CN110096056A - 一种基于无人机平台的智能车探测系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无人机平台的智能车探测系统及其控制方法，包括无人机和智能车，所述无人机通过无线通信模块与智能车进行信息交互，所述无人机设有摄像头和处理器模块，摄像头实时获取智能车和待测物的路况图像和位置信息，处理器模块用于接收摄像头的数据信息并进行处理，无人机通过无线通信模块发送路径信息至智能车，智能车到达待测物附近标定点进行探测并将探测结果发送给控制终端。本发明利用无人机机身上的摄像头，使用图像识别技术和蚁群算法，自动规划智能车的运动轨迹，进而扩大了智能车的运动范围。

Description

一种基于无人机平台的智能车探测系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能车控制技术领域，具体涉及一种基于无人机平台的智能车探测系统及其控制方法。

背景技术

智能车，又称轮式移动机器人，是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能与一体的综合系统。智能车的研究、开发和应用常常涉及传感技术、电子技术以及电气控制技术等多种学科，并随着人工智能技术的飞速发展，在地质勘探、危险搜索、智能救援等方面有着极高的现实应用价值。

智能车的运动控制多采用离线编程和在线编程两种方式来实现。离线编程是在智能车动作之前制定好运动的轨迹，然后按照人为制定的轨迹运动；离线编程方式中采用的人为制定轨迹，大大限制了智能车的运动路线和范围；在线编程则是在操作人员制定运动轨迹的同时，智能车沿着该运动轨迹移动。然而，而在线编程方式需要操作人员实时制定轨迹，费工费时，缺少智能化和自动化。

此外，目前大部分智能车普遍功能单一，不能全面探测待测物的多种物理特征。如公开号CN201820862227.0公开的一种全方位视角的无人车导航系统，其中，包括无人车和无人机，无人车上设有车载摄像头，车内设有车况模块、微处理器模块以及控制模块，车载摄像头采集无人车前方路况图像，并将图像传递至微处理器模块，车况模块采集无人车行驶方向、速度以及加速度信息，并将该信息传递至微处理器模块，无人机上安装有机载摄像头、飞控系统以及无线通讯模块，机载摄像头采集无人车四周的路况图像，并将图像经过无线通讯模块传递至微处理器模块，微处理器模块通过车载摄像头传来的图像和机载摄像头传来的图像，获得全方位视角图像，并依据该全方位视角图像控制控制模块驾驶无人车，无线控制飞控系统驾驶无人机。现有的探测系统根据无人车传回的图像和机载摄像头图像控制无人车的运动，对于无人车的位置定位并不精确，对于无人车周围的物体无法获取其物理特征。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于无人机平台的智能车探测系统及其控制方法，利用无人机机身上的摄像头，使用图像识别技术和蚁群算法，自动规划智能车的运动轨迹，进而扩大了智能车的运动范围。

为实现上述目的，本发明通过以下方案实现：一种基于无人机平台的智能车探测系统，包括无人机和智能车，所述无人机通过无线通信模块与智能车进行信息交互，所述无人机设有摄像头和处理器模块，摄像头实时获取智能车和待测物的路况图像和位置信息，处理器模块用于接收摄像头的数据信息并进行处理，无人机通过无线通信模块发送路径信息至智能车，智能车到达待测物附近标定点进行探测并将探测结果发送给控制终端。

所述无人机包括机身、机臂、飞行控制板、姿态测量传感器模块、位置测量传感器模块、电子调速器、螺旋桨、无刷电机和电池，所述姿态测量传感器模块、位置测量传感器模块、无线通信模块、摄像头以及电子调速器分别与处理器模块电连接，所述机身两侧对称设有机臂，所述电子调速器和无刷电机设在所述机臂，无刷电机的转轴连接有所述螺旋桨；

所述姿态测量传感器包括陀螺仪、加速度计、电子罗盘，用于测量无人机的姿态信息；

所述位置测量传感器包括气压计和GPS，用于测量无人机的高度。

所述智能车包括车身、金属传感器模块、摄像头模块、无线传输模块、微处理器模块、电机驱动模块、电机模块、测速模块、人机交互模块、陀螺仪模块和电源模块，所述电源模块分别与金属传感器模块、摄像头模块、无线传输模块、微处理器模块、电机驱动模块、电机模块、测速模块、人机交互模块以及陀螺仪模块电连接；

