大学生创新创业训练计划
创新训练项目申请书
项目名称： | 城市街道环境下的快递运输AGV精准导航研究 | |||
主 持 人： | 张腾 | 专业年级 | 车辆19 | |
联系电话： | ** | |||
电子邮箱： | 2695763896@qq.com | |||
指导教师： | 吴健 | 学 院 | 工学院 | |
申请日期： | 2021年5月22日 | |||
北京林业大学
一、项目基本情况
项目简介 | 项目名称 | 城市街道环境下的快递运输AGV精准导航研究 | ||||
项目类别 | （ √ ）国家级 （ ）北京市级 （ ）校级 | |||||
项目所属一级学科 | 自动化 | |||||
申请经费 （元） | 12800 | 起止年月 | 2021年5月至2022年5月 | |||
主持人 | 姓 名 | 性别 | 学号 | 专业年级 | 联系电话 | 电子邮箱 |
张腾 | 男 | 190602106 | 车辆19-1 | ** | 2695763896@qq.com | |
项目组其他成员 | 姓名 | 性别 | 学号 | 专业年级 | 所在学院 | 项目分工 |
马腾 | 男 | 190602116 | 车辆19-1 | 工学院 | 编程、硬件实验 | |
庄宗润 | 男 | 190602115 | 车辆19-1 | 工学院 | 编程、硬件实验 | |
邹诺 | 男 | 201002322 | 计算机类20-3 | 信息学院 | 控制程序改进编写 | |
梁程鹏 | 男 | 190602310 | 计算机类20-5 | 信息学院 | 控制程序改进编写 | |
指导教师 | 姓名 | 性别 | 年龄 | 职称 | 职务 | 所在学院 |
吴健 | 男 | 42 | 实验师 | 实验中心副主任 | 工学院 | |
研究方向 | 智能控制与智能检测技术 | |||||
联系电话 | ** | 电子邮箱 | wujian@bjfu.edu.cn | |||
二、项目立项依据
（一）项目研究意义（限300字） |
随着科技的进步和人民生活水平的提高，特别是在今天我国已经拥有全球最庞大公路运输体系的前提下，快递运输行业的规模逐年扩大。为了满足未来更大规模的业务需求，一部分快递企业开发了运输AGV（Automated Guided Vehicle，即自动导引运输车）。目前看来激光雷达导航是快递运输AGV的主流自动导航方式，激光雷达导航系统对于规避驾驶危险，提高驾驶平稳与可靠性起到了非常重要的作用。 针对传统激光雷达建图方法存在的累计误差大、建图效果差的问题以及各种多传感器融合建图方法的不足，我们在传统激光雷达建图方法基础上引入惯性测量单元数据消除激光雷达的运动误差并采用基于特征的方法进行点云匹配；然后，根据激光雷达约束项和惯性测量单元约束项构建联合优化模型，通过求解优化模型来估计车辆的运动姿态并根据估计结果构建点云地图。 |
（二）国、内外研究现状和发展动态，并附主要参考文献（限1000字） |
世界上的第一台自主导航小车是美国的Barrett电子公司于1953年开发研制成功的，它是由一辆牵引式拖拉机改造而成的。在80年代，随着计算机技术的进一步发展，AGV也得到了飞速上升，其成本降低、性能先进、普及迅速，已然形成新的产业。 到90年代，AGV进入到数字化，智能化，网络化，信息化阶段。到1966年，日本通过引进欧美AGV技术并与美国韦伯公司合资，创建了第一家AGV生产工厂。现如今，国外AGV技术在不断成熟，自动化程度也越来越高，应用的领域越来越大。
1989年北京邮政科学院规划院研制出了一台具有双向无线电通信能力的AGV。不过这种AGV需要固定路径来导航运行，清华大学则对自由导航方式的AGV进行了深入研究，在对AGV的路径跟踪控制方面取得了较高的水平。进入90年代后，我国在AGV领域也取得了很大的进步，昆明船舶设备有限公司研制出的各种导航形式的AGV系统已经广泛应用于烟草、汽车等行业。 基于激光雷达的3D目标检测算法是一个新兴的检测领域，而3D目标检测算法目前还存在以下不足：(1)在无人驾驶实际应用中，存在因遮挡和周边环境混乱所导致的准确率下降的问题。(2)多数算法无法满足无人驾驶中实时性的要求。(3)基于激光点云信息的3D目标检测算法，语义分割信息能力较弱，无法精确分类目标类型。 首先，需要解决遮挡问题，可采用多种传感器融合的方式，正如本研究采取的惯性模块；其次，基于RCNN、Yolo等传统算法的方案，无法同时满足准确度与实时性两个方 |
