CN108227720A - 一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统 - Google Patents

Abstract

一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，包括巡逻车本体和控制系统；巡逻车本体具有前后两对驱动轮，一对驱动轮由四个直流电机进行驱动；直流电机连接有行星减速机；控制系统中的第一前、后方环境探测和保护系统均主要由单线激光雷达、单线激光雷达和CCD摄像机组成；第二前、后方环境探测和保护系统主要由两个微波雷达组成；前、后盲区探测和避障系统均由三个超声波传感器组成；单线激光雷达、微波雷达、CCD摄像机和辅控制器一均与主控制器连接；超声波传感器和电机驱动器均与辅控制器一连接，电机驱动器分别与四个直流电机连接。该系统稳定性、可靠性和性价比高，运算处理速度快，灵活性高，且能有效应对恶劣天气。

Description

一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统

技术领域

本发明属于无人驾驶技术领域，具体涉及一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统。

背景技术

随着现代化建设的速度加快，超级市场、大型码头、国际机场、各种会展中心、大型物流仓库、高级酒店、医院等场所的数量和规模不断增加，各种大型生活小区和活动场所日益增多，人类活动和物流运输等变得更为复杂，需要大量的人力、物力和安保资源确保这个系统安全运作。目前的安保技术主要以人力巡逻和CCD摄像机定位监控为主，这两种方式已不能满足现有大规模复杂环境的安保需求，采用安保机器人替代人类巡逻的安保巡逻自动化系统可以解决眼前的燃眉之急，因为安保巡逻自动化系统不仅可以进一步提高安保系统的稳定性、安全性和实时性，而且可有效节约人工成本。

无人驾驶巡逻车作为一种新型特殊安保类机器人，能够通过传感器感知环境和本身状态并实现避障，穿梭于熙熙攘攘的人群和各种各样障碍物中，完成自主巡逻任务。无人驾驶巡逻车进行定时、定点、不间断流动式的监控与巡逻是解决安保巡逻自动化最好的解决方案。无人驾驶巡逻车系统是将环境感知、动态决策、路线规划以及行为控制集中于一体的多功能复合系统，它利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、巡逻车辆位置、障碍物和可疑危险物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在巡逻路径上行驶。无人驾驶巡逻车集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

目前，智能无人驾驶巡逻车发展还处于起步阶段，无论是何种程度的智能驾驶，第一步感知都是第一位的，也就是感知无人驾驶巡逻车周边复杂的环境，在这个基础上才能做出相应的路径规划和驾驶行为决策，感知传感器的选择是无人驾驶巡逻车成功避障的前提。多线激光雷达，顾名思义，就是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布，通过电机的旋转形成多条线束的扫描。理论上讲，当然是线束越多、越密，对环境描述就更加充分，这样还可以降低算法的要求。3D多线激光雷达通过激光扫描可以得到机器人周围环境的3D模型，运用相关算法比对上一帧和下一帧环境的变化可以较为容易的探测出机器人周围的行人和其他障碍物信息，同时3D激光雷达另一大特性是同步建图，实时得到的全局地图通过和高精度地图中的特征物比对，可以实现导航及加强机器人的定位精度。多线激光雷达探测范围相对较广，能提供大量环境距离信息，可以为控制决策提供较大的方便，以上优点使得多线激光雷达成为了无人驾驶巡逻车感知未知环境的一个优先选择。

一般普通的简易无人驾驶巡逻车驱动系统的电机机械排列结构如图1所示。无人驾驶巡逻车由多线激光雷达传感器探测系统探测环境并输送给PC机，然后PC机经过编码处理，发送控制指令给基于单片机的下位机，单片机控制模块经过通讯解码后发送控制指令给直流伺服电机控制器，控制器驱动四个直流电机运动，进而通过与直流电机直接连接的驱动轮带动无人驾驶巡逻车行走；单片机控制系统根据激光雷达采集的外围环境的变化实时调节直流电机的运动，进而控制无人驾驶巡逻车在实际环境中的位置，CCD摄像机负责实时采集无人驾驶巡逻车巡逻路径中的图像并通过PC机实时储存。现有的简易无人驾驶巡逻车控制系统均是由单个单片机控制单个多线激光雷达传感器来实现上述功能的。

现有的无人驾驶巡逻车存在着诸多问题，主要有：

(1)由于受直流电机本身特征影响，直流电机的体积和重量相对较大，不利于无人驾驶巡逻车动态性能的提高。

(2)直流电机的电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。

(3)由于巡逻车的直流电机长度均较大，采用传统机械结构的无人驾驶巡逻车宽度较大，无法通过一些狭小的空间。

(4)现有的无人驾驶巡逻车直流电机均是与驱动轮直接机械连接，通过控制器调节直流电机的电压来完成调速，虽然满足了行走速度的要求，但是驱动整个无人驾驶巡逻车的扭矩较小，适应室外崎岖不平路况的能力较差。

(5)现有的无人驾驶巡逻车均采用低级的单片机芯片，工作频率较低，只有几十兆赫兹，无法满足无人驾驶巡逻车对各种复杂环境干扰的控制，容易引起无人驾驶巡逻车失控。

(6)受无人驾驶巡逻车PC机性能影响，无人驾驶巡逻车的环境探测传感器采集数据无法快速计算和储存，影响了无人驾驶巡逻车对周围环境的判断。

(7)受无人驾驶巡逻车PC机性能影响，无人驾驶巡逻车的CCD传感器图像采集数据无法实时进行快速分析和计算，总站只能通过分析存储的图像数据才能发现巡逻中的问题。

(8)多线激光雷达虽然可以实现3D数据，可以判断障碍物的高度，处理地面的信息等，但是价格相对比较昂贵，无法大面积推广使用。

(9)现在的无人驾驶巡逻车基本上只考虑前向探测和避障，均未考虑后方的障碍物信息，有时候巡逻车在倒车时后方出现的障碍物会进入到无人驾驶巡逻车保护区域，造成不必要的伤害。

(10)基于多线激光雷达无人驾驶巡逻车在向前运动过程中存在着一个探测盲区，一旦有障碍物处于盲区，易于产生交通事故。

(11)基于多线激光雷达无人驾驶巡逻车在实际倒车反向过程中也会出现探测盲区，一旦在运动过程中有障碍物进入运动盲区也会产生交通事故。

(12)基于单片机的控制系统无法快速完成两轴直流电机的快速伺服调节，加大了无人驾驶巡逻车姿态的调整时间，无人巡逻车无法快速行走。

(13)基于单片机的下位机控制系统，要通过无线系统完成部分图像采集处理后期的传输任务，受本身能力影响，传输时间较长，导致无人驾驶车无法快速行走。

(14)双轮驱动无人驾驶巡逻车只有两个动力点，虽然可以在平整的室内路面较好的完成巡逻任务，但是一旦遇到崎岖不平的室外路面时，经常会一个动力轮打滑的现象，导致无人驾驶巡逻车失去控制。

(15)双轮驱动无人驾驶巡逻车在爬坡的时候一般通过电机过载来满足功率要求，但是一旦遇到复杂状况需要长时间运行时会伤害电机的性能，造成整个无人驾驶巡逻车系统的可靠性大幅度降低。

(16)无人驾驶巡逻车在许多紧急状态下需要快速加速和以较高的速度运行，在这种条件下系统需求的功率较大，满足正常行驶的电机功率无法满足系统长时间加速要求，导致整个无人驾驶巡逻车系统适应性大幅度降低。

(17)现有的无人驾驶巡逻车均是通过前向导航传感器来实现环境探测，当遇到死胡同时，只能通过原地旋转180度的方式来实现调头，一定遇到狭小空间时，无人驾驶巡逻车将无法实现调头，导致巡逻任务失败。

