CN111781937A - 异物检测清扫系统的无人化编队控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机场道面异物检测技术领域，具体为异物检测清扫系统的无人化编队控制系统及其控制方法，包括信号控制模块、用于向检测车以及清扫车发送指令的指挥测控子系统和自驾控制模块，所述信号控制模块由ARM控制核心和数据收集分发模块组成；所述指挥测控子系统由信号遥测模块、中央控制模块和人机交互模块组成；所述自驾控制模块由姿态解算模块、遥控模块以及自驾系统算法组成。本发明在检测车和清扫车上均装载有自驾控制模块，可实现无人车的自动检测清扫任务，大大减少了人力的参与，减轻了工人的劳动强度。

Description

异物检测清扫系统的无人化编队控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及机场道面异物检测技术领域，具体为异物检测清扫系统的无人化编队控制系统及其控制方法。

背景技术

对于航空器来说，在起飞过程中若机场道面存在异物是一件非常危险的事情，因为一个小小的异物都有可能会造成非常严重的后果。而为了机场道面的异物定点清除，确保航空器的安全起飞和降落，每个机场都必须配备有一个专门的异物检测与清扫系统。

在异物检测与清扫系统中，利用检测车在机场道面上进行巡查，当检查到异物后，再由清扫车进行清扫，完成机场道面的异物检测清扫任务，确保飞行器的安全行驶，为驾驶员及乘客提供安全保障。由于机场道面的范围广、面积大，若采用人工驾驶检测车和清扫车，不仅劳动强度大，且容易在巡查过程中出现漏检情况，同时也不便于信息的反馈。因此，若为异物检测清扫系统设计一种编队控制系统，实现自动化检测，不仅可以减少人力的参与，减轻劳动强度，也便于检测车和清扫车之间进行信息通讯，从而提高整体的工作效率，确保机场道面的安全。为此，我们提出了异物检测清扫系统的无人化编队控制系统及其控制方法以良好的解决上述弊端。

发明内容

本发明的目的在于提供异物检测清扫系统的无人化编队控制系统及其控制方法，用于实现无人车的自动驾驶巡航功能，减少人力的参与，从而确保机场道面的安全。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

异物检测清扫系统的无人化编队控制系统，包括信号控制模块、用于向检测车以及清扫车发送指令的指挥测控子系统和自驾控制模块，所述信号控制模块由ARM控制核心和数据收集分发模块组成，用于检测车或清扫车和指挥测控子系统之间的通讯以及指令收发；所述指挥测控子系统由信号遥测模块、中央控制模块和人机交互模块组成，用于向检测车和清扫车发送指令；所述自驾控制模块由姿态解算模块、遥控模块以及自驾系统算法组成，用于操控检测车或清扫车按既定轨道航向。

优选的，所述ARM控制核心包括有MCU01和MCU02两台微型计算机，其中MCU01和MCU02之间通过RS232串行接口连接。

优选的，所述数据收集分发模块采用i7CPU计算机，用于收集检测车和清扫车的状态数据以及接收任务指令。

优选的，所述信号遥测模块采用的通讯电台的通信距离大于5km，通信方式采用433m无线发射；所述中央控制模块用于通信链路的管理及数据处理计算；所述人机交互模块用于显示系统的运行状态和指令的输入，人机交互模块和中央控制模块之间通过电性连接。

优选的，所述姿态解算模块包括有加速度计、陀螺仪、磁力计以及航向定位系统，用于计算检测车或清扫车的姿态信息；所述遥控模块采用风迎T12遥控器，用于设备运动模式的切换；所述自驾系统算法包括有自主导航系统、行进运动控制模块、路径规划航机和激光雷达避障模块，用于实时规划检测车或清扫车的运动路径。

优选的，所述路径规划航机采用L1制导控制器，所述激光雷达避障模块包括激光雷达和舵角控制器，所述激光雷达的测距精度小于2cm，测距范围为0.5m至200m。

采用异物检测清扫系统的无人化编队控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通过人机交互模块向检测车发送巡航任务，检测车上的信号控制模块接收指令，并由自驾系统算法生成巡航路径，检测车开始巡航；