面的需求，可改进约束信息与条件，更改卷积网络架构等，比如加入深度信息，通过点云提供更多的空间几何信息，从而提升识别的准确度；通过降低参数量与低频信息冗余的方式，降低计算量，用以提升识别速度。 自陀螺的力学基础理论确立到摆式陀螺罗经的发明，奠定了整个惯性导航发展的基础,即第一代惯性技术。第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。 70年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。陀螺的精度不断提高与高速大容量的数字计算机技术的进步使得惯性导航功能更加强大。中国惯性模块的发展历程我国从“六五”开始，经过多年的建设，已经研制出了种类丰富的有自主知识产权的惯性导航系统。到2012年，激光陀螺惯导占据主导地位，光纤陀螺导航系统也将会实用化，在战术级领域推广应用。 参考文献： [ 1 ]黄霞.嵌入式自动导引小车（AGV）系统研究与设计[D].南京：南京理工大学，2009 [ 2 ]吕广明,刘明思.物流设备与规划技术[M].北京：中国电力出版社，2008 [ 3 ]李君.全局视觉导航AGV控制原理与技术的研究[D].武汉：武汉理工大学，2009 [ 4 ]D.Weyns,T.Holvoet,K.Schelfthout,et al.Decentralized control of automatic guided vehicles applying multi-agent systems in practice[J].International Journal of Agent-Oriented Software Engineering,2008,2（1）：90-128 [ 5 ]R.J.Mantel,H.Landeweerd.Design and operational control of an AGV system[J].International Journal of Production Economics,1995,41(1)：257-266 [ 6 ]饶聃,邓岳湘,任永益.关于自动导向车最优控制的设计[J].控制理论与运用，1996,13(6)：838-842 [ 7 ]H.Makela,T.V.Numers.Development of a navigation and control system for an autonomous outdoor vehicle in a steel plant[J].Control Engineering Practice,2001,9(5):573-583[8]G C Hammond.Evaluationary AGVS-from Concept to Present Reality. Proc of AGV.IFS Ltd，UK,1986. [ 8 ]以光衢.惯性导航原理[M].北京:航空工业出版社.1987. [ 9 ]袁信,余济祥,陈哲.导航系统[M].北京:航空工业出版社.1993. [ 10 ]陈燕飞,张曦文.GPS/INS复合制导技术[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2005. [ 11 ]丁衡高.惯性技术文集[M].北京：国防工业出版社，1994. [ 12 ]陈永冰，钟斌.惯性导航原理.北京；国防工业出版社，2007. [ 13 ]无人驾驶中3D目标检测方法研究综述.南京邮电大学学报2019. [14］郭成洋，范雨杭，张硕，等．果园车辆自动导航技术研究进展［J］．东北农业大学学报，2019，50(8):87－96． [15］张漫，季宇寒，李世超，等．农业机械导航技术研究进展［J/OL］．农业机械学报，2020，51(4):1－18． [16]BAILLIECP，LOBSEYCＲ，ANTILLEDL，etal．A review of the state of the artinagri cultural automation. PartIII:Agricultural machinery navigation systems［C］∥American Society of Agriculturaland Biological Engineers，Annual International Meeting，Detroit，Michigan，2018． |