(18)激光雷达对有雨雾的天气非常敏感，雨雾对激光雷达吸收很厉害，所以在有雨有雾的天气，激光雷达性能会大大下降，对无人驾驶巡逻车的安全性造成较大的影响。

(19)激光雷达对有烟雾的环境非常敏感，烟雾对激光雷达吸收很厉害，所以在有烟雾的工况下，激光雷达性能会大大下降，对无人驾驶巡逻车的安全性造成较大的影响。

(20)激光雷达对有灰尘的环境非常敏感，灰尘对激光雷达吸收很厉害，所以在有灰尘的工况下，激光雷达性能会大大下降，对无人驾驶巡逻车的安全性造成较大的影响。

(21)激光雷达对有强光的天气非常敏感，强烈的阳光有时候可以使激光雷达性能会大大下降，有时候甚至没有信号输出，对无人驾驶巡逻车的安全性造成较大的影响。

因此，需要对现有的基于单片机控制的多线激光雷达无人驾驶巡逻车系统进行重新设计，寻求一种价格低廉、性价比相对较高、多类传感器融合的实用型全天候无人驾驶巡逻车系统。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，该系统能有效提高无人驾驶巡逻车的稳定性和可靠性，并能降低无人驾驶巡逻车的维护频率；该系统能提高无人驾驶巡逻车的控制运算处理速度，并能有效缩短数据传输的时间，使无人驾驶巡逻车快速地对周围环境进行准确的判断并具有快速行走功能；该系统能有效提高抗干扰能力，能提高无人驾驶巡逻车应对恶劣天气的能力，且其具有后方探测和避障功能，能有效消除探测盲区，使无人驾驶巡逻车行走时的安全性和可靠性更高；该系统能有效缩短无人驾驶巡逻车的姿态调整时间、有效提高无人驾驶巡逻车的控制性能、有效提高无人加强巡逻车运动过程中的灵活性和动态性能，使无人驾驶巡逻车的通过性更好、且不易出现打滑现象、并能提升无人驾驶巡逻车对室外崎岖不平路况的适应能力；该系统能有效提高无人驾驶巡逻车的性价比，有利于无人驾驶巡逻车的大面积推广。

为了实现上述目的，本发明提供一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，包括巡逻车本体和设置在巡逻车本体上的控制系统；

所述巡逻车本体下部在长度方向的前部和后部各装配有一对驱动轮，巡逻车本体内部装配有用于分别驱动四个驱动轮的四个直流电机；

所述控制系统包括电源、电源转换模块、电机驱动器、无线通信模块、主控制器、辅控制器一和辅控制器二；

所述巡逻车本体内部还设置有分别位于四个直流电机电机轴外侧的四个行星减速机；所述行星减速机为90度转角行星减速机；

四个直流电机的长度方向均延巡逻车本体长度的方向延伸，且四个直流电机位于四个驱动轮的内侧；所述直流电机为稀土永磁无刷直流伺服电机，直流电机的电机轴与行星减速机的输入端连接，行星减速机的输出轴通过齿轮组驱动驱动轮；所述齿轮组由在纵向上分布且相互啮合的齿轮一和齿轮二组成；所述齿轮一套装于行星减速机的输出轴上，所述齿轮二套装于驱动轮中心的转轴上；

所述控制系统还包括第一前方环境探测和保护系统、第二前方环境探测和保护系统、第一后方环境探测和保护系统、第二后方环境探测和保护系统、前盲区探测和避障系统、后盲区探测和避障系统和设置在巡逻车本体顶部中心位置的360度CCD摄像机一；

所述第一前方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L1、单线激光雷达L2和CCD摄像机二组成；所述单线激光雷达L1左低右高倾斜地设置在巡逻车本体顶部靠前的位置，所述单线激光雷达L2水平地设置在巡逻车本体下部的前端，所述CCD摄像机二设置在巡逻车本体的前部，且靠近高度方向的中心位置；

所述第二前方环境探测和保护系统主要由微波雷达M1和微波雷达M2组成；所述微波雷达M1设置在巡逻车本体的前部，且位于单线激光雷达L1和CCD摄像机二之间；所述微波雷达M2设置在巡逻车本体的下部的前端，且位于单线激光雷达L2的下部；

所述第一后方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L3、单线激光雷达L4和CCD摄像机三组成；所述单线激光雷达L3左高右低倾斜地设置在巡逻车本体顶部靠后的位置，所述单线激光雷达L4水平地设置在巡逻车本体下部的后端，所述CCD摄像机三设置在巡逻车本体的后部，且靠近高度方向的中心位置；

所述第二后方环境探测和保护系统主要由微波雷达M3和微波雷达M4组成；所述微波雷达M3设置在巡逻车本体的前后部，且位于单线激光雷达L3和CCD摄像机三之间；所述微波雷达M4设置在巡逻车本体的下部的前端，且位于单线激光雷达L4的下部；

所述前盲区探测和避障系统和后盲区探测和避障系统分别设置在巡逻车本体的底部前端和底部后端；前盲区探测和避障系统由超声波传感器US1、US2和US3组成，其中超声波传感器US1、US2和US3沿宽度方向均匀地分布，后盲区探测和避障系统由超声波传感器US4、US5和US6组成，其中超声波传感器US4、US5和US6沿宽度方向均匀地分布；

所述单线激光雷达L1～L4、微波雷达M1～M4、CCD摄像机一、CCD摄像机二、CCD摄像机三、无线通信模块、辅控制器一和辅控制器二均与主控制器连接；所述超声波传感器US1～US6均与辅控制器一连接，辅控制器二分别与辅控制器一和电机驱动器连接；电机驱动器分别与四个直流电机连接；电源分别与电机驱动器和电源转换模块连接，电源转换模块用于提供直流电源的供应；无线通信模块用于通过无线方式建立与远端总站之间的通信连接。

在该技术方案中，CCD摄像机一负责巡逻环境的收集，并通过无线通信模块实时发送给总站。通过第一前方或后方环境探测和保护系统的设置能精确、快速地探测到前方或后方距离较远的环境状况，从而能有效探测到无人加强巡逻车与前方或后方移动障碍物的距离；第一前方或后方环境探测和保护系统中设置有位于车顶上的且用于探测前方的倾斜设置的单线激光雷达和设置在车体下部的且水平设置的单线激光雷达，不仅能达到多线激光雷达的探测效果，能有效探测无人驾驶巡逻车运动方向的障碍物或人所在的位置，通知无人驾驶巡逻车控制系统实现紧急避让，而且相比多线激光雷达的硬件成本低，有利于无人驾驶巡逻车实际应用的推广。第一前方或后方环境探测和保护系统中设置有位于单线激光雷达和单线激光雷达之间的CCD摄像机二或三不仅能辅助单线激光雷达和单线激光雷达提高探测和导航精度，也能更有利于视频分析，而且一方面能提前发现运动路面临时遗落的小型障碍物和运动路线中路况的起伏情况，能使实时图像获取性能更好，能对无人驾驶巡逻车进一步优化路径或者调节功率翻越障碍物具有显著的帮助。另一方面能有效探测到两侧空闲区域的存在，以为无人驾驶巡逻车前进转弯和避障提供一定的帮助，还能有效探测到运动方向两侧柱状物体的存在，以为无人驾驶巡逻车前进或后退时定位提供一定的帮助。通过使第二前方或后方环境探测和保护系统的设置能快速、精确地探测到前方或后方距离较近的近距离盲区，尤其在可以有效消除无人驾驶巡逻车在刚启动向前加速或向后倒车时出现的近距离盲区，提高了无人驾驶巡逻车行走时的安全性和可靠性。另外，第二前方或后方环境探测和保护系统采用位于车体上部的微波雷达和位于车体下部的微波雷达组成，由于微波是波长很短的无线电波，其方向性很好，速度等于光速。当微波遇到障碍物立即被反射回来，可根据电磁波往返时间测得障碍物的距离，且微波穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候、全天时可工作的特点，这样一旦遇到恶劣天气，系统会切除激光雷达探测系统，只依靠微波雷达系统工作，满足全天候恶劣环境下无人驾驶巡逻车的正常巡逻工作，进而能有效应对恶劣天气的巡逻作业，但是微波雷达相对于激光雷达测量精度较低，因此，将其作为第一前方或后方环境探测和保护系统的补充，能有效提高近距离盲区的探测效果。另外，系统具有双向导航传感器，当遇到死胡同时，不需要原地旋转180度的方式来实现调头，只需切换前后组导航传感器和电机驱动器的控制逻辑，就可以实现调头，增加了无人驾驶巡逻车通过狭小空间的能力和巡逻作业的灵活性。再者，使主控制器来集中处理巡逻车的CCD摄像机实时采集的图像数据、单线激光雷达信号和微波雷达信号，使辅控制器一接收来自主控制器的处理结果，并处理超声波传感器组的反馈信号和对电机驱动器进行控制，不仅能大大提高图像处理及多传感器数据融合处理的速度，而且能有效降低辅控制器一的负荷，能有效地防止了运动控制主程序的“跑飞”，从而能使无人驾驶巡逻车抗干扰能力大大增强。相对于两驱动轮承载结构，本申请中的四驱动轮结构具有承载能力更强、移动速度快等优点，可有效提高无人驾驶巡逻车的动态特性。另外，该四驱无人驾驶巡逻车结构比较简单，并且可靠性好，成本要比全时四驱低得低，其在实际行走过程中控制器实时采集外界环境，实时调节四轴的驱动功率，经济性实用性更高。相对于两驱动轮承载结构，本申请中的四驱动轮结构具有四个动力点，当其中一个动力轮出现打滑时，控制器会切除和它相对应位置另外一侧的一个动力轮，系统自动进入两轮驱动状态，有效防止了无人驾驶巡逻车的失控。在路况恶劣的情况下，相对于两驱动轮承载结构，四驱动轮结构可以提高无人驾驶巡逻车的通过性。由于具有在线存储和无线传输功能，四轴无人驾驶巡逻车总站可以轻易的调取已经巡逻的信息，可实时根据外围情况调整巡逻任务，提高了无人驾驶巡逻车自动化巡逻的效率。基于FPGA的伺服控制能快速完成直流电机的快速伺服调节，充分发挥了FPGA运算速度较快的特点，大大降低了无人驾驶巡逻车姿态的调整时间，使得无人巡逻车能够快速的行走。通过辅控制器二来控制直流电机，进一步减轻了辅控制器一的负担，能加速辅控制器一处理器控制信号的发出，进而能进一步提高无人驾驶车的行走速度，从而能使该无人加强巡逻车能实现高速行走功能。

