CN110310503B - 一种微缩模型车的高精度定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微缩模型车的高精度定位系统。该系统包括交通模拟沙盘、微缩模型车、视频采集设备、图像处理分析单元、通讯单元。系统通过视频采集设备采集在交通模拟沙盘上微缩模型车的实时图像，将图像传输至图像处理分析单元处理并得到微缩模型车的实时位置和车辆ID，再将其映射至交通模拟沙盘的高精度地图坐标系中，可以得到具有ID特征的微缩模型车的实时位置。本发明可以解决目前城市智能交通、交通安全、车路协同、自动驾驶、人机协同驾驶、交通事故分析等领域研究与应用过程中实际场景测试难、数据收集复杂的问题。

Description

一种微缩模型车的高精度定位系统
技术领域
本发明属于城市智能交通、模拟驾驶、交通安全、车路协同、自动驾驶、人机协同驾驶等领域，具体涉及一种通过视频分析技术实现在室内的交通模拟沙盘上对运动的微缩模型车进行高精度定位的系统及方法。
背景技术
随着车联网、车路协同、自动驾驶、交通安全、混合驾驶、人机协同驾驶等技术的发展，目前在上述领域的研究主要采用三种方式：一种是在真实场景下利用实际车辆进行数据采集和算法测试，但该方式实验成本高、准备时间长、测试场景少、测试安全约束高，无法实现大规模、高频率、实时性实验；第二种是采用模拟仿真方式通过仿真建模实现数据采集和算法测试，该方式在实验成本、准备时间、场景设计等方面具备优势，便于新型算法的测试和验证，其中微缩模型车可以模拟车车、车路、自动驾驶等场景，实现车路协同、自动驾驶领域的理论研究和技术实验。为此，近年来利用模拟仿真方式进行相关领域研究得到很多关注和青睐。但目前在该领域内采用微缩模型车进行理论研究和技术实验时，一般并不考虑对微缩模型车的定位，主要原因是定位精度达不到要求导致定位数据的不可用，但这样就导致应用微缩模型车进行包括自动驾驶、车路协同等领域理论研究时存在定位数据缺失和方法约束过强的问题。
发明内容
针对目前城市智能交通、交通安全、车路协同、自动驾驶、人机协同驾驶等领域研究与应用过程中涉及现实场景测试难、数据收集复杂的问题。本发明通过建立在交通模拟沙盘上运行的微缩模型车高精度定位系统与方法，实现微缩模型车的高精度定位、数据采集准确和运行显示一致。本发明具体采用如下技术方案：
该系统包括交通模拟沙盘、微缩模型车、视频采集设备、图像处理分析单元、通讯单元；交通模型沙盘包括道路、建筑和显示单元；视频采集设备包括吊装支架、摄像机和红外滤光片；图像处理分析单元包括PC、高精度地图模块和高精度定位模块；所述微缩模型车包括车身结构件、前向超声波传感器、高清摄像头模块、转向结构连杆、车轮、数字舵机、陀螺仪、标识单元、通讯单元、主控单元、供电单元、编码减速电机、红外LED灯阵。
优选地，所述高精度地图模块用于沙盘坐标标定和高精度地图生成，其通过视频采集设备识别沙盘的长和宽，建立高精度地图坐标系并以毫米量级标定沙盘范围内的坐标点；并通过视频采集设备识别目标物体并获取其坐标，所述目标物体包括沙盘上的车道线、建筑物、显示单元；所述高精度地图模块建立具有两个图层的高精度地图，下层图层为沙盘CAD图，上层图层为目标物体的坐标，将两个图层匹配得到高精度地图；所述高精度定位模块用于微缩模型车的ID识别和定位，视频采集设备上安装有红外滤光片，视频采集设备通过所述红外滤光片捕捉到所述微缩模型车的红外LED灯阵发出的红外光，再通过图像识别方法识别出车辆的ID，同时识别出车辆当前在沙盘中的位置，根据高精度地图模块中图像与坐标系形成的映射，得到车辆的精确坐标，并将坐标反馈至高精度地图中显示，从而得到实时动态的车辆ID和坐标。
