CN107380434B - 一种无人巡逻方法及用于无人巡逻的飞行器 - Google Patents

一种无人巡逻方法及用于无人巡逻的飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人巡逻方法及用于无人巡逻的飞行器，所述飞行器包括巡逻载体、定位装置、语音警报器、云台、处理器、图像识别设备、机架连接杆和舵机连接件，定位装置、语音警报器和云台均设置在巡逻载体上，处理器通过机架连接杆与云台连接，图像识别设备通过舵机连接件或图像识别底板与处理器连接，处理器内设置有卡片式电脑，图像识别设备上设置有摄像头或者相机模块和闪光灯，相机模块与卡片式电脑连接。本发明具有在夜间飞行、图像处理和报警功能，可代替安保人员执行巡逻任务，搜索监控盲区，避免了因安保人员身体因素造成的疏漏，提高了巡逻效率。

Description

一种无人巡逻方法及用于无人巡逻的飞行器
技术领域
本发明涉及一种无人巡逻方法及用于无人巡逻的飞行器，属于安防技术领域。
背景技术
目前在国家战略物资储备库、大型工程建设场地以及大型工业厂区内装有诸多监控摄像头，但按照安全要求，仍需要安保巡逻人员定时巡逻。这种采用人力安保的巡逻方式不能有效的避免治安事故的发生，尤其是在夜间，而且存在巡逻频率低，效率低，成本高等诸多问题。
现有的巡逻技术，如申请号为201310617544.8的专利申请公开了一种基于航拍的小区动态巡逻系统，申请号为201610175742.7的专利申请公开了一种含有LED灯的智能巡逻飞行器，但是仍然存在以下缺点：GPS定位受楼宇、树木等遮挡时，会导致信号变差，影响定位精度，而巡逻系统则是需要实时的给监控中心反馈其当前的位置信息的，因而无法满足巡逻系统实际的需求；另外，如果一旦由于某处的GPS信号较弱，那么飞行器会由于得不到定位数据而出现抖动，导致无法平稳的飞行(因为不知道当前的坐标，也就无法知道下一步应该要飞向哪里)。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种无人巡逻方法及用于无人巡逻的飞行器，能够实现精准定位，并且能够在夜间飞行，具有图像处理和报警功能，可代替安保人员执行巡逻任务，搜索监控盲区，避免了因安保人员身体因素造成的疏漏，提高了巡逻效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种无人巡逻方法，包括：
S1，自动获取飞行器的GPS定位数据和ZigBee定位数据；
S2，根据所述GPS定位数据和ZigBee定位数据的可信度对其进行加权处理，然后输出处理后的定位数据；
S3，将处理后的定位数据和监控数据反馈至监控中心；并且飞行器根据所述的处理后的定位数据及预置路线继续执行巡逻任务。
优选的，步骤S1中，通过以下方法获取飞行器的ZigBee定位数据：
S11，(放置在飞行器上的)ZigBee协调器获取各个ZigBee终端(主要设置在高楼、树林附近)的RSSI值；
S12，处理单元根据各个ZigBee终端的MAC地址建立数组，获得单一MAC地址的RSSI数组；
S13，对所述的RSSI数组进行滤波(如卡尔曼滤波、蚁群滤波或粒子滤波或h∞滤波)，然后计算(可现有的方法进行计算，如最大似然估计三维定位法)获得ZigBee协调器的ZigBee定位数据。
通过利用以上方法，一方面，由于ZigBee协调器接收到的数据是无序的，需要3个ZigBee终端的数据就可以实现定位，而ZigBee终端每几毫秒就要给ZigBee协调器发送一次数据，那么ZigBee协调器的位置信息更新频率就会特别快，导致飞行器飞行非常不稳定，现在通过这种建立RSSI数组的方式，使得飞行器的位置数据在符合要求的前提下，更新频率不那么快，飞行器飞的更稳一些；另一方面方便进行滤波，可以进一步提高定位精度。
