CN108334096A - 一种新型的两轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统 - Google Patents

Abstract

一种新型的两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；巡逻车本体具有驱动轮和从动轮，一对驱动轮由交错设置的两个直流电机进行驱动；直流电机连接有行星减速机；控制系统包括设置在顶部的CCD摄像机、设置在前部的前方环境探测和保护系统、分别设置在巡逻车本体的底部前、后端的前、后盲区探测和避障系统；单线激光雷达L1、微波雷达M1、无线通信模块和辅控制器一、二均与主控制器连接；超声波传感器、CCD摄像机均与辅控制器一连接；辅控制器二与电机驱动器连接；电源分别与电机驱动器和电源转换模块连接，电源转换模块用于供应直流电源。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

一种新型的两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，具体涉及一种新型的两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，采用大量简易的安保机器人替代人类进行定时、定点、不间断流动式的监控与巡逻可以解决眼前的燃眉之急，因为这样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。智能无人驾驶巡逻车第一步都是感知，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。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，控制器驱动两个直流电机运动，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图像传输系统，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。

单线激光雷达只有一路发射和一路接收，具有扫描周期较短，角度分辨率较高，体积较小，重量相对较轻，功耗也比较低，可靠性较高，成本相对低廉等优点，以上优点使得单线激光雷达可以作为无人驾驶巡逻车感知未知环境的一个替换选择。但是不论是多线激光雷达或是单线激光雷达，对待恶劣天气均有其弱点：

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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，本发明提供一种新型的两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，本发明提供一种新型的两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中部装配一对驱动轮、在的长度方向中部和后部各装配有一对从动轮，巡逻车本体内部装配有用于分别驱动两个驱动轮的两个直流电机；

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两个直流电机电机轴外侧的两个行星减速机；所述行星减速机为90度转角行星减速机；

两个直流电机的长度方向均延巡逻车本体宽度的方向延伸，且两个直流电机在纵向上相间隔地设置，两个直流电机的电机轴相背向地设置；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设置在巡逻车本体顶部中心位置的360度CCD摄像机、设置在巡逻车本体前部的前方环境探测和保护系统、分别设置在巡逻车本体的底部前端和底部后端的前盲区探测和避障系统和后盲区探测和避障系统；

所述前方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L1和微波雷达M1组成；

所述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，所述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、微波雷达M1、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、CCD摄像机均与辅控制器一连接，所述辅助控制器二分别与辅控制器一和电机驱动器电机驱动器连接；电机驱动器分别与两个直流电机连接；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。通过前方环境探测和保护系统的设置能精确、快速地探测到前方的环境状况，从而能有效探测到无人加强巡逻车与前方移动障碍物的距离；前方环境探测和保护系统中由单线激光雷达和微波雷达组成，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，以及时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技术能大幅度减少硬件的成本，有利于无人驾驶巡逻车实际应用的推广。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，将其作为单线激光雷达的补充，能有效提高近距离盲区的探测效果。使主控制器来集中处理巡逻车的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和CCD摄像机实时采集的图像数据，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。另外，用稀土直流无刷伺服电机替代传统的直流电机还有如下优点：可有效提高电机的效率，有利于提高能源的利用率；可有效提高电机的功率密度，有利于缩小电机的体积，减少无人驾驶巡逻车的长度和宽度；可有效减少电机的噪音，有利于提高无人驾驶巡逻车行走时的噪声干扰。由于具有在线存储和无线传输功能，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。

作为一种优选，所述单线激光雷达L1和微波雷达M1纵向并排地设置，且单线激光雷达L1位于微波雷达M1的上部。

进一步，每个从动轮均为万向轮。为了提高该巡逻车运动的灵活性，同时，也能使巡逻车在原地转向时的转变半径较小。

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，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FPGA和STM32F767的ARM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单线激光雷达信号处理、微波雷达信号处理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ARM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、接收CCD图像，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的两轴直流无刷伺服伺服控制、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两轴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和FPGA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ARM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与FPGA和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L1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，所述从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为本发明的两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NUC与FPGA相配合进行图像处理的原理图。

图中：1、巡逻车本体，2、驱动轮，3、从动轮，4、直流电机，5、行星减速机，6、齿轮一，7、齿轮二，8、CCD摄像机，9、单线激光雷达L1，10、微波雷达M1，11、前盲区探测和避障系统，12、后盲区探测和避障系统，13、超声波传感器US1，14、超声波传感器US2，15、超声波传感器US3，16、超声波传感器US4，17、超声波传感器US5，18、超声波传感器US6。

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，一种新型的两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下部在长度方向的中部装配一对驱动轮2、在的长度方向中部和后部各装配有一对从动轮3，作为一种优选，每个从动轮3均为万向轮。巡逻车本体1内部装配有用于分别驱动两个驱动轮2的两个直流电机4；所述巡逻车本体1内部还设置有分别位于两个直流电机4电机轴外侧的两个行星减速机5，所述行星减速机5为90度转角行星减速机；；两个直流电机4的长度方向均延巡逻车本体1宽度的方向延伸，且两个直流电机4在纵向上相间隔地设置，两个直流电机4的电机轴相背向地设置；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、设置在巡逻车本体1顶部中心位置的360度CCD摄像机8、设置在巡逻车本体1前部的前方环境探测和保护系统、分别设置在巡逻车本体1的底部前端和底部后端的前盲区探测和避障系统11和后盲区探测和避障系统12；

