郭延熹
摘 要:定位技術(shù)是集裝箱碼頭自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)是目前廣泛應(yīng)用的定位技術(shù)。集裝箱碼頭橋吊、龍門吊等大型起重設(shè)備和集裝箱會(huì)導(dǎo)致GNSS信號(hào)遮擋和多徑反射,造成局部GNSS無信號(hào)或信號(hào)漂移,導(dǎo)致定位失效。結(jié)合國(guó)內(nèi)集裝箱碼頭自動(dòng)駕駛車輛測(cè)試經(jīng)驗(yàn),分析車載傳感器定位技術(shù)(GNSS定位+慣性導(dǎo)航+輪速計(jì))、高精度地圖定位技術(shù)、視覺定位技術(shù)、激光定位技術(shù)、無線輔助定位技術(shù)及集卡引導(dǎo)輔助定位技術(shù)等,并基于多種傳感器的多源信息融合定位技術(shù),提出集裝箱碼頭自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛高精度和高可靠性的定位解決方案。
關(guān)鍵詞:集裝箱碼頭;自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛;高精度;傳感器
中圖分類號(hào):TN958 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-5168(2021)26-0006-04
Application of Fusion Positioning Technology in Port
Autonomous Driving Vehicle
GUO Yanxi
(Xiamen Container Terminal Group Co., Ltd.,? Xiamen Fujian 361000)
Abstract: Positioning technology is one of the key technologies for automated horizontal transport vehicles in container terminals.GNSS positioning technology is a widely used positioning technology at present. GNSS signal occlusion and multipath reflection are caused by large lifting equipment such as bridge cranes and gantry cranes and containers in container terminals, resulting in no signal or signal drift of local GNSS, leading to positioning failure.Combining with domestic auto vehicle testing experience, container terminal positioning technology of on-board sensors (GNSS+IMU+wheel speed meter), map of high precision positioning technology and the orientation of visual technology, laser technology, wireless positioning techuology, card guide aided positioning technology is analyzed, based on a variety of sensor positioning technology of multi-source information fusion,it is a high precision and high reliability positioning solution for automated horizontal transport vehicles in container terminals.
Keywords: container terminal;automated horizontal transport vehicle;high precision;sensor
隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)自動(dòng)駕駛科技公司聯(lián)合碼頭方,對(duì)集裝箱碼頭用于水平運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)駕駛集卡、智能導(dǎo)引車(Intelligent Guided Vehicle,IGV)進(jìn)行測(cè)試,取得了階段性成果。其中,自動(dòng)駕駛集卡已在天津五洲碼頭、日照碼頭、寧波梅山碼頭及深圳媽灣碼頭等投入實(shí)際運(yùn)營(yíng);智能導(dǎo)引車已在天津C段、廣州南沙4期等碼頭投入作業(yè)測(cè)試。全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Global Navi-gation Satellite System,GNSS)是目前在自動(dòng)駕駛車輛上廣泛應(yīng)用的定位技術(shù),但是集裝箱碼頭因?yàn)榇嬖跇虻酢堥T吊等大型起重設(shè)備和集裝箱遮擋,引起GNSS信號(hào)丟失和多徑反射,造成局部GNSS無信號(hào)或信號(hào)漂移,無法保證定位的精度和可靠性。