进一步优选的，通过以下方法从ZigBee协调器提取RSSI值至处理单元：利用Strcopy函数对ZigBee协调器接收的数据进行截取，然后设置串口输出“MAC地址+RSSI”为固定格式，输出各个ZigBee终端的RSSI值。本发明通过以上方法实现了从ZigBee协调器提取RSSI值至处理单元，从而用于处理单元来计算ZigBee定位数据以及进一步进行后续处理；另外，本发明增加了额外的处理单元进行数据处理，从而使得ZigBee协调器就单纯的负责接收，提高了数据处理效果，同时使得导航定位更加高效。
本发明中，步骤S2还包括:对获得的GPS定位数据和ZigBee定位数据分别进行滤波处理(可利用卡尔曼算法或蚁群算法或粒子滤波算法或h∞算法)，然后再进行加权，从而可以进一步提高定位的精度。
优选的，步骤S2中，GPS定位数据的可信度根据GPS搜星数量(根据反馈回的GPS数据包中可以获得该数值)确定；ZigBee定位数据的可信度根据搜寻到的ZigBee终端的数量以及ZigBee终端与ZigBee协调器的距离(根据反馈回的ZigBee数据可以确定这些数值)确定。
上述方法中，所述的ZigBee定位数据以wgs84坐标系作为基准，从而方便对ZigBee定位数据和GPS定位数据统一进行处理。
一种用于无人巡逻的飞行器，包括巡逻载体、定位装置、处理器和图像识别设备，定位装置设置在巡逻载体上，图像识别设备通过舵机连接件或图像识别底板与处理器连接，图像识别设备上设置有摄像头或者相机模块和闪光灯，摄像头或者相机模块与处理器连接，处理器设置于安装盒中，安装盒与巡逻载体连接或者通过机架连接杆与云台连接，云台设置于巡逻载体上；所述的定位装置包括GPS定位系统和ZigBee定位系统，所述的ZigBee定位系统包括ZigBee协调器和多个ZigBee节点，所述的ZigBee协调器设于巡逻载体中，多个ZigBee节点分别设于待巡逻的路面上(主要设置在高楼、树林等GPS信号较弱的地方)，所述的ZigBee协调器分别与ZigBee节点无线连接，同时所述的ZigBee协调器与所述处理器连接，GPS定位系统与所述处理器连接。
所述的巡逻载体可采用四旋翼飞行器或者六旋翼飞行器。
本发明中，所述用于控制相机模块或摄像头拍摄的处理器可为卡片式电脑；内置处理器的安装盒包括下壳体和上盖，下壳体和上盖通过螺柱固定连接；本发明中还包括语音警报器，该语音警报器可直接安装在巡逻载体上，也可以安装在云台上，若发现险情后，可通过语音警报器进行喊话或报警鸣声。
前述的一种用于无人巡逻的飞行器中，所述图像识别设备包括摄像头安装座和摄像头保护罩，摄像头安装座的两端设置有形状相同的闪光灯槽，2个闪光灯槽之间设置有4个圆柱，所述摄像头保护罩通过4个圆柱扣盖在摄像头安装座上。
前述的一种用于无人巡逻的飞行器中，所述图像识别设备包括相机装置和闪光灯装置，所述相机装置和闪光灯装置均固定在图像识别底板上，图像识别底板与内置处理器的安装盒连接。
前述的一种用于无人巡逻的飞行器中，所述相机装置包括图像识别模块、相机底板、相机盖板和插针，相机底板通过插针固定在图像识别模块上，相机底板上方设置有相机盖板，所述相机模块设置于相机底板与相机盖板之间。相机底板上设置有卡扣，相机盖板通过卡扣扣盖在相机模块上。
前述的一种用于无人巡逻的飞行器中，所述闪光灯装置包括闪光灯罩和闪光灯座，闪光灯座固定在图像识别底板上，闪光灯罩包括2个罩体部、2个弧形部和连接2个弧形部的水平板，罩体部与弧形部连接，2个罩体部之间及2个弧形部之间均关于水平板对称。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过采用ZigBee+GPS定位，从而大大提高了定位精度，据大量数据统计表明：相对于单纯的GPS定位，采用本发明的ZigBee+GPS定位，定位精度可提高达70％；
