CN111627220B - 一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统 - Google Patents

一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统，其特征在于，包括：无人机以及与无人机无线通信连接的地面控制站；无人机，用于实时获取地面影像数据，并对地面影像数据进行卷积计算确定目标车辆信息以及目标车辆的影像切片，并传送至地面控制站，目标车辆信息包括：目标车辆的类别、在地面影像数据中的图像像素坐标和经纬度坐标；地面控制站，用于进行目标车辆信息与目标车辆的影像切片的解析与入库。本发明采用的无人机仅发送目标检测结果与目标影像切片至地面控制站，发送数据量变少；由于在无人机的机上处理，不需回传大量数据至地面端，实时性也变好。

Description

一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统
技术领域
本发明属于无人机系统目标检测技术领域，具体涉及一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统。
背景技术
随着航空遥感技术的快速发展，基于无人机的遥感应用技术逐渐发展成熟，为开发更加灵活自主的遥感影像智能信息处理系统提供了技术应用基础。传统的工作模式是将数据回传至地面站并对其进行计算，具有较大的系统时延。此外，当多架无人机同时工作时，产生的影像数据全部回传至地面站，也会给网络带宽带来极大的压力。
目前大多数科研机构还只是将无人机获取的影像发送至地面处理站，由地面处理站进行目标智能检测，但会存在延时、低精度和数据丢失等问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统，其改进之处在于，包括：无人机以及与所述无人机无线通信连接的地面控制站；
所述无人机，用于实时获取地面影像数据，并对所述地面影像数据进行卷积计算确定目标车辆信息以及目标车辆的影像切片，并传送至地面控制站，所述目标车辆信息包括：目标车辆的类别、在地面影像数据中的图像像素坐标和经纬度坐标；
所述地面控制站，用于进行目标车辆信息与目标车辆的影像切片的解析与入库。
优选的，所述无人机包括：光电载荷、智能终端计算模块和机载通信模块；
所述光电载荷，用于实时获取地面影像数据并将其采集到的地面影像数据输入至智能终端计算模块；
所述智能终端计算模块，用于对所述地面影像数据进行卷积计算，得到目标车辆信息以及目标车辆的影像切片并发送至机载通信模块；
机载通信模块，用于将目标车辆信息以及目标车辆的影像切片传输至地面控制站。
优选的，所述智能终端计算模块包括：影像裁剪单元、切片处理单元和坐标解算单元；
所述影像裁剪单元，用于读取地面影像数据并以预设分辨率和重叠率进行切分裁剪，得到切片数据；
所述切片处理单元，用于将所述切片数据传入基于DenseNet结构的卷积神经网络得到目标车辆的图像坐标以及目标车辆的类别，其中所述卷积神经网络通过位置逻辑回归和分类得到目标车辆在地面影像数据中的图像像素坐标以及目标车辆的类别；
所述坐标解算单元，用于根据所述切片数据将目标车辆在地面影像数据中的图像像素坐标转换为目标车辆的经纬度坐标。
优选的，所述机载通信模块，采用2.4GHz频段无线通信。
优选的，所述无人机还包括前置相机，所述前置相机，用于获取前方影像数据，并通过机载通信模块传送至地面控制站。
优选的，所述无人机还包括电源模块，所述电源模块用于为所述无人机供电。
优选的，所述地面站包括：地面通信模块和数据组织交互服务器；其中地面通信模块与数据组织交互服务器相连；
所述地面通信模块，用于接收无人机传送的目标车辆信息及目标车辆的影像切片；
所述数据组织交互服务器，用于对所述目标车辆信息及目标车辆的影像切片进行解析与入库，实现数据管理与展示交互功能。
优选的，所述数据组织交互服务器包括：数据解析单元和数据入库单元；
所述数据解析单元，用于对目标车辆的影像切片进行几何纠正，获得更为清晰的影像数据；
所述数据入库单元，用于对目标车辆的影像切片进行信息入库，以及匹配影像检索功能需求。
优选的，所述数据组织交互服务器还包括管理任务表单数据管理单元、帧表单数据管理单元和切片表单数据管理单元；
所述任务表单数据管理单元，用于管理无人机起飞时回传给地面系统的信息，包括自增的当前任务序号、飞机架次、任务开始执行时间、任务执行经纬度和任务描述；
所述帧表单数据管理单元，用于管理无人机获取地面影像数据时的影像与任务信息，包括影像帧序号、任务序号、影像拍摄时间和影像中心点坐标；
所述切片表单数据管理单元，用于管理目标车辆的影像切片中含有的目标切片信息，包括切片序号、帧序号、目标编号、目标类别、目标经纬度信息和目标影像切片存放地址。
优选的，所述地面控制站还包括飞行遥控模块，所述飞行遥控模块与数据组织交互服务器连接；
所述飞行遥控模块，用于根据无人机传送的前方影像数据进行飞行规划，并将飞行规划数据依次通过所述数据组织交互服务器和地面通信模块发送至无人机。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：本发明提供了一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统，其特征在于，包括：无人机以及与无人机无线通信连接的地面控制站；无人机，用于实时获取地面影像数据，并对地面影像数据进行卷积计算确定目标车辆信息以及目标车辆的影像切片，并传送至地面控制站，目标车辆信息包括：目标车辆的类别、在地面影像数据中的图像像素坐标和经纬度坐标；地面控制站，用于进行目标车辆信息与目标车辆的影像切片的解析与入库。本发明中，无人机仅发送目标检测结果与目标影像切片，发送数据量变少；由于在无人机的机上处理，不需回传大量数据至地面端，实时性也变好。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统基本结构示意图；
