

小车之后向C点行驶，达到C点后，GPS数据再次更新，C点成
为新的起始点，再次计算CG段数据，行驶至D点，类此，小车在转向和驱动配
合下，逐渐逼近目标点。

5 程序编译
基于Keil编译环境，程序控制从各硬件配置初始化到循环体判断执行，导航数据、红外测距、OLED显示、方向计算和电机控制顺序循环执行实现智能车寻迹。

程序执行逻辑框图如图11所示。

主控STM32F03C8T6在执行时，main函数为执行起点，以下为智能车寻迹控制程序中main()函数部分，Tracking()函数为智能车寻迹循环函数。

图11 程序执行逻辑框图
6 试验测试结果
为验证主动导航智能车的自动寻迹能力，对智能车进行实际道路测试。

图12所示为道路寻迹测试智能车行驶路线示意。

图12 道路寻迹测试小车行驶路线示意
测试道路长15 m、宽3 m，路面水平且达到二级公路等级，测试时天气晴朗，风速低于3.5 m/s。

如图12，A点为智能车放置起始点，B点为给定目标点，C点为智能车到达点。

受导航模块定位精度和卫星与定位模块之间数据存在延迟的限制，智能车在行驶过程中出现S形路线。

测试初期因智能车放置角度β不同导致转向偏移量d差异较大，但经多次测试，行车路线从第2次极值点起偏移量d的范围在±0.30 m内，且随到目标点距离的减小，极值点的偏移量逐渐减小，结果达到预期目标。

7 结论
根据试验结果可以得出，通过建立小车航向、路径控制模型，设计电路模块、编译路径控制程序，能够实现以GPS定位数据为主、红外测距避障为辅的主动导航下智能小车的自动寻迹。

为进一步开展研究，导航系统数据传输可使用5G通信，提高数据传输速度、加强导航系统时效性；还可与DGPS、SBAS、INS形成组合导航，提高导航精度；结合手机APP进行起停控制、目标点输入；结合高精度地图和API实现精准导航；载入车机系统完成交互式控制等。

参考文献
【相关文献】
[1]周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械程，2015（17）：2273-2284.
[2]刘宗巍，史天泽，郝瀚，等.中国汽车技术的现状、发展需求与未来方向[J].汽车技术，2017（1）：1-6+47.
[3]赵亦林.车辆定位与导航系统[M].谭国真，译.北京：电子工业出版社，1999.
[4]周柱.基于STM32的智能小车研究[D].成都：西南交通大学，2011.
[5]高枫.基于ARM的智能寻迹小车的设计与实现[D].太原：中北大学，2012.
[6]胡斌，陈林.全球定位系统(GPS)技术浅谈[J].内蒙古科技与经济，2009（3）：218-219.
[7]纪超.基于ARM的无人车GPS导航系统的设计与实现[D].西安：西安工业大学，2013.
[8]王琦.全球定位系统(GPS)的原理与应用[J].卫星与网络，2010（4）：26-30.
[9]陈立.BDS/GPS组合系统伪距单点定位算法研究[D].南京：南京理工大学，2017.
[10]卢望.基于ARM的GPS定位系统的研究与实现[D].成都：西南交通大学，2009.
[11]张帅帅，崔红霞.GPS数据的采集提取和显示[J].科技创新导报，2013（25）：22-23.
[12]郭俊杰.无人驾驶车GPS自主导航系统设计与实现[D].西安：长安大学，2014.
[13]Liu J,Zhang Y,Guo L,et al.A multi-objective Antidisturbance Robust Filter for SINS/GPS Navigation Systems[J].International Journal of Intelligent Computing&Cybernetics，2013，6（3）：216-231.
[14]Chen R,Li X.Virtual Differential GPS Based on SBAS Signal[J].GPS Solutions，2004，8（4）：238-244.。