CN105717898B - 机场道面异物远程控制清理系统 - Google Patents

Abstract

机场道面异物远程控制智能清理系统，涉及无线通讯技术领域，解决现有机场道面采用人工清理方式，存在效率低、清理时间长‑安全性差且易造成二次污染等问题，包括智能车库、智能清理车和远程监控服务器，远程监控服务器通过光纤连接室外的智能车库，远程监控服务器获得机场道面GPS信息和清理车的实时GPS信息，对智能清理车在机场道面上进行定位；远程监控服务器向智能清理车发送控制命令，智能清理车根据接收的控制命令进行机场道面清理，在清理结束后控制智能清理车返回智能车库；智能车库实现对智能清理车进行清理和充电，本发明具备视频监控、移动、实时定位、清除异物等功能。保障了清理的精度。很好的做到了效率与精度的平衡。

Description

机场道面异物远程控制清理系统

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，具体涉及一种机场道面异物远程控制清理系统。

背景技术

机场保障领域涉及的道面不洁扎破轮胎、打坏飞机发动机等问题，一直是影响飞行安全的隐患。飞机在跑道上滑行、起飞或降落时，如果道面不洁有异物，都有可能被飞机发动机强大的吸力吸入高速运转的飞机发动机进气道，导致发动机叶片损伤。或者飞机轮胎碾压到异物时，则会发生爆胎现象，爆胎的碎片很可能对机体部分造成损伤。这些事故，轻则影响飞行安全，严重时会发生重大安全事故。所以机场到面异物清理课题一直是国际前沿需要解决的问题，但是参与其中的研究比较少，因为就对于这个课题之内更深的意义在于它的实用性，由于跑道不是空闲在原地的，随着飞机的起降频率的提高对清理异物的要求就更高，而其实用性包括跑道的安全问题，时间与效率的平衡问题，对跑道是否造成二次污染的问题，现在都没有一个很好的方案能做到对以上问题的平衡，然而我们奥普光电技术股份有限公司的机场道面异物监控系统，给了我们新的方向，机场道面异物监控系统把清理跑道从人工转为半人工，即人为一字排几列队伍手拉手从跑道头走到跑道尾人眼见即所得的传统跑道清理任务转变成机器扫描完并确定异物后指派人去特定地点来清除。但机场道面异物监控系统并不是闭环的，从整体来看，还是需要人为的去上跑道清理，并且在飞机起飞与降落的前后清理任务往往是危险的，而且造成二次污染的几率比较高，时间与效率在飞机起飞频繁的场景里并不是很完善。

目前基于无线网络远程控制的研究多数集中在算法理论与优化仿真方面，而实物验证方面则多数是采用固定机器手或室内移动机器人来进行模拟，主要针对实验室条件下的网络进行性能测试与分析。但由于实验室条件下信号强度高、干扰信号少、传输距离短、传输速率高等特点，该种方法并不能很好的反映出真实环境中各种复杂因素对于机器人无线网络远程控制的影响。而目前较少有专门针对无线网络远程控制设计的，并且能够进行室内外测试、理论验证的通用性机器人平台。

现有的无线控制主要是采用无线电控制技术。这通常需要操作人员在视距范围内对机器人及现场环境进行观察，但随着现场环境的复杂化，该方法受现场环境因素影响大，并且在特殊情况下(比如气体泄漏现场等恶劣环境中)并不适用。

如何提高机场道面异物的清理效率与安全保障；如何在监控室远程的去控制清理车行驶到指定的清理区域并实施清理任务，这就涉及到如何远程的实时显示区域的图像便于寻找到异物；以及如何定位到异物区域并随时监控到清理车所在区域，并在控制失灵时电量不足时能自动退出跑道报告定位信息，这就需要GPS通信功能；如何保证清理车不会对跑道造成二次污染，这就需要有高效并严谨的清理功能，并具备清理车自身的清洁功能；最后在保持一定区域巡航的电量也是需要解决的问题以便让清理车有足够的续航能力。以上都是需要去解决的实际问题。

发明内容

本发明为解决现有机场道面采用人工清理方式，存在效率低、清理时间长- 安全性差且易造成二次污染等问题，提供一种机场道面异物远程控制清理系统。

机场道面异物远程控制清理系统，包括智能车库、智能清理车和远程监控服务器；所述远程监控服务器通过光纤连接室外的智能车库，智能清理车与智能车库通过无线网络进行收发数据与控制命令；所述远程监控服务器通过对机场道面按块划分，并获得每块道面的中心GPS信息，同时通过获取智能清理车的实时GPS信息，采用对比算法对所述智能清理车在机场道面上进行定位；所述远程监控服务器向智能清理车发送控制命令，智能清理车根据接收的控制命令进行机场道面清理，在清理结束后，所述远程监控服务器控制智能清理车返回智能车库；所述智能车库实现对智能清理车进行清理和充电，并通过有线网络与远程监控服务器连接，通过无线网络与智能清理车进行数据交互。

