孟德强 刘亮

摘 要：文章提出一种基于高精度 RTK 惯性组合导航和激光雷达的智能快递车避障路径规划系统设计与实现方案。智能快递车利用高精度 RTK 惯性组合导航自主行驶，激光雷达感知前方障碍物。在障碍物聚类分析的基础上，进行避障算法的设计。将障碍物投影到二维平面上，用平行于坐标轴的矩形进行包络，将投影轮廓规则化。利用延长系数实现面积膨胀，并将膨胀后的矩形左侧边作为避障路径，进行高斯坐标的统一。之后与GPS路网曲线融合，完成避障路径的规划。

关键词：智能快递车;激光雷达;RTK;避障路径规划

中图分类号：U463.67  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-58-03

Design and implementation of obstacle avoidance path planning system forintelligent package vehicle

Meng Deqiang， Liu Liang

（ Automobile College of Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064 ）

Abstract： This paper proposes a design and implementation scheme of obstacle avoidance path planning system for intelligent package vehicle based on high-precision RTK inertial integrated navigation and lidar. Intelligent package vehicle uses high-precision RTK inertial combined navigation to autonomously drive， and use lidar to detect obstacles. The obstacle avoidance algorithm is designed based on the obstacle cluster analysis. The obstacle is projected onto a two-dimensional plane， and a rectangle parallel to the coordinate axis is used for enveloping to regularize the projection contour. Use the extension coefficient to achieve area expansion， and use the left side of the expanded rectangle as the obstacle avoidance path， and then transform to Gaussian coordinates. Then it is integrated with the GPS road network curve to complete the obstacle avoidance path planning.

Keywords： Intelligent package vehicle; Lidar; RTK; Obstacle avoidance path planning

CLC NO.： U463.67  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）09-58-03

引言

人工配送一直是快遞“最后一公里配送”的主要手段。随着近几年，智能物流行业的飞速发展，无人驾驶强势进入快递业视野，掀起研发应用新高潮，许多诸如同济大学、阿里巴巴等科研院校、企业均成立了智能快递车的研发团队，全力打造“最后一公里智能配送”^[1]。智能快递车在运行过程中，往往遇到前方有障碍物的情况，需要自主完成避障路径规划，躲避障碍物。本文从避障硬件系统、算法、软件三个方面阐述智能快递车的避障路径规划系统的设计与实现，并主要针对所提出的基于平行于坐标轴的矩形包络的面积膨胀法进行详细阐述。

1 避障硬件系统设计

1.1 硬件系统概述

智能快递车是经由四轮电动代步车改装设计而成。主要的避障硬件包括激光雷达、高精度 RTK 惯性组合导航、旋转编码器、车载嵌入式工控机、下位机控制器。激光雷达安装在车顶部靠前位置;四频双GNSS天线沿车身纵轴线一前一后安装在车顶，惯性组合导航安装在车质心位置，并指向车身纵轴线;旋转编码器安装于后轮上，内轴随车轮旋转，编码器壳体通过杆件与车体相连;千寻无线接收发送终端、车载嵌入式工控机及下位机安装在智能快递车货箱内部，采用隐藏设计。具体硬件布置如下图1所示。

1.2 高精度 RTK 惯性组合导航

智能快递车通过四频双GNSS天线接收GPS定位信息，千寻无线接收发送终端将定位信息通过4G网络发送至千寻基站，利用千寻知寸基站进行RTK差分解算，测得智能快递车精确位置和偏航角，惯性导航单元给出载体的姿态角、角速度和加速度，并运行组合导航算法得到实时位置和方位数据。

1.3 激光雷达

智能快递车使用32线激光雷达，32对激光发射接收模组以10Hz转速驱动进360°扫描，用于测量智能快递车周围的障碍物位置、形状和距离，感知车辆周边状态。激光雷达获取点云数据后，首先对三维点云进行滤波操作，除去噪声干扰，然后对非障碍物点（如路面护栏）进行剔除，再进行障碍物的聚类分析，提取出智能快递车前方的障碍物信息。

1.4 旋转编码器

对驱动电机进行转速检测，从而获得精准的车速以及行驶里程值。选用1024线的编码器可到达毫米级的检测结果，为车辆的闭环控制提供精准数据。

2 避障算法设计

2.1 平行于坐标轴的矩形包络

首先以智能快递车的质心为坐标原点O，以车辆前进方向为X轴、铅垂向上方向为Z轴，指向车身右侧为Y轴，建立三维坐标系。本文研究的智能快递车的避障算法，对障碍物进行了降维运算，将障碍物向车身坐标系XOY平面做投影，舍弃障碍物的高度信息，将三维空间点云转化到二维平面上，同时对坐标系进行了简化，只保留X轴、Y轴，成为车辆平面坐标系。

转化到二维平面的障碍物投影往往是不规则图形，需要利用平行于车身X、Y坐标轴的外接矩形进行包络，将投影进行规则化处理。遍历XOY平面内投影各个边缘轮廓的离散点，并将离散点记为（x_i，y_i），比较坐标值大小，找到x_max、x_min、y_max、y_min对应的四个点，并分别记为P、M、Q、N点。分别过P、M点作平行于Y轴的两条直线，过Q、N点作平行于X轴的两条直线，四条直线交于四点，分别记为A、B、C、D，四条平行于坐标轴的直线形成的矩形ABCD将障碍物投影包络在内，如下图2所示。