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)集裝箱碼頭開展自動(dòng)駕駛測(cè)試的經(jīng)驗(yàn),對(duì)集裝箱碼頭自動(dòng)駕駛定位技術(shù)進(jìn)行分析,提出一套基于車載傳感器定位技術(shù)(GNSS定位+慣性導(dǎo)航+輪速計(jì))、高精度地圖定位技術(shù)、視覺定位技術(shù)、激光定位技術(shù)、無線定位技術(shù)及集卡引導(dǎo)輔助定位技術(shù)等,應(yīng)用多種傳感器的多源信息融合技術(shù),實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸設(shè)備高精度、高可靠性的定位解決方案。
1 自動(dòng)駕駛定位概述
自動(dòng)駕駛定位是為了讓車輛獲取自身的準(zhǔn)確位置,對(duì)自動(dòng)駕駛車輛來說至關(guān)重要。準(zhǔn)確可靠的車輛位置和姿態(tài)等定位信息是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛導(dǎo)航功能的前提。自動(dòng)駕駛車輛要求定位系統(tǒng)能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)感知自身在全局環(huán)境中的相對(duì)位置,且要達(dá)到厘米級(jí)定位,同時(shí)對(duì)定位技術(shù)的可靠性和安全性要求非常高。采用普通地圖、衛(wèi)星定位及基站定位等定位方案,無法滿足集裝箱碼頭自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸設(shè)備高精度的定位要求,因此多種傳感器融合定位成為自動(dòng)駕駛定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。冗余度和多源數(shù)據(jù)融合是確保高精度和高可靠性定位的基礎(chǔ)。當(dāng)前,沒有任何一種單一的定位方法能確保百分之百可靠,而多傳感器融合能有效補(bǔ)償不同定位方法的缺陷?,F(xiàn)有主流定位技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況見表1。
2 港口自動(dòng)駕駛定位要求
自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛在岸邊、主干道及堆場(chǎng)內(nèi)直線行駛,每100 m橫向最大偏差為±10 cm,與橋吊、龍門吊、堆高機(jī)及自動(dòng)充電樁的自動(dòng)對(duì)位精度為±5 cm,朝向角偏差不超過0.3°。
自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛的高精定位系統(tǒng)應(yīng)有充分冗余。此外,應(yīng)建立定位誤差分級(jí)管理方法,如果誤差超過一定范圍,則采取相應(yīng)的措施,直至自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛自動(dòng)行駛停止,改由遠(yuǎn)程駕駛工作臺(tái)控制,并向智能水平運(yùn)輸管理系統(tǒng)反饋。
3 自動(dòng)駕駛定位技術(shù)
自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛通過多種定位手段與多種傳感器數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,主要包含全局定位、航跡推算和局部定位。
3.1 全局定位
自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航,最關(guān)鍵的一步是獲取車輛在全局地圖中的位置。目前,全局定位主要通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)與高精度地圖進(jìn)行匹配,從而確定車輛的準(zhǔn)確位置[4-8]。
3.1.1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)基于信號(hào)定位,采用飛行時(shí)間測(cè)距法(Time of Flight)獲取車輛與衛(wèi)星間的距離,通過三角測(cè)量定位原理獲取車輛的空間絕對(duì)位置。GNSS定位需要持續(xù)接收外部多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)才可以使用,且與衛(wèi)星距離測(cè)量存在衛(wèi)星時(shí)鐘誤差與傳播延遲誤差等問題。利用差分(Real Time Kinematic,RTK)技術(shù),在碼頭高點(diǎn)安裝差分基準(zhǔn)站,在車輛上安裝接收機(jī),基準(zhǔn)站將觀測(cè)的載波相位測(cè)量值通過5G/4G通信傳輸給車輛上的接收機(jī)。接收機(jī)收到基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)后,結(jié)合自身觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算和處理,以實(shí)時(shí)獲取位置三維坐標(biāo)點(diǎn)。