本发明的有益效果：本发明所述的远程控制清理车主要在于远程监控服务器(上位机控制端)与无线远程控制清理车的通信，以及视频信息的实时播放。具体优点体现在以下几方面：

1、本发明所述的清理系统通过无线WIFI网络与现有的有线网络的结合，将无线网络作为有线网络的扩展，实现对区域的无线网络覆盖，被控对象通过无线的方式接入局域网，实现远程控制，并且以清理车自身产生WIFI信号，分布在跑道边的各个接收点作为接收端来扩大控制范围。

2、本发明可更换清理模块的控制系统，模块化的更换方式，模块独立供电系统，控制系统只控制模块的开关与功率，模块可自行充电与清理车的供电系统是两路同时充电的关系，而充电的机构就在智能车库里，当清理车回到智能车库里接触到充电点时开始同时充电。模块化可有效的增加清理车的功能，清理模块，灭火模块，环境监测模块等等。

3、本发明所述的清理系统是可以定位在跑道的任意地点的机场跑道精确定位系统，该系统通过对机场跑道的整体分块化，把机场跑道分成横纵坐标来标定的若干方块，而每一块都有其精准的GPS信息，通过抓取清理车的实时GPS 信息，便可定位清理车在跑道的任意地点；定位的意义在于，在现实检测中监测值班人员在楼上的监控室执行各种命令，如出现清理车意外事故我们可以通过定位系统第一时间找到并清除事故，也可配合执勤人员清楚的知道跑道上到底有没有清理车，以便于飞机起降。

4、本发明所述的清理系统中智能的清理车库与可延展的无线网络环境，独创的微型智能车库功能，操作人员控制清理车进入微型智能车库，车库可执行清理功能，充电功能，有效的保护智能清理车糟外部环境的侵蚀，并且集成WIFI 接收器，智能车库本身就是连接控制室与智能清理车的纽带与桥梁，是必不可少的一个环节，智能车库坐落于跑道的一侧边缘，通过合理的距离放置一套的智能清理车与智能车库，机场道面异物清理任务可以得到很好的效率时间与延展性的平衡。

5、时间与效率的平衡，时间与效率，其实是机场到面跑道清理的重中之重，民航的飞机起飞频率非常快，军航的飞机起飞效率并不是那么快，但是到了警备时刻频率也会相应的增加，所以整个清理任务的时间是非常宝贵的，首先我们通过已经成熟现有的我们单位的机场道面异物检测系统来监测异物，之后监测人员直接可以操作清理车在机场到面异物监测系统报告的指定地点去执行清理任务，整个的清理时间从监测异物到清理异物2500米的跑道可达到10分到 15分钟，大大降低了清理时间，加上机场道面异物检测系统的扫描精度是5*5 毫米的异物，所以又保障了系统清理的精度。清理系统很好的做到了效率与精度的平衡。

附图说明

图1为本发明所述的机场道面异物远程控制清理系统的原理框图；

图2为本发明所述的机场道面异物远程控制清理系统平台硬件结构示意图；

图3为本发明所述的机场道面异物远程控制清理系统中智能清理车的结构示意图；

图4为本发明所述的机场道面异物远程控制清理系统中智能清理车的硬件结构示意图；

图5为本发明所述的机场道面异物远程控制清理系统中智能清理车与智能车库的关系示意图；

图6为采用本发明所述的机场道面异物远程控制清理系统远程控制智能清理车在机场跑道定位的效果示意图；

图7为本发明所述的机场道面异物远程控制清理系统的整体效果图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图7说明本实施方式，机场道面异物远程控制智能清理系统，包括智能车库9、智能清理车和远程监控服务器10，所述远程监控服务器10通过光纤连接室外的智能车库9，智能清理车与智能车库9通过无线网络进行收发数据与控制命令；所述远程监控服务器10通过对机场道面按块划分，并获得每块道面的中心GPS信息，同时通过获取智能清理车的实时 GPS信息，采用对比算法对所述智能清理车在机场道面上进行定位；所述远程监控服务器10向智能清理车发送控制命令，智能清理车根据接收的控制命令进行机场道面清理，在清理结束后，所述远程监控服务器10控制智能清理车返回智能车库9；