三、项目研究内容
（一）项目研究内容（限600字） |
1、激光雷达提取路径 2D激光雷达通过旋转光学部件将激光脉冲发射至各个方向，形成一个二维扫描面，从而实现区域扫描和轮廓测量。对于采集到的雷达信号数据集我们要进行滤波，数据滤波由于激光雷达测量值与真实值之间存在测量误差，需要进行数据滤波。考虑到障碍物边界测量点会出现跳变，故采用中值滤波，将测量点距离值设置为以该测量点为中心的邻域内所有测量点的距离中值。之后开始提取感兴趣区域，为路径提取做前期准备。算法经过障碍物预分割和精确分割两个步骤，给出实际的路径以指导车辆运动。
（上图来自杉川开发的delta-2A型号激光雷达） 根据实际场景建立坐标系，设置障碍物的坐标模拟真实的果园、林场，公路，建筑物楼群。对于坐标和半径增加一个随机噪声，模拟真实环境的多变性。在这个环境下运行代码，统计行驶中的碰撞概率。为了实现使车辆行驶平稳的目的，运动状态的特征提取和反馈程序设置是必不可少的两个重要环节。在得到小车运动状态的特征参数之后，反馈算法的程序将直接影响整个自动导航系统的有效性和可靠性。经过校正之后，将雷达系统安装到小车框架，开始实验。
2、惯性模块的添加 组合导航算法框架以激光雷达匹配定位的结果为观测量。特征地图信息从状态向量中单独分离出来，作为单独的信息进行检测和更新，将滤波与基于激光雷达的相对定位两个环节实现解耦。激光雷达/微惯性组合导航滤波模型采用基于激光雷达的特征关联室内扫描匹配SLAM方法，能输出相对于室内环境导航坐标原点的位置、速度以及方向等导航结果。 基于几何特征匹配SLAM输出水平面内的位置、速度信息，在激光雷达/微惯性的卡尔曼滤波组合导航时，观测方程也仅仅包含水平面内的位置、速度信息。在位置、速度组合方式中，观测量包括位置观测量和速度观测量两组。位置观测量是微惯性导航系统给出的导航坐标系下的位置输出和基于激光雷达SLAM算法输出的位置量的差值；速度观测量是两个系统给出的速度的差值。 3、应用场景中的实验 我们将这套导航系统带出实验室，走向真实的公路与街道环境。在现实应用场景中检验导航系统的灵敏性与准确性，再次校正参数完善导航系统。 |
（二）项目研究拟解决的关键问题（限300字） |
关键问题1：更具实时性、精确性的导航系统设计。使可以根据不同应用场景的下肢运动习惯，灵活配置导航系统的参数，以提高行驶的平稳性和安全性； 关键问题2：准确采集实验室环境下的障碍3D点云信息，优化反馈算法，使导航系统与车辆动力机构更协调，采集三类应用场景特征数据，并在试验中优化和改进控制算法，提高； 关键问题3：精简代码，采用更高效的算法，提高运行速率与处理信息的规模； 关键问题4：与企业合作，将研究成果推向智能制造业、民用市场。 |
四、项目实施方案
（一）项目研究拟采取的实验方案（限1000字） |
本研究的重点是激光雷达和惯性制导的结合使用，对复杂拥挤的公路和小区建筑空隙进行试验。 试验将在实验室开展，后续推向实际应用场景： （1）实验室环境： 实验室中的自动导航小车是按照工业领域的AGV进行缩小设计而来的，其构造包括电子信息控制系统、通讯系统、导航系统、动力系统与机械体。周围环境如障碍物和路径等也是按照实际环境等比例缩小建造的。这种环境下我们可以做初步的实验，完成一个导航系统的搭建。 （2）实际应用场景： 到驾校的练习路段与小区建筑间隙再次实验，利用实际路况的信息优化算法，校正误差。 （3）再次进行相同的试验，最终确定最优的结构和控制算法，然后将导航装置推向市场，以快递运输行业为主，也会尝试进一步投向车企、机器人企业和其他智能制造企业。 |
（二）项目实施年度计划 |