2、本发明通过根据各个ZigBee终端的MAC地址建立数组，获得单一MAC地址的RSSI数组，然后利用所述的RSSI数组计算ZigBee定位数据，一方面，可以使得飞行器的位置数据的更新速度在符合要求的前提下，飞行器飞的更加平稳；另一方面也方便进行滤波，可以进一步提高定位精度；
3、本发明通过利用Strcopy函数对ZigBee协调器接收的数据进行截取，然后设置串口输出“MAC地址+RSSI”为固定格式，输出各个ZigBee终端的RSSI值，从而实现了从ZigBee协调器提取RSSI值至处理单元，用于处理单元来计算ZigBee定位数据以及进一步进行后续处理；另外，本发明增加了额外的处理单元进行数据处理，从而使得ZigBee协调器就单纯的负责接收，提高了数据处理效果，同时使得导航定位更加高效；
4、通过舵机连接杆将内置处理器的安装盒与巡逻载体或者设置在巡逻载体上的云台连接，并集成摄像头或相机模块和闪光灯，同时采用结构设计紧凑合理的图像识别设备，该图像识别设备制造成本低，因而采用本发明的飞行器不仅可代替安保人员执行巡逻任务，搜索监控盲区，避免因安保人员身体因素造成的疏漏，提高巡逻效率，还能大大降低安保成本。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的示意图；
图2是本发明的另一种实施例的示意图；
图3是本发明一种实施例图像识别设备的结构示意图；
图4是本发明另一种实施例图像识别设备的结构示意图；
图5是本发明安装盒的下壳体结构示意图；
图6是本发明安装盒的上盖结构示意图；
图7是本发明摄像头安装座的结构示意图；
图8是本发明摄像头保护罩的结构示意图；
图9是本发明闪光灯罩的结构示意图；
图10是本发明机架连接杆的结构示意图；
图11是本发明舵机连接件的结构示意图；
图12是本发明图像识别底板的结构示意图；
图13是本发明图像识别模块的结构示意图；
图14是本发明相机底板的结构示意图；
图15是本发明相机模块的结构示意图；
图16是本发明相机盖板的结构示意图；
图17是本发明机架连接件与安装盒的连接结构示意图。
附图标记：1-安装盒，2-图像识别设备，3-舵机连接件，4-图像识别底板，5-下壳体，6-上盖，7-摄像头安装座，8-摄像头保护罩，9-机架连接杆，10-圆柱，11-相机装置，12-闪光灯装置，13-相机模块，14-相机盖板，15-插针，16-卡扣，17-闪光灯罩，18-闪光灯座,19-弧形部,20-水平板，21-相机底板，22-闪光灯槽，23-图像识别模块，24-罩体部，25-巡逻载体，26-定位装置，27-语音警报器，28-云台。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：一种无人巡逻的方法，包括：
S1，自动获取飞行器的GPS定位数据和ZigBee定位数据；
S2，根据所述GPS定位数据和ZigBee定位数据的可信度对其进行加权处理，然后输出处理后的定位数据；
S3，将处理后的定位数据和监控数据反馈至监控中心；并且飞行器根据所述的处理后的定位数据及预置路线继续执行巡逻任务。
可选的，步骤S1中，可通过以下方法获取飞行器的ZigBee定位数据：
S11，(放置在飞行器上的)ZigBee协调器获取各个ZigBee终端(主要设置在高楼、树林附近)的RSSI值；
S12，处理单元根据各个ZigBee终端的MAC地址建立数组，获得单一MAC地址的RSSI数组；
S13，对所述的RSSI数组进行滤波(如卡尔曼滤波、蚁群滤波或粒子滤波或h∞滤波)，然后计算(可现有的方法进行计算，如最大似然估计三维定位法)获得ZigBee协调器的ZigBee定位数据。
可选的，可通过以下方法从ZigBee协调器提取RSSI值至处理单元：利用Strcopy函数对ZigBee协调器接收的数据进行截取，然后设置串口输出“MAC地址+RSSI”为固定格式，输出各个ZigBee终端的RSSI值。本发明增加了额外的处理单元进行数据处理，从而使得ZigBee协调器就单纯的负责接收。
