CN112344928A - 一种用于矿车的导航系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于矿车的导航系统，用于解决低成本单板计算节点难以同时解决高实时性与高数据处理吞吐量的问题。本申请公开的用于矿车的导航系统包括：车身主惯性测量仪IMU封装模块，固连封装模块和计算处理模块；所述车身主IMU封装模块安装在矿车的底盘；所述固连封装模块安装在矿车的驾驶室顶部外；所述计算处理模块安装在驾驶室内；所述车身主IMU封装模块与所述计算处理模块连接，所述固连封装模块与所述计算处理模块连接，所述车身主IMU封装模块与所述固连封装模块连接。

Description

一种用于矿车的导航系统

技术领域

本申请涉及自动驾驶领域，尤其涉及一种用于矿车的导航系统。

背景技术

自动驾驶是当前的研究热点。为了降低成本，现有技术中通常采用低成本硬件以及低成本软件，但是在追求低成本的同时，不可避免的牺牲了系统的实时性和可靠性。如果使用专用软硬件系统提升实时性或可靠性，则会带来系统通用性和可扩展性的限制。

近年来限定场地成为自动驾驶的重要落地场合。限定场地内可以做到所有车辆的自动驾驶，进而构建一个无车上人员干预的车联网。但是，这种应用环境将对系统的实时性与可靠性提出更高的要求，现有技术难以同时解决低成本与高实时性和高数据处理吞吐量的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提供了一种用于矿车的导航系统，用于提高数据传输吞吐量，提高实时性、可靠性、通用性和可移植性。

本申请提供的一种用于矿车的导航系统，包括：

车身惯性主测量仪IMU封装模块(简称车身主IMU封装模块)，固连封装模块和计算处理模块；

所述车身主IMU封装模块安装在矿车的底盘；

所述固连封装模块安装在矿车的驾驶室顶部外；

所述计算处理模块安装在驾驶室内；

所述车身主IMU封装模块与所述计算处理模块连接，所述固连封装模块与所述计算处理模块连接，所述车身主IMU封装模块与所述固连封装模块连接。

优选的，所述车身主IMU封装模块与所述计算处理模块之间通过RS422接口连接；

所述固连封装模块与所述计算处理模块之间通过RS422接口连接；

所述车身主IMU封装模块与所述固连封装模块连接用于传输时间同步信号。

进一步的，所述车身主IMU封装模块包括：

车身主IMU模块和第一微计算模块；

所述车身主IMU模块和所述第一微计算模块之间通过串行外设接口SPI连接。

进一步的，所述第一微计算模块用于进行IMU数据预积分计算，所述预积分计算包括以下之一或者组合：

根据融合姿态对所述IMU的漂移量和位姿进行校正；

根据所述IMU数据进行预积分。

进一步的，所述第一微计算模块运行中硬实时操作系统。

进一步的，所述固连封装模块包括：

全球导航卫星系统GNSS接收机，第二IMU模块和第二微计算模块；

所述GNSS接收机与所述第二微计算模块通过串口连接；

所述第二IMU模块和所述第二微计算模块通过SPI接口连接；

所述GNSS接收机与所述第二微计算模块之间有传递时间同步信号的连接。

进一步的，所述第二微计算模块中运行硬实时操作系统。

优选的，所述计算处理模块中运行非硬实时操作系统，所述计算处理模块针对数据传输和融合计算分别构建一个节点，其中，所述数据传输的节点独占一个中央处理器CPU核心，所述融合计算的节点占用其余的CPU核心。

优选的，所述计算处理模块读取所述RS422接口的数据时，包括：

根据数据包头的解析结果，确定后续包的长度；

根据所述后续包的长度和串口波特率，设置空闲定时器，所述空闲定时器用于等待串口接收当前完整的数据帧。

使用本发明提供的用于矿车的导航系统，通过优化布局，在车身底盘和驾驶室顶部外的实时传感器中，运行硬实时操作系统，并在与之相连的计算处理模块中，将实时性要求高的数据收发任务单独占用CPU的一个核心，从而提高数据的吞吐能力，可靠性、通用性和可移植性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的用于矿车的导航系统组成示意图；

图2为本申请实施例提供的各组成模块安装位置示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种用于矿车的导航系统组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对文中出现的一些词语进行解释：

1、本发明实施例中术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

2、本申请实施例中术语“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。

3、IMU，Inertial Measurement Unit的简称，即惯性测量仪，或者惯性测量单元，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。通常，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度。

4、MCU，Microcontroller Unit，即微控制单元，或微计算单元，或单片机，是把中央处理器(Central Process Unit，CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等外围接口驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。

矿车在作业过程中，由于地形恶劣，矿车需要高速实时采集车身自身姿态信息(例如矿车的速度，加速度等)，还要高速采集自身的位置信息(例如矿车的经纬度信息，高度信息等)，然后根据自身姿态信息和位置信息，快速做出导航决策。因此，矿车对数据采集的吞吐量和实时性均有较高要求。本发明公开了一种用于矿车的导航系统，提高数据的吞吐能力，可靠性、通用性和可移植性。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例的展示顺序仅代表实施例的先后顺序，并不代表实施例所提供的技术方案的优劣。

