文摘

无人驾驶车辆系统,测量和控制技术是其中的一个关键环节,实现真正的无人驾驶汽车。基于RTK定位技术和超短波扩频通信技术,专用车辆和无人自动操作的关键技术进行了研究,和一组状态监测和控制系统的专用车辆无人自动操作。通过实验研究,无人驾驶车辆状态监测和控制系统可以更好地完成车辆位置和电子地图显示的功能,满足设计要求。研究结果为实际应用提供技术支持专用车辆的无人驾驶自动操作。

1。介绍

随着科学技术的迅速发展,在21世纪,无人驾驶的智能汽车已经成为高科技发展的方向。其发展对社会和经济发展有很大影响,国防建设,科学和技术,已成为高科技研究的战略目标在不同的国家在世界各地(1- - - - - -3]。无人驾驶技术涉及范围广泛的研究领域,包括计算机科学、自动控制、计算机视觉、通信技术和信息融合技术,促进学科之间的交流和沟通,促进技术融合和集成,也促进了系统工程科学的发展(4- - - - - -6]。

无人驾驶技术可以提高汽车驾驶的安全性。通过安装处理器和各种各样的传感器设备,无人机可以实现道路环境的感知,报告各种危险情况下司机,给早期预警或智能并迅速采取相应安全措施,以防迫在眉睫的危险的7,8]。在工业、农业和消防、高温的操作过程,高污染、高危险不利于使用手工操作,因此有必要采用专用车辆和无人自动操作。此外,专用车辆和无人自动操作也用于检测和信息收集在恶劣和危险的环境中(9,10]。

在无人驾驶车辆相关技术的研究,中国比西方发达国家晚。然而,一系列国家政策的支持下,中国的无人驾驶汽车及其相关技术近年来发展迅速,但也有缺陷在环境感知和车辆控制等关键技术,都远远落后于美国等西方发达国家的水平。前仍有许多有待解决的研究问题的最终目标成千上万的家庭使用无人机[11,12]。无人驾驶系统,测量和控制技术是其中的一个关键环节实现无人驾驶,这是特别重要的研究无人驾驶状态的各种关键技术测量和控制系统(13]。国家测量和控制技术的专用车辆无人自动操作主要是研究和实验验证。

2。系统组成

系统主要分为两个部分:特殊工具与无人驾驶自动操作和基站的背景。每个基站的背景可以连接多个无人机(具体数量取决于使用环境,观察,和其他因素)。无人自动操作的特殊工具包括高精度定位、态度监测、空气采集、图像采集、数据传输等模块。后台包括中央车站系统的基站,上电脑,和用户。用户连接中央车站系统通过上位机进行实时数据通信与多个车辆。

中央车站系统主要由电源管理系统,微分源设备、数据处理设备。一方面,中央车站系统连接无人驾驶车辆通过天线接收的数据报告的信息无人驾驶车辆和发送RTK高精度定位的微分信息;另一方面,该系统通过网络端口连接上电脑报告的位置信息,空气质量信息和视频信息发回的无人驾驶车辆的位置信息实时参考站。中心车站微分源设备主要定位当前基站位置固定天线,通过生成RTCM微分源文件基于当前基站的位置,并将其发送给RTK高精度定位的无人驾驶车辆通过无线数据传输模块。

特殊工具的系统结构与无人驾驶自动操作如图1。

无人自动操作的特殊工具是由定位、温度传感、态度的决心,图像采集,车辆底盘控制装置,空气收购,和其他设备,现场调查的主要元素。通过高精度RTK定位、车辆位置信息可实时获取。通过高性能数据传输装置,图像数据的实时传输,现场控制数据和其他数据可以获得14]。

无人驾驶车辆的结构设计考虑的安装定位天线,天线的数据,图像采集模块,和其他结构,确保整个结构的小型化和稳定性设计的基础上,没有每个模块的相互影响。同时,车辆的身体数据接口和充电接口,方便用户收取车辆和车辆升级计划。

无人驾驶车辆的三维模型图所示2。

2.1。电源管理系统

DC12 V / 32啊蓄电池用于电源的特殊工具无人自动操作。为了供电车辆的数据采集和处理模块,该系统采用一个电源管理系统,结合开关电源和LDO,升压模块,和降压模块,为车辆提供稳定可靠的电力供应,确保安全、稳定和可靠运行的每个模块。