步骤二：检测车按照既定轨迹自主行驶，完成任务后，将检测到的异物图像以及异物位置坐标发送给中央控制模块；

步骤三：中央控制模块接收到异物坐标后，将每个异物坐标设为一个航点，并将所有的航点数据集中发送给清扫车；

步骤四：清扫车上的信号控制模块接收到清扫任务后，根据航点坐标，自动生成清扫路径，清扫车开始按照既定路径行驶至第一个航点；

步骤五：当清扫车完成清扫后继续行驶至下一个航点，直至任务完成后，返回原坐标待命。

与现有技术相比，本发明提供了异物检测清扫系统的无人化编队控制系统及其控制方法，具备以下有益效果：

1.本发明在检测车和清扫车上均装载有自驾控制模块，可实现无人车的自动检测清扫任务，大大减少了人力的参与，减轻了工人的劳动强度；

2.本发明中自驾控制模块包括有路径规划航机和激光雷达避障模块，用于在行驶过程中自动规划路径和避障，确保无人的安全行驶。

附图说明

图1为本发明无人化编队控制系统示意图；

图2为本发明路径规划航机的反馈流程图；

图3为本发明激光雷达避障流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：请参阅图1，异物检测清扫系统的无人化编队控制系统，包括信号控制模块、用于向检测车以及清扫车发送指令的指挥测控子系统和自驾控制模块，信号控制模块由ARM控制核心和数据收集分发模块组成，用于检测车或清扫车和指挥测控子系统之间的通讯以及指令收发，ARM控制核心包括有MCU01和MCU02两台微型计算机，其中MCU01和MCU02之间通过RS232串行接口连接。数据收集分发模块采用i7CPU计算机，用于收集检测车和清扫车的状态数据以及接收任务指令；每台检测车或清扫车上均装载有信号控制模块，其中MCU01和MCU02选用性能较高的Cortex-M4处理器架构、Cortex-M4指令集架构，型号为STM32F407IGT6，。

指挥测控子系统由信号遥测模块、中央控制模块和人机交互模块组成，用于向检测车和清扫车发送指令；信号遥测模块采用的通讯电台的通信距离大于5km，通信方式采用433m无线发射；中央控制模块用于通信链路的管理及数据处理计算；人机交互模块用于显示系统的运行状态和指令的输入，人机交互模块和中央控制模块之间通过电性连接；中央控制模块包括CPU（参数值为E5-2620V4*2）、内存（参数值为ECC16G*2）、存储（参数值为2TSAS*2）、光盘以及电源，光盘选用DVD。

人机交互模块基于中央控制模块，人机交互模块通过汇总积累数据，实现大数据分析，可精准溯源，并可进行预警分析，给管理提供有效的依据，也使得道路数据物联网化，管理与治理有效结合，大大提高机场的安全保障能力，其主要用于维护任务的派发和执行反馈。

自驾控制模块由姿态解算模块、遥控模块以及自驾系统算法组成，用于操控检测车或清扫车按既定轨道航向；姿态解算模块包括有加速度计、陀螺仪、磁力计以及航向定位系统，通过对三轴加速度计获取的加速度值，陀螺仪的角速度值，以及磁力计的偏航角速度值进行卡尔曼滤波融合，实时解算出设备的俯仰角、滚转角和偏航角。然后用航向定位系统对设备偏航角进行补偿修正，用于计算检测车或清扫车的姿态信息。

遥控模块采用风迎T12遥控器，支持12路PWM信号输出，支持s.bus协议，其中PWM（脉冲宽度调制信号）周期为20000us，脉冲宽度为1100us—1900us，用于设备运动模式的切换，具体的运动模式分为手动模式和自动模式两种。

自驾系统算法包括有自主导航系统、行进运动控制模块、路径规划航机和激光雷达避障模块，用于实时规划检测车或清扫车的运动路径；路径规划航机采用L1制导控制器，激光雷达避障模块包括激光雷达和舵角控制器，激光雷达的测距精度小于2cm，测距范围为0.5m至200m。

采用异物检测清扫系统的无人化编队控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通过人机交互模块向检测车发送巡航任务，检测车上的信号控制模块接收指令，并由自驾系统算法生成巡航路径，检测车开始巡航；