可选的，步骤S2还可包括:对获得的GPS定位数据和ZigBee定位数据分别进行滤波处理(可利用卡尔曼算法或蚁群算法或粒子滤波算法或h∞算法)，然后再进行加权。
可选的，步骤S2中，GPS定位数据的可信度可根据GPS搜星数量(根据反馈回的GPS数据包中可以获得该数值)确定；ZigBee定位数据的可信度根据搜寻到的ZigBee终端的数量以及ZigBee终端与ZigBee协调器的距离(根据反馈回的ZigBee数据可以确定这些数值)确定。
实施例2：一种用于无人巡逻的飞行器，包括巡逻载体25、定位装置26、处理器和图像识别设备2，定位装置26设置在巡逻载体25上，图像识别设备2通过舵机连接件3与处理器连接，图像识别设备2上设置有摄像头和闪光灯，摄像头与处理器连接，处理器设置于安装盒1中，安装盒1与巡逻载体25连接或者通过机架连接杆9与云台28连接，云台28设置于巡逻载体25上；所述的定位装置26包括GPS定位系统和ZigBee定位系统，所述的ZigBee定位系统包括ZigBee协调器和多个ZigBee节点，所述的ZigBee协调器设于巡逻载体25中，多个ZigBee节点分别设于待巡逻的路面上(主要设置在高楼、树林等GPS信号较弱的地方)，所述的ZigBee协调器分别与ZigBee节点无线连接，同时所述的ZigBee协调器与所述处理器连接，GPS定位系统与所述处理器连接。
巡逻载体25采用四旋翼飞行器，能使本发明飞行器在不平稳的地面平稳降落或起飞；通过定位装置26能够精准定位。本发明中，用于控制摄像头拍摄的处理器可为采用树莓派3代b型的卡片式电脑，能够高效传输摄像头拍摄的图像；内置处理器的安装盒包括下壳体5和上盖6，下壳体5和上盖6通过螺柱固定连接。本发明中还包括语音警报器27，该语音警报器27可直接安装在巡逻载体上，也可以安装在云台上，遇到紧急情况，可通过语音报警器27进行喊话或者播放警报声；云台28为一种支撑平台，可采用电动云台或者固定云台，并采用9g的舵机来控制，云台28可以防止图像识别设备2拍摄画面抖动，提高画面的拍摄效果。
具体的，安装盒1包括下壳体5和上盖6，下壳体5和上盖6通过螺柱固定连接。下壳体5包括有卡片式电脑安装区和收线区(如图5所示凸出的矩形壳体部分)，该安装盒1的下壳体5和上盖6均采用增材技术制作而成，不仅成本低，而且能够起到保护卡片式电脑的作用。
进一步地，图像识别设备2包括摄像头安装座7和摄像头保护罩8，摄像头安装座7的两端设置有形状相同的闪光灯槽22，2个闪光灯槽22之间设置有4个圆柱10，摄像头保护罩8通过4个圆柱10扣盖在摄像头安装座7上。图像识别设备2中内嵌有语音识别模块，语音识别模块与语音警报器27连接，通过语音识别模块可播放不同的声音。
本发明的实施例3：一种用于无人巡逻的飞行器，包括巡逻载体25、定位装置26、处理器和图像识别设备2，定位装置26设置在巡逻载体25上，图像识别设备2通过图像识别底板4与处理器连接，图像识别设备2上设置相机模块13和闪光灯，相机模块13与处理器连接，处理器设置于安装盒1中，安装盒1与巡逻载体25连接或者通过机架连接杆9与云台28连接，云台28设置于巡逻载体25上所述的定位装置26包括GPS定位系统和ZigBee定位系统，所述的ZigBee定位系统包括ZigBee协调器和多个ZigBee节点，所述的ZigBee协调器设于巡逻载体25中，多个ZigBee节点分别设于待巡逻的路面上(主要设置在高楼、树林等GPS信号较弱的地方)，所述的ZigBee协调器分别与ZigBee节点无线连接，同时所述的ZigBee协调器与所述处理器连接，GPS定位系统与所述处理器连接。
本发明中，巡逻载体25采用六旋翼飞行，能使本发明飞行器在不平稳的地面平稳降落或起飞，并通过定位装置26实现精准定位；用于控制摄像头拍摄的处理器可为采用树莓派3代b型的卡片式电脑，能够高效传输相机模块13拍摄的图像。通过语音报警器27进行喊话或者播放警报声；云台28为一种支撑平台，可采用电动云台28或者固定云台28，并采用9g的舵机来控制。图像识别设备2中内嵌有语音识别模块，语音识别模块与语音警报器27连接，通过语音识别模块可播放不同的声音。