汽车电源管理系统如图3。

电力管理系统主要是处理DC12 V电源以获得所需的电压运行的各个部分车辆,主要分成两个电路:升压电路、降压电路。增加的部分是一个提高与XL6009EI模块为核心,和它的输出电路可以达到4,主要为无线传输模块供电。降压作用,MP1584为核心的直流-直流模块是用来减少12 V电压5 V电源图像采集设备,空气采集设备,RTK定位装置,和其他模块,以及随后的LDO。的基础上5 V, LDO输出3.3 V和1.8 V为单片机数据处理中心提供电力,态度的决心,和其他设备。

2.2。高精度定位模块

RTK(实时运动学)技术是一种技术,它提供了实时动态载波相位差分坐标位置。基于载波相位观测值的实时处理两个站,RTK可以为用户提供位置坐标站和定位精度高,可以达到厘米级。在RTK定位模式下,观测数据的视觉基站收到的卫星和基站坐标实时发送到移动电台通过无线数据通信链路。移动电台不仅需要接收视觉卫星数据还需要接收基站发送的位置信息,实时计算基线长度,位置坐标(15]。

北斗导航卫星系统(BDS)和GPS卫星系统,定位解决方案的方法是一样的,这是信息融合方面的兼容。BDS / GPS双模载波相位双差(DD)数据流经过两个系统同时,和数据处理方法是一样的,单一的导航系统。

高精度定位模块如图4。

高精度定位模块主要使用UM442芯片,支持432个超级频道,有强大的处理能力和嵌入式JamShield抗干扰技术,可以追踪BDS, GPS、GLONASS,伽利略,sba, QZSS,等整个系统卫星信号同时,并能进行抗干扰处理。通过增强的RTK引擎计算,发挥多个系统的优势,厘米级定位精度与高性能、高可靠性和高精度定位的基础上,实现低功耗、低成本的解决方案。

2.3。实时的态度确定模块

车辆实时态度确定模块主要是用来测量车辆的态度在实际运动过程中,实时反馈的作用在车辆的课程变化,音高变化,换辊,实现高度预测结合高精度定位装置。

态度决定模块集成JY901态度传感器和GNSS双测向天线模块。姿态传感器集成了姿态解算器,采用先进的数字滤波技术,并使用成熟的卡尔曼滤波算法和动态算法实现数据融合的陀螺仪,加速度计和地磁场传感器,实现模块的实时运动态度的决心。同时,态度监控装置采用双天线GNSS高精度测向模块和采用更先进的算法结合高精度测向和姿态角获得较高的姿态角的数据准确性和更小的误差。

态度决定模块结合的态度传感器和GNSS双测向天线可以有效地收集车辆的姿态数据。主处理芯片,STM32F103RCT6接收JY901上传的数据进行综合处理,并完成数据的网络处理CH9121在一起。

姿态传感器主要用于测量三维车辆本身的态度,实现环境的定位车辆的位置和方向,确保位置,方向,和安全的特殊操作车辆。

车辆实时测定模块如图的态度5。

2.4。环境空气采集模块

环境空气采集模块使用S6 +空气传感器和气压计来完成气体对周围环境的分析。S6 +传感器可以用来判断的类型和浓度甲醛、有限公司₂、苯系有毒蒸汽和其他有毒气体,也可以测量PM2.5, PM10、空气湿度、温度、和其他空气质量参数。同时,高精度指标与环境空气采集集成设备可以实时监控车辆的大气压力环境,从而提供一个强大的设备支持领域探索。

环境空气收集模块如图6。

周围的空气环境空气收集的数据采集模块和数据上传至主控制器STM32F103RCT6处理。最后,实现数据的IP包通过CH9121和传送到相应的主机,从而实现环境空气质量数据的报告。

2.5。图像采集模块

三个可旋转的圆顶相机用于图像采集速度,,分别放置在中间的前方和左右后方的车辆。每个水平速度圆顶相机旋转340°、105°垂直向上,向下和15°,从而实现全面覆盖360°视角车辆,可以监视周围环境的实时车辆。