2.2 外接矩形面积膨胀

为得到避障路径，需要将外接矩形ABCD进行面积膨胀，以膨胀矩形的左侧边作为避障路径。首先分别连接AC两点、BD两点，两线段交点记为O点。以O点为中心，将线段AC、BD分别向两端等长延长至A、C、B、D点，线段长度扩大为原来的k倍，分别得到线段AC、BD，连接四点，得到面积膨胀后的包络矩形ABCD，则AB为左避障路径，如下图3所示。k称为延长系数。

显然，延长系数k的设定直接影响智能快递车能否成功避障。假设矩形包络后的障碍物投影宽度为l，即BC长度为l。根据相似三角形，面积膨胀后BC长度为kl，AB與AB之间的距离必须满足下式：

其中l为矩形包络后的障碍物投影宽度;l_v为智能快递车的车身宽度;l_imax为惯性组合导航标定误差最大值。等号成立时，智能快递车刚好紧贴障碍物通过，为最激进的情况。理论上不等式右侧值越大，通过时距离障碍物越远，碰撞的风险越低。

考虑增加一项安全距离l_s，让上式转化为等式，以便确定延长系数k。

已知智能快递车车身宽度l_v约为0.6米，惯性组合导航标定误差l_i范围在-0.05～0.05米之间，所以l_imax为0.05米;通过大量实车实验确定合适的安全距离为0.3米，则延长系数与障碍物投影宽度关系如下：

2.3 导航坐标系统一

智能快递车GPS路网文件中的坐标信息是高斯平面坐标系下的，为了利用GPS和惯性元件进行导航，需要将避障规划路径的相对坐标，统一到高斯坐标系下，得到带有GPS信息绝对坐标。高斯平面坐标系是以中央子午线与赤道的交点作为坐标原点，以中央子午线的投影为纵坐标轴X，规定X轴向正北为正，以赤道的投影为横坐标轴Y，Y轴向正东为正。车辆平面坐标系XOY转换为高斯坐标系XOY可以看成坐标系旋转再平移的过程^[2]。

通过惯导输出的GPFPD协议可知两个GNSS天线相位中心连线与真北之间的夹角，即偏航角。因为GNSS天线一前一后安装在智能快递车纵轴线，指向车辆前进方向，即指向车身X轴方向，所以图4中δ即为偏航角。已知车辆的GPS坐标（x_v，y_v），高斯平面坐标系下的避障路径均带有GPS信息：

2.4 避障路径和GPS路网融合

在GPS路网曲线上，确定接近避障路径的接近点E以及离开避障路径的离去点F的位置。接近点E的位置通过最大制动距离确定。通过旋转编码器可以得到该智能快递车最大速度20km/h，考虑路面摩擦系数0.65，则最大制动距离为：

当智能快递车距离障碍物2.4米时，从E点离开GPS路网。以避障路径末端A点为圆心，2.4米为半径做圆，与GPS路网曲线交于两点，与智能快递车相距较远的点即为离开点F。在没有GPS点位的EB、AF路段，通过偏移距离计算点位，使用 nurbs 曲线插值法拟合该段路网曲线^[3]。

3 避障软件系统实现

避障软件是在Windows系统下，基于MFC编写完成，软件界面见图5。软件采集来自惯性组合导航的经纬度、海拔、偏航角、卫星状态等信息，编码器的车速信息，以及激光雷达起始角、结束角、前方障碍物距离等信息，进行加密后显示在界面上。软件将采集的数据进行滤波和分析处理，规划智能快递车行进路径，然后将决策指令按照加密设计的串口协议发送给下位机控制器，控制车辆的启停、加速、转向，完成避障动作。在软件界面上可以实时观察到智能快递车的当前位置以及避障路径，而且可通过人工操作按钮实现智能快递车启停、加减速。图5中黄色路径即为规划的路径，红色点和绿色点为GPS路网起止点，两粉色点代表智能快递车前后两GNSS天线。通过多次实车实验，该智能快递车在5～20km/h车速范围内，在人、车等不同障碍物前，能够达到很好的避障效果。

4 总结

本文从智能快递车避障硬件、算法、软件三个方面进行了避障路径规划系统的设计与实现。智能快递车利用高精度 RTK惯性组合导航自主行驶，并利用激光雷达实现避障。对障碍物投影轮廓规则化，用平行于坐标轴的矩形进行包络，利用延长系数实现面积膨胀，并将膨胀后的矩形左侧边作为避障路径，进行高斯坐标的统一，之后与GPS路网曲线融合，完成避障路径的规划。经过大量的实车试验，该方法可以很好地实现在不同车速下对不同障碍物的避障，对当前的智能配送来说，具有很大的实用价值。

参考文献

[1] 樊晓楠.无人驾驶智能配货系统整体方案设计[J].汽车实用技术，2018（23）：26-28.

[2] 葉炜垚.基于虚拟障碍物的智能车导航方法研究[D].上海交通大学，2011.

[3] 方海洋，赵瑞妮，涂市委.无人驾驶车GPS自主导航与障碍规避系统设计与实现[J].汽车实用技术，2018（24）：30-32+58.