场景导航建设方案

1 / 19 场景导航建设方案 北斗 GPS 卫星导航系统 建 设 方 案 贵州迪辰安信科技发展有限公司 二一三年五月 目 录 目 录 . 2 第一章 建设背景 . 4 第 二 章 北斗 GPS 卫 星 导 航 系 统 简介 . 7 、什么北斗卫星导航系统 . 7 、北斗卫星定位原理 .2 / 19 . 7 、 北 斗 卫 星 工 作 原 理图 . 8 、北斗 GPS 卫 星 导 航 技 术 指标 . 8 第二章 第 三 章 系 统 设 计 原则 . 10 系统总体设计 . 11 系统架构 . 11 技 术 架构 . 12 平 台 运 行 环 境 配置 . 13 服 务 端 程 序 平3 / 19 台 . 13 GPS 数 据 接 入 公 安 内网 . 14 北斗 GPS 监 控 客 户 端 功 能 设计 . 14 系统安全 . 19 第四章 项目实施 . 21 实施进度 . 21 实施和验收方法 . 21 项目的实施 . 21 4 / 19 项目的验收 . 21 项目管理及质量控制 . 22 项目责任制 . 22 项目质量控制 . 22 第 五 章 运 行 维 护 体系 . 23 系统的维护 . 23 第六章 经费预算 . 24 硬 件 配 置 及 费 用 预5 / 19 算 . 24 软 件 系 统 费 用 预算 . 24 第一章 建设背景 1. 概述 随着我市城市建设规模的扩大，车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理调度，警用车辆 的指挥和安全管理已成为公安、交通系统 中的一个重要问题。 过去，用于交通管理系统的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向车辆驾驶员发出调度命令，驾驶员只能根据自己的 判断说出车辆所在的大概位置，而在生疏地带或在夜间则无法确认自己的方位甚至迷路。 因此，从调度管理和安全管理方面，其应用受到限制。北斗 GPS 定位技术的出现给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时的定位能力。通过车载 GPS 接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过车载电台将 GPS 定位信息发送给调度指挥中心，调度 指挥中心便可及 时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显 示出来。目前，用于公安、交通系统的主要是车辆 GPS定位与无线通信系统相结合的指挥管理系统。 2. 车辆 GPS 定位管理系统 6 / 19 车辆 GPS 定位管理系统主要是由车载 GPS 自主定位，结合无线通信系统对车辆进行调度管理和跟踪。已经研制成功的如车辆全球定位报警系统，警用 GPS 指挥系统等。分别用于城市 公共汽车调度管理，风景旅游区车船报警与调度，海关、公安、海防等部门对车船的调度与监控。 监控中心部分的主要功能有： ? 数据跟踪功能。将移动车辆的实时位置以贞列表的方式显示出来。如车号、经度、速度、 航向、时间、日期等 ? 图上跟踪功能。将移动车辆的定位信息在相应的电子地图背景上复合显示出来。 电子地图可任意放大、缩小、还原、切换。有正常接收与随意点名接收两种接收方式。 还可提供是否要车辆运行轨迹的选择功能。 ? 模拟显示功能。可将已知的目标位置信息输入计算机并显示出来。 决策指挥功能。决策指挥命令以通信方式与移动车辆进行通信。通信方式可用文本、代码或语音等，实现调度指挥。 ? 车载部分的主要功能有： ? 定位信息的发送功能。 GPS 接收机实时定位并将定位信 息通过电台发向监控中心。 ? 数据显示功能。将自身车辆的实时位置在显示单元上显示出来。如经度、纬度、速度、航向。 ? 调度命令的接收功能。接收监控中心发来得调度7 / 19 指挥命令 ,在显示单元上显示或发出语音。 ? 报警功能。一旦出现紧急情况，司机启动报警装置，监控中心立即显示出车辆情况、 出事地点、车辆人员等信息。 3. 应用前景 汽车是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，据统计，仅几个发达国家的汽车保有量已有数千万辆。因此车辆 GPS 导航将成为未 来 20 年中全球卫星定位系统应用的最大的潜在市场之一。 