CN112417661A - 无人装备实装测试用数据采集分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人装备技术领域，且公开了无人装备实装测试用数据采集分析系统,采集和分析处理器的输出端和输入端电连接有采集模块和分析模块，采集模块电连接有状态数据采集模块和执行过程数据采集模块，状态数据采集模块和执行过程数据采集模块均电连接有车载端数据采集模块、操控端数据采集模块和裁判端数据采集模块，分析模块电连接有处理模块、统计模块、编辑模块、分类模块和评估模块，根据测试现场的记录以及车载端传递的实际数据来综合评判，专家输入相关的分数，由计算机自动计算出相关评判指标的最终分值，保证数据采集的准确性，采集的数据通过图表、文字描述、标注和图像的方式反馈到采集和分析处理器上，然后通过显示器显示出来。
Description
技术领域
本发明涉及无人装备技术领域，具体为无人装备实装测试用数据采集分 析系统。
背景技术
基于任务的无人装备实装任务测试与评价主要以典型任务为背景，聚焦 自主技术的综合运用。
为有效评估自主能力关键技术在无人装备中的应用，对无人装备实装测 试与评价过程中的关键数据采集与分析至关重要。一方面，通过采集测试过 程数据，可以有效地提高测试与评价的自动化程度与展示度，保障测试评估 的科学性与公平性；另一方面，通过积累与分析测试过程数据，可以有效确 定当前无人装备综合发展现状，识别各关键技术的薄弱环节，为未来的项目 论证、项目验收、比测试验、挑战赛事提供数据支持，另外也可以通过不断 积累的实车环境数据，建立数据测试大规模数据集，为后续基于数据的测试与半实物仿真测试提供支撑。
基于上述考虑，面向无人装备实装任务测试与评价需求，针对任务模式， 建立一套基于任务的实装任务测试与评价系统，将有效的对测试过程进行科 学管理，提高测试过程的展示度与透明度，推进无人装备自主能力测试与评 估。
测试系统所需采集的数据面向被测装备分为被测装备原车数据和被测装 备外部数据两类。按照采集位置，分为车载端数据、操控端数据、裁判端数 据和现场数据。
针对测试任务的设置，无人装备实装任务测试与评价系统用于进行被测 装备状态监测、数据采集、测试任务控制和测试现场监视，所采集的装备数 据和测试现场数据为指挥中心提供一定的数据支持。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了无人装备实装测试用数据采集分析 系统。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：无人装备实装测试用数据 采集分析系统，包括采集和分析处理器，所述采集和分析处理器的输出端和 输入端双向电连接有采集模块和分析模块，所述采集模块双向电连接有状态 数据采集模块和执行过程数据采集模块，所述状态数据采集模块和执行过程 数据采集模块均电连接有车载端数据采集模块、操控端数据采集模块和裁判 端数据采集模块，所述车载端数据采集模块、操控端数据采集模块和裁判端 数据采集模块分别控制车载端数据采集系统、操控端数据采集系统和裁判端 数据采集系统；
所述分析模块电连接有处理模块、统计模块、编辑模块、分类模块和评 估模块。
优选的，所述车载端数据采集系统根据无人装备的类型分为通用型车载 端数据采集系统和微型车载端数据采集系统两种，通用型车载端数据采集系 统用于对重、中、轻型无人装备以及具有一定自主能力的无人装备的测试， 微型车载端数据采集系统用于对小型和微型无人装备以及遥控操作为主的无 人装备的测试，通用型车载端模块的功能包括数据通信、数据采集、数据存 储、视频监控和卫星定位，其中卫星定位功能包括北斗定位设备和GPS定位 设备两种独立的卫星定位功能。
优选的，所述微型车载端数据采集系统主要由微型车载数据端采集盒构 成，并包含如下功能模块：数据处理模块和传感器模块，微型车载端模块的 功能仅包含数据通信、数据存储、视频监控、卫星定位和通信定位，其中通 信定位功能指，在没有卫星定位信息的环境下，依靠与通信基站的信息通信 交互，通过计算得到的位置信息。