实施例

参见图1，本申请实施例提供的一种用于矿车的导航系统，如图所示，包括：

车身惯性测量仪IMU封装模块101，固连封装模块103和计算处理模块102；

所述车身主IMU封装模块101安装在矿车的底盘；

所述固连封装模块103安装在矿车的驾驶室顶部外；

所述计算处理模块102安装在驾驶室内；

所述车身主IMU封装模块101与所述计算处理模块102连接，所述固连封装模块103与所述计算处理模块102连接，所述车身主IMU封装模块101与所述固连封装模块103连接。

本申请实施例中，车身主IMU封装模块101与固连封装模块103之间的连接，用于传输时间同步信号。固连封装模块103可以从全球卫星导航系统GNSS获取时间同步信息，并将该时间同步信息传输给车身主IMU封装模块。固连封装模块103也可以从北斗卫星导航系统获取时间同步信息，并将该时间同步信息传输给车身主IMU封装模块。固连封装模块103还可以从3G，4G或者5G等移动通信网络获取时间同步信息，并将该时间同步信息传输给车身主IMU封装模块。

本申请实施例中，所述车身主IMU封装模块101与所述计算处理模块102之间的连接，用于实现两个模块之间的全双工数据传输。由于驾驶室与车辆底盘之间的距离相对较远(例如超过3米)，而且存在各种电磁干扰，尤其是电动矿车电磁干扰更大，该连接需要满足远距离传输的要求。作为一种优选示例，所述车身主IMU封装模块101与所述计算处理模块102之间通过RS422接口连接。

本申请实施例中，所述固连封装模块103与所述计算处理模块102之间的连接，用于实现两个模块之间的全双工数据传输。由于驾驶室与驾驶室顶部外之间的距离相对较远(例如超过3米)，该连接需要满足远距离传输的要求。作为一种优选示例，所述固连封装模块103与所述计算处理模块102之间通过RS422接口连接。

需要说明的是，本实施例提供的固连封装模块103，还用于封装全球卫星导航系统GNSS和IMU，实现GNSS和IMU的固定、连接和封装。

本申请实施例中，所述车身主IMU封装模块101与所述固连封装模块103连接之间的连接，用于实现两个模块之间的单向传输，即固连封装模块103向车身主IMU封装模块101传输时间同步信号，而车身主IMU封装模块101不需要向固连封装模块103传输时间同步信号。作为一种优选示例，所述车身主IMU封装模块101与所述固连封装模块103之间通过双绞线连接。作为一种优选示例，双绞线连接中的两根线缆，一根用于传输PPS授时脉冲，一根用于接地。

作为一种优选示例，车身主IMU封装模块101，固连封装模块103和计算处理模块102的安装位置如图2所示。车身主IMU封装模块101安装在车身底盘上，安装在车身底盘上具有以下优点：具备精确测量底盘运动，避免驾驶室与这辆底盘间的相对运动而引入的误差，进而将使车辆运动控制更为精确；固连封装模块103安装在驾驶室顶部外，能更好的接收时间同步信号以及位置定位信号；计算处理模块102安装在驾驶室内。

作为另一种优选示例，本实施例提供的用于矿车的导航系统，如图3所示，其中，车身主IMU封装模块101包括：

车身主IMU模块301-1和第一微计算模块301-2；

所述车身主IMU模块301-1和所述第一微计算模块301-2之间通过串行外设接口SPI连接。

车身主IMU模块301-1，用于测量安装位置的六自由度惯性数据。

第一微计算模块301-2，用于处理车身主IMU模块301-1测量得到的数据，得到IMU在指定时间间隔内的预积分，并发送到计算处理模块302。

具体的，车身主IMU模块301-1通过SPI接口与第一微计算模块301-2连接，第一微计算模块301-2中运行硬实时操作系统(例如可以是Nuttx系统)，完成IMU数据预积分计算，该预积分计算包括以下运算之一或者组合：根据融合姿态对IMU的漂移量和位姿进行校正、根据IMU量测数据进行预积分。

固连封装模块103包括：

全球导航卫星系统GNSS接收机303-1，第二IMU模块303-2和第二微计算模块303-3；

所述GNSS接收机303-1与所述第二微计算模块303-3通过串口连接；

所述第二IMU模块303-2和所述第二微计算模块303-3通过SPI接口连接；

所述GNSS接收机303-1与所述第二微计算模块303-3之间有传递时间同步信号的连接。

具体的，GNSS接收机303-1输出RTK定位信息(例如可以是单天线)给第二微计算模块303-3，第二微计算模块303-3完成第二IMU模块303-2量测信号预积分并与RTK定位信号一起传输给计算处理模块302。第二微计算模块303-3中运行硬实时操作系统(例如可以是Nuttx系统)。

作为另一种优选示例，计算处理模块302运行非硬实时操作系统(例如可以是linux-ubuntu-server-18.04，并安装linux可抢断的低延时内核)，并安装中间件软件ROS2。针对数据传输和融合计算分别构建一个节点，但在同一进程中运行。其中，数据传输的节点独占一个CPU核心，而融合计算的节点占用其余的CPU核心。

