基于GPS導(dǎo)航技術(shù)的智能無(wú)人快遞車技術(shù)研究

鄭 陽(yáng)，陳美玲，李欣鵬，徐 偉

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展帶動(dòng)了快遞行業(yè)的空前繁榮。業(yè)務(wù)量的增加，致使快遞業(yè)面臨著一系列問(wèn)題。例如，很多較偏遠(yuǎn)地區(qū)取件不便；部分地區(qū)快遞派送人員工作量較為繁重，無(wú)法快速派件引發(fā)買家與快遞公司的爭(zhēng)執(zhí)。歸結(jié)原因，在于不斷增加的快遞物流公司成本和服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，尤其到了每年的“雙十一”，這些矛盾聚焦成為社會(huì)的熱點(diǎn)問(wèn)題。校園、住宅小區(qū)等人口較為集中并有一定停車空間的場(chǎng)所屬于人群高密度區(qū)域，因此適合無(wú)人快遞車的行駛路線[1]。這需要快遞車在對(duì)服務(wù)區(qū)域道路基本熟悉的情況下具備良好的路徑規(guī)劃能力，既能夠滿足區(qū)域內(nèi)所有用戶的需求，又能夠保證行駛路線的合理，節(jié)約時(shí)間和成本?；谶@樣的社會(huì)背景，研究一種智能無(wú)人快遞車物流體系，可有效解決“最后一公里”的資源浪費(fèi)、效率略低、可靠性無(wú)法得到保障以及用戶體驗(yàn)性差等一系列問(wèn)題。

研究帶有定位導(dǎo)航技術(shù)的智能無(wú)人快遞車是一種發(fā)展趨勢(shì)。首先，定位導(dǎo)航技術(shù)能夠更加方便用戶的取件，更高效地完成配送任務(wù)，且可以省略很多現(xiàn)有取件環(huán)節(jié)，只需用戶確認(rèn)到達(dá)定位點(diǎn)便可以取件。其次，智能快遞車基于自助寄取快遞系統(tǒng)，融入模塊化、集成化的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了工序間的相互配合，以工業(yè)化的流程實(shí)現(xiàn)了整個(gè)快遞過(guò)程，提高了快遞行業(yè)的工作效率，擺脫了對(duì)寄取快遞的時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)了取件過(guò)程的智能化，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括樹(shù)莓派3B、DC-DC降壓電源模塊、GPS模塊M8N（帶地磁傳感器）、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊以及紅外線傳感器等[2]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。以樹(shù)莓派為主控，GPS的數(shù)據(jù)通過(guò)串口使樹(shù)莓派計(jì)算出導(dǎo)航角，與當(dāng)前位置對(duì)比后到達(dá)事先設(shè)置好的導(dǎo)航點(diǎn)，通過(guò)軟件設(shè)定多個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)使小車到達(dá)指定位置，并通過(guò)紅外線傳感器檢測(cè)環(huán)境后，由舵機(jī)帶動(dòng)打開(kāi)艙門，從而實(shí)現(xiàn)快遞的智能運(yùn)輸功能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 GPS導(dǎo)航原理

圖2為GPS導(dǎo)航系統(tǒng)定位示意圖。

2.1 導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理

測(cè)量出用戶接收機(jī)與已知位置衛(wèi)星之間的距離，是GPS導(dǎo)航的基本原理[3]。要實(shí)現(xiàn)這一原理，首先要通過(guò)現(xiàn)有的衛(wèi)星星歷查出已知衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的位置，其次通過(guò)記錄傳輸時(shí)間即已知的衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，將這一時(shí)間乘以光速，從而實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航[4]。但是，由于大氣層電離層的干擾，使得這一結(jié)果并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離信息，而是GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)偽隨機(jī)碼發(fā)射的導(dǎo)航電文。

圖2 導(dǎo)航系統(tǒng)定位示意圖

2.2 導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理

單點(diǎn)定位和差分定位是GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中的兩種基本定位方式[5]。根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法確定待測(cè)點(diǎn)的位置。假設(shè)t1時(shí)刻將GPS接收設(shè)備安裝于地面待測(cè)點(diǎn)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收設(shè)備的時(shí)間t2，再加上接收設(shè)備所接收到的衛(wèi)星星歷等參數(shù)設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)定位。

3 GPS數(shù)據(jù)表示

理論上，從GPS得到的數(shù)據(jù)一般是經(jīng)緯度[6]，而經(jīng)緯度有多種表示方法。本文采用的坐標(biāo)格式為度.分.分的十進(jìn)制小數(shù)。為了和谷歌地球的坐標(biāo)格式一致，本文在軟件設(shè)計(jì)中將DD.MMMMM轉(zhuǎn)換成DDD.DDDDD格式[7]。