所述金属传感器模块包括LDC1314模块、PCB螺线圈，所述LDC1314模块与微处理器模块电连接，用于检测金属并将金属信号传送给微处理器模块，所述所述车身前端连接有碳杆，所述PCB螺线圈安装在所述碳杆，所述PCB螺线圈通过导线与LDC1314模块连接；

所述摄像头模块与微处理器模块电连接，用于采集前方路况图像并将图像传至微处理模块；

所述电机驱动模块与微处理器模块电连接，用于驱动电机模块运作；

所述电机模块包括伺服电机和直流电机，伺服电机与转向轮传动连接并控制转向轮转向，直流电机与动力轮传动连接并控制动力轮转动，所述伺服电机和直流电机分别与微处理器模块，微处理器模块分别控制伺服电机对转向轮转向和直流电机对动力轮转动；

所述测速模块与动力轮传动连接，所述测速模块与微处理器模块电连接，用于测量车速并反馈给微处理器模块；

所述陀螺仪模块与微处理器模块电连接，用于检测车身角度变化；

所述人机交互模块包括液晶显示屏、按键、蓝牙，用于显示智能车状态参数以及设置智能车的运行模式。

优选的，所述无线通信模块采用Microhard P900 OEM模块。

优选的，所述处理器模块采用Raspberry Pi模块。

优选的，所述微处理器模块包括MK60FN1M0VLQ15及其外围配置电路，用于信号采集、数据处理、控制输出。

电源模块包括电池模块和稳压电路，用于给智能车上的电子器件提供稳定电压。

优选的，所述摄像头模块为红外摄像头和彩色摄像头。

所述机身内设有两块碳纤维板，分别用于固定飞行控制板和电池。

一种基于无人机平台的智能车探测系统，操作时，包括以下步骤：

1)程序启动后，先对系统设备初始化，由控制终端给定待测物的信息，控制无人机垂直起飞并保持在固定高度悬停；

2)通过摄像头同时捕捉待测物和智能车的位置，并分别建立摄像头坐标系、世界坐标系和图像坐标系，进行坐标系之间的转换；

3)无人机处理器模块捕获到智能车和待测物的坐标之后，利用图像识别技术和蚁群算法，规划出智能车与待测物之间的最短路径，并通过无线通信模块将路径信息发送给智能车；

4)智能车接收到路径信息后，依次判断是否遇到路障、是否到达待测物标定点，并执行相应的子过程；

5)智能车到达待测物标定点后对待测物进行探测，探测完毕后将探测结果信息发送给控制终端，由控制工作人员验收；

6)验收完毕后，无人机等待控制工作人员发出命令，若发出退出命令，则无人机着陆并关闭，结束智能车控制，整个控制流程结束；若继续给出探测信息，则再次进入程序循环过程，执行下一次的探测流程。

本发明的有益效果为：1、利用无人机机身上的摄像头，使用图像识别技术和蚁群算法，自动规划智能车的运动轨迹，进而扩大了智能车的运动范围；

2、由于智能车上配备有红外摄像头、彩色摄像头、金属传感器等模块，使得智能车具有图像识别、自动避障、金属磁场检测、红外检测等多种功能；

3、可通过摄像头将待测物的信息以视频信号的形式发送给控制终端，以便控制人员做动态监测。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为无人机硬件布局示意图；

图3为智能车硬件布局示意图；

图4为本发明的控制流程图；

图5为电池模块电路图；

图6为5V稳压模块电路图；

图7为3.3V稳压模块电路；

图8为2.5V稳压模块电路图；

图中：无人机1，机身101，机臂102，飞行控制板103，电子调速器104，螺旋桨105，无刷电机106，电池107，摄像头108，碳纤维板109，智能车2，车身201，金属传感器模块202，PCB螺线圈2021，摄像头模块203，微处理器模块204，电机驱动模块205，电源模块206，伺服电机207，直流电机208，转向轮209，动力轮210，无线通信模块3，控制终端4，待测物5。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种基于无人机平台的智能车探测系统，包括无人机1和智能车2，所述无人机1通过无线通信模块3与智能车3进行信息交互，所述无人机1设有摄像头108和处理器模块，摄像头108实时获取智能车和待测物5的路况图像和位置信息，处理器模块用于接收摄像头108的数据信息并进行处理，无人机1通过无线通信模块3发送路径信息至智能车，智能车2到达待测物5附近标定点进行探测并将探测结果发送给控制终端4。

