CN112562345A - 一种基于无人机的交通违章监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的交通违章监控方法，包括以下步骤：步骤1：在终端服务器上部署巡检路线和监控行为，所述巡检路线通过GPS定位模块实现，包括定点执勤和路线巡检；监控行为包括车辆违停、行人违章、车辆行驶违章；步骤2：终端服务器将巡检路线和监控行为信息上传至无人机控制系统；步骤3：无人机控制系统控制无人机飞行至定点位置；步骤4：路线巡检：启动图像采集与违章检查系统；步骤5：图像采集与违章检查系统；本发明提供的一种基于无人机的交通违章监控方法，将成像设备、机器视觉处理单元、无线传输模块和云台置于无人机上，对重点地区和没有交通信号灯覆盖的地区实施了交通检测，达到了准确、快速执法的要求。

Description

一种基于无人机的交通违章监控方法

技术领域

本发明涉及交通监控领域，特别是一种基于无人机的交通违章监控方法。

背景技术

机器视觉和无人机作为近年来兴起的人工智能表现形式被大多数领域使用，传统的交通违章记录方式都是通过在城市主干道交通路口布设大量固定的交通信号灯和违章检测设备，但这些检测设备存在监控盲区，并且在没有布设的路口只能通过人工巡检的方式，无法全方位、快速的对定点目标区域进行布设监控。这种传统手段已经无法满足交通监管部门实时性、快速性、准确性的需求。急需更信息化的、更智能的监督手段来对违章监控。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于无人机的交通违章监控方法，该基于无人机的交通违章监控方法，利用无人机设备，将成像设备、机器视觉处理单元、无线传输模块和云台结合运用，实现了对交通系统盲区的路段的实时监控，节约了人力和时间，维护了交通秩序，显著的提高了交管部门的执法效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于无人机的交通违章监控方法，具体包括以下步骤：

步骤1：部署巡检路线、设置监控行为：在终端服务器上部署巡检路线和监控行为，所述巡检路线通过GPS定位模块实现，包括定点执勤和路线巡检；监控行为包括车辆违停、行人违章、车辆行驶违章；

步骤2：将巡检路线和监控行为上传至无人机控制系统：在完成步骤1中的布置巡检路线和设置监控行为后，终端服务器将巡检路线和监控行为信息上传至无人机控制系统，无人机控制系统包括自动稳定系统、定位通信系统、图像采集系统和违章检查系统，无人机控制系统在接收到巡检路线和监控行为信息后，启动定点监控和路线巡检工作；

步骤3：定点监控：无人机控制系统通过GPS定位模块获取了监控定点位置信息后，控制无人机飞行至定点位置，并与终端服务器建立实时通信，无人机控制系统启动图像采集与违章检查系统；

步骤4：路线巡检：在接收到部署的巡检路线后，无人机控制系统规划飞行高度、飞行速度和采集区域，并启动图像采集与违章检查系统；

步骤5：图像采集与违章检查系统：所述图像采集与违章检查系统为对采集到的图像进行车辆和车道线的检测，对于不在停车线内的车辆拍摄其车辆，并且记录时间、地点与事由，对车辆和行人不按交通信号灯的行为同样进行记录，并将记录信息实时上传给终端服务器。

优选的，所述步骤1具体包括：

步骤1-1：在终端服务器上部署巡检路线地图和与其对应的GPS位置信息。

优选的，所述步骤1中巡检路线和监控行为都是通过GPS定位实现的，定点通过记录目标点的GPS值，然后规划所要到达的路径，巡检路线和监控行为则是记录沿线的GPS信息，规划无人机的飞行路线。

优选的，所述步骤2中的自动稳定系统采用四旋翼气动布局，利用无人机接收到的定点位置信息后，利用三轴加速度和角速度数据进行姿态解算得到无人机的实时姿态角，然后将期望姿态角和实时姿态角输入PID控制器运算，无人机控制系统输出电调控制电机工作，使无人机稳定飞行。

优选的，本方法还包括步骤6，步骤6具体如下：

步骤6-1：对违章车辆进行拍照、识别和记录：拍摄违章车辆的车牌号并识别出车牌号码，记录其违章原因、地点、时间和车辆照片，并生成违章记录条，将违章记录条上传并储存在终端服务器中；