图2本发明提供的一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统的功能架构结构示意图；
图3本发明提供的一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统的设备与接口连接框图；
图4为本发明涉及的目标检测网络结构；
图5为本发明涉及的轻量化的稠密层网络模块结构；
图6为本发明涉及的残差网络结构；
图7为本发明涉及的切片推送浏览基本流程图；
图8为本发明涉及的指定图像的检索的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明提供的一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统如图1所示，包括：无人机以及与所述无人机无线通信连接的地面控制站；
所述无人机，用于实时获取地面影像数据，并对所述地面影像数据进行卷积计算确定目标车辆信息以及目标车辆的影像切片，并传送至地面控制站，所述目标车辆信息包括：目标车辆的类别、在地面影像数据中的图像像素坐标和经纬度坐标；
所述地面控制站，用于进行目标车辆信息与目标车辆的影像切片的解析与入库。
具体的，为了解决现有技术中所存在的高时延和消耗大量带宽等问题，本发明提供一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统，使得系统中的无人机具有智能计算和通信功能。无人机集成了智能终端计算模块与机载通信模块。智能终端计算模块是整个系统的运算处理中心，是保证智能算法的高效运行的有效载体。基于智能终端计算模块的计算能力，设计轻量化深度卷积神经网络的车辆目标检测识别算法，并设计通过http协议以json格式传输影像拍摄时间、影像处理所用时间和影像中车辆目标的图像像素位置坐标及其类别的集合。
机载通信模块采用通用无人机数传模块，设置2.4GHz无线网络传输，支持http传输协议，带宽优于128kB/s，不易收到干扰，进行远距离传输。
在无人机上安装选用1920*1080可见光波段分辨率的光电载荷，用于获取地面影像数据。数据通过USB接口连接智能终端，作为智能终端的输入。
在无人机上安装前置相机，为了辅助无人机操控人员进行辅助驾驶，分辨率达到人眼可辨率。为了数据快速传输，同时不额外系统数据传输的复杂性，前置相机采用USB接口摄像头。前置相机获取的前方影像数据通过USB发送至智能终端计算模块，由智能终端计算模块转发至机载通信模块并实现数据下传至地面控制站。
为保证系统的稳定性与一体性，设计一体式供电的电源模块，为无人机的全部设备统一供电，提供DC9～15V电源。
地面控制站主要完成以下功能：
对压缩包进行数据解压缩，并依据内容触发后续处理，同时部署航迹规划模块和载荷控制模块。
实现飞行规划，基于地图交互提供飞行路线的编辑及导出以及基于无线通信链路进行航线推送。
实现基础的地物展示交互功能，如放大、缩小、漫游和基本标记输入，以及拍摄时间轴，切片展示和平台信息等交互。
系统设备与接口连接框图如图3所示。
为实现窄带宽通信条件下的有效的数据传输，并考虑设备的可扩展性，无人机只进行目标智能提取与结果数据的压缩打包发送。
整个系统涉及到无人机与地面控制站的信息交互，其中无人机部署实时数据获取与自动监听后台的进程命名为“DataDetSever”、地面控制站部署数据接受解压与组织管理服务，将其命名为“DataManSever”；客户端还能通过网络连接至地面控制站，如附图2所示。
整个系统的设备与接口连接方式如图3所示。
DataDetSever部署在无人机上，主要完成以下功能：
不断从光电载荷设备的影像载荷获取地面影像数据；光电载荷设备也简称光电载荷。
基于从光电载荷输入的影像，送入智能终端计算模块，然后基于轻量化深度卷积神经网络算法进行目标的检测识别，如附图4所示，其中轻量化的稠密层网络模块结构如图5所示，残差模块结构如图6所示。
将智能终端计算模块检测识别的检测结果以及目标影像切片以tar的方式压缩，并通过机载通信模块向地面通信设备进行推送；其中，检测结果包括影像拍摄时间、影像处理所用时间、影像中车辆目标的图像像素位置坐标及其类别的集合，以及车辆目标的经纬度坐标。
以独立线程方式响应来自DataManServer对指定数据的请求，然后对智能处理终端输出的指定数据进行压缩，然后推送至DataManServer；
此外，DataDetSever还会响应DataManServer下达的控制指令如开始拍摄图像、暂停拍摄等。
无人机所需要的硬件设备主要包括：智能终端计算模块，完成智能计算、位姿数据获取、载荷数据获取的功能；飞控设备，完成飞行相关功能和提供位姿数据的功能，其中飞行相关功能包括接收遥控/发送遥测指令；光电载荷，完成地面影像数据获取与传输、三轴云台稳像的功能；前置相机，完成前方影像获取的功能，前置相机拍摄的影像发送至智能终端计算模块，由智能终端计算模块转发至机载通信模块并实现数据下传至地面控制站，用于辅助无人机操控人员进行辅助驾驶；机载通信模块，完成发送或接收智能计算相关结果数据、发送或接受飞控相关数据、发送或接受载荷相关数据的功能；以及外部电源设备即电源模块，主要是为机载设备供电，具体为DC 9～15V。