這一技術(shù)可以消除和減少GNSS因?yàn)閭鬏斞訒r(shí)等造成的誤差,在碼頭空曠區(qū)域可以穩(wěn)定保持在5 cm以內(nèi)的定位精度。但是,由于受到碼頭內(nèi)橋吊、龍門吊、集裝箱遮擋和多徑反射,定位信號(hào)會(huì)存在丟失或干擾問題,且多徑反射問題不容易被GNSS接收機(jī)發(fā)現(xiàn),此時(shí)GNSS接收機(jī)會(huì)持續(xù)輸出假的固定數(shù)據(jù)和錯(cuò)位的位置信息,甚至可能引起車輛碰撞等事故。GNSS還存在更新頻率低的問題,其更新頻率大概為10 Hz。自動(dòng)駕駛車輛行駛速度較快,僅依靠GNSS定位很難保證車輛的實(shí)時(shí)定位精度[2]。
3.1.2 高精度地圖。高精度定位與高精度地圖緊密聯(lián)系,為自動(dòng)駕駛車輛路線規(guī)劃、道路感知及駕駛控制提供了支持。高精度地圖數(shù)據(jù)的采集、處理以及地圖的建模需要以高精度位置坐標(biāo)作為框架。
一方面,高精度是指地圖的絕對(duì)坐標(biāo)精度更高,達(dá)到厘米級(jí)絕對(duì)精度;另一方面,高精度地圖所包含的道路交通信息元素及其屬性更加豐富和細(xì)致,與普通導(dǎo)航電子地圖相比,不僅有準(zhǔn)確的坐標(biāo),還能準(zhǔn)確描繪道路形狀、車道線、車道中心線和交通標(biāo)志等[3]?;谶@些標(biāo)識(shí)的絕對(duì)坐標(biāo)和從激光和攝像頭等傳感器中獲取的標(biāo)識(shí)的相對(duì)坐標(biāo),即可推算出車體的絕對(duì)坐標(biāo),達(dá)到高精定位的效果。以高精度地圖為基礎(chǔ),結(jié)合感知匹配實(shí)現(xiàn)高精度的自主導(dǎo)航定位,在定位信號(hào)中斷或不穩(wěn)定的情況下,可以保證自動(dòng)駕駛汽車仍明確知曉車輛在當(dāng)前環(huán)境中的準(zhǔn)確位置?;诩す鈽?gòu)建的高精地圖,除了可以提取出標(biāo)識(shí)外,還可以形成稠密的點(diǎn)云地圖,用激光可以在該稠密點(diǎn)云地圖中進(jìn)行高精匹配實(shí)現(xiàn)定位功能。由于集裝箱碼頭環(huán)境高動(dòng)態(tài),堆放集裝箱位置時(shí)刻在變化,可通過在高精度地圖上標(biāo)注固定建筑物、燈桿、圍欄及箱變等設(shè)施進(jìn)行匹配定位。高精度地圖還可作為感知系統(tǒng)輔助,如果行駛過程中發(fā)現(xiàn)有當(dāng)前高精度地圖中沒有的物體,就可能為車輛、行人或障礙物。
3.2 航跡推算
航跡推算法主要利用慣性導(dǎo)航、輪速計(jì)以及轉(zhuǎn)角傳感器等車輛內(nèi)部傳感器測(cè)量車輛行駛狀態(tài),得到采樣周期內(nèi)車輛位置和方位角增量,分別對(duì)位姿增量累計(jì),得到相對(duì)于初始狀態(tài)的車輛位姿。
3.2.1 慣性導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航(Inertial Measurement Unit,IMU)是以加速度計(jì)和陀螺儀為感知器件,以計(jì)算處理單元作為數(shù)據(jù)處理的導(dǎo)航參數(shù)解算系統(tǒng)。IMU通過加速度計(jì)測(cè)量車輛移動(dòng)加速度,經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度,速度再經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分得到距離。通過陀螺儀測(cè)量車輛角速度值,形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系,使加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中,并給出航向角和姿態(tài)角。航跡遞推算法可以提供車輛位置、速度及姿態(tài)等信息。慣性導(dǎo)航屬于一種推算導(dǎo)航方式,即從一個(gè)已知位置出發(fā),根據(jù)連續(xù)測(cè)得的移動(dòng)載體航向角和速度推算出下一個(gè)點(diǎn)位置,因此可連續(xù)測(cè)出車輛的位置,是高精度定位不可或缺的部分。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供車輛的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù),是完全自主的導(dǎo)航方式,且具有更新頻率高等優(yōu)點(diǎn)。但是,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航定位誤差會(huì)隨著時(shí)間的增加越來越大。GNSS定位雖然存在多路徑反射問題,但大多數(shù)情況下具有定位精度高和測(cè)速精度高的優(yōu)點(diǎn),且基本不受時(shí)間、地區(qū)影響。但是,在衛(wèi)星信號(hào)受到屏蔽或遮擋時(shí),車輛上的GNSS接收機(jī)無法定位。將GNSS定位和IMU定位相結(jié)合,當(dāng)出現(xiàn)GNSS信號(hào)丟失時(shí),IMU可根據(jù)當(dāng)前的位置、前進(jìn)速度、方向和角度建立一個(gè)坐標(biāo)系,算出一個(gè)預(yù)估的位置。當(dāng)接到新的GNSS定位數(shù)據(jù)后,對(duì)當(dāng)前的位置進(jìn)行更新。通過兩個(gè)定位方案的融合,各取所長(zhǎng),可以提高車輛定位精度。但是,由于IMU只能保證1 min以內(nèi)的定位精度,而車輛岸橋、龍門吊下作業(yè)等待時(shí)存在GNSS信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間被遮擋的問題,因此僅僅靠GNSS定位和IMU定位組合無法滿足車輛定位的要求。