所述无人机包括机身101、机臂102、飞行控制板103、姿态测量传感器模块、位置测量传感器模块、电子调速器104、螺旋桨105、无刷电机106和电池107，所述姿态测量传感器模块、位置测量传感器模块、无线通信模块、摄像头108以及电子调速器104分别与处理器模块电连接，所述机身101两侧对称设有机臂102，所述电子调速器104和无刷电机106设在所述机臂102，无刷电机106的转轴连接有所述螺旋桨105；

电子调速器104的输入线与电池107连接，电子调速器104的输出线与无刷电机106的三相输入端连接，电子调速器104的信号线与处理器模块连接，电子调速器104根据处理器模块给出的控制信号控制无刷电机106电动机的转速。

所述姿态测量传感器包括陀螺仪、加速度计、电子罗盘，用于测量无人机的姿态信息；

所述位置测量传感器包括气压计和GPS，用于测量无人机的高度。

所述智能车2包括车身201、金属传感器模块202、摄像头模块203、无线传输模块、微处理器模块204、电机驱动模块205、电机模块、测速模块、人机交互模块、陀螺仪模块和电源模块206，所述电源模块206分别与金属传感器模块202、摄像头模块203、无线传输模块、微处理器模块204、电机驱动模块205、电机模块、测速模块、人机交互模块以及陀螺仪模块电连接；

所述金属传感器模块202包括LDC1314模块、PCB螺线圈2021，所述LDC1314模块与微处理器模块204电连接，用于检测金属并将金属信号传送给微处理器模块204，所述车身前端连接有碳杆，所述PCB螺线圈2021安装在所述碳杆，所述PCB螺线圈2021通过导线与LDC1314模块连接；

所述摄像头模块203与微处理器模块204电连接，用于采集前方路况图像并将图像传至微处理模块；

所述电机驱动模块205与微处理器模块204电连接，用于驱动电机模块运作；电机驱动模块接收微处理器模块204产生的PWM信号，通过全桥驱动单元驱动直流电机208转动。

所述电机模块包括伺服电机207和直流电机208，伺服电机207与转向轮209传动连接并控制转向轮209转向，直流电机208与动力轮210传动连接并控制动力轮210转动，所述伺服电机207和直流电机208分别与微处理器模块204，微处理器模块204分别控制伺服电机207对转向轮209转向和直流电机208对动力轮210转动；

所述测速模块与动力轮210传动连接，所述测速模块与微处理器模块204电连接，用于测量车速并反馈给微处理器模块204，以便后续的速度闭环控制。

所述陀螺仪模块与微处理器模块204电连接，用于检测车身角度变化，便于控制策略的制定。

所述人机交互模块包括液晶显示屏、按键、蓝牙，用于显示智能车状态参数以及设置智能车的运行模式。

所述无线通信模块3采用Microhard P900 OEM模块。

所述处理器模块采用Raspberry Pi模块。负责无人机1飞行姿态、飞行位置的计算和控制、PWM控制信号的输出。

所述微处理器模块204包括MK60FN1M0VLQ15及其外围配置电路，用于信号采集、数据处理、控制输出。

电源模块206包括电池模块和稳压电路，用于给智能车上的电子器件提供稳定电压。

所述摄像头模块203为红外摄像头和彩色摄像头。红外摄像头可拍摄黑暗环境下的影像。

所述机身101内设有两块碳纤维板109，分别用于固定飞行控制板103和电池107。

如图4所示，一种基于无人机平台的智能车探测系统，操作时，包括以下步骤：

1)程序启动后，先对系统设备初始化，由控制终端4给定待测物5的信息，控制无人机1垂直起飞并保持在固定高度悬停；

2)通过摄像头108同时捕捉待测物5和智能车2的位置，并分别建立摄像头坐标系、世界坐标系和图像坐标系，进行坐标系之间的转换；

3)无人机处理器模块捕获到智能车和待测物5的坐标之后，利用图像识别技术和蚁群算法，规划出智能车2与待测物5之间的最短路径，并通过无线通信模块3将路径信息发送给智能车2；