优选的，所述操控端数据采集系统主要由操控端数据采集盒构成，并包 含如下功能模块：数据采集模块和数据处理模块，操控端数据采集系统终端 硬件系统既可用于固定式传输，也可用于车载移动式传输，操控端数据采集 软件系统模块，便于实时获取被测装备操控端的显示图像、自主规划结果、 目标识别结果、任务自主执行和完成结果图像、以及人工下达的指令及控制 信息，为测试评估、打分及分析提供依据，操控端数据采集软件系统包括数 据通信、数据采集、数据存储。
优选的，所述裁判端数据采集系统基于嵌入式系统开发，提供现场测试 人员的数据记录、判分以及数据回传功能，根据各测试科目的要求，提供被 测装备信息的加载、测试任务、科目以及评分标准的加载、计时和人工干预 记录功能。
优选的，根据测试数据的需求，为不干扰被测装备的正常运行，在测试 过程中数据采集的范围包括以下几个类别：
a)被测装备位姿数据：GPS/INS数据，包括被测装备的经纬度、速度、 航向、俯仰、侧倾(通过车载端数据采集系统终端自带的GPS/INS采集)；
b)被测装备执行机构状态数据：如方向盘转角、油门、档位；
c)环境感知结果(包括目标识别结果与可通行区域)、运动规划结果、 运动控制结果；
d)人机交互结果：包括接受的指令信息，发送的状态信息；
e)与其他平台的交互结果：如果所测试的科目有多辆平台，则每辆无人 系统平台都要安装车载端数据采集系统终端，且其与其它平台之间的交互信 息均需要记录；
f)前向视频数据：在网络条件具备的情况，通过车载端数据采集系统终 端自带的视频采集摄像头以第一视角采集被测装备在测试过程中视频信息。
优选的，测试结束后，为了获取测试现场的场景数据，需要对被测装备 的测试现场环境数据进行采集，除了上述测试过程中采集的数据之外，还需 要读取采集以下数据：
a)感知传感器原始数据：如激光雷达、毫米波雷达、相机；
b)传感器标定数据：如相机内外参数、激光雷达与GPS相对位置参数。
优选的，数据采集完成后经过采集和分析处理器的传导，将采集的数据 传导到分析模块，采集的数据经过处理模块、统计模块、编辑模块、分类模 块和评估模块处理后，通过图表、文字描述、标注和图像的方式反馈到采集 和分析处理器上，然后通过显示器显示出来。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了无人装备实装测试用数据采集分析系统， 具备以下有益效果：
1、该无人装备实装测试用数据采集分析系统，根据测试现场的记录以及 车载端传递的实际数据如侦察目标的准确性、清晰度、位置精度来综合评判， 专家输入相关的分数，由计算机自动计算出相关评判指标的最终分值，保证 数据采集的准确性。
2、该无人装备实装测试用数据采集分析系统，采用风险分析理论和方法 实现对指标的量化处理、进而实现安全性能指标的评估，在实施过程中，将 针对运动过程将采用模糊风险分析方法，建立隶属度函数，全面地建立安全 性指标模型，除安全性能指标外，将针对各类指标建立数学模型与评估方法， 实现各类指标的定量分析，提高数据分析的准确性。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图2为本发明通用型车载端数据采集系统结构图；
图3为本发明微型车载端数据采集系统结构图；
图4为本发明操控端数据采集系统结构图；
图5为本发明裁判端数据采集系统结构图；
图6为本发明自动分析部分指标图；
图7为本发明安全性指标评价示意图。
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。
请参阅图1-5，无人装备实装测试用数据采集分析系统，包括采集和分析 处理器，采集和分析处理器的输出端和输入端双向电连接有采集模块和分析 模块，采集模块双向电连接有状态数据采集模块和执行过程数据采集模块， 状态数据采集模块和执行过程数据采集模块均电连接有车载端数据采集模 块、操控端数据采集模块和裁判端数据采集模块，车载端数据采集模块、操 控端数据采集模块和裁判端数据采集模块分别控制车载端数据采集系统、操 控端数据采集系统和裁判端数据采集系统。
车载端数据采集系统根据无人装备的类型分为通用型车载端数据采集系 统和微型车载端数据采集系统两种，通用型车载端数据采集系统用于对重、 中、轻型无人装备以及具有一定自主能力的无人装备的测试，通用型车载端 模块的功能包括数据通信、数据采集、数据存储、视频监控和卫星定位，其 中卫星定位功能包括北斗定位设备和GPS定位设备两种独立的卫星定位功能。