在我国，有关部门要求首先对运超车、急救车、救火车、巡警车、迎宾车等特种专用车辆实现全程监控、引导和指挥。目前使用车载北斗 GPS 接收机进行自主定位的车辆很少，大量的开发应用热点在监控调度系统上。 车载 GPS导航 小区分布系统建设规则及分场景建设方案 1. GSM/TDS 系统建设方式 天线设置具体规则： ? 高层小区 室外天线设置：在室外采用定向天线对打实现覆盖，优先选取楼体外立面安装天 线的方式， F1-F7 楼层可以采用地面射灯及灯杆天线作为补充，尽量不采用楼顶天线方式。 室内天线设置：在电梯井设置定向天线、地下室、8 / 19 塔楼的走廊公共区域设置全向吸顶天线实现覆盖。在地下室等区域设置外打天线实现与室外小区的无缝覆盖。 天线密度：每个单元、每 5-7 层楼安装一面覆盖天线。天线水平间距 10-20 米。 室外天线功率设置： GSM 系统 20-25dBm， TDS 系统15-20dBm。地面安装天线出口功率下调 10dB。 电梯： 在电梯井道内安装 定向天线作为主要的电梯覆盖方式。 电梯应尽可能与楼层小区设为同小区，当建筑规模较大时，应保证电梯小区与最低楼层小区设为同小区。 电梯与楼层间的切换区必须设置在电梯厅而决不允许在电梯内，即在电梯厅内安装引导天线，与电梯内信号形成重叠覆盖，保证切换效果。 ? 多层小区 室外天线设置：可以采用楼体外立面安装天线，或地面射灯及灯杆天线 安装方式，尽量不采用楼顶天线方式。对于楼间距小于 15 米，建筑结构较简单的场景可以采用全向天线覆盖。 室内天线设置 ：一般不需要设置室内天线。 天线密度：每 1-3 个单元安装一面覆盖天线。天线9 / 19 水平间距 10-30 米。 室外天线功率设置： GSM 系统 20-25dBm，TDS 系统 15-20dBm。地面安装天线出口功率下调 10dB。 ? 别墅区和低矮住宅区 室外天线设置：采用地面天线及灯杆天线安装方式，根据建筑物密度采用全向或定向天线。 室内天线设置：一般不需要设置室内天线。 天线密度：天线水平间距 10-30 米。 室外天线功率设置： GSM 系统 20-25dBm， TDS 系统15-20dBm。地面安装天线下调 10dB。 ? 其他形式小区 环形楼天线覆盖方案 采用地面灯杆天线 +自身楼顶天线方式覆盖，单天线覆盖高度约 5-7 层。保证楼顶下倾信号源、地面灯杆信号源均为室分同一信号源。 独栋高楼天线覆盖方案 可采用周边低层建筑顶端天线，自身楼顶天线方式覆盖，使用窄波束高增益天线。控制好天线的方向角和功率，保证窗边的信号覆盖。 封闭型小区 可采用周边低层建筑顶端天线，自身楼顶天线方式覆盖，单天线覆盖高 度约 5-7 层。对覆盖同一栋或相邻的多栋楼的天线采用统一信号源，保证小区信号规则。 10 / 19 GSM/TDS 系统与宏基站网络协同规则 小区分布系统与室内分布系统共同使用室内频点。GSM 网络应按照双频立体网的原则，在底层覆盖上优先使用900M 频率，高层覆盖以 1800M 频率为主以规避和宏基站之间的干扰。 各系统至少使用两组频点，实现水平、垂直方向上的交错频率规划，充分利用楼体阻挡实现干扰规避。 利用设备小区合并能力扩大单小区覆盖范围。室内分布系统与室外小区分布采用同小区设计，电 梯及地下室与底层小区合并小区。 底层小区和高层小区有双向切换关系。宏基站与覆盖社区主出入口的小区设置双向邻区关系，与其他小区设置单向邻区关系或双向邻区关系。 2. WLAN 系统建设方式 对于建筑结构简单的场景可以考虑采用“室外型 AP+定向天线”和“分布系统合路”的建设方式，具体建设时可根据实际情况灵活选择。 AGV 搬运机器人视觉导航方案 AGV 作为现代制造系统中的物料传送设备已经得到了广泛应用。从理论上看，视觉导引 AGV 具有较好的 技术应用前景，然而其却没能像电磁导引和激光导引 AGV 那样广泛使用，主要问题在于视觉导引技术在实时性、鲁棒性和11 / 19 测量精度方面还有待进一步突破。 由多个 AGV 单元组成的 AGV 系统配有系统集成控制平台，对 AGV 的作业过程进行监管和优化，例如，创建任务、地图生成、发出搬运指令、控制 AGV 的运行路线、跟踪传送中的零件以及多 AGV 的任务规划和调度。将 AGV 与外部自动化物流系统、生产管理系统有机结合，对系统内每台 AGV 合理地分配当前任务、选择最佳路径、实时图形监控、管理运行安全， 实现信息化的管理和生产，方便地构成由调配中心计算机控制的自动化生产线、自动仓库和全自动物流系统。 