步骤6-2：对定点监测的车辆和行人违反交通信号灯的行为，进行拍摄，记录车辆的违规事项，参照步骤6-1，将定点监测位置的违规车辆的违规记录条上传并储存在终端服务器中，对行人违反交通信号灯的行为首先通过无人机上的载蜂鸣器进行警示，并对行人违反信号灯的行为进行拍摄以及上传至终端服务器中。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种基于无人机的交通违章监控方法，利用无人机设备，将成像设备、机器视觉处理单元、无线传输模块和云台置于无人机上，实现了基于机器时间的车辆与行人违章实时监测功能，对重点地区和没有交通信号灯覆盖的地区实施了交通检测，达到了准确、快速执法的要求。

附图说明

图1是本发明一种基于无人机的交通违章监控方法的功能模块图；

图2是在终端服务器上部署无人机完成执勤工作的流程图；

图3是无人机执勤时对违章行为处理的流程图；

图4是为本实施例中的无人机飞行方向的空间角度示意图。

其中有：10.无人机；11.GPS定位模块；12.视觉采集模块；13.违章处理模块；20.无线通信模块；21.通信链路；30.蜂鸣器；40.终端服务器；50.第一电机；51.第二电机；52.第三电机；53.第四电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于无人机的交通违章监控方法，具体包括以下步骤：

步骤1：部署巡检路线、设置监控行为：在终端服务器上部署巡检路线和监控行为，所述巡检路线通过GPS定位模块11实现，包括定点执勤和路线巡检；监控行为包括车辆违停、行人违章、车辆行驶违章；

步骤2：将巡检路线和监控行为上传至无人机控制系统：在完成步骤1中的布置巡检路线和设置监控行为后，终端服务器将巡检路线和监控行为信息上传至无人机控制系统，无人机控制系统包括自动稳定系统、定位通信系统、图像采集系统和违章检查系统，无人机控制系统在接收到巡检路线和监控行为信息后，启动定点监控和路线巡检工作；

步骤3：定点监控：无人机控制系统通过GPS定位模块获取了监控定点位置信息后，控制无人机飞行至定点位置，并与终端服务器建立实时通信，无人机控制系统启动图像采集与违章检查系统；

步骤4：路线巡检：在接收到部署的巡检路线后，无人机控制系统规划飞行高度、飞行速度和采集区域，并启动图像采集与违章检查系统；

步骤5：图像采集与违章检查系统：所述图像采集与违章检查系统为对采集到的图像进行车辆和车道线的检测，对于不在停车线内的车辆拍摄其车辆，并且记录时间、地点与事由，对车辆和行人不按交通信号灯的行为同样进行记录，并将记录信息实时上传给终端服务器。

本方法中，无人机终端控制器指的是可以对无人机进行控制的能力，一个终端可以通过无人机的编号控制多个无人机，本实施例中只列举对一个无人机10进行控制。当终端取得对无人机进行控制的权限后，就可以在终端服务器上进行无人机巡航路线、地点、飞行高度、速度等进行控制，并与无人机实时通信，为进一步阐述本发明的工作流程，首先对无人机保持稳定飞行方法进行说明：

四旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在无人机的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

四旋翼无人机的第一电机50和第三电机52逆时针旋转的同时，第二电机51和第四电机53顺时针旋转，因此当无人机平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。在结构图中第一电机50和第三电机52作逆时针旋转，第二电机51和第四电机53作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

(1)垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼无人机便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼无人机则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于无人机的自重时，无人机便保持悬停状态。

(2)俯仰运动：在图(b)中，第一电机50的转速上升，第三电机52的转速下降(改变量大小应相等)，第二电机51、第四电机53的转速保持不变。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当第一电机50的转速下降，第三电机52的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现无人机的俯仰运动。

(3)滚转运动：与图b的原理相同，在图c中，改变第二电机51和第四电机53的转速，保持第一电机和第三电机52的转速不变，则可使机身绕x轴旋转(正向和反向)，实现无人机的滚转运动。

(4)偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼无人机不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼无人机转动。在图d中，当第一电机50和第三电机52的转速上升，第二电机51和第四电机53的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现无人机的偏航运动，转向与第一电机50、第三电机的转向相反。