微型车载端数据采集系统用于对小型和微型无人装备以及遥控操作为主 的无人装备的测试，微型车载端数据采集系统主要由微型车载数据端采集盒 构成，并包含如下功能模块：数据处理模块和传感器模块，微型车载端模块 的功能仅包含数据通信、数据存储、视频监控、卫星定位和通信定位，其中 通信定位功能指，在没有卫星定位信息的环境下，依靠与通信基站的信息通 信交互，通过计算得到的位置信息。
通用型和微型车载端数据采集系统有着如下要求：
(1)至少能够采集车辆状态、感知、决策、规划、传感器原始数据、车 辆执行器状态、人机交互、任务协同以及待测系统测试任务执行过程中的视 频监控9类信息，且视频监控至少需具备1路视频采集与回传功能；
(2)具备USB、CAN口、网口、串口标准接口输入输出，接口数量不少 于6处；
(3)与服务器端的数据通信延迟小于20ms；
(4)与测评分系统的无线通信延迟小于50ms；
(5)在无信号干扰条件下，卫星定位采集的被测装备位置数据误差为厘 米级；
(6)在无卫星信号的条件下，基于通信基站通信得出的被测装备位置数 据误差为分米级；
(7)依靠自身电池供电时，单次工作时长不少于8小时；
(8)电池充电，充电电压不高于230V，充电时长不大于4小时；
(9)车载端数据采集系统也可依靠被测装备供电，输入电压为12V；
(10)通用型车载端数据采集系统的长×宽×高不超过300mm×200mm× 100m，重量不大于3kg；
(11)微型车载端数据采集系统的长×宽×高不超过100mm×100mm× 40m，重量不大于0.5kg；
(12)离线数据存储容量不小于2TB。
(13)至少能够支持组各项测试任务。
操控端数据采集系统终端硬件系统主要由操控端数据采集盒构成，并包 含如下功能模块：数据采集模块和数据处理模块，操控端数据采集系统终端 硬件系统既可用于固定式传输，也可用于车载移动式传输，操控端数据采集 软件系统模块，便于实时获取被测装备操控端的显示图像、自主规划结果、 目标识别结果、任务自主执行和完成结果图像、以及人工下达的指令及控制 信息，为测试评估、打分及分析提供依据。操控端数据采集软件系统包括数 据通信、数据采集、数据存储。
操控端数据采集系统有如下要求：
(1)能够实时读取被测装备操控端的显示图像、自主规划结果、目标识 别结果、任务自主执行和完成结果图像、以及人工下达的指令及控制信息；
(2)具备HDMI、DP、USB、网口标准接口输入输出，接口数量不少于4 处；
(3)与服务器端的数据通信延迟小于20ms；
(4)与测评分系统的无线通信延迟小于50ms；
(5)依靠自身电池供电时，单次工作时长不少于12小时；
(6)电池充电，可接入电压为220V，充电时长不大于4小时；
(7)依靠外接电源供电时，可接入电压为220V；
(8)系统的长×宽×高不超过300mm×200mm×100m，重量不大于3kg；
(9)离线数据存储容量不小于2TB。
裁判端数据采集系统基于嵌入式系统开发，提供现场测试人员的数据记 录、判分以及数据回传功能，根据各测试科目的要求，提供被测装备信息的 加载、测试任务、科目以及评分标准的加载、计时和人工干预记录功能。
裁判端数据采集系统有如下要求：
(1)与服务器端的数据通信延迟小于20ms；
(2)与测评分系统的无线通信延迟小于50ms；
(3)单次工作时长不少于12小时；
(4)电池充电，可接入电压为220V，充电时长不大于4小时；
(5)IPS彩色触摸屏尺寸不小于9英寸，分辨率支持1080P，支持多点 触控，重量不大于0.5kg；
(6)离线数据存储容量不小于1TB；
(7)操作系统支持无线升级和多种应用软件。
根据测试数据的需求，为不干扰被测装备的正常运行，在测试过程中数 据采集的范围包括以下几个类别：
a)被测装备位姿数据：GPS/INS数据，包括被测装备的经纬度、速度、 航向、俯仰、侧倾(通过车载端数据采集系统终端自带的GPS/INS采集)；
b)被测装备执行机构状态数据：如方向盘转角、油门、档位；
c)环境感知结果(包括目标识别结果与可通行区域)、运动规划结果、 运动控制结果；
d)人机交互结果：包括接受的指令信息，发送的状态信息；
e)与其他平台的交互结果：如果所测试的科目有多辆平台，则每辆无人 系统平台都要安装车载端数据采集系统终端，且其与其它平台之间的交互信 息均需要记录；