所述智能车库9实现对智能清理车进行清理和充电，并通过有线网络与远程监控服务器连接，通过无线网络与智能清理车进行数据交互。

本实施方式所述的智能清理车包括主控制器1、WIFI收发器2、GPS接收器3、视频监控模块4、道面清理模块5、车体底层控制板7、电机驱动板6和供电模块8；所述主控制器1分别与智能车库9、WIFI收发器2、GPS接收器3、视频监控模块4、道面清理模块5、车体底层控制板7、电机驱动板6和供电模块8连接；所述主控制器1控制电机驱动板6驱动电机实现智能清理车的行进，主控制器1控制车体底层控制板7实现视频监控模块4和道面清理模块5对机场道面的监控和清理，所述主控制器1通过WIFI收发器2与智能车库9连接并通过光纤与远程监控服务器10进行数据传输；所述GPS接收器3用于接收卫星定位信息，并将接收的卫星定位信息通过主控制器1传送至远程监控服务器10，所述远程监控服务器10实现清理车的区域定位；所述视频监控模块4用于实施观测跑道异物，并辅助控制智能清理车的行驶方向与位置，通过WIFI收发器2 与远程监控服务器10进行无线视频传输，视频流可通过监控室的远程监控服务器10进行实时观测，也可进行视频截流进行保存作为值班日志的一部分。

本实施方式所述的智能清理车还包括USB扩展模块、传感器模块、灭火模块和环境监测模块，所述USB扩展模块、传感器模块、灭火模块和环境监测模块分别与主控制器连接。

所述的USB扩展模块主要包括USB-HUB、摄像头、GPS模块以及串口转 USB模块。智能清理车主控器通过一个USB-HUB实现USB接口的扩展。摄像头与智能清理车主控器之间直接通过原生USB接口进行连接，从而实现视频的采集任务。而智能清理车主控器对GPS信息的采集和与Arduino主控制器之间的通信则通过USB-HUB来连接。并且支持扩展更多的USB模块，由于GPS模块的输出接口为RS232串口，因此GPS接收模块与USB-HUB之间还需增加串口转USB模块；

本实施方式所述的智能清理车的道面清理模块5包括吸尘器5-2与机械臂抓手5-1；主控制器1根据接收的远程监控服务器10的指令，控制吸尘器5-2和机械臂抓手5-1对机场跑道进行清理。所述的主控制器1即Arduino控制板控制清理模块的开启与关闭以及功率大小，以用于小电流控制大电流设备，通过 Arduino控制板控制连接底层控制板引脚的PWM来控制舵机的转动，进而控制机械臂以及视频监控模块转动，通过控制连接电机驱动板引脚的PWM来控制电机从而控制清理车的电机驱动清理车进行精密行走，通过Arduino控制板来接收 GPS数据，然后通过连接的WIFI收发器进行无线数据传输；所有控制命令由监控室控制软件下达通过智能车库WIFI收发器传出由清理车WIFI收发器接收并传给Arduino控制板来执行；所述车体底层控制板用于将Arduino控制板提供的各种接口扩展出来，方便与外设的连接。

本实施方式所述WIFI收发器2用于整个无线连接的连接源，即智能清理车便是无线连接源，通过每一段的智能车库9的无线接收装置来连接智能清理车的无线连接源，做到更大的扩展无线区域，让清理车可远程控制的区域变得更大；各个功能的执行命令，以及视频数据都是通过这个无线连接源进行传递的；

所述的道面清理模块5用于清理道面异物，因异物情况不同启动相应的清理方式，吸尘方式或是机械臂抓取方式来清理异物，独立供电，锂电池可充电，道面清理模块5可通过插拔USB方式进行更换其他模块；所述车体底层控制板用于将Arduino控制板提供的各种接口扩展出来，方便与外设的连接；所述的电机驱动板6用于通过H型桥式电路构成PWM电路来控制清理车的直流电机进行正反转，加减速，启停功能来控制清理车的精确行走；