步骤二：检测车按照既定轨迹自主行驶，完成任务后，将检测到的异物图像以及异物位置坐标发送给中央控制模块；

步骤三：中央控制模块接收到异物坐标后，将每个异物坐标设为一个航点，并将所有的航点数据集中发送给清扫车；

步骤四：清扫车上的信号控制模块接收到清扫任务后，根据航点坐标，自动生成清扫路径，清扫车开始按照既定路径行驶至第一个航点；

步骤五：当清扫车完成清扫后继续行驶至下一个航点，直至任务完成后，返回原坐标待命。

请参阅图2，路径规划航机的工作流程包括如下步骤：

步骤一：设备在自主导航模式下执行任务时，逐个获取预设的航点位置坐标，并将航点位置坐标作为L1制导控制器的期望坐标点；

步骤二：行进运动控制模块控制设备上的驱动机构，使设备运动至期望航点，并判断坐标的距离是否小于误差允许的范围，若小于，则判定到达期望坐标点；若大于，则继续纠正位置；

步骤三：更新期望坐标数据，并把新的期望坐标点输入到L1制导控制器，从而控制设备运动到下一个目标航点，如此循环，直到运动到最后一个航点，运动任务结束。

请参阅图3，激光雷达避障模块的工作流程包括如下步骤：

步骤一：设备在两个相邻航点之间行驶时，利用激光雷达实时获取当前路径是否存在障碍物，然后依据激光雷达的位置数据计算出障碍物相对于当前设备的位置以及与设备当前运动方向的夹角；

步骤二：舵角控制器控制设备偏转避开当前障碍物，运动至下一航点。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.异物检测清扫系统的无人化编队控制系统，其特征在于：包括信号控制模块、用于向检测车以及清扫车发送指令的指挥测控子系统和自驾控制模块，所述信号控制模块由ARM控制核心和数据收集分发模块组成，用于检测车或清扫车和指挥测控子系统之间的通讯以及指令收发；所述指挥测控子系统由信号遥测模块、中央控制模块和人机交互模块组成，用于向检测车和清扫车发送指令；所述自驾控制模块由姿态解算模块、遥控模块以及自驾系统算法组成，用于操控检测车或清扫车按既定轨道航向。

2.根据权利要求1所述的异物检测清扫系统的无人化编队控制系统，其特征在于：所述ARM控制核心包括有MCU01和MCU02两台微型计算机，其中MCU01和MCU02之间通过RS232串行接口连接。

3.根据权利要求1所述的异物检测清扫系统的无人化编队控制系统，其特征在于：所述数据收集分发模块采用i7CPU计算机，用于收集检测车和清扫车的状态数据以及接收任务指令。

4.根据权利要求1所述的异物检测清扫系统的无人化编队控制系统，其特征在于：所述信号遥测模块采用的通讯电台的通信距离大于5km，通信方式采用433m无线发射；所述中央控制模块用于通信链路的管理及数据处理计算；所述人机交互模块用于显示系统的运行状态和指令的输入，人机交互模块和中央控制模块之间通过电性连接。

5.根据权利要求1所述的异物检测清扫系统的无人化编队控制系统，其特征在于：所述姿态解算模块包括有加速度计、陀螺仪、磁力计以及航向定位系统，用于计算检测车或清扫车的姿态信息；所述遥控模块采用风迎T12遥控器，用于设备运动模式的切换；所述自驾系统算法包括有自主导航系统、行进运动控制模块、路径规划航机和激光雷达避障模块，用于实时规划检测车或清扫车的运动路径。

6.根据权利要求5所述的异物检测清扫系统的无人化编队控制系统，其特征在于：所述路径规划航机采用L1制导控制器，所述激光雷达避障模块包括激光雷达和舵角控制器，所述激光雷达的测距精度小于2cm，测距范围为0.5m至200m。

7.采用权利要求1-6任一项所述的异物检测清扫系统的无人化编队控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：通过人机交互模块向检测车发送巡航任务，检测车上的信号控制模块接收指令，并由自驾系统算法生成巡航路径，检测车开始巡航；

步骤二：检测车按照既定轨迹自主行驶，完成任务后，将检测到的异物图像以及异物位置坐标发送给中央控制模块；

步骤三：中央控制模块接收到异物坐标后，将每个异物坐标设为一个航点，并将所有的航点数据集中发送给清扫车；

步骤四：清扫车上的信号控制模块接收到清扫任务后，根据航点坐标，自动生成清扫路径，清扫车开始按照既定路径行驶至第一个航点；

步骤五：当清扫车完成清扫后继续行驶至下一个航点，直至任务完成后，返回原坐标待命。

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