进一步，所述CCD摄像机二和微波雷达M1均左低右高倾斜地设置；所述CCD摄像机三和微波雷达M3均左高右低倾斜地设置。

在该技术方案中，通过使CCD摄像机二和三倾斜地设置，并使位于上部的微波雷达M1和M3倾斜地设置，不仅能更有效地发现运动路线中路况的起伏，还能更利于提前发现运动路面临时遗落的小型障碍物。

进一步，所述单线激光雷达L1和L3的倾斜角度均为5度；单线激光雷达L2和L4距离地面的距离均为15cm～30cm。

在该技术方案中，单线激光雷达L1和L3的倾斜角度均为5度，不仅能使单线激光雷达L1和L2、单线激光雷达L3和L4更有效地配合，以有效提高同方向的两个单线雷达的探测效果，而且通过该倾斜角度的设置能有利于提前发现运动路线中路况的起伏和运动路面临时遗落的小型障碍物的情况，以使巡逻车能提前作出应对反应，有利于提高巡逻车巡逻过程中的安全性和可靠性。

进一步，所述主控制器为NUC7处理器；所述辅控制器一的核心采用STM32F767；所述辅控制器二的核心采用FPGA。

在该技术方案中，使主控制器为NUC7处理器，辅控制器一采用STM32F767，辅控制器二采用FPGA，从而使巡逻车的控制由基于车载电脑NUC的上位机系统和基于STM32F767的ARM和FPGA的下位机系统组成的三核控制系统进行，其中基于车载电脑NUC上位机系统主要用于无人驾驶巡逻车系统中工作量最大的多单线激光雷达信号处理、微波雷达信号处理、CCD图像采集和分析和与总站的交互通信、并完成路径和地图的输入、各传感器数据融合处理；由NUC7处理无人驾驶巡逻车的多传感器的数据融合，大大提高了运算速度，进而能充分发挥NUC微型电脑数据处理速度快的特点，解决了单核NUC7处理器运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且使程序的可移植能力更强。基于STM32F767的ARM下位机控制系统主要用于实时接收NUC微型电脑组成的上位机多传感器数字融合信号，并实现部分的数字信号处理、响应各种中断和实现与总站的实时数据通信和存储。完成无人驾驶巡逻车系统数据存储、I/O控制等功能、盲区探测和避障信号处理、图像分析与传输，这样能使工作量最大的直流无刷伺服系统控制交给FPGA处理，从而使整个系统以FPGA为运动控制系统处理核心，能充分发挥FPGA数据处理较快的优点，这样就实现了NUC、FPGA与ARM的合理分工，以能充分利用NUC数据处理速度快的特点，快速处理大量的多传感器融合信号和各种数据的算法处理，有效地把NUC处理器从繁重的工作量中解脱出来，能有效地防止了运动控制主程序的“跑飞”，并能充分考虑了周围的干扰源，极大地增强了无人驾驶巡逻车的抗干扰能力。同时NUC、FPGA与ARM之间能实时进行通讯及数据交换和相互之间所需数据的调用，能有效提高无人驾驶巡逻车的环境探测功能。本发明无人驾驶巡逻车的前部和后部在相同位置均采用相同的激光雷达、微波雷达、CCD摄像机和超声波传感器，能够实现无人驾驶巡逻车在狭小空间导航的精确性和调头的灵活性。

进一步，作为一种优选，单线激光雷达的型号为LMS151-10100。

进一步，为了实现闭环控制，以使辅控制器一能更好的控制驱动轮的运行情况，所述驱动轮上连接有编码器，所述编码器与辅控制器一连接，以用于实时反馈巡逻车本体的位移、速度和加速度。

进一步，为了便于对巡逻车本体进行充电，还包括四个充电模块，四个充电模块分别分布在巡逻车本体的四周，且均与电源连接，所述电源为蓄电池组。

附图说明

图1为现有的无人驾驶巡逻车内部电机排列的结构示意图；

图2为本发明的四轮无人驾驶巡逻车电机排列的结构示意结构图；

图3为本发明无人驾驶巡逻车传感器及摄像机排列的结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为图3的右视图；