具体的，内置处理器的安装盒1包括下壳体5和上盖6，下壳体5和上盖6通过螺柱固定连接。
进一步地，图像识别设备2包括相机装置11和闪光灯装置12，相机装置11和闪光灯装置12均固定在图像识别底板4上，图像识别底板4与安装盒1连接。图像识别底板4通过螺钉与安装盒1的下壳体5连接。图像识别设备2中内嵌有语音识别模块，语音识别模块与语音警报器27连接，通过语音识别模块可播放对应不同情境的声音，如警报声、驱离提示声。
进一步地，相机装置11包括图像识别模块23、相机底板21、相机盖板14和插针15，相机底板21通过插针15固定在图像识别模块23上，相机底板21上方设置有相机盖板14，所述相机模块13设置于相机底板21与相机盖板14之间。相机底板21上设置有与插针15对应设置的针口，针口呈长方形状并设置于相机底板21的两侧，针口中设置有与插针15一一对应的针孔，因此通过插针15可将相机模块13牢牢的固定在相机底板21上。
进一步地，相机底板21上设置有卡扣16，相机盖板14通过卡扣16扣盖在相机模块13。卡扣16的一端部呈弯勾状，通过弯勾状的卡扣16可将相机盖板14牢固的盖在相机模块13上，同时也能方便不费力的将相机盖板14取下。
进一步地，闪光灯装置12包括闪光灯罩17和闪光灯座18，闪光灯座18固定在图像识别底板4上。闪光灯装置12中内置LED灯，闪光灯罩17盖在闪光灯座18上，闪光灯罩17采用透明玻璃材质。闪光灯装置12中的LED灯采用继电器对其进行控制，具有弱光(待机状态)、强光(巡逻状态)、强光闪烁(警告状态)三种模式，能够满足安保巡逻任务的基本需求。
具体的，闪光灯罩17包括2个罩体部24、2个弧形部19和连接2个弧形部19的水平板20，罩体部24与弧形部19连接，2个罩体部24之间及2个弧形部19之间均关于水平板20对称。水平板20上设置有安装孔，通过带有安装孔的水平板20可将闪光灯罩17固定安装在闪光灯座18上。
本发明的一种实施例的工作原理：通过定位装置精准定位并规划本发明飞行器的飞行路径，通过巡逻载体25可使本发明飞行器在不平稳地面安全平稳起飞或者降落，通过机架连接杆9将安装盒1与云台28连接，能够防止安装盒1处理器发热而影响云台28的运行。
当使用本发明飞行器在夜间进行巡逻任务时，若发现滞留人员或者可疑人员可通过闪光灯装置12内LED灯的晃照，以警示滞留人员或者可疑人员；同时通过语音警报器27进行喊话，以发出警告。使用本发明能够大大降低安保人员的劳动强度，提高巡逻效率，能够高频率的搜索监控盲区。
GPS定位数据的可信度确定及ZigBee定位数据和GPS定位数据的加权原理：
比如GPS搜星数量达到七颗；同时ZigBee协调器搜寻到的ZigBee终端的数量至少为3个，而且至少有3个ZigBee终端与ZigBee协调器的距离在20m以内，则GPS定位数据和ZigBee定位数据的权值都为0.5；若其中有一个定位数据不符合要求，如GPS搜星数量为4～6颗，则将相应的GPS定位数据的权值降低为0.3(相应的，ZigBee定位数据的权值为0.7)；同理，若ZigBee协调器搜寻到的ZigBee终端的数量至少为3个，但是没有至少3个ZigBee终端与ZigBee协调器的距离在20m以内，则也将ZigBee定位数据的权值降低为0.3(相应的，GPS定位数据的权值为0.7)；若数据可信度进一步下降，如GPS搜星数量为3颗以下，则GPS定位数据的权值将变为0；同理，若ZigBee协调器搜寻到的ZigBee终端的数量少于3个，则权值也变为0。

Claims (8)

1.一种无人巡逻方法，其特征在于，包括：
S1，自动获取飞行器的GPS定位数据和ZigBee定位数据；