本实施方式所述的供电模块8为上述各模块供电，采用双锂电池供电，电源及稳压部分采用两块8V5A的锂电池并分为逻辑部分与模拟部分进行供电。逻辑部分供电锂电池电容量为3500mAh，模拟部分供电锂电池电容量为 6800mAh。逻辑部分电源电压为8V可以满足车体底层控制板7～12V的供电范围，并且能够通过稳压模块降压至5V来满足GPS模块等低电压模块的供电。因为8V最为接近电机额定电压所以模拟部分电源电压为8V，并通过搭载同步整流的开关电源控制芯片的稳压模块使其电源转换率最高可达95％。电源部分采用双锂电池为逻辑部分与数字部分分开供电设计的原因是防止直流电机电流突然增大时对其他模块供电造成影响，并且防止直流电机线圈突然停止时产生的反向电动势烧毁其他模块。

本实施方式所述的智能车库9包括WIFI模块9-1、轮胎清理模块9-2、控制模块9-3和充电模块9-4；所述控制模块9-3分别与WIFI模块9-1、轮胎清理模块9-2和充电模块9-4连接；所述控制模块9-3和WIFI模块9-1通过光纤连接远程监控服务器10。所述的智能车库9内还设置有走线槽9-5和水道槽9-6，所述轮胎清理模块9-2由传动机构与喷水装置组成，对所述智能清理车的轮胎进行清理后由传动机构传送至水道槽9-6。

所述的智能车库用于对智能清理车的充电，清理等日常维护保养，具备防尘防水防震功能有效的保护清理车；集成无线接收器接收清理车的无线信号，通过埋地光纤线连接到远程监控服务器10，对整个无线系统的收发连接点的作用；通过触电式充电模块实现接触式充电；通过轮胎清理模块9-2即传动机构与小型喷水机构实现清理车胎功能，并确保充电口与清理机构完全隔离，所有功能由远程监控服务器控制下达智能车库控制模块9-3接收并执行，由于所述智能车库9的位置位于跑道两侧外的特定位置所以不会对飞机造成破坏风险。

本实施方式所述的智能车库主要完成的任务是集成无线接收器，通过无线接收器来连接清理车与上位机监控器之间的视频，命令等的传输，并由一定的防水防潮防冻功能满足智能清理车的环境保障功能，并且可以具有清理智能清理车的功能，让清理车不成为机场跑道二次污染的污染源，具有智能充电系统，让清理车可以在车库里充电充满断电。

本实施方式主要应用于机场道面异物清理工作，并且经过功能模块的更改可以实现其他如火势探测与扑灭，侦查预警等危险工作来最大程度的保护人员的安全。

本实施方式所述的远程监控服务器用于监控室的操作人员进行清理车的远程操作控制，可进行所有清理车执行功能的操作，可实时显示清理车所在跑道的精确位置，实时观测视频流，以及保存需要保存的时间节点视频；

结合图2和图3说明本实施方式，智能清理车主控器部分、底层控制及IO 模块扩展部分、USB扩展部分、电源及稳压部分、锂电池充电接触点部分。USB 扩展接口可以实现模块的更换种类添加功能的作用，可进行锂电池通过接触点的无线充电功能，主控器通过Arduino控制板进行统筹的控制。

结合图6说明本实施方式，机场跑道被n个横向X轴、n个纵向Y轴，以及联络道不在跑道范围内的n个横向Z轴分成若干块，每一块都有自己对应的 GPS坐标，例如X1Y1对应的GPS坐标取中间点北纬N43°50′17.64″东经 E125°18′21.27″以此坐标方圆差规定的度数被认为存在于X1Y1方块内，所以此处中点的GPS坐标便为此处跑道方块的坐标，通过算法比对清理车实时接收的 GPS信号坐标与跑道方块坐标来确定清理车在哪个跑道方块里，从而精准定位清理车的位置。图中经过实时的GPS信号通过对比算法确认清理车在X2Y14方块内。

结合图7说明本实施方式，远程控制智能清理系统集成平台由远程监控服务器(上位机监控端)以及远程控制智能清理车两部分组成。系统中上位机监控端可以通过有线的方式连接外置无线控制端(智能车库)，智能清理车则通过配备的无线通信WIFI模块实现无线网络接入。上位机控制端与远程控制智能清理车通过智能车库这样的物理媒介建立起通信链路，从而实现远程控制智能清理车与上位机控制端之间的信息交互。这样操作人员仅需在监控室的监控器上进行操作，便可以通过远程视频监控子系统与远程定位子系统提供的辅助信息，实现对清理车行为以及功能的控制。