图像采集模块的安装图所示7。

2.6。无线数据传输模块

无人驾驶车辆系统使用5.8 GHz无线传输模块实现无线数据传输,可实现高速数据传输的图像、数据和声音。无线数据传输的原理图如图8。

超短波扩频通信系统是用来传播态度,位置和状态信息。扩频通信系统使系统收集多个特殊工具操作数据和支持码分多址的应用。

无线通信信道的主要特点是衰减的,慢衰落,和各种各样的多径快衰落。其中,各种各样的快衰落产生最大的影响在传输可靠性、空间选择性衰落、频率选择性衰落,和时间选择性衰落。有效的技术来消除信道衰落的影响是多元化的技术。无线技术是一个主要的抗衰落技术多样性,这可以大大提高多径衰落信道的传输可靠性。

2.7。无人驾驶车辆控制系统

无人驾驶车辆采用不锈钢履带轮胎。履带轮胎领域有更大的支持,降低地面压力,更好的牵引和附着性能。履带轮胎的转弯半径小,不容易打滑。爬虫轮胎可以克服地面的粗糙度和具有良好的自复位和爬过障碍的能力,可用于森林、建筑工地,沙地和其他领域。目前,他们已经广泛应用于矿物集合、工程测绘、框架、救灾等非结构化环境。四个直流减速电机是用来提供电力。2.4 g加密远程控制器可以确保用户远程操作车辆。控制系统的示意图如图9。

直流齿轮电机,即微型齿轮减速电动机,由静态部分和旋转部分。静态部分称为定子,它包含一个壳和磁极。磁极用于产生磁场。转动部分称为转子,也称为电枢。电枢铁芯柱,叠层硅钢片制成的。与槽表面穿孔,电枢绕组放在槽。电机高速运行的力量减少齿轮的输入轴齿轮马达已少了牙齿与输出轴上的大齿轮啮合。减速器的功能是提供较低的速度和更大的扭矩。同时,不同比例减少的变速箱可以提供不同的速度和扭矩。

车辆和控制器采用2.4 g加密远程控制器和远程控制器自动互联。设备被打开时,它将积极识别配对设备,和发送者和接收者之间的通信失败后将自动恢复连接。每一对远程控制器采用加密算法在发送方和接收方的两端,以确保多个设备不互相干扰,当他们在一起和锁配对设备。此外,加密远程控制器身份识别的功能。一旦匹配成功的代码,它是一个一对一的关系,不会有交叉控制的现象。

在使用汽车的过程中,如果用户需要控制车辆的运行,首先他需要打开遥控器,然后打开电源开关。

3所示。关键技术

3.1。微分BDS /全球定位系统(GPS)技术

差分GPS差分GPS (DGPS)首先使用基站与已知精确的三维坐标获取伪范围修正或位置校正,然后向用户发送修正(GPS导航器)实时或事后纠正用户的测量数据,以便提高GPS定位精度。微分北斗组合GPS技术是基于DGPS,全面使用北斗卫星导航信号和GPS卫星导航定位信号。通过建立BDS / GPS双模多个基站(固定站),利用RTK(实时运动学)载波相位恢复方法,该技术可以实现精确定位车辆位置,和它的进步可以达到厘米级定位(16]。然而,在复杂的环境中,如城市森林和高山峡谷、RTK定位单一系统的可用性将变得更糟。随着北斗导航卫星系统的发展在中国,GPS(全球定位系统)在美国,俄罗斯的GLONASS(全球导航卫星系统),在欧洲和伽利略,多系统集成比单系统定位可以提供更多可见的卫星定位,提高卫星的空间几何,和改善的准确性,完整性和RTK定位的可靠性。因此,多系统和多频实时精密定位技术将成为GNSS高精度测量应用的发展方向在未来(全球导航卫星系统)。

移动电台使用观察收集的数据组成差分观测值实时过程并给出厘米级定位结果,这需要不到一秒。移动电台可以在静态或运动状态。它可以在一个固定的初始化之前进入动态操作,也可以直接在动态条件下,启动和模糊搜索和解决方案可以在动态环境中完成。在整个周期的未知数是固定的,每个时代的实时处理可以进行了。只要相位观测值的跟踪超过四个卫星维护和必要的几何图形,移动站可以随时给出厘米级定位结果(17]。