优选地，通讯单元封装有以太网有线通讯模块和WIFI，4G、5G无线通讯模块，采用TCP/IP协议，有线通讯模块与视频采集设备连接，有线通讯模块或无线通讯模块以DHCP形式构建无线局域网与图像处理分析单元建立连接，用于视频采集设备采集的图像的传输。
优选地，运行该系统包括以下操作步骤：
步骤1：根据交通模拟沙盘的大小和室内的纵向高度选择视频采集设备的数量，采用膨胀螺母套件将一个吊装支架固定在室内的屋顶，将视频采集设备固定在吊装支架并调整到合适的角度，确保牢固不松动；
步骤2：采用以太网通讯方式将视频采集设备与通讯单元连接，再将通讯单元与图像分析处理单元进行连接，打开所有设备电源并启动图像分析处理单元用以检查通讯是否正常，判断依据为视频采集设备采集到的沙盘图像传输至图像分析处理单元上；
步骤3：在图像分析处理单元中先导入沙盘CAD图，再启动高精度地图自动生成功能，当生成成功后，软件中出现具有两个图层的高精度地图；
步骤4：在视频采集设备镜头上安装红外滤光片，滤光片会过滤环境中的可见光，而微缩模型车LED灯阵发出的红外光会穿过滤光片，被视频采集设备捕捉到，此时视频中所成的画面，背景环境为呈现黑色，而红外灯所成的像为白色光斑；
步骤5：设置微缩模型车的红外LED灯阵进行车辆ID编号，并将其放置在沙盘的道路上运行；
步骤6：图像分析处理单元将检测到的微缩模型车的ID和坐标实时显示在高精度地图上；
步骤7：启动智能微缩模型车将其通讯单单元与外置通讯单元通过WIFI/4G/5G连接，检查并测试通讯能够有效连接。
本发明具有如下有益的技术效果：
(1)通过高精度定位并与高精度地图进行匹配，使得对微缩模型车定位精度小于1cm，能够满足自动驾驶、车路协同等场景对车辆定位精度的要求，并为其提供具有可靠性和有效性的测试数据；
(2)通过图像处理技术使得对交通模拟沙盘实现自动标定和坐标系生成，进而得到高精度地图，能够有效解决手动标定存在的误差以及视频采集设备在安装或使用过程中出现的倾斜、错位等问题；
(3)通过在微缩模型车上设计红外LED灯阵用于车辆ID编码，不但解决车辆身份识别问题，同时通过为视频采集设备安装红外滤光片来识别车身红外LED灯阵能够进一步提高车辆识别的准确度和定位的精度。
附图说明
图1本发明的软件结构图。
图2本发明的系统结构图。
图3交通模拟沙盘示意图。
图4智能微缩模型车硬件结构图。
图5车身红外LED灯阵及编码规则。
图6视频采集设备的安装吊装支架。
图7通讯单元结构图。
图8坐标系映射图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的图像处理分析单元的软件包括高精度地图模块和高精度定位模块。高精度地图模块包括沙盘CAD导入、检测区域及目标物体自动标定、坐标系生成和高精度地图生成。其中，通过视频采集设备精确识别沙盘的长和宽，建立高精度地图坐标系并以毫米量级标定沙盘范围内的所有坐标点；其次，视频采集设备精确识别沙盘上的车道线、建筑物、显示单元等目标物体并获取到目标物体的坐标；第三，建立具有两个图层的高精度地图，下层图层为沙盘CAD图，上层图层为目标物体的坐标，将两个图层匹配得到高精度地图。
高精度定位模块包括图像识别、位置识别。此时通过通用的图像识别方法能够识别出车辆的ID，同时识别出车辆当前在沙盘中的位置，由于在高精度地图模块中已经进行了图像与坐标系的映射，由此可以得到车辆的及精确坐标，并将坐标反馈至高精度地图中显示，就能够得到实时动态的车辆ID和坐标。
