無人駕駛智能配貨系統(tǒng)整體方案設計

樊曉楠

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

引言

隨著電子技術(shù)的成熟與人工智能的不斷進步，汽車的無人駕駛正在被許多科研院所、企業(yè)、高校作為戰(zhàn)略項目進行深入研發(fā)。百度、Google起步較早，憑借自己所具有的高精度地圖、高GPS定位等現(xiàn)有技術(shù)，在開發(fā)過程中具有一定的優(yōu)勢。京東、順豐等也成立了自己的無人駕駛配貨車的研發(fā)事業(yè)部門，全力打造未來的快遞的智能配送。同濟大學、清華大學、上海交通大學、長安大學、武漢理工大學等高校也具有自己的無人駕駛研發(fā)團隊[1]。與此同時，無人配貨系統(tǒng)前景廣闊，市場容量巨大，將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，商業(yè)價值明顯。

1 頂層環(huán)境采集系統(tǒng)的選型及設計

1.1 差分GPS

全球定位系統(tǒng)（GPS）是當前行車定位不可或缺的技術(shù)，在無人駕駛定位領域中也擔負起相當重要的職責。在本系統(tǒng)中，利用到差分GPS對無人配貨車進行精確定位，在無人配貨車中，系統(tǒng)利用高精度天寶GPS接收機及GPS天線接收GPS信號，運用千尋基站規(guī)避GPS誤差，以達到更好的定位效果。系統(tǒng)利用兩個GPS接收天線構(gòu)成一條直線即可確定當前配貨小精靈的運行方向。

1.2 激光雷達

業(yè)界比較主流的三維重建方案主要有兩種，一類是視覺方式，另外一類就是激光雷達?？梢哉f這兩種技術(shù)是各有優(yōu)缺點，二者的應用場景也有很大的差異。

在本系統(tǒng)中應用到16線激光掃描雷達，能自動識別道路信息和行人并且能夠自動控制配貨車完成避障等功能。實現(xiàn)這些的前提是利用激光雷達獲取到的環(huán)境信息，這其中的關鍵技術(shù)是激光點云后處理算法，首先，通過激光雷達獲取到三維點云數(shù)據(jù)后，進行點云分離，然后進行聚類，一般都是通過計算相鄰兩個激光點間的距離來決定是否屬于同一類，聚類完之后進行障礙物識別。識別完障礙物之后，進行前后兩頻對比，可以識別是靜態(tài)障礙物還是動態(tài)障礙物。動態(tài)障礙物也可以計算出運動速度等，從而實現(xiàn)無人配貨車的避障功能[2]。

1.3 ZED相機

在本系統(tǒng)中使用ZED雙目相機。ZED相機的視覺能力來自于CUDA，也就是Nvidia頂級圖形顯卡的編程模型。它讓運行相機配套軟件的的計算機有能力以 15fps的速度去處理最高4416x1242分辨率的實時景深地圖。如果分辨率降低，其處理速度更是可以達到最高120 fps。這款相機配備了一種基于被動立體視覺的景深傳感器，可通過USB 3.0輸出左右兩個并行的高分辨率視頻流。在ZED SDK的幫助下，主機PC中的圖形處理器（GPU）可從并行視頻當中實時計算出景深地圖。

當配貨車在社區(qū)、校區(qū)等道路實際運行時，GPS信號容易被遮擋，運用ZED雙目視覺得出的景深地圖與之配合，通過 GPS對視覺點位進行修正從而降低誤差，視覺可以在無GPS信號時也可以起到相應的導航作用。從而系統(tǒng)首先利用差分GPS與ZED相機精確采集無人配貨車的點位數(shù)據(jù)[3]。

2 底層控系統(tǒng)設計

控系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)對無人駕駛車輛部傳感器信號的采集以及實現(xiàn)對無人駕駛車輛三大執(zhí)行機構(gòu)的控制[4]。主控系統(tǒng)核心處理器選用NXP的MK60DN512芯片，主控系統(tǒng)有兩種工作模式：遙控模式與自主模式，兩種模式可以通過遙控器上面的模式選擇實現(xiàn)切換功能。

主控系統(tǒng)需要接收車輛行駛過程中的車速信號、轉(zhuǎn)向信號、制動信號并完成對控速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的控制[5]。在改裝過程中，通過3個大力舵機完成機械方面的改裝，車速的提取可以通過安裝旋轉(zhuǎn)編碼器來進行采集，傳遞給主控系統(tǒng)。無線遙控系統(tǒng)包括模式切換部分、轉(zhuǎn)向信號輸入采集部分、控速信號輸入采集部分、制動信號輸入采集部分、監(jiān)控顯示部分、虛擬檔位信號輸入采集部分等。主控系統(tǒng)與無線遙控系統(tǒng)通過SPI通訊實現(xiàn)全雙工的信息傳遞?？刂葡到y(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

本次設計中主控系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)都采用 32位單片機K60作為核心處理器，主要用到K60的ADC模塊、GPIO模塊、FTM模塊、SPI通訊模塊等。主控系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)通過NRF24l01模塊實現(xiàn)信息的互發(fā)互收。相互通訊的信號有：車速控制信號、轉(zhuǎn)向控制信號、制動控制信號、故障緊急制動信號、遙控與自主切換信等。

3 無人配貨車系統(tǒng)軟件設計

圖2 智能化配貨系統(tǒng)的整體設計

針對無人配貨車我們設計了一整套的智能配貨系統(tǒng)，包括GPS導航系統(tǒng)、激光掃描雷達系統(tǒng)、雙目立體視覺系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)云平臺。如圖2所示為智能配貨系統(tǒng)的系統(tǒng)整體設計方案，其中GPS導航系統(tǒng)通過采集車輛在行駛過程中的道路信息，進而為自動導航奠定基礎；激光掃描雷達系統(tǒng)可生成車輛周圍環(huán)境的三維點云圖進而為車輛主動避障做好準備工作；而雙目立體視覺系統(tǒng)則用于識別周圍環(huán)境中的車輛、行人、障礙物等，并且可以進行定位；互聯(lián)網(wǎng)云平臺可以顯示當前車輛的行駛軌跡，并進行信息的存儲。

4 總結(jié)與展望

得益于近幾年中國經(jīng)濟的快速穩(wěn)定發(fā)展，我國社會物流總額持續(xù)增長。物流行業(yè)在煥發(fā)蓬勃生機的同時，仍然暴露出許多亟待解決的問題，例如快遞員配送量大，無法解決最后一公里配送任務等。本文所推出的無人智能配貨系統(tǒng)基于以上問題主要達到兩方面目的：首先，進一步解放一線配送人員的運單壓力，降低單位快遞運送成本，提高物流公司經(jīng)濟效益；其次，實現(xiàn)最后一公里的短途物流配送任務，實現(xiàn)快遞送到客戶樓下甚至門口。無人配貨車可以在校園、城市小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等人口密集度大的地方運營，可以解決這些地方最后一公里的配送任務，降低物流公司的運營成本，具有很強的現(xiàn)實意義與應用價值。