第一步：2021年05月-2021年07月：与北京交管局和河北省易县农场进行合作洽谈，为实验车辆装载激光雷达进行实验，采集一定量的路况信息以作训练集； 第二步：2021年08月-2021年12月：惯性制导组根据实验结果对单片机程序进行相应的改进与修正，激光雷达控制组通过实验结果反馈，进行程序优化改进；进行激光制导与惯性模块交互算法的开发。 第三步：2022年1月-2022年2月：再次到实地进行实验,对系统作校正，并着力进行推广； 第四步：2022年3月-2022年5月： 论文的撰写、发表及软件著作申请。 |
五、项目研究基础
（一）与本项目有关的研究积累和已取得的成绩（限300字） 1.队员前期的单片机学习，激光雷达使用方法的学习。
2.已搭建好的深度学习开发平台，虚拟机ubuntu20.04系统，安装了pycharm并且可以调用anaconda环境编译，成功搭建的ROS平台。 3.进行了相关理论知识的学习，如数据结构，教材《雷达系统》与《惯性制导》。
（用于实验导航系统的小车框架） |
（二）已具备的研究条件、设备条件等（限200字） |
1． 金工实习中心车床，铣床，钻床（可以用来加工较复杂的型材）； 2． 三教林用装置创新实验室（主要用于小组同学一起学习，讨论）； 3． 控制设计已具备设备及条件：工学院电工电子实验室，示波器，稳压电源，电烙铁 等工具； 4． 北京林业大学机器人队机械结构加工工具； 5．三教数控加工中心（对于较复杂形状材料的加工）； 6． 本实验室自主开发的Atmega128核心板等模块。 7. 队员电脑上已经配置好的虚拟机系统，用作开发平台。 |
（三）尚缺少的条件及解决方法（限200字） |
寻求驾校和小区物业的支持与合作。该项目针对三类路况进行实验研究，需要采集各种数据，因此需要公路管理机构提供实验场所，突破实验室模拟场景下装置的局限性，收集多项数据，得到较为准确的结果。 解决方法： ①通过网络、报纸等媒介宣传寻求公路管理机构或果园、林场。 ②通过学生或老师私人圈子了解，找到可合作的机构与单位。 |
六、项目特色、创新点及预期成果
（一）项目的特色与创新点（限300字） |
1.精准性与灵敏性 本次改良的自动导航装置在控制的精度与响应时间方面会更加适应实际交通情况，相较独立的惯性制导与激光雷达制导会大幅提高，也会达到进一步的人机结合（数字座舱将雷达图景呈现给驾驶员）。在控制方面会更加的智能化，在使用中同步采集地形与障碍物信息，让车辆模仿人类司机驾驶员的思维行驶，就如同使用者本身的双腿。 2.实用前景 我们的自动导航系统主要针对快递运输和公路交通辅助驾驶等应用场景。而目前我国的车辆大众市场还缺少相似功能的产品及科研成果。所以本次优化设计要走出实验室，面向市场，完善市场基础，实现资源和要素优化配置，从而提高社会效率，推动社会进步。 |
（二）项目预期成果及成果提交方式（限300字） |
1.几种典型路况下的测试试验数据库； 2.改进版信息采集系统硬件及改进版控制算法一套； 3.发表论文一篇 4.三篇软件著作 |
附录：
项目经费预算
支出科目 | 预算金额 （元） | 具体支出内容 | 预算编制依据 |
合计 | 12800 | ||
1.实验材料费 | 4000 | 传感器、驱动器、电子元器件等材料 | |
2.设备费 （购置的设备在项目结题后须交还学校） | 500 | 购买激光雷达 | |
3.图书资料购置费 （购置的图书资料在项目结题后须交还学校） | 400 | 控制系统搭建时参考 | 购买控制板 |
4.项目办公费 （记录本、笔、复印纸、文件夹、档案袋、光盘、电池等物品购置费，邮费、打印费、复印费等） | 400 | 物品购置费及邮费、打印费、复印费等 | |
5.测试化验加工费 | 1000 | 搭建小车框架 | |
6.论文发表费 | 3000 | 论文发表所需费用 | |
7.知识产权事务费 （如申请专利、软件著作权等） | 2000 | 申请专利所需费用 | |
8.文献及信息检索费 | 500 | ||
9.专家咨询费 | 500 | 租借驾校场地 | |
10.京外调研费 | |||
11.市内调研交通费 | 500 | 外出试验、设备运输产生费用 | 外出购买材料租车及市场调研 |
12.参加项目相关学术交流会议会务费 | |||
13.项目研究成果参赛费 | |||
14.其他支出 |