3.2.2 輪速計(jì)。自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛主動(dòng)輪上均安裝有輪速計(jì)。輪速計(jì)可測(cè)量車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速率,通過積分計(jì)算出車輛行駛方向上的位移,從而實(shí)現(xiàn)車輛姿態(tài)的預(yù)測(cè)。
3.2.3 轉(zhuǎn)角傳感器。自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛每個(gè)轉(zhuǎn)向軸上均安裝有轉(zhuǎn)角傳感器。通過輪胎轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),可計(jì)算出車輛轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)彎半徑,通過積分可計(jì)算出車輛航向角,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛姿態(tài)的預(yù)測(cè)。
3.3 局部定位
全局定位能夠確保自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛沿作業(yè)任務(wù)規(guī)劃全局路徑行駛,局部定位能夠確保自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛在橋吊/龍門吊下的作業(yè)安全、高效進(jìn)行。局部定位主要融合了視覺定位技術(shù)、激光定位技術(shù)及集卡輔助定位技術(shù)。
3.3.1 視覺定位。自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛前方均安裝有攝像機(jī),除了用于障礙物檢測(cè)外,還用于識(shí)別車輛正前方的道路信息,包含道路特征、可通行區(qū)域、車道線檢測(cè)等,通過和高精度地圖精確匹配確定車輛的當(dāng)前位置。車道線檢測(cè)主要用于保證車輛橫向控制精度,通過對(duì)圖像中像素點(diǎn)進(jìn)行分割、提取,并基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)分割結(jié)果進(jìn)行擬合[4],從而得到最終預(yù)測(cè)的車道線。
在碼頭內(nèi)的封閉場(chǎng)景中可能會(huì)出現(xiàn)一條比較長(zhǎng)的車道,而在視覺的有效檢測(cè)范圍內(nèi)只能看到車道線,此時(shí)無法僅依靠視覺完成所有維度的定位,只能計(jì)算出車體的航向和到車道線的橫向。這種情況下使用逆透視映射(Inverse Perspective Mapping,IPM)將相機(jī)視角調(diào)整為直面地面,可以準(zhǔn)確計(jì)算出圖像坐標(biāo)系下車道線的角度和橫向坐標(biāo)。經(jīng)過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),找到拓?fù)涞貓D中存儲(chǔ)的車道線,可以推算出當(dāng)前的航向角以及與車道線平行的橫向坐標(biāo)。這種情況下受縱向定位源缺失的影響,沿著車道的方向定位誤差會(huì)緩慢增大,但是車輛以此定位結(jié)果做導(dǎo)航,不會(huì)出現(xiàn)走出車道等嚴(yán)重問題。
3.3.2 激光定位。激光定位主要包括激光里程計(jì)和激光點(diǎn)云匹配兩種。
①激光里程計(jì)。自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛主動(dòng)輪上安裝的輪式里程計(jì)在一些場(chǎng)景下存在問題,如輪胎打滑等。自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛載重后,輪胎半徑會(huì)發(fā)生變化,也會(huì)直接影響里程計(jì)的精度。因此,一個(gè)高效、具有魯棒性的激光里程計(jì)非常重要。以IMU和輪速計(jì)的積分結(jié)果作為預(yù)測(cè)結(jié)果,以激光的匹配結(jié)果作為觀測(cè)結(jié)果,可以實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)輪速計(jì)。
②激光點(diǎn)云匹配。由于里程計(jì)的作用有限,只能在所有定位方式失效且處于地圖的真空地帶時(shí),僅暫時(shí)用于實(shí)現(xiàn)定位功能。在車輛行駛到高精度地圖區(qū)域時(shí),進(jìn)入與點(diǎn)云地圖的匹配流程,可消除里程計(jì)運(yùn)行帶來的累計(jì)誤差[5]。