所述前方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L19和微波雷达M1组成；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L1 9的型号为LMS151-10100。LMS151是SICK公司新推出的高性能分别针对近距离探测的激光雷达，LMS151系列针对10％反射率的物体，距离可以达到50米。鉴于以上特点，本发明采用基于LMS151激光雷达组来组成无人驾驶巡逻车的探测和保护系统。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摄像机将通过ARM控制器实时回传巡逻环境。

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11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，所述后盲区探测和避障系统12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，可有效消除无人驾驶巡逻车刚启动向前加速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。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ARM和FPGA控制器，经ARM和FPGA内部程序图像分析后发送给总站，总站经过解码后可以及时发现可疑信息，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。后方超声波传感器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。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。

所述单线激光雷达L1、微波雷达M1、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、CCD摄像机8均与辅控制器一连接，所述辅助控制器二分别与辅控制器一和电机驱动器电机驱动器连接；电机驱动器分别与两个直流电机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。

所述单线激光雷达L19和微波雷达M110纵向并排地设置，且单线激光雷达L19位于微波雷达M110的上部。单线激光雷达L19和微波雷达M110离地距离在15cm～30cm之间；

为了使转弯过程更灵活，且能具有更小的转弯半径，每个从动轮3均为万向轮。

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；相比之间的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芯片做无人驾驶巡逻车两轴直流无刷伺服电机控制系统的数据处理。

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来实现两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，基于FPGA+ARM图像处理连接原理如图11。

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两轮机械机构，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，形成了基于英特尔第七代微型电脑NUC7+FPGA+ARM(最新嵌入式STM32F767)三核控制器的全新控制模式。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微型电脑的单线激光雷达、微波雷达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ARM+FPGA的高清CCD摄像机图像采集分析系统，并通过无线实时把采集信息回传给总站。整个系统以FPGA为运动控制系统处理核心，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。该控制系统还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单线激光雷达信号处理、微波雷达信号处理和分析交给NUC微型电脑处理，由NUC7处理无人驾驶巡逻车的多传感器的数据融合信号，大大提高了运算速度，充分发挥NUC微型电脑数据处理速度较快的特点，由FPGA处理无人驾驶巡逻车伺服系统的两轴直流无刷伺服电机的独立伺服控制，充分发挥FPGA运算速度较快的特点以及程序移植功能，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，解决了单ARM软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且使程序可移植能力有效增强。由于本控制器采用FPGA处理无人驾驶巡逻车伺服系统大量的数据与算法，采用NUC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ARM和NUC从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了程序的“跑飞”，两轴无人驾驶巡逻车伺服系统抗干扰能力大大增强，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。而盲区探测和避障、CCD图像采集和分析、人机界面、在线输出、数据存储、I/O控制等功能交给ARM和FPGA完成，这样就实现了ARM、FPGA与NUC微型电脑的分工，同时三者之间实时进行通讯进行数据交换和调用，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。由FPGA输出两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，防止无人巡逻车由于故障而出现伤害。

进一步，还可以在所述从动轮3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FPGA和STM32F767的ARM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、单线激光雷达和微波雷达传感器数据采集分析等功能；基于STM32F767的ARM和FPGA的下位机控制系统完成无人驾驶巡逻车系统的两轴直流无刷伺服伺服控制、图像分析与传输、数据传输、I/O控制等功能，其中工作量最大的两轴直流无刷伺服系统控制交给FPGA处理，充分发挥FPGA数据处理较快的优点，而图像传输交给ARM处理，这样就实现了NUC、FPGA和ARM的分工，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、FPGA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巡逻模式，同时与NUC和FPGA相互通讯，NUC实时接收激光雷达、微波雷达反馈信号并解码，然后与ARM控制器通讯并传输控制信号，ARM控制器通过解码输入控制信号给FPGA，FPGA控制两轴直流无刷伺服电机，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控制器。

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8将通过ARM处理器实时回传巡逻环境。

结合图7至图10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间，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传感器L1和微波雷达传感器M1进行环境探测并通过NUC建立二维地图，并经过无线局域网传输给总站，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间，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封锁两轴直流无刷伺服电机的PWM控制信号，无人驾驶巡逻车将原地锁死并等待障碍物清除；如果无障碍物进入运动盲区或障碍物被清除，ARM控制器会使能FPGA工作，FPGA输出两轴直流无刷伺服电机的PWM控制信号，两轴直流无刷伺服电机经精密行星减速机变换动力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控制器便开启各单线激光雷达传感器L1和M1进行实时环境扫描，然后经NUC7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实时调整直流无刷伺服电机的伺服控制，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、微波雷达M1实时开启，并把回馈信号输送给NUC，先有NUC分析单线激光雷达L1和微波雷达传感器M1数据融和STM32F767响应各种中断保护，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。

