CN112562443A - 智能探测教学实践平台和智能探测车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种智能探测教学实践平台和智能探测车，包括：第一上位机，第二上位机，下位机和可搭载实验设备；其中，第一上位机搭载MATLAB教学工具，第二上位机搭载机器人操作系统，下位机为单片机；可搭载实验设备，用于获取观测信息；观测信息包括以下至少之一：图像信息，环境信息，运动信息；第一上位机，用于基于MATLAB教学工具对观测信息进行处理，得到控制信息；第二上位机，用于基于控制信息向下位机发送控制信号，以使下位机基于控制信号控制智能探测车和/或可搭载实验设备执行动作。本发明缓解了现有技术中在实践教学方法存在的因实验环节少导致的对学生的锻炼少的技术问题。

Description

智能探测教学实践平台和智能探测车
技术领域
本发明涉及探测制导与控制技术领域，尤其是涉及一种智能探测教学实践平台和智能探测车。
背景技术
“新工科”建设是一种新的工程教育发展模式，它不仅要解决如何培养具备更强创新创业能力、跨界整合能力的新型工程科技人才的问题，更着眼于面向未来新技术和新产业发展，着力推动学科交叉融合和跨界整合，构建工程教育的新理念、新结构、新质量和新体系。“探测制导与控制”是工科大学里的一个专业，它所涉及到的技术是航空、航天工程的重要技术之一，也是自动化技术的一个重要应用领域。这个专业的主要任务是对飞机、导弹、运载火箭和航天器(包括人造卫星、航天飞机等)的轨道、姿态和各种工作状态进行控制。面对新工科的要求，仍然需要进行大量的革新，以提高学生的工程实践能力。
目前在实验和实践教学方面主要存在以下问题：一是研究性内容偏多，实验环节较少，学生很少能发现并提出问题，对学生解决工程实际问题能力的锻炼很少；二是学生的创造性思维启发不够，由于和实际接触较少，没有实物作为感官上的认识，对学生的启发不够。这在一定程度上阻碍了学生对探测与识别系统的认识和理解以及对所学知识的运用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种智能探测教学实践平台和智能探测车，以缓解现有技术中在实践教学方法存在的因实验环节少导致的对学生的锻炼少的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种智能探测教学实践平台，包括：第一上位机，第二上位机，下位机和可搭载实验设备；其中，所述第一上位机搭载MATLAB教学工具，所述第二上位机搭载机器人操作系统，所述下位机为单片机；所述第二上位机、所述下位机和所述可搭载实验设备均搭载于智能探测车上；所述可搭载实验设备，用于获取观测信息；所述观测信息包括以下至少之一：图像信息，环境信息，运动信息；所述第一上位机，用于基于所述MATLAB教学工具对所述观测信息进行处理，得到控制信息；所述第二上位机，用于基于所述控制信息向所述下位机发送控制信号，以使所述下位机基于所述控制信号控制所述智能探测车和/或所述可搭载实验设备执行动作。
进一步地，所述可搭载实验设备包括：相机，激光雷达，惯性测量模块。
进一步地，所述相机设置于所述智能探测车头部；所述相机包括以下至少之一：单目相机，双目相机；所述相机，用于实时获取所述智能探测车前方的图像信息。
进一步地，所述激光雷达设置于所述智能探测车顶部，用于获取所述智能探测车周围的环境信息。
进一步地，所述惯性测量模块，用于测量所述智能探测车的运动信息；所述运动信息包括以下至少之一：速度，加速度，运动距离。
进一步地，所述平台还包括：显示模块，用于显示所述观测信息和实验操作界面。
进一步地，所述平台还包括：仿真服务器，所述仿真服务器分别与所述第一上位机和所述智能探测车通过网络连接；所述仿真服务器，用于将所述观测信息转发给所述第一上位机，和将所述控制信息转发给所述第二上位机。
进一步地，所述仿真服务器搭载Gazebo仿真工具，所述Gazebo仿真工具用于仿真虚拟智能探测车和仿真虚拟环境；所述仿真服务器，还用于通过所述虚拟智能探测车在所述虚拟环境中采集虚拟观测数据，并将所述虚拟观测数据发送给所述第一上位机；所述第一上位机，还用于基于所述MATLAB教学工具对所述虚拟观测数据进行处理，得到虚拟控制信息。
进一步地，所述平台还包括：电源模块，用于为所述平台供电。
第二方面，本发明实施例还提供了一种智能探测车，所述智能探测车包括上述第一方面所述的平台。