3.2。GIS显示系统

地理信息系统(GIS)是一种空间信息和系统可以收集、存储、管理、分析和描述数据相关的整个或部分地球表面与空间地理分布。这是一个结合了计算机科学、地理、映射和遥感、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学。通常,数据收集、检查和编辑功能,数据格式,转换,和泛化功能,数据存储和组织功能、查询、检索、统计和计算功能,空间分析功能,并显示功能。GIS的应用已经从早期的环境保护和扩大矿产资源管理的水利、电力、城市规划、土地管理、交通和其他领域与空间地理位置(18]。

GIS系统所使用的系统以高精度电子地图为数据源,使用C / S架构系统实现车辆在地图上实时显示和实时回放车辆的轨迹,并实现车辆的位置判断的功能位置和未来预测结合车辆的OBD总线。与此同时,它可以实现高精度定位车辆的位置通过结合红外,光学,和雷达的车辆,它提供了自动驾驶的基础。

4所示。实验研究

实验系统主要由模拟试验车辆,地理定位基站,数据传输基站和指挥控制系统。通过GPS定位数据、态度数据和环境数据收集仿真测试车辆,扩展卡尔曼滤波算法用于数据处理,采用超短波扩频通信技术,和数据传输到数据中心。

4.1。中央车站

中央车站如图10采用220 V交流电源。后面板有电源输入,定位天线接口、网络接口、坡接口,和其他数据接口。前面板系统,定位,不同,数据,和其他指示灯,可以直接显示当前操作的中央车站系统。一方面,中央车站系统可以生成RTCM微分信号源使用无人驾驶车辆;另一方面,它也无人驾驶车辆和用户之间的数据传输站。它可以接收收集到的信息报告的无人驾驶车辆和报告上计算机软件,这样用户可以直观地理解当前操作的无人驾驶汽车。

4.2。无人驾驶车辆

无人驾驶车辆的完整的装配图如图11。

4.3。上计算机软件

上计算机软件可以直接显示信息报告的无人驾驶车辆和前面的中央车站系统用户通过图形和文本,这是方便用户直观地观察车辆的驾驶状态。软件可以直接看到空气质量指数,车辆运行方向、速度、角度,横摇角等运行状态。同时,软件集成了电子地图,可以显示当前位置和历史实时跟踪车辆的驾驶。

4.4。应用案例

实验网站是一个居民区。环境特征如下:更少的住所,复杂的道路环境,和宽阔的视野。最初的基站之间的距离和无人驾驶的汽车是100米,最大的直线距离是400米。运动跟踪、监控屏幕、空气质量、车辆状态、和其他信息是实时更新的。当前基站的位置和无人驾驶车辆和驾驶的无人驾驶车辆在地图上显示(如图12)。

总的来说,无人驾驶车辆运行通常具有良好的信号接收。定位模块、采集模块、空气质量和RTK模块正常工作很少偏离实际情况。

5。结论

国家测量和控制技术的特殊工具无人自动操作进行了研究,结论如下。

在测试期间,BDS和GPS卫星,可以观察到基本上是超过8,满足定位要求的解决方案(以确保准确的三维位置无人操作车辆,需要接收4或更有效的卫星信号)。在短基线,RTK定位显示定位结果E, N, U wgs - 84坐标系的方向。E方向的平均误差约2.05厘米;N方向的平均误差约3.12厘米;在U方向的平均误差约2.92厘米,所以RTK在厘米级的定位精度,满足定位要求。

在静态条件下,课程的平均误差角的无人驾驶车辆0.12°倾角的平均误差为0.15°,和螺旋角的平均误差为0.13°。在动态情况下,课程的平均误差角是0.22°倾角的平均误差为0.24°,和螺旋角的平均误差为0.23°。测试结果在误差范围内所需的姿态确定系统,这表明姿态确定系统满足设计要求。

超短波的使用使得通信频带有一定程度的衍射能力(19]。面对复杂的电磁环境,采用扩频通信方式实现数据传输,使通信抗干扰能力,使基站可以交流与无人驾驶车辆(20.]。设备可以在5秒内初始化,初始化时间短,工作效率相应提高。初始化可靠性达到99.9%,它提供了保证运行平稳的无人驾驶车辆。当设备发生信号丢失,重新夺回时间小于1秒,这减少了周跳概率和保证了RTK定位的准确性和可用性。

数据可用性

无人驾驶车辆数据和基站数据已经上传到附件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。