以计算处理模块302运行linux操作系统为例，上述数据传输的节点独占一个CPU核心的操作步骤可以是：

步骤1：设置linux启动参数。

若系统没有grub启动系统，采用extlinux启动系统(例如由syslinux改进而来)，须做如下修改：

文件“/boot/extlinux/extlinux.conf”的append项中加入：“isolcpus＝3”(CPU核心编号从0开始，逗号分割)。isolcpus序号不超过“CPU核心数-1”。

步骤2：在ROS2节点中引入CPU依附。本步骤可以通过ROS2提供的接口函数来进行，例如可以是Set_MonoCpuCore函数。

作为另一种优选示例，在本发明实施例中，RS422采用两对双绞线提高了抗干扰性，并采用根据数据帧头的定时延时流控制，包括以下步骤：

步骤A:对串口进行设置。本步骤A中，可以利用操作系统相应的函数完成设置，例如可以是setUartEpoll。

步骤B：读取串口数据。本步骤中，根据数据包头的解析结果，确定后续包的长度及串口波特率；根据所述后续包的长度和所述串口波特率，设置空闲定时器，该空闲定时器用于等待串口接收当前完整的数据帧。以linux系统或者nuttx系统为例，依据res_wait＝epoll_wait(epoll_uart_fd,&uart_event,1,-1)函数的返回值，当res_wait不是0或-1的情况下进行数据获取，然后根据数据包头的解析，确定后续包长度及串口波特率，设置空闲定时器。在实时优化(cpu核心独占)的基础上可以实现串口的程序流控制，避免高频率的执行epoll_wait及后面1-2个字节的处理，进而提高CPU利用率提高数据的吞吐量。需要说明的是，另外有一个线程负责数据解析，为解析线程预留CPU执行时间。

该步骤B中，若没有CPU内核独占，则将导致定时器触发不准而发生读取数据的较大延迟。因而独占CPU内核与程序流控制结合起来才能在计算处理模块上实现RS422的程序化流控制。

对于微计算单元MCU而言，由于其上运行的是硬实时操作系统(例如Nuttx)，因而无需做独占CPU内核操作，只要按照计算处理模块中利用epoll及睡眠定时器进行程序流控制即可，在此不再赘述。

通过本实施例的导航系统，通过ROS2包实现功能划分的同时划分CPU核心占用的方法，在保证实时可靠的同时，保证研发中的模块化，实现单板节点间的互联以及与下位机的互通。

通过本实施例的导航系统，在车身底盘和驾驶室顶部外的实时传感器中，运行硬实时操作系统，并在与之相连的计算处理模块中，将实时性要求高的数据收发任务单独占用CPU的一个核心，从而在提高数据收发实时性的同时，兼顾了运算吞吐能力，以及系统的可靠性与可移植性。

需要说明的是，本申请实施例中对单元的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种导航系统，应用于矿车，其特征在于，包括：

车身主IMU封装模块，固连封装模块和计算处理模块；

所述车身主IMU封装模块安装在矿车的底盘；

所述固连封装模块安装在矿车的驾驶室顶部外；

所述计算处理模块安装在驾驶室内；

所述车身主IMU封装模块与所述计算处理模块连接，所述固连封装模块与所述计算处理模块连接，所述车身主IMU封装模块与所述固连封装模块连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述车身主IMU封装模块与所述计算处理模块之间通过RS422接口连接；

所述固连封装模块与所述计算处理模块之间通过RS422接口连接；

所述车身主IMU封装模块与所述固连封装模块连接用于传输时间同步信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述车身主IMU封装模块包括：

车身主IMU模块和第一微计算模块；

所述车身主IMU模块和所述第一微计算模块之间通过串行外设接口SPI连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：

所述第一微计算模块用于进行IMU数据预积分计算，所述预积分计算包括以下之一或者组合：

根据融合姿态对所述IMU的漂移量和位姿进行校正；

实时接收所述IMU数据并进行预积分。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：

所述第一微计算模块中运行硬实时操作系统。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固连封装模块包括：

全球导航卫星系统GNSS接收机，第二IMU模块和第二微计算模块；

所述GNSS接收机与所述第二微计算模块通过串口连接；

所述第二IMU模块和所述第二微计算模块通过SPI接口连接；

所述GNSS接收机与所述第二微计算模块之间有传递时间同步信号的连接。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述第二微计算模块中运行硬实时操作系统。

8.根据权利要求2或者5所述的系统，其特征在于，包括：

所述计算处理模块中运行非硬实时操作系统，所述计算处理模块针对数据传输和融合计算分别构建一个节点，其中，所述数据传输的节点独占一个中央处理器CPU核心，所述融合计算的节点占用其余的CPU核心。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述计算处理模块读取所述RS422接口的数据时，包括：

根据数据包头的解析结果，确定后续包的长度；

根据所述后续包的长度和串口波特率，设置空闲定时器，所述空闲定时器用于等待串口接收当前完整的数据帧。

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