目前视觉导引方式主要方法有基于局部视觉和全局视觉两种方法。基于视觉导引的 AGV 还没有大规模产业化，但其潜在的市场前景使其成为近几年来国内外 AGV 研究的热点。 全局视觉导引方法是将摄像机安装在天花板或者墙上，以整个工作环境为目标，对包括 AGV、导引路径、障碍物等进行对象识别，对各个摄像机获取的图像进行基于特征的图像融合，得到全局地图。在生成的全局地图中，每个 AGV 单元，导引线 ，障碍物的绝对坐标都能够实时获取。全局视觉方法相对于将摄像机安装在车体上的局部视觉方法，在多 AGV 调度、障碍物检测、避障、全局监测方面更具优势。尤其是可以对 AGV 和障碍物的特征进行分类，通过增强型的卡12 / 19 尔曼滤波方法进行运动估计，动态跟踪每一个目标的位置、速度。但是这种方法要根据不同的现场环境，按照视野不被遮挡并覆盖整个工作空间的原则，根据摄像机放置算法决定摄像机的数目、安装位姿。因此这张全局视觉方法仅仅适用于室内且空间较大的场合，而且导引精度较低。 相对而言，目前国内外研究较多的是局部视觉导 引方式。局部视觉导引方式是将单车看作一个智能体，在车上安装摄像机和图像采集系统实时地处理环境信息，其主要有基于自然场景和结构化场景两种导航方式。基于自然场景的导航方式通过运行路径周围环境的图像信息与环境图像数据库中的信息进行比较，从而确定当前位置并对运行路线做出决策。这种方法不要求设置任何物理路径，在理论上具有最佳的柔性；但三维图像处理的实时性差和环境图像数据库的难以建立，限制了它的实际应用。 基于结构化场景的导引方式一般是在地面粘贴或铺设一些特殊形状或颜色的线路和符号，由视觉系统识别预定义的路 经，包括导引路径相对 AGV 的位置偏差和角度偏差、路径节点、工位、转弯、停车、加减速等标识。这种视觉导航方式的优点是视觉系统只需提取预设的特定目标，并根据目标特征的先验知识做进一步的计算，提高了图像处理的速度和系统的鲁棒性。基于结构化场景的视觉导航技术能较好满足柔性制造系统对物流设备在导向柔性、空间利用、运行13 / 19 安全性以及成本等方面的要求，具有路径设置柔性高、信息识别速度快、导航稳定程度好、导航行走精度高和导向信息容量大等突出优点，因此有着更广阔的应用前景，也是国内外研究机构和学者近年来研究较多的视觉导引方式 。 1、视觉导引 AGV 系统 运动型视觉导引 AGV 系统模型图如图 1 所示。 图 1 视觉导引 AGV 系统模型图 AGV 的差速驱动系统由左右两个直流伺服电机驱动的驱动轮组成，其前后两个万向轮起支撑作用，这种驱动结构可以通过调节两个驱动轮的速度和转向，实现前进、后退双向运动。当两驱动轮的速度相同且方向一致时， AGV 做直线运动；当两驱动轮的速度相同且方向相反时， AGV 绕驱动轮轴线的中心点做原地自转运动；当两驱动轮的速度不同时， AGV 能做任意转弯半径 的圆弧运动。差速转向驱动方式具有无最小转弯半径限制且能够双向运动的优点。控制系统通过安装在驱动轴上的编码器反馈，组成一个闭环系统。基于两轮差速驱动的 AGV 路径跟踪法采用 PID 控制法。 导引用摄像机位于运动控制中心点上方，垂直于地面安装。这种设计方式使得运动控制中心点在摄像机视野内，能够获得即时和未来小范围内前进、后退两个方向的路径信息。这种安装方式因视野小，模型估计的精度相对较高，同时也不易受到外界环境的干扰；但其也弱化了对路径的预14 / 19 测功能，因此对视觉测量和运动控制的实时性要求更高。封闭的 AGV 车体内成像较暗，有必要放置辅助照明光源，同时也可以提高对环境光的抗干扰性，将用于照明的环形 LED 光源与摄像机同轴放置有利于系统的模块化设计，便于安装和维护。 1）视觉定位 利用 AGV 上车载传感器的感知信息估计其在给定环境中的位姿。 AGV 作为物料传输工具，在运动途中，对其行走精度要求不高，在工作点要求其有较高的定位精度。在大多数工业应用中，位置精度一般要求在 10mm 内，姿态精度一般要求在 1内。在常用的 AGV 导航方式中，激光导引的定位精度能达到 3mm，电 磁导引的定位精度能达到 5mm。 通过识别预先设置的参照路标，求出 AGV 相对于路标在局部坐标系下的方位，根据已知的这些路标在全局坐标系下的坐标，通过坐标变换可以求出 AGV 在全局坐标系中的坐标。