图6为本发明中控制系统的原理框图；

图7为本发明中无人驾驶巡逻车运行示意图；

图8为本发明中无人驾驶巡逻车双边导航示意图；

图9为本发明中无人驾驶巡逻车单边导航示意图；

图10为本发明中无人驾驶巡逻车惯性导航示意图；

图11为本发明中无人驾驶巡逻车调头示意图；

图12为本发明中NUC与FPGA相配合进行图像处理的原理框图。

图中：1、巡逻车本体，2、驱动轮，4、直流电机，5、行星减速机，6、齿轮一，7、齿轮二，8、CCD摄像机一，9、单线激光雷达L1，10、单线激光雷达L2，11、CCD摄像机二，12、微波雷达M1，13、微波雷达M2，14、单线激光雷达L3，15、单线激光雷达L4，16、CCD摄像机三，17、微波雷达M3，18、微波雷达M4，19、超声波传感器US1，20、超声波传感器US2，21、超声波传感器US3，22、超声波传感器US4，23、超声波传感器US5，24、超声波传感器US6，25、充电模块，26、前盲区探测和避障系统，27、后盲区探测和避障系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，包括巡逻车本体1和设置在巡逻车本体1上的控制系统；所述巡逻车本体1下部在长度方向的前部和后部各装配有一对驱动轮2，巡逻车本体1内部装配有用于分别驱动四个驱动轮2的四个直流电机4。巡逻车本体1内部装配有用于分别驱动四个驱动轮2的四个直流电机4；所述巡逻车本体1内部还设置有分别位于四个直流电机4电机轴外侧的四个行星减速机5，所述行星减速机5为90度转角行星减速机；；四个直流电机4的长度方向均延巡逻车本体1长度的方向延伸，且四个直流电机4位于四个驱动轮2的内侧；所述直流电机4为稀土永磁无刷直流伺服电机，稀土永磁无刷直流伺服电机的定子与普通直流电机具有相同的定子结构，只是以钕铁硼稀土永磁材料作为磁极取代了直流电机的励磁磁极和励磁绕组，使得直流无刷伺服电机的结构较为简单，且电子换向省去了容易出故障的集电环和电刷，实现了无刷化，提高了电机运行的可靠性。稀土永磁材料的使用使得电机功率密度较高，电机的体积可以做得更小。稀土永磁无刷伺服相对传统伺服电机具有体积小，重量轻，出力大，响应快，惯量小，转动平滑，力矩稳定，免维护，效率高，运行温度低，电磁辐射小，寿命长等优点。这些特性使得稀土永磁无刷直流伺服电机特别适合替代直流电机，而应用于无人驾驶巡逻车这些要求比较特殊的机器人控制系统中。直流电机4的电机轴与行星减速机5的输入端连接，行星减速机5的输出轴通过齿轮组驱动驱动轮2；行星减速机5为90度行星减速机，即行星减速机5的输入轴与输出轴相垂直；所述齿轮组由在纵向上分布且相互啮合的齿轮一6和齿轮二7组成；所述齿轮一6套装于行星减速机5的输出轴上，所述齿轮二7套装于驱动轮2中心的转轴上；直流电机4通过其电机轴与90度行星减速机5直接机械连接，然后行星减速机的5输出轴通过齿轮一6与齿轮二7与驱动轮机械连接，采用直流电机4配合行星减速机5的这种结合能实现无人驾驶巡逻车行走速度和需求力矩之间的匹配，能有效增加无人驾驶巡逻车行走时的力矩，同时，也能减少无人驾驶巡逻车的宽度。作为一种优选，齿轮一6和齿轮二7可以采用1:1的齿数比。由于错开了直流无刷伺服电机的轴向位置，使得无人驾驶巡逻车的宽度大幅度降低，有利于无人驾驶巡逻车通过一些狭窄的区域。行星减速机5是一种用在原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，主要作用就是用来降低负载/电机的转动惯量比和降低转速增大扭矩，并且在保证精密传动的前提之下。精密行星齿轮减速机具有结构尺寸小、体积轻巧、传动比范围、减速范围广、噪音低、传动效率高、输出扭矩高等优点，由于以上优点行星齿轮减速机被广泛应用于带有直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机等电子产品中，可用于起重运输、工程机械、冶金、矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、船舶、汽车等领域。

如图6所示，所述控制系统包括电源、电源转换模块、电机驱动器、无线通信模块、主控制器、辅控制器一、辅控制器二、第一前方环境探测和保护系统、第二前方环境探测和保护系统、第一后方环境探测和保护系统、第二后方环境探测和保护系统、前盲区探测和避障系统26和后盲区探测和避障系统27和设置在巡逻车本体1顶部中心位置的360度CCD摄像机一8；

为了能够实现无人驾驶巡逻车在狭小空间导航和调头，本发明无人驾驶巡逻车本体的前部和后部在相同位置均采用相同的激光雷达、微波雷达、CCD摄像机和超声波传感器。所述第一前方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L19、单线激光雷达L210和CCD摄像机二11组成；所述单线激光雷达L19左低右高倾斜地设置在巡逻车本体1顶部靠前的位置，所述单线激光雷达L210水平地设置在巡逻车本体1下部的前端，所述CCD摄像机二11设置在巡逻车本体1的前部，且靠近高度方向的中心位置；所述第一后方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L314、单线激光雷达L415和CCD摄像机三16组成；所述单线激光雷达L314左高右低倾斜地设置在巡逻车本体1顶部靠后的位置，所述单线激光雷达L415水平地设置在巡逻车本体1下部的后端，所述CCD摄像机三16设置在巡逻车本体1的后部，且靠近高度方向的中心位置；由于设置了第一后方环境探测和保护系统，当无人驾驶巡逻车一旦运动起来，反向的单线激光雷达可有效探测到无人驾驶巡逻车与后方移动障碍物的距离，当遇到紧急情况时，无人驾驶巡逻车可以加速逃离危险区域，起到保护无人驾驶巡逻车本体的作用。

所述第二前方环境探测和保护系统主要由微波雷达M112和微波雷达M213组成；所述微波雷达M112设置在巡逻车本体1的前部，且位于单线激光雷达L19和CCD摄像机二11之间；所述微波雷达M213设置在巡逻车本体1的下部的前端，且位于单线激光雷达L210的下部；所述第二后方环境探测和保护系统主要由微波雷达M317和微波雷达M418组成；所述微波雷达M317设置在巡逻车本体1的前后部，且位于单线激光雷达L314和CCD摄像机三16之间；所述微波雷达M418设置在巡逻车本体1的下部的前端，且位于单线激光雷达L415的下部；由于微波雷达对雨雾、烟雾天气不敏感，对有灰尘、有强光的环境不敏感，所以在有雨有雾的天气，该巡逻车控制系统可以直接切除激光雷达而使用微波雷达导航，提高了无人驾驶巡逻车的安全性。

另外，对于本结构的无人驾驶巡逻车来说，为了满足大范围多站点运行，可以加入了具有一定冗余度的站点传感器(可以为与辅控制器一连接的GPS定位模块)，不仅利于无人驾驶巡逻车的定位，而且也有利于总站对无人驾驶巡逻车的追踪。

作为优选，单线激光雷达的型号均为LMS151-10100。

作为一种优选，第一前方环境探测和保护系统与第一后方环境探测和保护系统对称地设置，第二前方环境探测和保护系统和第二后方环境探测和保护系统对称地设置。为了能够精度导航和视频分析，本发明的CCD摄像机采用两组，其中，CD摄像机二11和CCD摄像机三16作为一组负责视觉导航用，CCD摄像机一8作为另一组负责巡逻环境收集，其可以经ARM处理器解码后再通过无线实时传输流动的环境信息给总站，总站可以及时发现可疑信息。

作为一种优选，所述CCD摄像机二11和微波雷达M112均左低右高倾斜地设置；所述CCD摄像机三16和微波雷达M317均左高右低倾斜地设置。

作为一种优选，所述单线激光雷达L1和L3的倾斜角度均为5度；单线激光雷达L2和L4距离地面的距离均为15cm～30cm。与地面具有一定的角度的无人驾驶巡逻车顶层单线激光雷达、微波雷达与CCD摄像机采集相结合可很好提前发现运动路线中路况的起伏，对无人驾驶巡逻车优化路径具有一定的帮助。与地面具有一定的角度的无人驾驶巡逻车顶层单线激光雷达数据、微波雷达与CCD摄像机采集数据结合也可很好提前发现运动路面临时遗落的小型障碍物，对无人驾驶巡逻车进一步优化路径或者调节功率翻越障碍物具有一定的帮助。

由于传感器组合的原因，无人驾驶巡逻车在启动向前行驶时一般在前方运动区域存在一个盲区，为了防止启动时发生碰撞，所述前盲区探测和避障系统26和后盲区探测和避障系统27分别设置在巡逻车本体1的底部前端和底部后端；前盲区探测和避障系统26由超声波传感器US1、US2和US3组成，其中超声波传感器US1、US2和US3沿宽度方向均匀地分布，后盲区探测和避障系统27由超声波传感器US4、US5和US6组成，其中超声波传感器US4、US5和US6沿宽度方向均匀地分布；由于在无人驾驶巡逻车的底部加入一组由超声波传感器US1、US2、US3组成的前盲区探测和避障系统。在无人驾驶巡逻车行驶过程中，CCD摄像机会实时采集环境信息并发送给车载NUC7处理器、FPGA和总站，当总站发现疑似信息时，会遥控无人驾驶巡逻车启动向后倒车二次确定可疑信息，此时一般在后方运动区域存在一个盲区，为了防止发生碰撞，本发明在无人驾驶巡逻车的底部加入一组由超声波传感器US4、US5、US6组成的后盲区探测和避障系统。在无人驾驶巡逻车启动向后倒车瞬间，后方单线激光雷达和超声波传感器组会工作，防止倒车时发生碰撞。