首先对加速度计数据进行归一化处理，

把加速度计的三维向量转换为单位向量，仅改变了相同的倍数不改变方向，目的是与单位四元数对应。其中，i＝x、y、z，a_x，a_y，a_z为在X、Y、Z三轴的重力加速度，四元数用方向余弦矩阵表示：

提取四元数的等效余弦矩阵中的重力分量：将当前姿态的重力在三个轴上的分量分离出来,把四元数换算成方向余弦中的第三行的三个元素，根据余弦矩阵和欧拉角的定义，就是地理坐标系(参考坐标系)的Z轴的重力向量。

提取重力分量：

其中，四元数为：Q＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k，v_x，v_y，v_z为陀螺仪积分后姿态推算的重力分量。

因陀螺仪积分后的姿态信息和加速度计测量的姿态信息存在误差，向量之间的误差可采用向量的叉积表示，故通过向量叉积表示无人机的姿态误差，进而对误差进行积分运算补偿零点漂移修正陀螺仪的输出。

其中，e_x，e_y，e_z为向量叉积，指将带有误差的加速度计向量转动到与重力向量重合，即姿态误差。

采用互补滤波算法对姿态误差进行积分并消除误差。通过姿态误差补偿到角速度上，修正角速度积分漂移系数的陀螺仪积分更新和误差修正，然后将该误差输入PI控制器后与本次姿态更新周期中陀螺仪测得的角速度相加，得到一个修正的角速度值。

V_{-error_l}+＝e_i*Ki

Gyro+＝e_i*Kp+V_{-error_l}

其中，V_error_l表示积分误差；Gyro表示已修正的角速度数值；Kp、Ki是PI控制器的两个参数。

采用龙格库塔法更新四元数，将已修正的角速度值输入四元数微分方程，用于求解四元数(q0、q1、q2、q3)。

由于误差的引入使变换四元数的模不再等于1，四元数失去规范性，因此在更新四元数计算欧拉角时须对四元数进行归一化处理。

其中，i＝0、1、2、3，q0、q1、q2、q3为四元数更新后的数据。

最后根据四元数转换欧拉角方程进行四元数求解欧拉角。

计算可得：

sinθ＝-2(q₀q₂+q₁q₃)

可得欧拉角：

偏航角：

俯仰角：θ＝arcsin(-2(q₀q₂+q₁q₃)

滚转角：

其中，航空次序欧拉角为：Z轴(航偏角：

)、Y轴(俯仰角：θ)、X轴(滚转角：Φ)。此参数为与目标位置GPS信息相关联，通过计算参数信息与目标位置信息，控制四个电机50、51、52、53的运行速度。

本方法有多种方法实现，下面结合两种工作方式的实施例与附图对本方法作进一步的说明。

方式一：路线巡航监控

当终端服务器40产生相关命令后，命令经过无线通信模块20，经由通信链路21传输至无人机10。其中，命令包含飞行路线的GPS信息、飞行速度等信息。在沿着巡检路线GPS信息飞行时，机载视觉采集模块12也同时开始工作，对采集到的图像进行实时处理，对违章行为，如未在停车位停车、逆行等违章行为进行记录，同时启动违章处理模块13，该模块会记录拍摄违章车辆的车牌、地点、时间、事由等信息并通过无线通信模块20经由通信链路21将此信息传输至终端服务器40上。

方式二：定点执勤监控

当终端服务器40产生相关命令后，命令经过无线通信模块20，经由通信链路21传输至无人机10。其中，命令包含执勤地点的GPS信息、飞行速度等信息。在无人机10到达指定交通路口时，悬停在此位置并启动视觉采集模块12。视觉采集模块实时监控红绿灯与车辆，对于在红灯状态下车辆通行时进行记录，并启动违章处理模块13，按照此种工作方法，对在定点位置的车辆违章行为进行监控。并将违章车辆的车牌、地点、时间、事由等信息并通过无线通信模块20经由通信链路21将此信息传输至终端服务器40上。