地面控制站功能主要包括三个方面，影像切片纠正，数据组织与展交互和飞行规划。
以后台独立线程的方式接受来自DataDetServer的检测切片、原始影像的压缩包推送数据流，并进行解压缩，获得无人机的传输数据。
然后对检测切片进行几何纠正，获得更为清晰的图像，将所有切片信息入库存储；
再对原始影像进行信息入库；匹配前端的原始影像检索功能需求，以websocket方式进行推送；
之后响应客户端的连接，以websocket动态推送方式实现切片在前端的展示。
响应客户端对指定图像的检索需求，并向指定无人机的DataDetServer推送原始影像的检索需求，进一步获得无人机影像信息，如附图7所示。
响应数据确认、管理及信息导出需求，响应地图底图的展示与浏览需求。实现对信息的综合整理，如附图8所示。
地面控制站硬件设备主要包括，数据组织交互服务器:实现数据组织；界面交互；飞行任务规划航点在线装订；载荷控制功能。地面通信设备，实现发送/接收智能计算相关结果数据；发送/接收飞控相关数据；发送/接收载荷相关数据功能。飞行遥控设备：实现飞行操作功能。外部电源设备：为地面设备供电。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于车辆检测的无人机与地面协同处理系统，其特征在于，包括：无人机以及与所述无人机无线通信连接的地面控制站；
所述无人机，用于实时获取地面影像数据，并对所述地面影像数据进行卷积计算确定目标车辆信息以及目标车辆的影像切片，并传送至地面控制站，所述目标车辆信息包括：目标车辆的类别、在地面影像数据中的图像像素坐标和经纬度坐标；
所述地面控制站，用于进行目标车辆信息与目标车辆的影像切片的解析与入库；所述无人机包括：光电载荷、智能终端计算模块和机载通信模块；
所述光电载荷，用于实时获取地面影像数据并将其采集到的地面影像数据输入至智能终端计算模块；
所述智能终端计算模块，用于对所述地面影像数据进行卷积计算，得到目标车辆信息以及目标车辆的影像切片并发送至机载通信模块；
机载通信模块，用于将目标车辆信息以及目标车辆的影像切片传输至地面控制站；
所述智能终端计算模块包括：影像裁剪单元、切片处理单元和坐标解算单元；
所述影像裁剪单元，用于读取地面影像数据并以预设分辨率和重叠率进行切分裁剪，得到切片数据；
所述切片处理单元，用于将所述切片数据传入基于DenseNet结构的卷积神经网络得到目标车辆的图像坐标以及目标车辆的类别，其中所述卷积神经网络通过位置逻辑回归和分类得到目标车辆在地面影像数据中的图像像素坐标以及目标车辆的类别；
所述坐标解算单元，用于根据所述切片数据将目标车辆在地面影像数据中的图像像素坐标转换为目标车辆的经纬度坐标。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机载通信模块，采用2.4GHz频段无线通信。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机还包括前置相机，所述前置相机，用于获取前方影像数据，并通过机载通信模块传送至地面控制站。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机还包括电源模块，所述电源模块用于为所述无人机供电。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面控制站包括：地面通信模块和数据组织交互服务器；其中地面通信模块与数据组织交互服务器相连；
所述地面通信模块，用于接收无人机传送的目标车辆信息及目标车辆的影像切片；
所述数据组织交互服务器，用于对所述目标车辆信息及目标车辆的影像切片进行解析与入库，实现数据管理与展示交互功能。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据组织交互服务器包括：数据解析单元和数据入库单元；
所述数据解析单元，用于对目标车辆的影像切片进行几何纠正，获得更为清晰的影像数据；
所述数据入库单元，用于对目标车辆的影像切片进行信息入库，以及匹配影像检索功能需求。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据组织交互服务器还包括管理任务表单数据管理单元、帧表单数据管理单元和切片表单数据管理单元；
所述任务表单数据管理单元，用于管理无人机起飞时回传给地面系统的信息，包括自增的当前任务序号、飞机架次、任务开始执行时间、任务执行经纬度和任务描述；
所述帧表单数据管理单元，用于管理无人机获取地面影像数据时的影像与任务信息，包括影像帧序号、任务序号、影像拍摄时间和影像中心点坐标；
所述切片表单数据管理单元，用于管理目标车辆的影像切片中含有的目标切片信息，包括切片序号、帧序号、目标编号、目标类别、目标经纬度信息和目标影像切片存放地址。
8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述地面控制站还包括飞行遥控模块，所述飞行遥控模块与数据组织交互服务器连接；
所述飞行遥控模块，用于根据无人机传送的前方影像数据进行飞行规划，并将飞行规划数据依次通过所述数据组织交互服务器和地面通信模块发送至无人机。
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