f)前向视频数据：在网络条件具备的情况，通过车载端数据采集系统终 端自带的视频采集摄像头以第一视角采集被测装备在测试过程中视频信息。
测试结束后，为了获取测试现场的场景数据，需要对被测装备的测试现 场环境数据进行采集，除了上述测试过程中采集的数据之外，还需要读取采 集以下数据：
a)感知传感器原始数据：如激光雷达、毫米波雷达、相机；
b)传感器标定数据：如相机内外参数、激光雷达与GPS相对位置参数。
分析模块电连接有处理模块、统计模块、编辑模块、分类模块和评估模 块，数据采集完成后经过采集和分析处理器的传导，将采集的数据传导到分 析模块，采集的数据经过处理模块、统计模块、编辑模块、分类模块和评估 模块处理后，通过图表、文字描述、标注和图像的方式反馈到采集和分析处 理器上，然后通过显示器显示出来。
通过采集被测装备在自主任务执行过程中的数据来评估、分析其自主能 力是本系统的主要目标。评估分析过程以人工与自动化相结合的方法。
人工判分采用专家评判法，根据测试现场的记录以及车载端传递的实际 数据如侦察目标的准确性、清晰度、位置精度来综合评判。专家输入相关的 分数，由计算机自动计算出相关评判指标的最终分值。
其中分析系统有如下要求：
(1)与服务器端的数据通信延迟小于20ms；
(2)与测评分系统的无线通信延迟小于50ms；
(3)单次工作时长不少于12小时；
(4)电池充电，可接入电压为220V，充电时长不大于4小时；
(5)IPS彩色触摸屏尺寸不小于9英寸，分辨率支持1080P，支持多点 触控，重量不大于0.5kg；
(6)离线数据存储容量不小于1TB；
(7)操作系统支持无线升级和多种应用软件。
分析系统：
(1)测评分析软件系统应包含测试数据维护、测试过程管理、测试任务 制作、实时评分、离线数据分析、测试过程可视化、测试数据回放、测试单 位管理、专家评分、日志管理、以及系统管理功能；
(2)构建标准、开放式的通信接口以及交互协议，实现测评分析系统与 待测系统之间信息与数据的传递，实现测试过程的规范化与自动化；
(3)能够通过无线通信方式与车载端、操控端数据采集系统和裁判端进 行数据、图像通信；
(4)能够实时可视化测试任务、实时评分结果以及车载端、操控端数据 采集系统和裁判端回传的信息，包括状态、视频、检测结果；
(5)能够支持多个测试任务同步进行；
(6)能够支持多位专家现场对测试情况进行人工评价；
(7)构建自主能力离线分析量化指标体系，根据实时采集的比测数据进 行离线分析，给出分析结果，支撑相关的论证评估工作；
(8)具备测试数据存储功能，可实时存储移动端各设备回传的采集数据；
(9)具备测试数据、测试结果数据的查询、统计、报告生成、打印输出 功能；
(10)至少能够支撑各组别的测试任务。
自动化分析通过采集的被测装备的航迹、航向、测试环境要素，推演出 路径长度、平均速度、路径平滑度、导航性能指标、障碍效率、转弯效率性 能技术指标，能够反映被测无人装备的自主性能指标，如图6：
路径长度、平均速度、和速度分布指标，可直接由移动机器人的位置和 方向角进行评价。安全性、导航效率必须建立新的指标参数模型进行衡量。 例如，无人装备在运动过程中的安全性，体现在其能够及时发现路线上的障 碍，并采用有效的避障策略，进行路径规划驱动其运动并能够根据环境变化 实时修正路径，显然，距离障碍物越近，其与障碍物碰撞的概率越大，即无 人装备遭遇障碍的风险越大，因此，可采用风险分析理论和方法实现对指标 的量化处理、进而实现安全性能指标的评估。
距障碍物平均距离MeaD为无人装备运动轨迹到障碍物中心距离的平均 值；距障碍物最小距离MinD为无人装备运动轨迹到障碍物中心的最小距离， 表示完成任务的最高风险；距障碍物最小距离平均值MMD为无人装备运动轨 迹到障碍物中心的最小距离的平均值，表示完成任务的风险，无人装备遭遇 障碍的风险决定了安全性能指标。
设无人装备运动过程中，经历n个障碍物，Ri为经历第i个障碍物的转 弯域度半径；Bi(x,y,z)为第i个障碍物的中心；Dij为经历第i个障碍物时， 域度半径内路经点(x,y,z)距障碍物的中心Bi(x,y,z)的距离：
距障碍物平均距离MeaD仅部分反映了无人装备的安全性指标，在实施过 程中，将针对运动过程将采用模糊风险分析方法，建立隶属度函数，全面地 建立安全性指标模型。