本发明提供了一种智能探测教学实践平台和智能探测车，包括：第一上位机，第二上位机，下位机和可搭载实验设备；其中，第一上位机搭载MATLAB教学工具，第二上位机搭载机器人操作系统，下位机为单片机；可搭载实验设备，用于获取观测信息；观测信息包括以下至少之一：图像信息，环境信息，运动信息；第一上位机，用于基于MATLAB教学工具对观测信息进行处理，得到控制信息；第二上位机，用于基于控制信息向下位机发送控制信号，以使下位机基于控制信号控制智能探测车和/或可搭载实验设备执行动作。本发明实施例通过可搭载实验设备获取不同的观测信息，可以对不同的教学实验在平台上进行实践，为专业课的实验与实践教学提供综合、跨课程、跨专业的实验平台，缓解了现有技术中在实践教学方法存在的因实验环节少导致的对学生的锻炼少的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的第一种智能探测教学实践平台的示意图；
图2为本发明实施例提供的第二种智能探测教学实践平台的示意图；
图3为本发明实施例提供的第三种智能探测教学实践平台的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于ROS-MATLAB的视觉识别智能探测可视化教学实践平台整体结构框图；
图5为本发明实施例提供的一种算法验证端的GUI界面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例一：
图1是根据本发明实施例提供的第一种智能探测教学实践平台的示意图。如图1所示，该平台包括：第一上位机10，第二上位机20，下位机30和可搭载实验设备40。其中，第一上位机10搭载MATLAB教学工具，第二上位机20搭载机器人操作系统(Robot OperatingSystem，ROS)，下位机30为单片机。
具体地，可搭载实验设备40，用于获取观测信息；观测信息包括以下至少之一：图像信息，环境信息，运动信息。
可选地，可搭载实验设备40可以根据实验的不同而选择不同的设备，例如，包括：相机，激光雷达，惯性测量模块；以及，还可以搭载GPS接收机用于导航制导等。
第一上位机10，用于基于MATLAB教学工具对观测信息进行处理，得到控制信息。具体地，第一上位机10由运行Windows系统的计算机组成，同时能够通过无线网络接收下位机数据，进行图像等耗时的数据处理工作。
在本发明实施例中，可搭载实验设备40可以采集多种观测信息，然后通过下位机30和第二上位机20将观测信息发送到第一上位机10，以使第一上位机10利用MATLAB教学工具对观测信息进行处理。
可选地，第一上位机10的数量为多个。
可选地，第一上位机10还搭载教学实践平台软件，由基于MATLAB/SIMULINK设计的操作界面，内置不同实验算法示例。
第二上位机20，用于基于控制信息向下位机发送控制信号，以使下位机基于控制信号控制智能探测车和/或可搭载实验设备执行动作。
可选地，第二上位机20负责简单的数据处理和数据采集、中转。下位机30中的单片机主要负责电机驱动、惯性测量模块的数据采集，并通过串口与第二上位机20通讯。
本发明实施例提供的一种智能探测教学实践平台，通过可搭载实验设备获取不同的观测信息，可以对不同的教学实验在平台上进行实践，为专业课的实验与实践教学提供综合、跨课程、跨专业的实验平台，缓解了现有技术中在实践教学方法存在的因实验环节少导致的对学生的锻炼少的技术问题。
可选地，相机设置于智能探测车头部；相机包括以下至少之一：单目相机，双目相机；相机，用于实时获取智能探测车前方的图像信息。
具体地，当可搭载实验设备40为相机时，相机与第二上位机中的微型计算机通过串口进行通信，可以拍摄智能探测车前方的实时图像，然后由第二上位机20接收相机的图像数据，传输给第一上位机10，由第一上位机10进行图像处理，可以立体视觉、目标追踪等跟图像相关的实验。
可选地，激光雷达设置于智能探测车顶部，用于获取智能探测车周围的环境信息。可选地，激光雷达为单线激光雷达。
具体地，当可搭载实验设备40为激光雷达时，激光雷达与第二上位机20通过串口进行通信，能够获取智能探测车周围360°的环境的距离信息，通过信息融合将位置信息传输至第一上位机进行处理，可以完成目标探测追踪、路径规划、平面地图的构建、避障、定位等实验。
可选地，惯性测量模块，用于测量智能探测车的运动信息；运动信息包括以下至少之一：速度，加速度，运动距离。具体地，惯性测量模块能够测量智能探测车在各个方向的加速度，通过将加速度对时间进行积分可以得到智能探测车的速度，再次进行积分可以得到运动距离。