优选的，所述步骤1具体包括：

步骤1-1：在终端服务器上部署巡检路线地图和与其对应的GPS位置信息。

优选的，所述步骤1中巡检路线和监控行为都是通过GPS定位实现的，定点通过记录目标点的GPS值，然后规划所要到达的路径，巡检路线和监控行为则是记录沿线的GPS信息，规划无人机的飞行路线。

优选的，所述步骤2中的自动稳定系统采用四旋翼气动布局，利用无人机接收到的定点位置信息后，利用三轴加速度和角速度数据进行姿态解算得到无人机的实时姿态角，然后将期望姿态角和实时姿态角输入PID控制器运算，无人机控制系统输出电调控制电机工作，使无人机稳定飞行。

优选的，本方法还包括步骤6，步骤6具体如下：

步骤6-1：对违章车辆进行拍照、识别和记录：拍摄违章车辆的车牌号并识别出车牌号码，记录其违章原因、地点、时间和车辆照片，并生成违章记录条，将违章记录条上传并储存在终端服务器中；

步骤6-2：对定点监测的车辆和行人违反交通信号灯的行为，进行拍摄，记录车辆的违规事项，参照步骤6-1，将定点监测位置的违规车辆的违规记录条上传并储存在终端服务器中，对行人违反交通信号灯的行为首先通过无人机上的载蜂鸣器进行警示，并对行人违反信号灯的行为进行拍摄以及上传至终端服务器中。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无人机的交通违章监控方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：部署巡检路线、设置监控行为：在终端服务器上部署巡检路线和监控行为，所述巡检路线通过GPS定位模块实现，包括定点执勤和路线巡检；监控行为包括车辆违停、行人违章、车辆行驶违章；

步骤2：将巡检路线和监控行为上传至无人机控制系统：在完成步骤1中的布置巡检路线和设置监控行为后，终端服务器将巡检路线和监控行为信息上传至无人机控制系统，无人机控制系统包括自动稳定系统、定位通信系统、图像采集系统和违章检查系统，无人机控制系统在接收到巡检路线和监控行为信息后，启动定点监控和路线巡检工作；

步骤3：定点监控：无人机控制系统通过GPS定位模块获取了监控定点位置信息后，控制无人机飞行至定点位置，并与终端服务器建立实时通信，无人机控制系统启动图像采集与违章检查系统；

步骤4：路线巡检：在接收到部署的巡检路线后，无人机控制系统规划飞行高度、飞行速度和采集区域，并启动图像采集与违章检查系统；

步骤5：图像采集与违章检查系统：所述图像采集与违章检查系统为对采集到的图像进行车辆和车道线的检测，对于不在停车线内的车辆拍摄其车辆，并且记录时间、地点与事由，对车辆和行人不按交通信号灯的行为同样进行记录，并将记录信息实时上传给终端服务器。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的交通违章监控方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：

步骤1-1：在终端服务器上部署巡检路线地图和与其对应的GPS位置信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的交通违章监控方法，其特征在于：所述步骤1中巡检路线和监控行为都是通过GPS定位实现的，定点通过记录目标点的GPS值，然后规划所要到达的路径，巡检路线和监控行为则是记录沿线的GPS信息，规划无人机的飞行路线。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的交通违章监控方法，其特征在于：所述步骤2中的自动稳定系统采用四旋翼气动布局，利用无人机接收到的定点位置信息后，利用三轴加速度和角速度数据进行姿态解算得到无人机的实时姿态角，然后将期望姿态角和实时姿态角输入PID控制器运算，无人机控制系统输出电调控制电机工作，使无人机稳定飞行。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的交通违章监控方法，其特征在于还包括步骤6，步骤6具体如下：

步骤6-1：对违章车辆进行拍照、识别和记录：拍摄违章车辆的车牌号并识别出车牌号码，记录其违章原因、地点、时间和车辆照片，并生成违章记录条，将违章记录条上传并储存在终端服务器中；

步骤6-2：对定点监测的车辆和行人违反交通信号灯的行为，进行拍摄，记录车辆的违规事项，参照步骤6-1，将定点监测位置的违规车辆的违规记录条上传并储存在终端服务器中，对行人违反交通信号灯的行为首先通过无人机上的载蜂鸣器进行警示，并对行人违反信号灯的行为进行拍摄以及上传至终端服务器中。

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