由多超声波传感器组成的盲区检测系统可有效消除无人驾驶巡逻车刚启动向前加速或向后倒车时出现的近距离盲区，提高了无人驾驶巡逻车行走时的安全性和可靠性。同时，由于配备了双向导航传感器组，当遇到死胡同时，不需要原地旋转180度的方式来实现调头，只需切换前后组导航传感器和左右伺服电机的伺服控制逻辑，就可以实现调头，增加了无人驾驶巡逻车通过狭小空间的能力。

所述单线激光雷达L1～L4、微波雷达M1～M4、CCD摄像机一8、CCD摄像机二11、CCD摄像机三16、无线通信模块、辅控制器一和辅控制器二均与主控制器连接；所述超声波传感器US1～US6均与辅控制器一连接，辅控制器二分别与辅控制器一和电机驱动器连接；电机驱动器分别与四个直流电机4连接；电源分别与电机驱动器和电源转换模块连接，电源转换模块用于提供直流电源的供应；无线通信模块用于通过无线方式建立与远端总站之间的通信连接。

为了提高无人驾驶巡逻车的环境探测功能，所述主控制器优选为NUC7处理器；所述辅控制器一的核心采用STM32F767；所述辅控制器二的核心采用FPGA。STM32F756处理器是STM公司所生产的全新ARM系列产品，是全球第一个量产且拥有32位元ARM Cortex-M7处理器的微控制器，产品都配备拥有浮点运算单位及DSP扩充功能的Cortex-M7核心，运算速度最高216MHz；具有面向内核、外设和存储器互连的AXI和多AHB总线矩阵，采用6级超标量流水线和浮点单元；两个通用DMA控制器和一个专用于图形加速器的DMA；相比之前的STM32系列，拥有更丰富的外设；同时STM32F7具有优良的指令与管脚兼容性：Cortex-M7向下兼容Cortex-M4指令集，STM32F7系列与STM32F4系列引脚兼容；STM32F7MCU系列产品将ARMCortex-M7效能超越早期核心(譬如Cortex-M4)的优势运用到极致，效能达到将近DSP两倍，上述特点使得STM32F7非常适合替代部分低级ARM系列芯片或DSP芯片做数据处理。

FPGA本身只是标准的单元阵列，用户可以根据自己的设计需要，通过特定的布局布线工具对其内部进行重新组合连接，设计出客户需要的专用集成电路，同时FPGA通过软件设计实现硬件电路功能，FPGA设计的系统具有良好的可复用和修改性。为了提高系统的运算速度，提高无人驾驶巡逻车的巡逻速度和稳定性，本发明采用FPGA来完成两项重要功能：一是通过FPGA来实现四轴直流无刷伺服电机的伺服控制算法，二是通过FPGA实现部分图像处理初级阶段的功能：图像低级处理阶段的数据量大，算法简单，存在着较大的并行性；利用软件处理是一个很耗时的过程，但是利用硬件处理，就可以对大量数据进行并行处理，能够极大的提高处理速度，为了增加上位机的处理能力，引入了英特尔最新第七代处理器NUC7，FPGA与NUC7图像处理连接原理如图12。

国产现有的无人驾驶巡逻车多采用的传统两轮机械结构和多线激光雷达工作模式，因此现有无人驾驶巡逻车具有稳定性差、快速性差和性价比较差的缺点，为了保证无人驾驶巡逻车控制系统的稳定性和可靠性，同时为了提高性价比和控制运算处理速度，本申请提出了基于行星减速机的新型四轮机械机构，并在基于STM32F767控制器中引入英特尔最新技术的第七代NUC微型电脑和FPGA，形成了基于英特尔第七代微型电脑NUC7+FPGA+ARM(最新嵌入式STM32F767)的全新三核控制模式。为了提高无人驾驶巡逻车的环境探测功能，采用基于英特尔第七代NUC微型电脑的多单线激光雷达、微波雷达、CCD摄像机和超声波传感器融合技术来实现巡逻车周围环境的探测，并引入基于高清CCD摄像机的图像采集和ARM的图像数据分析系统，并通过无线实时把采集信息回传给总站。整个系统以FPGA为四轴伺服控制系统处理核心，实时接收NUC 7微型电脑发出的数字融合信号，并实现部分的数字信号处理、响应各种中断和实现与总站的实时数据通信和存储。该控制系统把多单线激光雷达探测、微波雷达探测、CCD图像采集和分析系统集中设计，可以在该控制系统中设置与电源连接的电池管理模块，并由辅控制器一来控制连接电池管理模块，电池管理模块包括用于测量电池组总电压的电压传感器一、测量单体电压的电压传感器二、测量电流的大小的电流传感器、测量各电池温度的温度传感一、和用于测量电池内电阻的电阻传感器，以合理监测电池总电压、单体电压、电池的内阻、温度等参数情况，进而在车载电池快速放电过程中，能实时对端电压进行检测，保证电池端电压更接近于实际参数，有利于电池的低压保护。这样，能使该控制系统充分地考虑电池在这个系统的作用，基于ARM+FPGA+NUC三核控制器能时刻对无人驾驶巡逻车的运行状态进行监测和运算，提高了电池的能量的利用率，有利于无人驾驶巡逻车的续航，实现了无人驾驶巡逻车稳定、可靠、持续地在各个区域的巡逻作业。

该控制系统把无人驾驶巡逻车系统中工作量最大的多单线激光雷达信号处理、微波雷达信号处理和CCD图像采集和分析交给NUC微型电脑和FPGA处理，由NUC7和FPGA处理无人驾驶巡逻车的CCD摄像机的图像数据和多传感器的数据融合信号，由FPGA处理无人驾驶巡逻车伺服系统的四轴直流无刷伺服电机的独立伺服控制，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，充分发挥了NUC微型电脑和FPGA数据处理速度较快的特点，同时，也充分发挥FPGA运算速度较快的特点以及程序移植功能，解决了单核NUC7图像处理运行速度相对较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且使程序可移植能力有效增强。而盲区探测和避障、图像分析与传输、数据存储、I/O控制等功能交给STM32F767完成，这样就实现了ARM、FPGA与NUC微型电脑的合理分工，提高了控制系统运算和处理速度的同时，也进一步提高了控制系统的稳定性和可靠性，同时也能使主控制器、辅控制器一和辅控制器二三者之间能实时进行通讯进行数据交换和调用。同时，单线激光雷达、微波雷达配合CCD图像采集系统，不仅可以有效探测无人驾驶巡逻车运动方向的障碍物或人所在的位置，通知无人驾驶巡逻车控制系统实现紧急避让，而且相比多线激光雷达硬件成本较低，有利于无人驾驶巡逻车实际应用的推广。由于本控制系统采用NUC和FPGA处理大量单线激光雷达传感器和微波雷达传感器的数据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，把NUC从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了运动控制主程序的“跑飞”，无人驾驶巡逻车抗干扰能力大大增强。同时，可有效探测到运动方向两侧柱状物体的存在，可为无人驾驶巡逻车前进时定位提供一定的帮助。也可有效探测到两侧空闲区域的存在，可为无人驾驶巡逻车前进转弯和避障提供一定的帮助。由FPGA输出四轴无人驾驶巡逻车直流无刷伺服电机PWM调制信号和方向信号，通过驱动电路可以直接驱动直流电机，不仅减轻了ARM的负担，简化了接口电路，而且省去了ARM内部编写位置、速度控制程序，以及各种PID算法的麻烦，使得系统的调试简单。在无人驾驶巡逻车运行过程中，FPGA会对四个直流无刷伺服电机的转矩进行在线辨识并利用电机力矩与电流的关系进行补偿，减少了直流无刷伺服电机转矩抖动对四轴高速无人驾驶巡逻车伺服系统的影响。在无人驾驶巡逻车控制中，FPGA根据传感器L1～L4、M1～M4和CCD图像采集系统的反馈信号确定无人驾驶巡逻车偏离最优路径中心位置的偏移量，然后根据不同的偏移量实时调整FPGA内部的PID参数，轻松实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统具有一定的自适应。FPGA时刻与NUC和ARM通讯，实时接收它们的中断命令，当遇到紧急情况时，NUC和ARM会第一时间封锁FPGA的PWM输出，防止四轴无人驾驶巡逻车由于故障而出现伤害。