具体实施方式二为具体实施方式一所述的机场道面异物远程控制清理系统的工作过程：具体为：

当监控值班人员执行机场道面异物监控系统开始扫描的同时，无线远程控制智能清理车在其所在的智能车库中也在进行最后一次的车轮的异物监测如果车轮上出现异物及时清理并做好出发准备。当机场道面异物监测系统监测到了异物发出警报时，值班人员可以直接申请远程微型智能清理车上跑道，同意后监控室值班人员通过远程操控直接启动清理车到达清理区域，因为有GPS道面精确定位系统所以能精确的控制清理车到达指定区域，然后通过远程视频的传输观察并寻找异物并根据异物大小启动相应的清理方式去清理异物，启动吸尘清理模块吸取较小异物，或启动机械臂模块抓取较大异物，通过远程视频确认异物清理完毕后返航回到指定的智能车库，充电，清理车轮并检测是否存留异物为下次任务做准备，整个过程只需要值班人员在监控室进行操作即可。通过合理的安排微型车库的位置和远程微型智能清理车数量我们可以把清理时间减少到5-10分钟左右，这样的清理不仅减少了清理时间，人员危险因素，还完美的配合了机场道面异物监测系统，与其形成闭环控制达到及时查找及时清理的目的。更加有效的完成机场道面监测和清理的任务。

Claims (5)

1.机场道面异物远程控制清理系统，包括智能车库(9)、智能清理车和远程监控服务器(10)，其特征是；所述远程监控服务器(10)通过光纤连接室外的智能车库(9)，智能清理车与智能车库(9)通过无线网络进行收发数据与控制命令；

所述远程监控服务器(10)通过对机场道面按块划分，并获得每块道面的中心GPS信息，同时通过获取智能清理车的实时GPS信息，采用对比算法对所述智能清理车在机场道面上进行定位；所述远程监控服务器(10)向智能清理车发送控制命令，智能清理车根据接收的控制命令进行机场道面清理，在清理结束后，所述远程监控服务器(10)控制智能清理车返回智能车库(9)；

所述智能车库(9)实现对智能清理车进行清理和充电，并通过有线网络与远程监控服务器连接，通过无线网络与智能清理车进行数据交互；

所述智能清理车包括主控制器(1)、WIFI收发器(2)、GPS接收器(3)、视频监控模块(4)、道面清理模块(5)、车体底层控制板(7)、电机驱动板(6)和供电模块(8)；所述主控制器(1)分别与智能车库(9)、WIFI收发器(2)、GPS接收器(3)、视频监控模块(4)、道面清理模块(5)、车体底层控制板(7)、电机驱动板(6)和供电模块(8)连接；

所述主控制器(1)控制电机驱动板(6)驱动电机实现智能清理车的行进，主控制器(1)控制车体底层控制板(7)实现视频监控模块(4)和道面清理模块(5)对机场道面的监控和清理，所述主控制器(1)通过WIFI收发器(2)与智能车库(9)连接并通过光纤与远程监控服务器(10)进行数据传输；

所述GPS接收器(3)用于接收卫星定位信息，并将接收的卫星定位信息通过主控制器(1)传送至远程监控服务器(10)，所述远程监控服务器(10)实现清理车的区域定位；

所述视频监控模块(4)用于实施观测跑道异物，并辅助控制智能清理车的行驶方向与位置，通过WIFI收发器(2)与远程监控服务器(10)进行无线视频传输；

所述智能车库(9)包括WIFI模块(9-1)、轮胎清理模块(9-2)、控制模块(9-3)和充电模块(9-4)；所述控制模块(9-3)分别与WIFI模块(9-1)、轮胎清理模块(9-2)和充电模块(9-4)连接；所述控制模块(9-3)和WIFI模块(9-1)通过光纤连接远程监控服务器(10)。

2.根据权利要求1所述的机场道面异物远程控制清理系统，其特征在于，所述智能车库(9)内还设置有走线槽(9-5)和水道槽(9-6)，所述轮胎清理模块(9-2)为喷水装置，用于对智能清理车的轮胎进行清理。

3.根据权利要求1所述的机场道面异物远程控制清理系统，其特征在于，所述智能清理车还包括USB扩展模块、传感器模块、灭火模块和环境监测模块，所述USB扩展模块、传感器模块、灭火模块和环境监测模块分别与主控制器连接。

4.根据权利要求1所述的机场道面异物远程控制清理系统，其特征在于，所述智能清理车的道面清理模块(5)包括吸尘器(5-2)与机械臂抓手(5-1)；主控制器(1)根据接收的监控服务器(10)的指令，控制吸尘器(5-2)和机械臂抓手(5-1)对机场跑道进行清理。

5.根据权利要求1所述的机场道面异物远程控制清理系统，其特征在于，所述供电模块(8)采用双锂电池供电。