简 介： 针对参加大学生智能汽车竞赛同学询问GPS如何导航车模运行的问题，让研究生给出参赛队伍写一个简要说明文档。显然他没有能够把信息传递对象（参赛同学）搞明白，直接就按照学术论文格式进行阐述，显然这对于他来说是很方便，但对于听他讲思路的同学会带来一定的困难。这显示了学术交流与课程讲解在方法、任务、目标方面的差异。按照研究生的解释恐怕会把参赛同学们的热情给消磨殆尽了。

关键词： GPS，智能车竞赛，研究生

§01 GPS导航

1.1 问题提出

  卓老师，如何使用GPS导航，使得小车跑起来？ 现在我一点思路都没有。

1.2 问题回答

  关于你的问题，昨天我让一位研究生同学起草一个简单的描述文档，向一位没有任何思路的低年级同学讲清楚如何通过GPS对车模进行导航。结果呢？ 他给我发送了如下的说明。 说实在的，如果你能够看明白，估计早就有了控制思路。

1.2.1 研究生给出的讲解

（1）问题描述

  假设车模比赛路径由一组二维空间的点组成，表示为 $P\in N\times R^2$ 。路径点 ${\vec{x}}_d$ 和 ${\vec{x}}_{d+1}$ 是路径中第𝑖和第 $i+1$ 个航路点，它们连接成为航段 ${\vec{P}}_i$ 。矢量 $\vec{t}$ 表示从航路点 ${\vec{x}}_d$ 指向 ${\vec{x}}_{d+1}$ 的单位矢量； $v_d$ 为航段 ${\vec{P}}_l$ 上的期望速度； $\vec{x}$ 为无人车当前时刻位置（矢量）； $\vec{v}$ 为无人车当前时刻速度（矢量）。

（2）问题求解

  基于以上对问题的描述，车模跟踪控制器设计如下。

  经分析可以得到如下关系式：

• 无人车当前位置与航段 ${\vec{P}}_i$ 的侧向偏差： $${\vec{e}}_{ct}=\left[\left(\vec{x}-{\vec{x}}_d\right)\cdot \vec{t}\right]\cdot \vec{t}-\left(\vec{x}-{\vec{x}}_d\right)$$

• 无人车当前位置与航段 ${\vec{P}}_i$ 的侧向偏差变化率， $\vec{v}$ 为当前速度，则有： $${\vec{e}}_{ct}^{\prime }=\left(\vec{v}\cdot \vec{t}\right)\cdot \vec{t}-\hat{v}$$

• 无人车当前速度与航段 ${\vec{P}}_i$ 上期望速度的偏差，则有： $${\vec{e}}_{at}^{\prime }=\left(v_d-\vec{v}\cdot \vec{t}\right)\cdot \vec{t}$$

  基于上述误差信号，可以建立航路跟踪控制器算法，分别代表无人车与雁行路方向和垂直航路方向的期望速度。

$${\vec{u}}_{at}=K_{atp}\times {\vec{e}}_{at}^{\prime }+K_{ati}\times {\int }_0^t{\vec{e}}_{at}dt$$ $${\vec{u}}_{ct}=K_{ctp}{\vec{e}}_{ct}+K_{ctd}{\vec{e}}_{ct}^{\prime }+K_{cti}{\int }_0^t{\vec{e}}_{ct}\left(t\right)dt$$

  所以无人车的控制率为 $\vec{u}={\vec{u}}_{at}+{\vec{u}}_{ct}$ 。将其写成幅值相角形式，即 $\vec{u}=u_v\angle \psi$ ，其中 $u_v$ 和 $u_{\psi }$ 分别代表了无人车的期望速度和期望航向，分别用电机和舵机的PID控制实现即可。

  若判断无人车是否从航段 $\vec{P}\to {\vec{P}}_{l+1}$ ，可通过判断无人车是否越过航路点 ${\vec{x}}_{d+1}$ 位置的法向矢量来实现。即 $\left(\vec{x}-{\vec{x}}_{d+1}\right)\cdot \vec{t}>0$ 时，可以认为无人车越过航路点 ${\vec{x}}_{d+1}$ 。一旦完成航段 ${\vec{P}}_l$ ，控制器中的积分器要重置，以避免新航段上侧向、纵向误差积分被上一个航段干扰。当然，如果两个相邻航段的转角比较小（即航路曲度小），积分器也可以不重置。

  也别怪这位研究生同学，他是按照研究论文的学术节奏来写的说明资料。不应该给咱们智能车竞赛入门同学看的。

1.2.2 建议学习思路

  建议你按照以下方式对你关心的GPS导航问题找到思路。

（1）第一步：读懂规则要求

  根据 第十七届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则 对于室外极速越野组要求能够了解。

（2）第二步：知道GPS能够得到什么信息？

  根据测试双频GNSS定位导航模块知道GPS中可以得到什么信息。

（3）第三步：了解车模导航一般原理

  可以观看生动有趣 自动驾驶汽车的简单控制原理【PID控制】 视频了解车模导航最基本过程和方法。然后自己考虑一下，如何从GPS所给定的信息中获得控制所需要的路径偏差信息。

（4）第四步：动手实践

  通过观察 第17届 极速越野组 逐飞演示车模 任务演示 视频中的演示，自己可以先动手按照初步的想法在自己的车模中实现一下，先可以慢慢的跑起来。

  通过初步测试之后，然后再继续往深入思考，除了GPS之外，如何利用车载上的IMU（惯性测量单元）所提供的角速度、加速度对车模进行更加细致的控制，进一步提高车模运行速度和稳定性。

  完事开头难，加油吧。

※ 总  结 ※

  针对参加大学生智能汽车竞赛同学询问GPS如何导航车模运行的问题，让研究生给出参赛队伍写一个简要说明文档。显然他没有能够把信息传递对象（参赛同学）搞明白，直接就按照学术论文格式进行阐述，显然这对于他来说是很方便，但对于听他讲思路的同学会带来一定的困难。

  这显示了学术交流与课程讲解在方法、任务、目标方面的差异。按照研究生的解释恐怕会把参赛同学们的热情给消磨殆尽了。

■ 相关文献链接:

• 第十七届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
• 测试双频GNSS定位导航模块
• 自动驾驶汽车的简单控制原理【PID控制】
• 第17届 极速越野组 逐飞演示车模 任务演示

● 相关图表链接:

• 图2.1.1 GPS 控制车模运行
• 图2.1 车模运行模型
• 图2.2.2 GPS 控制车模沿着草地上的圆环运行
• 图2.2.3 GPS控制车模在操场上运行

文章来源: zhuoqing.blog.csdn.net，作者：卓晴，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

原文链接：zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/123753524