CN112614171A - 面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统 - Google Patents
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Abstract
面向工程机械集群作业的空‑地一体化动态环境感知系统，其特征在于：包括用于获得全局机载图像信息与位置信息的机载环境感知系统、用于获得局部车载图像信息与位置信息的集群车载环境感知系统和数据采集与分析中心，该数据采集与分析中心获取全局机载图像信息、局部车载图像信息和位置信息进行处理得到动态环境地形深度信息。本发明通过无人机机载环境感知系统和集群车载环境感知系统实现图像信息和位置信息的高效、实时采集和传输，智能化程度高，适用于工程机械集群作业，能够实现空‑地一体化的动态环境感知，为工程机械集群作业中地形感知与重构、物体辨识与定位、以及三维地图建模等关键技术研究提供数据保障。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械集群智能化环境感知领域，特别是指一种面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统。
背景技术
工程机械在人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术以及混合动力、新能源等推动下，未来将会向高效、节能、数据化、智能化的方向发展。新一代工程机械不仅需要实现集成化操作和智能控制，而且需要将它们组成基于网络的智能化机群协同控制系统，以获得项目施工的高效、低耗，并在尽可能短的时间内完成项目施工任务。因此，集群智能是工程机械未来发展的必然趋势，而环境感知则是实现工程机械集群智能的前提。
构建全局性的作业环境感知系统对未来实现工程机械的集群协同作业非常关键，而现有的工程机械领域的环境感知研究大多还停留在个体工程机械的自主作业上，例如：中国发明申请CN202010211530.6提出一种自动驾驶矿用自卸卡车环境感知系统及矿用自卸卡车，主要描述提高矿用自卸卡车的感知范围，以及提高感知检测精度的工作方法；中国发明申请CN202010120372.3提出了一种自动驾驶汽车环境感知的预测方法和装置系统，主要描述的预测方法提高了个体汽车自动驾驶的安全性。这些专利主要提出车载环境感知系统和方法，用于实现车辆个体周围局部环境信息的感知。然而，对于工程机械集群协同作业过程中，作业现场全局性作业环境信息是集群协同作业中地形感知与重构、物体辨识与定位以及三维地图建模等关键技术的重要信息来源。因此，现有车载环境感知系统和方法无法直接应用于工程机械集群协同作业现场的环境识别和感知。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，实现工程机械集群作业过程中用于地形扫描、障碍物识别的作业环境感知，从而建立人-机-环境的三维协同地图。
本发明采用如下技术方案：
面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：包括用于获得全局机载图像信息与位置信息的机载环境感知系统、用于获得局部车载图像信息与位置信息的集群车载环境感知系统和数据采集与分析中心，该数据采集与分析中心获取全局机载图像信息、局部车载图像信息和位置信息进行处理得到动态环境地形深度信息。
优选的，所述机载环境感知系统包括无人机，无人机上安装有双目摄像机以及北斗定位传感设备，该双目摄像机用于采集全局机载图像信息，该北斗定位传感设备用于采集位置信息。
优选的，所述双目摄像机包含两个CCD摄像机，采用相交光轴的形式固定于无人机上以采集不同角度的物体图像对信息。
优选的，所述集群车载环境感知系统包括若干工程机械车辆，该工程机械车辆上安装有双目摄像机、北斗定位传感设以及360度旋转云平台。
优选的，所述工程机械车辆包括有装载机、挖掘机、平地机或自卸车。
优选的，所述双目摄像机包含两个CCD摄像机，采用相交光轴的形式固定于360度旋转云平台上以实现360度全方位场景的扫描采集不同角度的物体图像对信息。
优选的，所述数据采集与分析中心包括微型工控机和无线通信模块，所述微型工控机通过无线通信模块与所述机载环境感知系统和集群车载环境感知系统通信，以控制实现实时启停、数据采集、数据传输以及处理得到局部地形深度信息。
优选的，所述微型工控机对获得的全局机载图像信息进行滤波去燥、灰度修正、图像增强，得到左右灰度图像；检测并匹配左右灰度图像中物体表面的边缘特征以及点特征后，再根据映射矩阵方程计算得到全局地形深度信息。
优选的，所述微型工控机对获得的局部车载图像信息进行滤波去燥、灰度修正、图像增强，得到左右灰度图像；检测并匹配左右灰度图像中物体表面的边缘特征以及点特征后，再根据映射矩阵方程计算得到局部地形深度信息。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过无人机机载与工程机械集群车载双目立体视觉技术相结合，实现作业区域全覆盖，扩大环境感知范围，智能化程度高，适用于工程机械集群作业，能够实现空-地一体化的动态环境感知。