4 小車導(dǎo)航原理

行駛過(guò)程中，各元器件在樹(shù)莓派中的對(duì)應(yīng)接口如圖3所示[8]。

圖3 接口示意圖

4.1 GPS坐標(biāo)解算程序

GPS通過(guò)串口與樹(shù)莓派連接。通過(guò)選用M8N模塊，樹(shù)莓派接受到GPS信號(hào)后開(kāi)始解算GPS坐標(biāo)，解算完成后記錄下當(dāng)前位置，并與目標(biāo)航點(diǎn)GPS進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，計(jì)算出航向角，調(diào)整小車方向與航向角一致，然后向航點(diǎn)駛?cè)?，小車?dǎo)航如圖4所示。

圖4 小車導(dǎo)航圖

通過(guò)對(duì)當(dāng)前GPS坐標(biāo)與航點(diǎn)GPS坐標(biāo)解算出來(lái)的航向角，結(jié)合當(dāng)前GPS坐標(biāo)與航點(diǎn)的距離，由haversine公式[9]可知兩個(gè)GPS點(diǎn)之間的距離和方位。這就是小車導(dǎo)航的基本原理，但是這里涉及一個(gè)問(wèn)題，即小車如何知道自己車頭的方向角去調(diào)整至航點(diǎn)方向航向角。這里需要用到數(shù)字羅盤(pán)，通過(guò)數(shù)字羅盤(pán)小車能判斷車頭所朝方向，然后調(diào)整小車車頭至航點(diǎn)角度，最終當(dāng)方向角與航向角相同時(shí)，小車便開(kāi)始直行。

4.2 數(shù)字羅盤(pán)的選定

數(shù)字羅盤(pán)選用的是HMC5883L，并通過(guò)I2C方式與樹(shù)莓派連接，連接后再通過(guò)主程序中whlie循環(huán)，輪回訪問(wèn)HMC5883L。當(dāng)返回?cái)?shù)據(jù)后，計(jì)算小車的方向角，然后對(duì)比之前計(jì)算的航向角，將兩者求差值計(jì)算出小車應(yīng)調(diào)整的角度。得到角度后只需讓小車旋轉(zhuǎn)即可，直至小車航向角與方位角一致，此時(shí)小車直線駛往航點(diǎn)。當(dāng)距離到規(guī)定值時(shí)，小車即到達(dá)航點(diǎn)，這個(gè)定值就是程序開(kāi)始初期所輸入的誤差范圍[10]。在這個(gè)范圍內(nèi)，小車認(rèn)為已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

4.3 避障功能的實(shí)現(xiàn)

樹(shù)莓派外接避障傳感器的目的在于，通過(guò)利用紅外避障傳感器自身可以將模擬或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)量信號(hào)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)小車實(shí)現(xiàn)遇到信號(hào)會(huì)避障的功能[11]。

4.4 客戶端操作的實(shí)現(xiàn)

利用HDIM線與HDIM接口顯示器，直接將樹(shù)莓派和計(jì)算機(jī)顯示器相連，查出樹(shù)莓派的USB口后連接路由器提供的WiFi，此時(shí)樹(shù)莓派會(huì)與路由器相連接，獲得樹(shù)莓派在路由器連接下的IP地址后，便可在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序。

5 快遞運(yùn)輸功能原理

小車通過(guò)GPS完成指定航程后，自身貨倉(cāng)攜帶的紅外線傳感器檢測(cè)指定地點(diǎn)附近是否有客戶，檢測(cè)到后發(fā)出對(duì)應(yīng)信號(hào)傳遞給樹(shù)莓派。樹(shù)莓派接收到信號(hào)后向舵機(jī)發(fā)出指令，打開(kāi)貨艙艙門，等到客戶拿走快遞離開(kāi)指定位置后，傳感器不再向樹(shù)莓派發(fā)出信號(hào)。此時(shí)，樹(shù)莓派將會(huì)對(duì)舵機(jī)再一次發(fā)出指令，使得貨艙艙門關(guān)閉。

6 結(jié) 論

本文采取一種通過(guò)以樹(shù)莓派為控制核心與多種模塊結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)智能物流運(yùn)輸?shù)男≤囋O(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)調(diào)試，小車能夠靈活應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和普通用戶中，為人們的日常生活提供方便，具有較強(qiáng)的推廣使用價(jià)值。