这种方法的测量精度依赖于摄像机的分辨率和摄像机视 野范围的大小，这两者决定了图像单位像素相对真实场景的放大倍数。 2）路径规划和调度 制造单元或工作站之间的物料传送靠 AGV 来实现，15 / 19 因而，在创建 AGVS 导引地图中，十字路口、丁字路口、直角转弯、路径编号、停车工 位、仓库编号等规划系统运行的拓扑地图。在视觉导引 AGVS 中，采用在地面贴数字 0 9 或者阿拉伯字母 a z 来描述这些信息，由车载视觉系统对采集的实时图像进行分析和识别。 AGV 识别的信息特征通过无线通讯报告给地面控制站，地面控制站查找数据库系统中相对应的 AGV 编号和标记特征，判断此 AGV 在柔性生产线中的位置，再综合路径编号、目的地、加工工艺和其他 AGV 的信息，根据中心控制计算机的任务调度确定最佳路线、运行速度、等待时间等，通过无线通讯返回控制命令给每台AGV。 3）射频识别 RFID 系统是一种具有广泛应用前景的自动识别系统。基本的射频识别系统由 RFID 电子标签和 RFID 读写器构成，电子标签的存储容量高达 32K bits。根据射频工作的频段和应用场合的不同， RFID 能够识别从几厘米到几十米范围内的电子标签，并且能在运动中实时读取。采用在 AGV 路径旁放置非接触射频卡，由车载射频卡读卡器实时读取射频卡中存储的加减速、路径编号、工位编号、仓库编号、等待时间等大量信息，能够很好地解决视觉识别标识特征所带来的实时性、多义性问题。 2、视觉导航与运 动控制平台设计 16 / 19 采用基于双处理器的分布式嵌入式系统来设计视觉导引 AGV。善于并行计算的 DSP/FPGA 处理器作为视觉系统处理器，主要用于对地面环境的视频采集、视觉信息处理和 RFID 信息获取；善于事务处理的 ARM 处理器作为运动控制器和任务管理处理器，负责 AGV 单车的运动控制、无线通信、任务管理和其它辅助功能。 AGV 车载系统平台主要包括视觉导航和车辆控制两大功能。 视觉导航功能由摄像机采集导引路径场景信息， DSP 由采集的视频图像识别出当前的路径模型并精 确计算 AGV 相对导引路径之间的位置关系，然后融合 RFID 传感器信息，获得 AGV 在拓扑地图中的位置。导航功能不仅要完成视频采集、图像预处理、路径识别以及路径模型参数估计等计算量大的视觉信息处理，而且要完成与运动控制器双向通讯和 RFID 信息读取，对算法和通讯的实时性要求较高。视觉导航模块采用基于 DSP 的嵌入式系统平台，其主要特点是具有专门的视频采集和处理单元，并且具有并行计算能力和流水线指令，数值运算功能强大，外围接口丰富。 车辆控制功能主要涉及到多类型传感器输入，运动控制信号输出， 需要接口类型丰富，能够处理多种逻辑任务，相对于导航功能模块，其运算能力要求不高，但是需要能够实时响应外设信号。将车辆控制模块硬件模块化，采用配置17 / 19 实时操作系统的 ARM 处理器来处理车辆传感器输入、运动控制输出和通讯任务。 整个单车 AGV 分布式嵌入式系统工作原理如图 2所示。 图 2 嵌入式平台工作原理图 CCD 摄像机获取导引路径场景 PAL 制式模拟视频，经视频解码后，由 DSP 进行视觉信息采集与处理，并融合RFID 信息后，获得完整的导航信息，再经串口通讯发给 ARM 控制器 。控制器通过工业无线以太网串口将 AGV 的状态信息通过工业无线通讯发送到地面控制站 PC，并通过与地面控制站的双向通讯获取运行任务，然后根据 DSP 发送的导引路径信息做出运行决策，完成导航任务。在运行的过程中，控制器还要能够实时处理传感器信号输入，并能够接受手持遥控器的控制。 在嵌入式实时操作系统 DSP/BIOS 上实现视频采集、视觉信息处理、 RFID 信息采集和通讯等多任务处理；以 ARM 为运动控制和任务管理处器，主要实现路径跟踪、工业无线以太网通讯和任务管理。将 RFID 技术融合到视 觉系统中，由车载 RFID 读写器实时读取路径旁放置的电子标签，获取速度等级、路径编号、工位编号、分支路径节点编号、仓库编号、等待时间等大量节点信息。组建小型 AGVS，并开发地面控制站 AGV 调度监控系统，实现 AGVS 地图创18 / 19 建、工位标识、路径规划、任务调度和状态监控等功能。 分布式嵌入式系统采用模块化设计方法，整个系统基于导航和车辆控制两大功能划分为 3 个硬件模块，分别为基于 DSP 的视觉导航板模块、基于 AR