可选地，图2是根据本发明实施例提供的第二种智能探测教学实践平台的示意图，如图2所示，本发明实施例提供的平台还包括：显示模块50，用于显示观测信息和实验操作界面。
具体地，通过显示模块50提供的实验操作界面，学生可点选不同实验项目进行不同实验，同时可通过更改内置函数验证自己设计的算法，而不用关心底层ROS的工作原理，能够快速验证算法。虚拟仿真环境进一步加快了算法验证的速度，能够忽略实际中硬件的不确定性问题，更专注于算法理论模型的构建。
可选地，如图2所示，本发明实施例提供的平台还包括：电源模块60，用于为平台供电。优选地，电源模块60为智能探测车内置电源。
可选地，图3是根据本发明实施例提供的第三种智能探测教学实践平台的示意图，如图3所示，本发明实施例提供的平台还包括：仿真服务器200，仿真服务器200分别与第一上位机10和智能探测车100通过网络连接。
具体地，仿真服务器200，用于将观测信息转发给第一上位机10，和将控制信息转发给第二上位机20。
在本发明实施例中，仿真服务器200了搭载Gazebo仿真工具，Gazebo工具用于仿真虚拟智能探测车和仿真虚拟环境。
可选地，如图3所示，第二上位机20、下位机30和可搭载实验设备40均搭载于智能探测车100上。
可选地，仿真服务器200还用于通过虚拟智能探测车在虚拟环境中采集虚拟观测数据，并将虚拟观测数据发送给第一上位机10；
第一上位机10，还用于基于MATLAB教学工具对虚拟观测数据进行处理，得到虚拟控制信息。
在本发明实施例中，仿真服务器可以作为第一上位机和智能探测车之间传输数据的中转站，也可以提供虚拟智能探测车和虚拟环境并与第一上位机进行直接的数据交互。例如，仿真服务器可以通过Gazebo工具仿真出虚拟智能探测车和仿真出虚拟环境，然后通过虚拟智能探测车在虚拟环境中采集虚拟观测数据，并将虚拟观测数据通过网络发送到第一上位机；第一上位机可以基于MATLAB教学工具对虚拟观测数据进行处理，并得到虚拟控制信息，然后第一上位机通过网络将虚拟控制信息发送到仿真服务器，以使仿真服务器通过虚拟控制信息控制虚拟探测车进行动作。
本发明实施例提供的一种智能探测教学实践平台，能够实现基于多变量高斯分布及卡尔曼滤波的目标探测跟踪、基于SIMULINK的PID在线调参、基于随机路径图法的路径规划、基于Leader-Follower的集群控制以及基于GAZEBO的虚拟环境仿真。相应算法均在MATLAB环境下开发、验证。同时学生能够更改替换现有算法，将现有实践平台作为算法验证平台。
本发明实施例提供的平台具有以下优点：
1、本发明实施例提供的平台以机器人操作系统ROS为基本架构，将不同功能进行独立封装，通过节点通信的方式实现整个教学平台的功能。这种松耦合的系统设计方案能够根据不同的教学需求灵活定制，同时支持多种编程语言能满足不同学生的需求。可扩展的软件结构和硬件不敏感特点不但提高了整个系统的可靠性，也使系统的可拓展性和组网的灵活性得到极大提高。
2、本发明实施例提供的平台的构建为针对目前探测与识别技术相关教材及课程内容理论性过强、理论推导过多和实践教学少而设计的。为此，该教学平台从仿真到实物，从基础功能到复杂功能，从单一到集群控制充分涵盖课程知识。并尽可能降低系统的复杂度，能够快速开展相关课程设计，同时涉及到不同课程、专业的知识，满足跨课程、跨专业的实践教学要求。
3、本发明实施例提供的平台的仿真软件采用Gazebo,可以建立仿真模型，更加真实更好的满足开发者需求，将模拟仿真与实物相结合的实验平台，更加有利于开发者学习。
4、本发明实施例提供的平台的算法均在MATLAB/SIMULINK下开发，更符合工科学生的使用习惯，无需关心底层ROS的实现，降低对学生的编程要求，能够加快算法验证进程。同时算法验证端能够多个节点同时接入ROS网络，实验规模更灵活。
本发明实施例还提供了一种智能探测车，智能探测车包括本发明实施例提供的一种智能探测教学实践平台。
实施例二：
图4为根据本发明实施例提供的一种基于ROS-MATLAB的视觉识别智能探测可视化教学实践平台整体结构框图。如图4所示，该平台设置于智能探测车车体1上，包括：电源2，微型计算机3，单片机4，单目/双目相机5，单线激光雷达6，惯性测量单元7，电机8，上位机9和算法验证端11。
具体地，如图4所示，智能探测车车体1为实践平台的载体，电源2为车载设备供电。