5)无人驾驶巡逻车进入运动路线后，激光传感器L1和微波雷达M1时刻检测前方的环境形成新的环境地图，并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STM32F767发出中断请求同时把小型障碍物数据传输给ARM进行计算处理，ARM控制器根据分析结果输入控制信号给FPGA，FPGA将加大直流无刷伺服电机的功率，无人驾驶巡逻车按照设定的正常优化路径进行翻越障碍物。在无人驾驶巡逻车行走过程中，CCD摄像机实时采集现场画面给ARM和FPGA控制器，经ARM和FPGA控制器分析后发送给总站进行可疑信息判定。

如果单线激光传感器L1和微波雷达M1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处理器将维持当前两直流电机的伺服控制，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处理器将根据障碍物数据信息将调节两直流电机的控制使无人驾驶巡逻车根据不同的导航方式向右侧移动，当完成躲避动作后，FPGA处理器将调节两直流电机的控制使无人驾驶巡逻车根据导航方式向左侧偏移并重新驶入NUC7已经优化的路径。在无人驾驶巡逻车行走过程中，CCD摄像机实时采集现场画面给ARM和FPGA控制器，经ARM和FPGA控制器分析后发送给总站进行可疑信息判定。

如果单线激光传感器L1和微波雷达M1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，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处理器将维持当前两直流电机的伺服控制，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将根据障碍物数据信息将调节两直流电机的控制使无人驾驶巡逻车根据导航方式向左侧移动，当完成躲避动作后，FPGA处理器将调节两直流电机的控制使无人驾驶巡逻车根据导航方式向右侧偏移并重新驶入NUC7已经优化的路径。在无人驾驶巡逻车行走过程中，CCD摄像机实时采集现场画面给ARM控制器，经ARM控制器分析后发送给总站进行可疑信息判定。

6)无人驾驶巡逻车进入运动路线向前行驶时，与地面平行的盲区传感器组US4～US6时刻检测运动后方的环境并传输给ARM进行数据分析，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，ARM控制器会优先处理这一突发状况，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输入控制信号调节直流无刷伺服电机X和Y的速度使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时刻检测前方的盲区的环境，如果盲区传感器组US1～US3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将封锁直流无刷伺服电机的PWM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将重新调节直流无刷伺服电机的伺服控制使无人驾驶巡逻车按照设定的正常速度进行行驶。

8)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将调整直流无刷伺服电机X和Y的伺服控制使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。

9)当无人驾驶巡逻车进入重点巡逻点时，CCD摄像机将对重点巡逻区域进行图像采集并传输给ARM和FPGA进行处理，分析后的数据由ARM控制器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处理器发出停车中断请求，ARM将禁止FPGA工作，FPGA将封锁直流无刷伺服电机的PWM控制信号，并紧急制动使无人驾驶巡逻车急速停车，然后CCD摄像机进行二次图像采集，ARM和FPGA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将重新调整直流无刷伺服电机的伺服控制信号使无人驾驶巡逻车继续按照既定速度行驶，CCD实时传输当前路径中的现场图像给总站。

10)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直流无刷伺服电机X和Y的伺服控制来实现新分配的巡逻任务。

11)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直流无刷伺服电机，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)

1.一种新型的两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)下部在长度方向的中部装配一对驱动轮(2)、在的长度方向中部和后部各装配有一对从动轮(3)，巡逻车本体(1)内部装配有用于分别驱动两个驱动轮(2)的两个直流电机(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两个直流电机(4)电机轴外侧的两个行星减速机(5)；所述行星减速机(5)为90度转角行星减速机；

两个直流电机(4)的长度方向均延巡逻车本体(1)宽度的方向延伸，且两个直流电机(4)在纵向上相间隔地设置，两个直流电机(4)的电机轴相背向地设置；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设置在巡逻车本体(1)顶部中心位置的360度CCD摄像机(8)、设置在巡逻车本体(1)前部的前方环境探测和保护系统、分别设置在巡逻车本体(1)的底部前端和底部后端的前盲区探测和避障系统(11)和后盲区探测和避障系统(12)；

所述前方环境探测和保护系统主要由单线激光雷达L1(9)和微波雷达M1组成；

所述前盲区探测和避障系统(11)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，所述后盲区探测和避障系统(12)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、微波雷达M1、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、CCD摄像机(8)均与辅控制器一连接，所述辅助控制器二分别与辅控制器一和电机驱动器电机驱动器连接；电机驱动器分别与两个直流电机(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所述的一种新型的两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(9)和微波雷达M1(10)纵向并排地设置，且单线激光雷达L1(9)位于微波雷达M1(10)的上部。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型的两轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，每个从动轮(3)均为万向轮。

4.根据权利要求3所述的一种新型的两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；所述辅控制器二采用FPGA。

5.根据权利要求4所述的一种新型的两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L1(9)的型号为LMS151-10100。

6.根据权利要求5所述的一种新型的两轮驱动高速全天候无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，所述从动轮(3)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所述的一种新型的两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。