本发明使用的双目视觉摄像机与双目视觉技术，相较于激光雷达技术成本更低；通过通讯模块实现图像信息和定位信息的高效、实时传输；通过微型工控机远程控制提高了环境感知的可靠性和准确性。
附图说明
图1为本发明系统模块图
图2为本发明无人机结构图；
图3为本发明工程机械车辆结构图。
其中：1、机载环境感知系统，2、集群车载环境感知系统，3、数据采集与分析中心，4、无人机，5、双目摄像机，6、北斗定位传感设备，7、工程机械车辆，8、360度旋转云平台，9、微型工控机，10、无线通信模块，
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”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，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，包括用于获得全局机载图像信息与位置信息的机载环境感知系统1、用于获得局部车载图像信息与位置信息的集群车载环境感知系统2和数据采集与分析中心3，该数据采集与分析中心3获取全局机载图像信息、局部车载图像信息和位置信息进行处理得到动态环境地形深度信息。
本发明中，机载环境感知系统1包括无人机4，无人机4上安装有双目摄像机5以及北斗定位传感设备6，该双目摄像机5用于采集全局机载图像信息，该北斗定位传感设备6用于采集位置信息。双目摄像机5包含两个CCD摄像机，采用相交光轴的形式固定于无人机4上以采集不同角度的物体图像对信息，获得周围环境的全局机载图像信息。
具体的，可参见图2，双目摄像机5位于无人机4底部，镜头可被遥控跟随目标，北斗定位传感设备6安装在无人机4顶部，一起构成机载环境感知系统1。当机载环境感知系统1的无人机4飞行至作业区域的特定高度时，开启获取周围环境全局性的机载图像信息和全局性地形位置信息。
集群车载环境感知系统2包括若干工程机械车辆7，该工程机械车辆7上安装有双目摄像机5、北斗定位传感设以及360度旋转云平台8。其中双目摄像机5和北斗定位传感设备6的数量分别为N，1≤i≤N。工程机械车辆7包括有装载机、挖掘机、平地机或自卸车等工程机械车辆。北斗定位传感设备6用于获取局部性地形位置信息。
双目摄像机5包含两个CCD摄像机，采用相交光轴的形式固定于360度旋转云平台8上以实现360度全方位场景的扫描，采集不同角度的物体图像对信息，即周围环境局部性的车载图像信息。
本发明的无人机4和工程机械车辆7均设置有无线通信模块，用于将采集到的全局机载图像信息、局部车载图像信息和定位信息发送至数据采集与分析中心3进行存储与分析。
本发明的数据采集与分析中心3包括微型工控机9和无线通信模块10。无线通信模块10选用5G无线模块，其主要作用在于实现数据的远程传输与通信。无线通信模块10并不仅限于5G无线模块，还可以是无线WIFI模块、GPRS模块等。微型工控机9通过无线通信模块10与机载环境感知系统1和集群车载环境感知系统2通信，控制实现实时启停、数据采集、数据传输以及处理得到局部地形深度信息。即，该微型工控机9可发送指令，控制双目摄像机5和定位传感设备的工作和信号的传输等，相应的数据采集指令有采样率、采样时长等。
微型工控机9安装于工程管理控制中心，作用是进行数据采集与分析，同时通过发送指令控制机载环境感知系统1与集群车载环境感知系统2的工作。微型工控机9选用1个工业级嵌入式系统，其不限于工业电脑，还可以是嵌入式单片机系统、树莓派等。
本发明微型工控机9处理得到动态环境地形深度信息，包括有局地形深度信息、局部地形深度信息和对应的位置信息等，工作原理如下：
在工程机械车辆7开始作业前，启动无人机4至适宜高度，微型工控机9采集到来自无人机4的图像数据后，对其上的双目摄像机5进行参数标定，获取由图像二维像素点到空间三维位置之间的映射矩阵方程，得到双目摄像机5的标定参数，然后无人机4对作业环境进行单次扫描，采集周围环境全局性的机载图像信息和全局性地形位置信息。通过无线通信模块10将采集得到的图像和位置信息传输至微型工控机9，微型工控机9对无人机4的双目摄像机5获得的左右图像进行滤波去燥、灰度修正、图像增强等图像预处理，得到左右灰度图像；检测并匹配左右灰度图像中物体表面的边缘特征以及点特征后，再根据映射矩阵方程计算得到全局地形深度信息。
在工程机械集群作业过程中，当工程机械车辆7启动后，微型工控机9采集到来自工程机械车辆7的双目摄像机5的图像数据后，对双目摄像机5进行参数标定，获取由图像二维像素点到空间三维位置之间的映射矩阵方程，得到双目相机8的标定参数，然后当工程机械车辆7启动作业时，不间断地采集周围环境局部性的车载图像信息和个体动态位置信息，通过无线通信模块10将采集得到的图像和位置信息传输至微型工控机9，微型工控机9对工程机械车辆7上的双目摄像机5获得的左右图像进行滤波去燥、灰度修正、图像增强等图像预处理，得到左右灰度图像；检测并匹配左右灰度图像中物体表面的边缘特征以及点特征后，再根据映射矩阵方程计算计算得到局部地形深度信息。