进一步，还可以在所述驱动轮2上连接有编码器，所述编码器与辅控制器一连接，以用于实时反馈巡逻车本体1的位移、速度和加速度。

为了便于实现充电过程，还包括四个充电模块，四个充电模块分别分布在巡逻车本体1的四周，且均与电源连接，所述电源为蓄电池组。作为优选，所述充电模块最好为无线充电模块，这样，当巡逻车到达指定区域后，可自动地进行充电作业。

为了使该巡逻车具有报警功能，还可以增加与辅控制器一或主控制器连接的声光报警系统。为了能及时了解外界天气情况，还可以在巡逻车本体上增加与辅控制器一或主控制器连接的感光传感器来。

为了进一步提升该无从驾驶巡逻车的控制精度，以便于感知旋转角度和维持方向，同时，也为了能提高导航和定位效果，还设置有与辅控制器一连接的陀螺仪。

工作原理：本发明把无人驾驶巡逻车系统分为两部分：基于行星减速机的新型机械系统和基于NUC7+FPGA+ARM的三核控制系统，三核控制系统由基于车载电脑NUC的上位机系统和基于STM32F767的ARM和FPGA下位机系统组成。其中基于车载电脑NUC上位机系统完成路径和地图输入、多单线激光雷达、微波雷达传感器的数据融合和CCD图形采集和处理等功能；基于STM32F767的ARM下位机控制系统完成无人驾驶巡逻车系统的数据存储、图像采集和传输、I/O控制等功能，充分发挥STM32F767数据处理较快的优点，其中工作量最大的直流无刷伺服系统控制交给FPGA处理，以使无人驾驶巡逻车的速度控制更快，这样就实现了NUC、FPGA与ARM的合理分工，同时三者之间又可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。

对于本发明设计的基于ARM(STM32F767)+FPGA+NUC7的无人驾驶巡逻车三核控制器，在电源打开状态下，ARM处理器和NUC控制器首先完成初始化，然后车载电脑NUC7通过无人驾驶巡逻车控制总站调取巡逻车行驶路径和地图信息，随后盲区传感器开始工作，并与ARM处理器通讯，ARM处理器确定无障碍物进入工作区域后开启无人驾驶巡逻车四轴驱动巡逻模式，同时与NUC控制器和FPGA相互通讯，NUC和FPGA实时接收激光雷达、微波雷达和CCD摄像机反馈信号并解码，然后与ARM处理器通讯并传输控制信，ARM处理器通过解码输入控制信号给FPGA，FPGA控制四个直流无刷伺服电机，直流无刷伺服电机经行星减速机变换速度和扭矩后驱动无人驾驶巡逻车快速行驶，并通过运动轮上的编码器实时反馈位移、速度和加速度等信号给FPGA。在无人驾驶巡逻车运动过程中，基于CCD摄像机的巡逻图像采集系统实时传输现场巡逻信息给总站。在一旦遇到恶劣天气，系统会切除激光雷达探测系统，只依靠微波雷达系统工作，满足全天候恶劣环境下无人驾驶巡逻车的正常巡逻工作。无人驾驶巡逻车一旦开启巡逻模式，360度CCD摄像机一8将通过ARM处理器实时回传巡逻环境。

结合图7至图11介绍本发明中无人驾驶巡逻车的具体的功能实现如下：

1)无人驾驶巡逻车在巡逻任务之前，总站一般会通过遥控方式让其首先认知巡逻区域的基本环境，在无人驾驶巡逻车行走过程中，其通过车载激光雷达L1～L4、微波雷达M1～M4和CCD摄像机二和CCD摄像机三进行环境探测，NUC7和FPGA将对采集图像进行分析并建图，同时通过无线局域网实时把环境地图传输给总站，由总站处理后存储并形成整个巡逻区域地图，如果区域较大，总站会对巡逻区域的地图进行分割，分成若干个地图模块，利于无人驾驶巡逻车后期的调用，一旦完成区域地图的建立，无人驾驶巡逻车便返回总站进入待命巡逻状态。

2)在无人驾驶巡逻车未接到巡逻命令之前，它一般会在等待区域等待控制总站发出的出发命令，如果电压较低的话，无人驾驶巡逻车会自动进行充电。无人驾驶巡逻车在等待期间一旦接到出发任务后，无人驾驶巡逻车将对外界环境状况进行探测，如果环境比较恶劣，用于导航的激光雷达L1～L4、CCD摄像机二和CCD摄像机三将不参与导航，系统将只开启微波雷达、超声波传感器进行导航。车载电脑NUC7通过总站调取无人驾驶巡逻车巡逻点信息，然后结合总站地图信息形成新周期巡逻的行驶路径和导航地图信息，随后基于STM32F767的ARM处理器开启前后盲区传感器对盲区进行扫描，如果有障碍物进入运动盲区，ARM处理器会发出警报并禁止FPGA工作，FPGA封锁四轴直流无刷伺服电机的PWM输出信号，四轴无人驾驶巡逻车将原地锁死等待障碍物清除；如果无障碍物进入运动盲区或障碍物被清除，ARM控制器将重新使能FPGA工作，FPGA根据ARM输入的控制偏差信号输出四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和力矩后驱动无人驾驶巡逻车开始自动巡逻。

3)无人驾驶巡逻车开始启动后，ARM处理器根据外界天气情况开启各单线激光雷达传感器L1～L4、微波雷达M1～M4和CCD摄像机二和CCD摄像机三进行实时环境扫描，然后由NUC和FPGA生成的实时地图与原有地图进行对比确定无人驾驶巡逻车所处的位置以及姿态，NUC传输偏差信号给ARM控制器，ARM控制器解码后输入偏差信号给FPGA，FPGA实时调整四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，进而完成无人驾驶巡逻车的初始化姿态调整，无人驾驶巡逻车进入自动巡逻模式。

4)在无人驾驶巡逻车进入轨道自动巡逻时，其导航的传感器L1～L4、微波雷达M1～M4和CCD摄像机二和CCD摄像机三工作，并把回馈信号输送给NUC和ARM处理器，先有NUC和FPGA进行数据融合处理和STM32F767响应各种中断保护以及图像分析，然后NUC与ARM通讯，ARM处理器根据NUC反馈的无人驾驶巡逻车所处的环境，根据图8、图9和图10确定无人巡逻车在当前模式下是双边导航、左单边导航、右单边导航还是基于陀螺仪的惯性导航，然后ARM控制器输入控制偏差信号给FPGA，FPGA根据偏差信号经内部伺服程序生成四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车的速度和运动方向改变，使得无人驾驶巡逻车可以轻松的完成自动巡逻。

5)无人驾驶巡逻车进入运动路线后，前方斜向下的单线激光传感器L1和微波雷达M1、与地面平行的前方探测单线激光雷达组L2和微波雷达M2和CCD摄像机二(或激光传感器L3和微波雷达M3、与地面平行的前方探测单线激光雷达组L4和微波雷达M4和CCD摄像机三)会时刻检测前方的环境并输入给NUC和FPGA，NUC和FPGA会实时处理前方环境数据并通过NUC7形成新的环境地图，NUC7与总站传输的地图相对比，确定固定障碍物和移动的人和物体位置信息等等。