除安全性能指标外，将针对各类指标建立数学模型与评估方法，实现各 类指标的定量分析。
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同物限定。
Claims (8)
1.无人装备实装测试用数据采集分析系统，包括采集和分析处理器，其特征在于：所述采集和分析处理器的输出端和输入端双向电连接有采集模块和分析模块，所述采集模块双向电连接有状态数据采集模块和执行过程数据采集模块，所述状态数据采集模块和执行过程数据采集模块均电连接有车载端数据采集模块、操控端数据采集模块和裁判端数据采集模块，所述车载端数据采集模块、操控端数据采集模块和裁判端数据采集模块分别控制车载端数据采集系统、操控端数据采集系统和裁判端数据采集系统；
所述分析模块电连接有处理模块、统计模块、编辑模块、分类模块和评估模块。
2.根据权利要求1所述的无人装备实装测试用数据采集分析系统，其特征在于：所述车载端数据采集系统根据无人装备的类型分为通用型车载端数据采集系统和微型车载端数据采集系统两种，通用型车载端数据采集系统用于对重、中、轻型无人装备以及具有一定自主能力的无人装备的测试，微型车载端数据采集系统用于对小型和微型无人装备以及遥控操作为主的无人装备的测试。
3.根据权利要求1所述的无人装备实装测试用数据采集分析系统，其特征在于：所述通用型车载端模块的功能包括数据通信、数据采集、数据存储、视频监控和卫星定位；
所述微型车载端数据采集系统主要由微型车载数据端采集盒构成，并包含如下功能模块：数据处理模块和传感器模块，微型车载端模块的功能包含数据通信、数据存储、视频监控、卫星定位和通信定位。
4.根据权利要求1所述的无人装备实装测试用数据采集分析系统，其特征在于：所述操控端数据采集系统终端硬件系统主要由操控端数据采集盒构成，并包含如下功能模块：数据采集模块和数据处理模块，操控端数据采集系统终端硬件系统既可用于固定式传输，也可用于车载移动式传输，操控端数据采集软件系统模块，便于实时获取被测装备操控端的显示图像、自主规划结果、目标识别结果、任务自主执行和完成结果图像、以及人工下达的指令及控制信息，为测试评估、打分及分析提供依据，操控端数据采集软件系统包括数据通信、数据采集、数据存储。
5.根据权利要求1所述的无人装备实装测试用数据采集分析系统，其特征在于：所述裁判端数据采集系统基于嵌入式系统开发，提供现场测试人员的数据记录、判分以及数据回传功能，根据各测试科目的要求，提供被测装备信息的加载、测试任务、科目以及评分标准的加载、计时和人工干预记录功能。
6.根据权利要求1所述的无人装备实装测试用数据采集分析系统，其特征在于：根据测试数据的需求，为不干扰被测装备的正常运行，在测试过程中数据采集的范围包括以下几个类别：
a)被测装备位姿数据：GPS/INS数据，包括被测装备的经纬度、速度、航向、俯仰、侧倾(通过车载端数据采集系统终端自带的GPS/INS采集)；
b)被测装备执行机构状态数据：如方向盘转角、油门、档位；
c)环境感知结果(包括目标识别结果与可通行区域)、运动规划结果、运动控制结果；
d)人机交互结果：包括接受的指令信息，发送的状态信息；
e)与其他平台的交互结果：如果所测试的科目有多辆平台，则每辆无人系统平台都要安装车载端数据采集系统终端，且其与其它平台之间的交互信息均需要记录；
f)前向视频数据：在网络条件具备的情况，通过车载端数据采集系统终端自带的视频采集摄像头以第一视角采集被测装备在测试过程中视频信息。
7.根据权利要求1所述的无人装备实装测试用数据采集分析系统，其特征在于：测试结束后，为了获取测试现场的场景数据，需要对被测装备的测试现场环境数据进行采集，除了上述测试过程中采集的数据之外，还需要读取采集以下数据：
a)感知传感器原始数据：如激光雷达、毫米波雷达、相机；
b)传感器标定数据：如相机内外参数、激光雷达与GPS相对位置参数。
8.根据权利要求1所述的无人装备实装测试用数据采集分析系统，其特征在于：数据采集完成后经过采集和分析处理器的传导，将采集的数据传导到分析模块，采集的数据经过处理模块、统计模块、编辑模块、分类模块和评估模块处理后，通过图表、文字描述、标注和图像的方式反馈到采集和分析处理器上，然后通过显示器显示出来。
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