S2，根据所述GPS定位数据和ZigBee定位数据的可信度对其进行加权处理，然后输出处理后的定位数据；
S3，将处理后的定位数据和监控数据反馈至监控中心；并且飞行器根据所述的处理后的定位数据及预置路线继续执行巡逻任务；
步骤S1中，通过以下方法获取飞行器的ZigBee定位数据：
S11，ZigBee协调器获取各个ZigBee终端的RSSI值；
S12，处理单元根据各个ZigBee终端的MAC地址建立数组，获得单一MAC地址的RSSI数组；
S13，对所述的RSSI数组进行滤波，然后计算获得ZigBee协调器的ZigBee定位数据；
并通过以下方法从ZigBee协调器提取RSSI值至处理单元：利用Strcopy函数对ZigBee协调器接收的数据进行截取，然后设置串口输出“MAC地址+RSSI”为固定格式，输出各个ZigBee终端的RSSI值。
2.根据权利要求1所述的无人巡逻方法，其特征在于，步骤S2还包括:对获得的GPS定位数据和ZigBee定位数据分别进行滤波处理，然后再进行加权。
3.根据权利要求1所述的无人巡逻方法，其特征在于，步骤S2中，GPS定位数据的可信度根据GPS搜星数量确定；ZigBee定位数据的可信度根据搜寻到的ZigBee终端的数量以及ZigBee终端与ZigBee协调器的距离确定。
4.一种实现权利要求1-3任一项所述方法的用于无人巡逻的飞行器，其特征在于，包括巡逻载体(25)、定位装置(26)、处理器和图像识别设备(2)，所述定位装置(26)设置在巡逻载体(25)上，所述图像识别设备(2)通过舵机连接件(3)或图像识别底板(4)与处理器连接，所述图像识别设备(2)上设置有摄像头或者相机模块(13)和闪光灯，所述摄像头或者相机模块(13)与处理器连接，所述处理器设置于安装盒(1)中，所述安装盒(1)与巡逻载体(25)连接或者通过机架连接杆(9)与云台(28)连接，云台(28)设置于巡逻载体(25)上；所述的定位装置(26)包括GPS定位系统和ZigBee定位系统，所述的ZigBee定位系统包括ZigBee协调器和多个ZigBee节点，所述的ZigBee协调器设于巡逻载体(25)中，多个ZigBee节点分别设于待巡逻的路面上，所述的ZigBee协调器分别与ZigBee节点无线连接，同时所述的ZigBee协调器与所述处理器连接，GPS定位系统与所述处理器连接。
5.根据权利要求4所述的用于无人巡逻的飞行器，其特征在于，所述图像识别设备(2)包括摄像头安装座(7)和摄像头保护罩(8)，摄像头安装座(7)的两端设置有形状相同的闪光灯槽(22)，2个闪光灯槽(22)之间设置有4个圆柱(10)，所述摄像头保护罩(8)通过4个圆柱(10)扣盖在摄像头安装座(7)上。
6.根据权利要求4所述的用于无人巡逻的飞行器，其特征在于，所述图像识别设备(2)包括相机装置(11)和闪光灯装置(12)，所述相机装置(11)和闪光灯装置(12)均固定在图像识别底板(4)上，所述图像识别底板(4)与安装盒(1)连接。
7.根据权利要求6所述的用于无人巡逻的飞行器，其特征在于，所述相机装置(11)包括图像识别模块(23)、相机底板(21)、相机盖板(14)和插针(15)，所述相机底板(21)通过插针(15)固定在图像识别模块(23)上，相机底板(21)上方设置有相机盖板(14)，所述相机模块(13)设置于相机底板(21)与相机盖板(14)之间。
8.根据权利要求7所述的用于无人巡逻的飞行器，其特征在于，所述闪光灯装置(12)包括闪光灯罩(17)和闪光灯座(18)，所述闪光灯座(18)固定在图像识别底板(4)上，所述的闪光灯罩(17)包括2个罩体部(24)、2个弧形部(19)和连接2个弧形部(19)的水平板(20)，所述罩体部(24)与弧形部(19)连接，2个罩体部(24)之间及2个弧形部(19)之间均关于水平板(20)对称。
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