本发明通过机载环境感知系统1和集群车载环境感知系统2实现图像信息和位置信息的高效、实时采集和传输，智能化程度高，适用于工程机械集群作业，能够实现空-地一体化的动态环境感知，为工程机械集群作业中地形感知与重构、物体辨识与定位、以及三维地图建模等关键技术研究提供数据保障。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：包括用于获得全局机载图像信息与位置信息的机载环境感知系统、用于获得局部车载图像信息与位置信息的集群车载环境感知系统和数据采集与分析中心，该数据采集与分析中心获取全局机载图像信息、局部车载图像信息和位置信息进行处理得到动态环境地形深度信息。
2.如权利要求1所述的面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：所述机载环境感知系统包括无人机，无人机上安装有双目摄像机以及北斗定位传感设备，该双目摄像机用于采集全局机载图像信息，该北斗定位传感设备用于采集位置信息。
3.如权利要求2所述的面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：所述双目摄像机包含两个CCD摄像机，采用相交光轴的形式固定于无人机上以采集不同角度的物体图像对信息。
4.如权利要求1所述的面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：所述集群车载环境感知系统包括若干工程机械车辆，该工程机械车辆上安装有双目摄像机、北斗定位传感设以及360度旋转云平台。
5.如权利要求4所述的面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：所述工程机械车辆包括有装载机、挖掘机、平地机或自卸车。
6.如权利要求4所述的面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：所述双目摄像机包含两个CCD摄像机，采用相交光轴的形式固定于360度旋转云平台上以实现360度全方位场景的扫描采集不同角度的物体图像对信息。
7.如权利要求1所述的面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：所述数据采集与分析中心包括微型工控机和无线通信模块，所述微型工控机通过无线通信模块与所述机载环境感知系统和集群车载环境感知系统通信，以控制实现实时启停、数据采集、数据传输以及处理得到局部地形深度信息。
8.如权利要求7所述的面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：所述微型工控机对获得的全局机载图像信息进行滤波去燥、灰度修正、图像增强，得到左右灰度图像；检测并匹配左右灰度图像中物体表面的边缘特征以及点特征后，再根据映射矩阵方程计算得到全局地形深度信息。
9.如权利要求7所述的面向工程机械集群作业的空-地一体化动态环境感知系统，其特征在于：所述微型工控机对获得的局部车载图像信息进行滤波去燥、灰度修正、图像增强，得到左右灰度图像；检测并匹配左右灰度图像中物体表面的边缘特征以及点特征后，再根据映射矩阵方程计算得到局部地形深度信息。
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|---|---|---|---|---|
| CN117590751A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-02-23 | 深圳市德威胜潜水工程有限公司 | 基于水下机器人的水下环境监测方法及系统 |
| CN117590751B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-03-22 | 深圳市德威胜潜水工程有限公司 | 基于水下机器人的水下环境监测方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112614171B (zh) | 2023-12-19 |
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Inventor after: Wang Shaojie Inventor after: Yin Yue Inventor after: Hou Liang Inventor after: Wu Binyun Inventor after: Zhu Hesen Inventor before: Wang Shaojie Inventor before: Yin Yue Inventor before: Wu Binyun Inventor before: Zhu Hesen Inventor before: Hou Liang |
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