如果单线激光传感器L1、微波雷达M1配合CCD摄像机二(或单线激光传感器L3、微波雷达M3配合CCD摄像机三)探测到前方运动路径中存在一定高度的起伏小坑或小型障碍物，如果高度和宽度超过了无人驾驶巡逻车翻越的要求，NUC将向辅控制器一(STM32F767)发出中断请求同时把起伏小坑数据传进行处理，STM32F767会对中断优先处理并进入前方躲避保护子程序：如果无人驾驶巡逻车左侧有足够的行走空间，ARM将于FPGA通讯并输入最大偏差位置信号，FPGA将根据ARM输入控制信号调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车的速度和运动方向改变，无人驾驶巡逻车根据自己所处的位置不同来确定导航方式并向左侧自动移动，当完成躲避动作后，FPGA控制器根据无人驾驶巡逻车导航方式将重新调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车自动向右侧偏移并重新驶入NUC7已经优化的路径；如果NUC反馈的新地图中无人驾驶巡逻车右侧有足够的行走空间，ARM将于FPGA通讯并输入最大偏差位置信号，FPGA将根据ARM输入控制信号和无人驾驶巡逻车的导航方式调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车自动向右侧移动，当完成躲避动作后，FPGA控制器根据无人驾驶巡逻车导航方式将重新调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车自动向左侧偏移并重新驶入NUC7已经优化的路径；如果NUC7反馈的起伏小坑的高度和宽度或小型障碍物数据信息在四轴无人驾驶巡逻车越野的容忍范围，并且地图显示无人驾驶巡逻车左右位置均未有足够的移动空间时，FPGA控制器将四轴直流无刷伺服电机的功率，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后驱动无人驾驶巡逻车自动按照设定的正常优化路径进行行驶并翻越障碍物和小坑。

如果单线激光传感器L1和L2、微波雷达M1和M2和CCD摄像机二(或单线激光传感器L3、L4、微波雷达M3、M4配合CCD摄像机三)探测到在优化路径左前方临时存在大型障碍物，NUC将向ARM(STM32F767)发出中断请求并同时处理障碍物数据，ARM会对中断优先处理并进入左前避障保护子程序：NUC与ARM通讯并传输障碍物数据信息，如果障碍物与无人驾驶巡逻车正前方投影之间有足够的空间可以让无人驾驶巡逻车穿越，FPGA控制器将维持当前直流无刷伺服电机的伺服控制，无人驾驶巡逻车继续保持当前行驶状态；如果障碍物与无人驾驶巡逻车正前方投影之间有重叠，经ARM控制器分析处理后输入最大偏差位置信号给FPGA，FPGA将根据ARM输入控制信号和无人驾驶巡逻车所处的导航方式，自动调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车向右侧自动偏移，当完成躲避动作后，FPGA控制器根据无人驾驶巡逻车导航方式将重新调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车自动向左侧偏移并重新驶入NUC7已经优化的路径。

如果单线激光传感器L1和L2、微波雷达M1和M2和CCD摄像机二(或单线激光传感器L3和L4、微波雷达M3和M4配合CCD摄像机三)探测到在优化路径右前方临时存在大型障碍物，NUC将向ARM(STM32F767)发出中断请求并同时处理障碍物数据，ARM(STM32F767)会对中断优先处理并进入右前避障保护子程序：NUC与ARM通讯并传输障碍物数据信息，经ARM控制器分析处理后输入最大偏差位置信号给FPGA，FPGA将根据ARM输入控制信号和无人驾驶巡逻车所处的导航方式，自动调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车向左侧自动偏移，当完成躲避动作后，FPGA控制器根据无人驾驶巡逻车导航方式将重新调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车自动向右侧偏移并重新驶入NUC7已经优化的路径。

当无人驾驶巡逻车向前巡逻过程中，遇到图11所示的死胡同时，ARM控制器将于FPGA通讯，FPGA将调节四轴直流无刷伺服电机的控制使无人驾驶巡逻车在安全范围内顺利停车，然后ARM控制器将自动切换前后导航传感器组，后方斜向下的激光传感器L3和微波雷达M3、与地面平行的后方探测单线激光雷达组L4和微波雷达M4、CCD摄像机三将工作，NUC和FPGA将实时检测运动方向的环境并形成新的环境地图，与总站传输的地图相对比，确定固定无人巡逻车所处的位置信息等等，无人巡逻车进入反组传感器导航状态，同时FPGA控制器会切换四轴直流无刷伺服电机的控制逻辑。在无人巡逻车依靠反组传感器组导航行驶过程中，CCD摄像机一时刻检测周围环境，并通过无线实时传输给总站进行分析，直至遇到下一个死胡同，ARM处理器再切换成正组传感器导航状态。

6)无人驾驶巡逻车进入运动路线向前行驶时，与地面平行的探测单线激光雷达L4和盲区传感器组US4～US6(或单线激光雷达L2和盲区传感器组US1～US3)时刻检测运动反方向的环境并传输给NUC和ARM进行数据融合，如果传感器融合系统判断无人驾驶巡逻车后方存在障碍物向无人驾驶巡逻车靠近时，NUC将向ARM发出中断请求同时把障碍物数据传输给ARM，ARM处理器会对中断优先处理，然后进入后方避障保护子程序并发出警报，ARM控制器分析处理后输入最小偏差位置信号给FPGA，FPGA将根据ARM输入控制信号加大四轴直流无刷伺服电机的PWM波占空比，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后实现无人驾驶巡逻车加速逃离危险区域；如果无人驾驶巡逻车后方不存在障碍物进入保护范围，无人驾驶巡逻车将按照设定的正常速度进行行驶。

7)无人驾驶巡逻车进入运动路线后，与地面平行的盲区传感器组US1～US3(或盲区传感器组US4～US6)时刻检测运动方向盲区的环境，如果盲区传感器组US1～US3(或盲区传感器组US4～US6)判断临时有障碍物进入无人驾驶巡逻车运动盲区时，将向ARM发出紧急中断请求同时把障碍物数据传输给ARM进行处理，ARM会对中断优先处理，然后进入盲区避障保护子程序并发出警报，ARM将禁止FPGA工作，FPGA将封锁四轴直流无刷伺服电机的PWM波控制信号，并紧急制动使无人驾驶巡逻车急速停车，防止无人驾驶巡逻车伤及小型动物生命，待危险解除后，ARM重新使能FPGA，FPGA将重新调节四轴直流无刷伺服电机的PWM波占空比，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后驱动无人驾驶巡逻车按照设定的正常速度进行行驶。

8)无人驾驶巡逻车进入运动路线后，与四轴驱动轮相连接的编码器时刻检测驱动轮的速度并输送给ARM和FPGA控制器，当FPGA检测到任何一个驱动轮出现失速时，FPGA会优先处理这一突发状况。

当编码器反馈与前部的一对直流无刷电机连接的90度行星减速机失速时，FPGA控制器立刻封锁前部的一对直流无刷电机的PWM控制信号，并立即调整后部的一对直流无刷电机的同步PWM控制信号以满足工况对功率的要求，无人驾驶巡逻车进入两轴后驱应急模式，待紧急状况解除后，FPGA控制器立刻再次使能后部的一对直流无刷电机的控制信号，重新调整四轴直流无刷伺服电机的控制信号，系统重新进入四驱状态。

当编码器反馈与后部的一对直流无刷电机连接的90度行星减速机失速时，FPGA控制器立刻封锁后部的一对直流无刷电机的PWM控制信号，并立即调整前部的一对直流无刷电机的两轴同步PWM控制信号以满足工况对功率的要求，无人驾驶巡逻车进入两轴前驱应急模式，待紧急状况解除后，FPGA控制器立刻再次使能后部的一对直流无刷电机控制信号，重新调整四轴直流无刷伺服电机的控制信号，系统重新进入四驱状态。

9)由于无人驾驶巡逻车在多数情况下，不是一站式服务模式，到达的巡逻地点较多，由的为重点巡逻区域，为了防止无人驾驶巡逻车漏读重点巡逻区域，本发明舍弃了一般站点读取方法，本发明还可以加入具有一定冗余度的站点传感器S1和S2，当无人驾驶巡逻车将要到达重点巡逻站点时，ARM处理器首先开启传感器S1和S2，同时FPGA将减弱四轴直流无刷伺服电机的PWM波占空比，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后驱动无人驾驶巡逻车低速行驶，并对巡逻区域的站点标识进行读取，当其中任何一个传感器被触发时则代表无人驾驶巡逻车已到达设定重点巡逻站点。