如图2所示，实现本专利方法所需的本发明的系统结构，该系统包括交通模拟沙盘、微缩模型车、视频采集设备、图像处理分析单元、通讯单元。该系统的安装与启动步骤如下：
步骤1：根据交通模拟沙盘的大小和室内的纵向高度选择视频采集设备的数量，采用膨胀螺母套件将吊装支架固定在室内的屋顶，将视频采集设备固定在吊装支架并调整到合适的角度，确保牢固不松动；
步骤2：采用以太网通讯方式将视频采集设备与通讯单元连接，再将通讯单元与图像分析处理单元进行连接，打开所有设备电源并启动图像分析处理单元用以检查通讯是否正常，判断依据为视频采集设备采集到的沙盘图像传输至图像分析处理单元上；
步骤3：在图像分析处理单元中先导入沙盘CAD图，再启动高精度地图自动生成功能，当生成成功后会，软件中出现具有两个图层的高精度地图；
步骤4：在视频采集设备镜头上安装红外滤光片，滤光片会过滤环境中的可见光，而微缩模型车LED灯阵发出的红外光会穿过滤光片，被视频采集设备捕捉到，此时视频中所成的画面，背景环境为呈现黑色，而红外灯所成的像为白色光斑；
步骤5：设置微缩模型车的红外LED灯阵进行车辆ID编号，并将其放置在沙盘的道路上运行；
步骤6：图像分析处理单元将检测到的微缩模型车的ID和坐标实时显示在高精度地图上；
步骤7：启动智能微缩模型车将其通讯单单元与外置通讯单元通过WIFI/4G/5G连接，检查并测试通讯能够有效连接。
如图3所示，实现本专利方法所需的交通模拟沙盘，沙盘有道路、建筑和显示单元组成。其中沙盘的道路和建筑的大小和颜色是按照现实场景的一定比例进行设计的，其中道路的宽度求大于微缩模型车的车辆宽度；显示单元包括信号灯、可变标志板、指路标志等，其中信号灯采用信号控制机进行控制，与所选实际场景的信号灯运行一致。
如图4所示为实现本专利方法所需的智能微缩模型车装置结构，1-车身结构件、2-前向超声波传感器、3-高清摄像头模块、4-转向结构连杆、5-车轮、6-数字舵机、7-陀螺仪、8-标识单元、9-通讯单元、10-主控单元、11-供电单元、12-编码减速电机、13-红外LED灯珠矩阵。
如图5所示为实现本专利所需的微缩模型车车身红外LED灯珠矩阵。灯珠采用红外光LED灯珠，波长为760nm-1mm，在红外滤光片条件下可见光均被过滤只留下清晰可见的LED灯珠显示的红外光。红外LED灯珠阵列由9个灯珠组成，通过点亮不同位置的灯珠可以模拟显示0-9的10个数字，或者其他形状的特征，如图5(a)；微缩模型车车身红外LED灯珠矩阵由两个并排的灯珠阵列组成，可以显示0-99共计100个数字，为此可以模拟ID号为0-100的微缩模型车，如图5(b)和图5(c)。其中，车辆车身红外LED灯珠矩阵显示内容通过软件设置。
如图6所示，通讯单元由于以太网有线通讯模块和WIFI、4G、5G无线通讯模块，其中WIFI提供2.4G和5G两种频段，4G、5G提供SIM卡插槽支持通用SIM。
如图7所示，为实现本专利方法所需的视频采集设备的安装方式，1-吊装支架、2-视频采集设备、3-红外滤光片，将吊装支架的圆盘安装在室内屋顶上，采用膨胀螺母套件进行固定，吊装支架的下端安装视频采集设备，其中吊装支架上下可调，视频采集设备角度可调，其中要求视频采集设备的分辨率大于1280*720，帧数大于20帧/s；在视频采集设备镜头上安装红外滤光片，滤光片会过滤环境中的可见光，而微缩模型车LED灯阵发出的红外光会穿过滤光片。