4)智能车2接收到路径信息后，依次判断是否遇到路障、是否到达待测物5标定点，并执行相应的子过程；

5)智能车2到达待测物5标定点后对待测物5进行探测，探测完毕后将探测结果信息发送给控制终端4，由控制工作人员验收；

6)验收完毕后，无人机1等待控制工作人员发出命令，若发出退出命令，则无人机1着陆并关闭，结束智能车2控制，整个控制流程结束；若继续给出探测信息，则再次进入程序循环过程，执行下一次的探测流程。

无人机1在捕捉到智能车2和待测物5的位置后，会进行坐标转换，具体流程如下：

1)计算坐标系数矩阵：

式中，ε为无人机偏航角、η为无人机俯仰角、γ为无人机翻滚角；

2)计算待测物5在摄像头108坐标系中的投影值：

式中，H为无人机1当前位置相对于地面的高度，Cx、Cy分别为无人机的摄像头在ocxc和ocyc方向的有效焦距，(u0,v0)为图像主点，(u1,v1)为待测物在图像坐标系中的坐标，P3、P9为坐标系数；

3)计算待测物5在世界坐标系中的投影向量：

式中，P1、P2、P4、P5为坐标系数，(u0,v0)为图像主点，(u1,v1)为待测物在图像坐标系中的坐标，Cx、Cy分别为无人机摄像头在ocxc和ocyc方向的有效焦距，H为无人机当前位置相对于地面的高度，Pj_value1为待测物在摄像头坐标系中的投影值；

4)计算待测物在世界坐标系中的空间位置：

式中，P为坐标系数矩阵，Pj_value2为待测物在世界坐标系中的投影向量，Lc为摄像头中心相对无人机中心的位移，Lw为无人机在世界坐标系中的位置。

实施例2：将微处理器模块204固定在主控电路板上，主控电路板上留有螺丝孔，通过螺丝将主控电路板固定在车身201，以增加车身的机械稳定性。红外摄像头和彩色摄像头支架采用角度可调的摄像头支架。

实施例3：电源模块206包括电池模块和稳压电路，电池模块采用7.2V，2000mAH镍镉电池，稳压电路包括TPS78650芯片、LM1117-3.3芯片和LT1764芯片，TPS78650芯片将7V电压转换为5V，LM1117-3.3芯片将5V电压转换为3.3V，LT1764芯片将5V电压转换为2.5V。

实施例4：测速模块可采用TELESKY的测速传感器模块，还可采用光电编码器，光电编码器与智能车动力轮210传动结构进行机械连接，光电编码器把角位移或直线位移转换成电信号并反馈给微处理器204，陀螺仪模块可采用TELESKY的GY-521MPU6050三维角度传感器。

实施例5：将8个PCB螺线圈依次按照从左至右的顺序排列在碳杆上，采用强力胶固定；每个PCB螺线圈两端通过导线连接至LDC1314模块电路上，用于检测智能车2前方是否有金属。

以上所述仅为本发明专利的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本说明书内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：包括无人机（1）和智能车（2），所述无人机（1）通过无线通信模块（3）与智能车（3）进行信息交互，所述无人机（1）设有摄像头（108）和处理器模块，摄像头（108）实时获取智能车和待测物（5）的路况图像和位置信息，处理器模块用于接收摄像头（108）的数据信息并进行处理，无人机通过通信模块发送路径信息至智能车，智能车到达待测物（5）附近标定点进行探测并将探测结果发送给控制终端（4）。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：所述无人机包括机身（101）、机臂（102）、飞行控制板（103）、姿态测量传感器模块、位置测量传感器模块、电子调速器（104）、螺旋桨（105）、无刷电机（106）和电池（107），所述姿态测量传感器模块、位置测量传感器模块、无线通信模块、摄像头（108）以及电子调速器（104）分别与处理器模块电连接，所述机身（101）两侧对称设有机臂（102），所述电子调速器（104）和无刷电机（106）设在所述机臂（102），无刷电机（106）的转轴连接有所述螺旋桨（105）；