微型计算机3、上位机9均运行Ubuntu系统，安装机器人操作系统ROS。上位机9作为ROS-master节点负责处理计算量大的数据和虚拟环境仿真。算法验证端11为安装有MATLAB的个人电脑。智能探测车车体1、上位机9、算法验证端11均通过WIFI进行数据传输。
算法验证端11的GUI界面如图5所示。通过订阅相应ROS节点获得智能探测车车载设备获取的相关数据，如获取单目/双目图像数据、获取激光雷达扫描数据、获取惯性测量单元数据。同时还能够获得ROS中设定的参数，如PID参数等。
算法验证端11，内置多种实验内容：目标探测跟踪、PID在线调节、路径规划、集群控制、模拟仿真和帮助文档。目标探测跟踪实验通过图像获得目标RGB信息，利用多变量高斯分布相关知识进行目标识别，利用卡尔曼滤波进行目标的跟踪、预测。PID在线调节实验通过MATLAB/SIMULINK获取、设定ROS参数服务器中的PID参数和探测车车轮转速数据，对比观察不同参数对控制效果的影响。路径规划实验在已有地图的前提下，指定目标点，使用随机路径图法控制探测车运行到指定地点。集群控制实验利用Leader-Follower集群控制策略完成对多辆探测车的协同控制。模拟仿真通过GAZEBO建立虚拟三维环境，能够在不使用硬件的条件下进行上述实验。上述实验均能够通过修改内置函数、相关参数进行算法验证。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种智能探测教学实践平台，其特征在于，包括：第一上位机，第二上位机，下位机和可搭载实验设备；其中，所述第一上位机搭载MATLAB教学工具，所述第二上位机搭载机器人操作系统；所述第二上位机、所述下位机和所述可搭载实验设备均搭载于智能探测车上；
所述可搭载实验设备，用于获取观测信息；所述观测信息包括以下至少之一：图像信息，环境信息，运动信息；
所述第一上位机，用于基于所述MATLAB教学工具对所述观测信息进行处理，得到控制信息；
所述第二上位机，用于基于所述控制信息向所述下位机发送控制信号，以使所述下位机基于所述控制信号控制所述智能探测车和/或所述可搭载实验设备执行动作。
2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述可搭载实验设备包括：相机，激光雷达，惯性测量模块。
3.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述相机设置于所述智能探测车头部；所述相机包括以下至少之一：单目相机，双目相机；
所述相机，用于实时获取所述智能探测车前方的图像信息。
4.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述激光雷达设置于所述智能探测车顶部，用于获取所述智能探测车周围的环境信息。
5.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述惯性测量模块，用于测量所述智能探测车的运动信息；所述运动信息包括以下至少之一：速度，加速度，运动距离。
6.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述平台还包括：显示模块，用于显示所述观测信息和实验操作界面。
7.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述平台还包括：仿真服务器，所述仿真服务器分别与所述第一上位机和所述智能探测车通过网络连接；
所述仿真服务器，用于将所述观测信息转发给所述第一上位机，和将所述控制信息转发给所述第二上位机。
8.根据权利要求7所述的平台，其特征在于，所述仿真服务器搭载Gazebo仿真工具，所述Gazebo仿真工具用于仿真虚拟智能探测车和仿真虚拟环境；
所述仿真服务器，还用于通过所述虚拟智能探测车在所述虚拟环境中采集虚拟观测数据，并将所述虚拟观测数据发送给所述第一上位机；
所述第一上位机，还用于基于所述MATLAB教学工具对所述虚拟观测数据进行处理，得到虚拟控制信息。
9.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述平台还包括：电源模块，用于为所述平台供电。
10.一种智能探测车，其特征在于，所述智能探测车包括权利要求1-9任一项所述的平台。
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