如图8所示，为实现本专利方法所需的视频采集坐标与沙盘坐标的映射图，当交通模拟沙盘和视频采集设备安装到位后，启动系统的高精度地图生成功能。首先，通过视频采集设备精确识别沙盘的长和宽，建立高精度地图坐标系并以毫米量级标定沙盘范围内的所有坐标点；其次，视频采集设备精确识别沙盘上的车道线、建筑物、显示单元等目标物体并获取到目标物体的坐标；第三，建立具有两个图层的高精度地图，下层图层为沙盘CAD图，上层图层为目标物体的坐标，将两个图层匹配得到高精度地图。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本文发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种微缩模型车的高精度定位系统，该系统包括交通模拟沙盘、微缩模型车、视频采集设备、图像处理分析单元、通讯单元，包括其特征在于：交通模型沙盘包括道路、建筑和显示单元；视频采集设备包括吊装支架、摄像机和红外滤光片；图像处理分析单元包括PC、高精度地图模块和高精度定位模块；所述微缩模型车包括车身结构件、前向超声波传感器、高清摄像头模块、转向结构连杆、车轮、数字舵机、陀螺仪、标识单元、通讯单元、主控单元、供电单元、编码减速电机、红外LED灯阵；所述高精度地图模块用于沙盘坐标标定和高精度地图生成，其通过视频采集设备识别沙盘的长和宽，建立高精度地图坐标系并以毫米量级标定沙盘范围内的坐标点；并通过视频采集设备识别目标物体并获取其坐标，所述目标物体包括沙盘上的车道线、建筑物、显示单元；所述高精度地图模块建立具有两个图层的高精度地图，下层图层为沙盘CAD图，上层图层为目标物体的坐标，将两个图层匹配得到高精度地图；
所述高精度定位模块用于微缩模型车的ID识别和定位，视频采集设备上安装有红外滤光片，视频采集设备通过所述红外滤光片捕捉到所述微缩模型车的红外LED灯阵发出的红外光，再通过图像识别方法识别出车辆的ID，同时识别出车辆当前在沙盘中的位置，根据高精度地图模块中图像与坐标系形成的映射，得到车辆的精确坐标，并将坐标反馈至高精度地图中显示，从而得到实时动态的车辆ID和坐标。
2.如权利要求1所述的微缩模型车的高精度定位系统，其特征在于，通讯单元封装有以太网有线通讯模块和WIFI，4G、5G无线通讯模块，采用TCP/IP协议，有线通讯模块与视频采集设备连接，有线通讯模块或无线通讯模块以DHCP形式构建无线局域网与图像处理分析单元建立连接，用于视频采集设备采集的图像的传输。
3.如权利要求2所述的微缩模型车的高精度定位系统，其特征在于，包括以下操作步骤：
步骤1：根据交通模拟沙盘的大小和室内的纵向高度选择视频采集设备的数量，采用膨胀螺母套件将一个吊装支架固定在室内的屋顶，将视频采集设备固定在吊装支架并调整到合适的角度，确保牢固不松动；
步骤2：采用以太网通讯方式将视频采集设备与通讯单元连接，再将通讯单元与图像分析处理单元进行连接，打开所有设备电源并启动图像分析处理单元用以检查通讯是否正常，判断依据为视频采集设备采集到的沙盘图像传输至图像分析处理单元上；
步骤3：在图像分析处理单元中先导入沙盘CAD图，再启动高精度地图自动生成功能，当生成成功后，软件中出现具有两个图层的高精度地图；
步骤4：在视频采集设备镜头上安装红外滤光片，滤光片会过滤环境中的可见光，而微缩模型车LED灯阵发出的红外光会穿过滤光片，被视频采集设备捕捉到，此时视频中所成的画面，背景环境为呈现黑色，而红外灯所成的像为白色光斑；
步骤5：设置微缩模型车的红外LED灯阵进行车辆ID编号，并将其放置在沙盘的道路上运行；
步骤6：图像分析处理单元将检测到的微缩模型车的ID和坐标实时显示在高精度地图上；
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