基于惯性导航的LED道路照度自动测量装置的研究赵轶，胡国辉，杨翠，曹晓锋 （重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123） 摘 要：LED照明具有节能、照度均匀度好、平均照度高、光衰小等优点，通过长期监测和分析LED道路照明的照度值对城市道路照明改造工程具有现实的指导意义。研究开发一种基于惯性导航技术实现自动定位测量道路LED照明照度自动测量装置，能够实现自动布点、自动测量等功能，能够降低测量过程中的安全隐患和减小测量误差。 关键词：LED照明；惯性导航；照度；自动测量装置 随着半导体发光二极管技术的成熟，LED道路照明灯具在近年来得到广泛推广应用，长期监测和分析LED道路照明的照度值对城市道路照明改造工程具有现实的指导意义。在人车共同参与的测量环境中，尤其是快速路、主干道等车流量大、车速较快的道路，即使逐条封闭车道，采用人工布点的方式进行照度测量始终存在着极大的安全隐患和照度均匀度测量误差较大的问题。为了避免测量过程中的安全隐患和减小测量误差，研究开发一种基于惯性导航技术实现自动定位测量道路LED照明照度自动测量装置，在实际测量过程中具有良好的应用效果。 1 技术要求道路照度测量自动行走小车作为道路照度自动测试装置的载具，用于现场灯与路面组成区域各点照度值的测量。由于灯的横向间距和纵向间距是现场进行测量的，所以要求自动行走小车的测量路径可根据要求进行调整，即灯与灯的横向间距可输入，横向间距等分数量可输入；灯与灯纵向间距可输入，纵向间距等分数量可输入。另外，小车应具有行走偏差矫正功能，具有足够的行走控制精度，定位精度偏差小于2cm，能够满足道路照度测试的要求。由此可见，自动行走小车对行走间距及行走方位角的控制有较高的精度要求。 由于道路照度测量的工作区域较小，而精度要求较高，GPS、北斗等导航定位技术不能满足要求。惯性导航具有数据更新速度快、短期精度高、稳定性好，无需外接交互等优点而得到了广泛的应用。因此，采用捷联惯性导航结合编码器、激光测距数据修正的方案从而实现自动行走小车的导航定位。 2 定位行走原理惯性导航利用角速度得到实时更新的四元数值，通过实时更新的四元数值来计算旋转矩阵，并通过旋转矩阵解算出自动行走小车在现状态下的姿态角Ⅰ。针对姿态角的累计误差问题，利用加速度计和磁力计测量出的姿态角并经卡尔曼滤波后得到姿态角Ⅱ，并结合编码器数据进行加权融合计算得出修正后的最优姿态角。利用比力方程完成加速度由载体坐标系到导航坐标系的换算，并对导航坐标系下的加速度两次积分得到的位置信息L1与编码器得到位置信息L2加权融合的到现状态下的最优位置信息。针对惯性导航位置信息固有的误差累计问题以及航向误差，以及小车行走时振动、冲击对导航定位的影响，通过在每个照度测试点利用激光测距的方法进行修正。 图1为姿态角Ⅰ的计算过程，姿态角Ⅰ通过四元数计算旋转矩阵得到。四元数算法中涉及到两个坐标系，载体坐标系和导航坐标系。四元数算法能够快速地实现载体坐标系到导航坐标系的坐标转换。先用迭代算法更新四元数的值并对其进行归一化处理，再通过归一化后四元数计算出旋转矩阵，从旋转矩阵的三角表达式中即可解算出姿态角Ⅰ。利用加速度计和磁力计测量出的姿态角并经卡尔曼滤波后得到姿态角Ⅱ，如图2所示。 微控制器结合编码器数据进行加权融合计算得出修正后的最优姿态角，如图3所示；利用比力方程完成加速度由载体坐标系到导航坐标系的换算，并对导航坐标系下的加速度两次积分得到的位置信息L1与编码器得到位置信息L2加权融合的到现状态下的最优位置信息；再通过最优位置信息实现对照度测试点的定位；所述激光壁障模块会在每个照度测试点利用激光测距的方法针对惯性导航位置信息固有的误差累计问题以及航向误差，以及小车行走时振动、冲击对导航定位的影响，通过在每个照度测试点利用激光测距的方法进行修正，如图4所示。  图1 姿态角Ⅰ计算  图2 姿态角Ⅱ的计算  图3 最优姿态角计算  图4 最优位置信息计算及修正  图5 自动行走小车系统结构图 3 系统的组成与工作原理自动行走小车的系统结构如图5所示。包括STM32F103VCT6微控制器、MPU6050陀螺加速度计模块、HMC5983三轴数字罗盘模块、激光修正模块、直流电机驱动模块、左/右直流电机、左/右编码器、超声波避障模块和蓝牙通讯模块组成。左/右直流电机与左/右编码器共轴安装，通过左/右编码器可以得到左/右直流电机的转速，在已知车轮周长的条件下，可以得到自动行走小车的行驶距离；蓝牙通讯模块用于实现自动行走小车与手持主机的通信，通过手持主机可以实现自动行走小车参数的设置以及行走的控制。 STM32F103VCT6微控制器是自动行走小车的控制核心，用于实现惯性导航算法和定位算法，以及导航定位误差修正、直流电机转速的控制、超声波避障控制，并通过蓝牙通讯模块实现与手持主机的数据通信。MPU6050模块用于测量三轴加速度和三轴角速度，HMC5983模块由于测量三轴磁力计数据。STM32 F103VCT6微控制器利用角速度得到实时更新的四元数值，计算出旋转矩阵，并通过旋转矩阵解算出自动行走小车在现状态下的姿态角Ⅰ；利用加速度计和磁力计测量出的姿态角并经卡尔曼滤波后得到姿态角Ⅱ。并结合编码器数据进行加权融合计算得出修正后的最优姿态角；利用比力方程完成加速度由载体坐标系到导航坐标系的换算，并对导航坐标系下的加速度两次积分得到的位置信息L1与编码器得到位置信息L2加权融合的到现状态下的最优位置信息；通过最优位置信息实现对照度测试点的定位；在每个照度测试点利用激光测距的方法对位置信息数据和航向数据进行修正，从而消除积累误差的影响。 4 结语LED道路照明在道路路面上照度水平是决定道路照明质量的一个重要指标，对新建、改建或运行中的LED道路照明设施有必要进行照度测量。而传统的测量方法是人工的进行拉线、划线进行相应的测量，该方式存在着效率低、成本高而且对人身安全有着一定的潜在威胁等不足。因此，研究并运用照度自动测量装置进行测量具有着重要的现实意义。通过研究并采用捷联惯性导航结合编码器、激光测距数据修正的方案可以实现自动测量装置的导航定位，从而取代传统的人工布点测试以及车道封闭测试模式，提高了测量的安全性和效率，避免安全隐患的出现，也不会对交通产生较大的影响。 参考文献： [1]周瑛，杨盛国，黄凌云.基于蓝牙技术遥控小车的设计与实现[J];福建师大福清分校学报，2012,5. [2]吴卓葵.基于单片机和光照检测的开关控制装置设计[J].电子技术，2014,7. [3]唐秦崴，瞿哲奕，朱熀秋.基于单片机的机器人用红外测距仪系统设计[J].应用科技，2010,4. 中图分类号：TM923.34 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2017）04（下）-0057-02 |
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