10)当无人驾驶巡逻车进入重点巡逻点时，CCD摄像机一将对重点巡逻区域进行图像采集并实时反馈给ARM处理器，ARM处理器经内部图像分析系统编码后通过无线传输给总站，总站首先解码图像信息并存储重点信息，如果总站发现可疑的解码信息，将向ARM、FPGA和NUC控制器发出停车中断请求，ARM将禁止FPGA工作，FPGA将封锁四轴直流无刷伺服电机的控制信号，四轴直流无刷伺服电机使90度精密行星减速机紧急制动，无人驾驶巡逻车急速停车，然后CCD摄像机一进行二次图像采集，ARM将对可疑点采集信息进行再次分析，当无人驾驶巡逻车确认无误后，FPGA将重新调整四轴直流无刷伺服电机的PWM波占空比，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后驱动无人驾驶巡逻车继续按照既定速度行驶，CCD摄像机一实时传输当前路径中的现场图像给总站。

11)为了能够满足无人驾驶巡逻车在危险环境等特殊情况下的实际功能需要，本发明还可以加入紧急停靠选择功能：在无人驾驶巡逻车运行初期总站可以自由设置无人驾驶巡逻车需要去的巡逻站点，然后无人驾驶巡逻车依靠自身的导航传感器可以独立完成这个设定，如果在巡逻过程中遇到紧急情况总站需要更改运行路径或紧急巡逻站点时，主站通过无线装置与无人驾驶巡逻车NUC进行通讯，然后通过NUC更改行走路径和巡逻点信息，NUC与ARM控制通讯后实时更新无人驾驶巡逻车路径和巡逻停靠站点信息，FPGA根据ARM控制器输入的新工作要求调整四轴直流无刷伺服电机的PWM波占空比，四轴直流无刷伺服电机经90度精密行星减速机变换速度和扭矩后驱动无人驾驶巡逻车按照新的要求来实现巡逻任务。

12)当无人驾驶巡逻车按固定路径巡逻时，系统上的多种声光报警系统将工作，提醒周围行人无人驾驶巡逻车的存在，当无人驾驶巡逻车与主站失去通讯时，ARM控制器会发出自动停车信号给FPGA，FPGA直接原地锁死无人驾驶巡逻车的四轴直流无刷伺服电机的控制信号，四轴直流无刷伺服电机使90度精密行星减速机紧急停车，无人驾驶巡逻车不会发生碰撞或因为不受控制而伤害到人，此时主站由于无法收集到无人驾驶巡逻车的传输信息，将根据上一个巡逻停靠站点信息对无人驾驶巡逻车进行快速追踪，并解决故障问题。

Claims (7)

1.一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，包括巡逻车本体(1)和设置在巡逻车本体(1)上的控制系统；

所述巡逻车本体(1)下部在长度方向的前部和后部各装配有一对驱动轮(2)，巡逻车本体(1)内部装配有用于分别驱动四个驱动轮(2)的四个直流电机(4)；

所述控制系统包括电源、电源转换模块、电机驱动器、无线通信模块、主控制器、辅控制器一和辅控制器二；

其特征在于，所述巡逻车本体(1)内部还设置有分别位于四个直流电机(4)电机轴外侧的四个行星减速机(5)；所述行星减速机(5)为90度转角行星减速机；

四个直流电机(4)的长度方向均延巡逻车本体(1)长度的方向延伸，且四个直流电机(4)位于四个驱动轮(2)的内侧；所述直流电机(4)为稀土永磁无刷直流伺服电机，直流电机(4)的电机轴与行星减速机(5)的输入端连接，行星减速机(5)的输出轴通过齿轮组驱动驱动轮(2)；所述齿轮组由在纵向上分布且相互啮合的齿轮一(6)和齿轮二(7)组成；所述齿轮一(6)套装于行星减速机(5)的输出轴上，所述齿轮二(7)套装于驱动轮(2)中心的转轴上；

所述控制系统还包括第一前方环境探测和保护系统、第二前方环境探测和保护系统、第一后方环境探测和保护系统、第二后方环境探测和保护系统、前盲区探测和避障系统(26)、后盲区探测和避障系统(27)和设置在巡逻车本体(1)顶部中心位置的360度CCD摄像机一(8)；

所述第一前方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L1(9)、单线激光雷达L2(10)和CCD摄像机二(11)组成；所述单线激光雷达L1(9)左低右高倾斜地设置在巡逻车本体(1)顶部靠前的位置，所述单线激光雷达L2(10)水平地设置在巡逻车本体(1)下部的前端，所述CCD摄像机二(11)设置在巡逻车本体(1)的前部，且靠近高度方向的中心位置；

所述第二前方环境探测和保护系统主要由微波雷达M1(12)和微波雷达M2(13)组成；所述微波雷达M1(12)设置在巡逻车本体(1)的前部，且位于单线激光雷达L1(9)和CCD摄像机二(11)之间；所述微波雷达M2(13)设置在巡逻车本体(1)的下部的前端，且位于单线激光雷达L2(10)的下部；

所述第一后方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L3(14)、单线激光雷达L4(15)和CCD摄像机三(16)组成；所述单线激光雷达L3(14)左高右低倾斜地设置在巡逻车本体(1)顶部靠后的位置，所述单线激光雷达L4(15)水平地设置在巡逻车本体(1)下部的后端，所述CCD摄像机三(16)设置在巡逻车本体(1)的后部，且靠近高度方向的中心位置；

所述第二后方环境探测和保护系统主要由微波雷达M3(17)和微波雷达M4(18)组成；所述微波雷达M3(17)设置在巡逻车本体(1)的前后部，且位于单线激光雷达L3(14)和CCD摄像机三(16)之间；所述微波雷达M4(18)设置在巡逻车本体(1)的下部的前端，且位于单线激光雷达L4(15)的下部；

所述前盲区探测和避障系统(26)和后盲区探测和避障系统(27)分别设置在巡逻车本体(1)的底部前端和底部后端；前盲区探测和避障系统(26)由超声波传感器US1、US2和US3组成，其中超声波传感器US1、US2和US3沿宽度方向均匀地分布，后盲区探测和避障系统(27)由超声波传感器US4、US5和US6组成，其中超声波传感器US4、US5和US6沿宽度方向均匀地分布；

所述单线激光雷达L1～L4、微波雷达M1～M4、CCD摄像机一(8)、CCD摄像机二(11)、CCD摄像机三(16)、无线通信模块、辅控制器一和辅控制器二均与主控制器连接；所述超声波传感器US1～US6均与辅控制器一连接，辅控制器二分别与辅控制器一和电机驱动器连接；电机驱动器分别与四个直流电机(4)连接；电源分别与电机驱动器和电源转换模块连接，电源转换模块用于提供直流电源的供应；无线通信模块用于通过无线方式建立与远端总站之间的通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，所述CCD摄像机二(11)和微波雷达M1(12)均左低右高倾斜地设置；所述CCD摄像机三(16)和微波雷达M3(17)均左高右低倾斜地设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，所述单线激光雷达L1和L3的倾斜角度均为5度；单线激光雷达L2和L4距离地面的距离均为15cm～30cm。

4.根据权利要求3所述的一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，所述主控制器为NUC7处理器；所述辅控制器一的核心采用STM32F767；所述辅控制器二的核心采用FPGA。

5.根据权利要求4所述的一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，单线激光雷达的型号为LMS151-10100。

6.根据权利要求5所述的一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，所述驱动轮(2)上连接有编码器，所述编码器与辅控制器一连接，以用于实时反馈巡逻车本体(1)的位移、速度和加速度。

7.根据权利要求6所述的一种四轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，还包括四个充电模块，四个充电模块分别分布在巡逻车本体(1)的四周，且均与电源连接，所述电源为蓄电池组。