通常情況下,車輛行駛到地圖可見區(qū)域時(shí),定位并不會(huì)產(chǎn)生過大偏差,誤差常在3 m以內(nèi),因此重定位并不會(huì)檢索碼頭場(chǎng)地的所有地圖,而是在當(dāng)前定位的5 m范圍內(nèi)進(jìn)行檢索。首先,在地圖內(nèi)檢索該范圍內(nèi)可被識(shí)別出類型的特征,如路燈桿、反射高的標(biāo)牌、圍欄立柱(見圖1)及地面標(biāo)識(shí)(見圖2)等,進(jìn)而計(jì)算出這些特征的相對(duì)位置關(guān)系。其次,從當(dāng)前獲取的點(diǎn)云中,按照深度學(xué)習(xí)的識(shí)別算法找出相應(yīng)的特征,同樣計(jì)算出它們的相對(duì)位置關(guān)系。最后,對(duì)兩組特征進(jìn)行配對(duì)關(guān)聯(lián),只要找到不少于兩個(gè)匹配對(duì),即可計(jì)算出當(dāng)前激光到地圖的相對(duì)位置,從而實(shí)現(xiàn)重定位。這個(gè)方法簡(jiǎn)單直接,如果場(chǎng)景中存在特征,計(jì)算快且準(zhǔn)確。
自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛上除了安裝前視的激光雷達(dá)外,還會(huì)安裝向上掃描的激光雷達(dá)。通過掃描岸橋和龍門吊的輪廓,計(jì)算出起重設(shè)備中心點(diǎn),從而引導(dǎo)自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛在起重機(jī)下精準(zhǔn)定位,進(jìn)一步解決了岸橋下、龍門吊下只能識(shí)別到車道線時(shí)的縱向定位問題。
3.3.3 集卡引導(dǎo)輔助定位。目前,遠(yuǎn)控岸橋和龍門吊均安裝有集卡引導(dǎo)系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛通過智能水平運(yùn)輸管理系統(tǒng)、岸橋管理系統(tǒng)和龍門吊堆場(chǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,獲取集卡引導(dǎo)數(shù)據(jù),引導(dǎo)車輛在岸橋和龍門吊下精準(zhǔn)停車,進(jìn)一步提高了對(duì)位效率和精度。
4 數(shù)據(jù)融合
自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛定位中使用多種傳感器,需要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算。多傳感器數(shù)據(jù)融合定位系統(tǒng)的輸入主要來自GNSS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和視覺/激光匹配定位,通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、配準(zhǔn)和融合,輸出自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛自身的速度、位置和姿態(tài)信息。目前,數(shù)據(jù)融合算法中最常用的方法是擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)算法和無香卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法,均為卡爾曼濾波的變種。本項(xiàng)目使用EKF作為數(shù)據(jù)融合的工具,以充分測(cè)定IMU和輪速計(jì)的置信度,并在視覺定位與激光定位的功能模塊中實(shí)時(shí)估算計(jì)算結(jié)果的協(xié)方差,而視覺定位、激光定位、無線定位均可用來更新當(dāng)前定位狀態(tài)。由于傳感器特性不同,所建模的觀測(cè)方程也是非線性的,因此需要用擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行推理。若長(zhǎng)時(shí)間沒有GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù),輪速計(jì)和IMU可以補(bǔ)充定位,防止定位結(jié)果發(fā)散。
5 結(jié)語
通過多種定位手段與多種傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù),基于碼頭的實(shí)際工況和已有的基建設(shè)施,在不同區(qū)域采用不同的定位思路構(gòu)建了平滑切換的策略。融合定位技術(shù)解決了港區(qū)內(nèi)因GNSS信號(hào)遮擋和多徑反射引起的無信號(hào)或信號(hào)漂移導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確的問題,滿足了自動(dòng)駕駛水平運(yùn)輸車輛運(yùn)行全過程橫向和縱向定位準(zhǔn)確以及在起重機(jī)下的精準(zhǔn)停車要求。
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