所述姿态测量传感器包括陀螺仪、加速度计、电子罗盘，用于测量无人机的姿态信息；

所述位置测量传感器包括气压计和GPS，用于测量无人机的高度。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：所述智能车（2）包括车身（201）、金属传感器模块（202）、摄像头模块（203）、无线传输模块、微处理器模块（204）、电机驱动模块（205）、电机模块、测速模块、人机交互模块、陀螺仪模块和电源模块（206），所述电源模块（206）分别与金属传感器模块（202）、摄像头模块（203）、无线传输模块、微处理器模块（204）、电机驱动模块（205）、电机模块、测速模块、人机交互模块以及陀螺仪模块电连接；

所述金属传感器模块（202）包括LDC1314模块、PCB螺线圈（2021），所述LDC1314模块与微处理器模块（204）电连接，用于检测金属并将金属信号传送给微处理器模块（204），所述车身（201）前端连接有碳杆，所述PCB螺线圈（2021）安装在所述碳杆，所述PCB螺线圈（2021）通过导线与LDC1314模块连接；

所述摄像头模块（203）与微处理器模块（204）电连接，用于采集前方路况图像并将图像传至微处理模块；

所述电机驱动模块（205）与微处理器模块（204）电连接，用于驱动电机模块运作；

所述电机模块包括伺服电机（207）和直流电机（208），伺服电机（207）与转向轮（209）传动连接并控制转向轮（209）转向，直流电机（208）与动力轮（210）传动连接并控制动力轮（210）转动，所述伺服电机（207）和直流电机（208）分别与微处理器模块（204），微处理器模块（204）分别控制伺服电机（207）对转向轮（209）转向和直流电机（208）对动力轮（210）转动；

所述测速模块与动力轮（210）传动连接，所述测速模块与微处理器模块（204）电连接，用于测量车速并反馈给微处理器模块（204）；

所述陀螺仪模块与微处理器模块（204）电连接，用于检测车身角度变化；

所述人机交互模块包括液晶显示屏、按键、蓝牙，用于显示智能车状态参数以及设置智能车的运行模式。

4. 根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：所述无线通信模块（3）采用Microhard P900 OEM模块。

5. 根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：所述处理器模块采用Raspberry Pi 模块。

6.根据权利要求3所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：所述微处理器模块（204）包括MK60FN1M0VLQ15及其外围配置电路，用于信号采集、数据处理、控制输出。

7.根据权利要求3所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：电源模块（206）包括电池模块和稳压电路，用于给智能车上的电子器件提供稳定电压。

8.根据权利要求3所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：所述摄像头模块（203）为红外摄像头和彩色摄像头。

9.根据权利要求2所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于：所述机身（101）内设有两块碳纤维板（109），分别用于固定飞行控制板（103）和电池（107）。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于无人机平台的智能车探测系统，其特征在于，操作时，包括以下步骤：

1）程序启动后，先对系统设备初始化，由控制终端（4）给定待测物（5）的信息，控制无人机（1）垂直起飞并保持在固定高度悬停；

2）通过摄像头（108）同时捕捉待测物（5）和智能车（2）的位置，并分别建立摄像头坐标系、世界坐标系和图像坐标系，进行坐标系之间的转换；

3）无人机处理器模块捕获到智能车和待测物（5）的坐标之后，利用图像识别技术和蚁群算法，规划出智能车（2）与待测物（5）之间的最短路径，并通过无线通信模块（3）将路径信息发送给智能车（2）；

4）智能车（2）接收到路径信息后，依次判断是否遇到路障、是否到达待测物（5）标定点，并执行相应的子过程；

5）智能车（2）到达待测物（5）标定点后对待测物（5）进行探测，探测完毕后将探测结果信息发送给控制终端（4），由控制工作人员验收；

6）验收完毕后，无人机（1）等待控制工作人员发出命令，若发出退出命令，则无人机（1）着陆并关闭，结束智能车（2）控制，整个控制流程结束；若继续给出探测信息，则再次进入程序循环过程，执行下一次的探测流程。