CN115790282B - 一种无人驾驶靶车方向控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人驾驶靶车方向控制系统和控制方法，所述控制系统包括双目摄像机（1）、三轴云台（2）、方向盘控制舵机（3）、控制器（4）和惯性导航装置（5），所述双目摄像机（1）安装在所述三轴云台（2）上，所述三轴云台（2）固定在靶车的顶部，所述双目摄像机（1）和惯性导航装置（5）都连接到所述控制器（4）的输入端上，所述方向盘控制舵机（3）连接到所述控制器（4）的输出端上且所述方向盘控制舵机（3）与所述靶车的方向盘相连。其采用双目视觉定位的方式，可以有效解决卫星拒止条件下无人驾驶靶车的使用问题。

Description

一种无人驾驶靶车方向控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于无人驾驶靶车技术领域，涉及一种无人驾驶靶车方向控制系统和控制方法，尤其是在卫星信号不可用情况下，无人驾驶靶车的定位和使用系统和方法。

背景技术

目前，为了贴近实战化考核，在军事训练中增加了弹药卫星拒止条件下使用和攻击运动目标的试验科目。而市面上几乎所有的靶车位置信号都由卫星接收机提供。在无卫星信号辅助定位的场景，比如隧道、厂房、强电磁干扰、卫星信号屏蔽等情况下，靶车定位使用成了难题。目前，无GPS 位置辅助的条件下，靶车控制主要有以下几种方式：

1、电子标签辅助定位（UWB），通过在一定区域布置通讯基站，计算运动标签和固定基站的时间差进行定位。为了完成二维定位，该方式需要铺设至少3个基站；为了完成三维定位，需要铺设5个基站，且基站之间有间距和相对位置关系要求，定位位置精度可以达到20cm。但是，在绝大多数情况下，使用环境不允许铺设多个基站；另外，基站的铺设有严格的相对位置要求，比如要通视、等高、距离小于300米等，并且基站需要单独供电，从而给外场使用带来了巨大不便。

2、由于无人靶车在使用过程中，人员撤离较远，路上无人员，有些厂家采用了遥控驾驶模式。也就是，在车辆前端固定一个摄像头，通过图像传输装置将驾驶员第一视角的图像回传给操控手，操控手根据图像控制车辆行驶方向。这种方式适合路面宽敞、图像传输流畅的场景。但是，一般使用时，靶道路面不平整、路面较窄，图像传输有约0.5s的延迟、人员操控有延迟、方向舵机执行有延迟，最终会导致靶车在高速行驶时摆动很大，车速很难达到60km／h。

3、非洲的用户为了解决没有卫星辅助定位情况下靶车使用问题，采取了一种低成本方案：将靶车开至专门修建的斜坡上，在靶车尾部通过钢丝绳拉紧靶车，钢丝绳上安装了爆炸螺栓。当操控人员听到靶车启动的口令后，给出信号，炸断钢丝绳，靶车在重力的作用下开始从斜坡上向下驶去，逐渐加速。这种方式中车辆方向处于无控状态，很难远距离行驶不偏离车道，绝大多数情况下，车辆行驶数十米就进入路边的壕沟中。

基于现有技术的上述缺陷，迫切需要研究一种卫星拒止条件下，也就是，在卫星信号不可用的情况下，无人驾驶靶车的定位和使用系统及方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提出一种无人驾驶靶车方向控制系统和控制方法，其采用双目视觉定位的方式，可以有效解决卫星拒止条件下无人驾驶靶车的使用问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无人驾驶靶车方向控制系统，其包括双目摄像机、三轴云台、方向盘控制舵机、控制器和惯性导航装置，其特征在于，所述双目摄像机安装在所述三轴云台上，所述三轴云台固定在靶车的顶部，所述双目摄像机和惯性导航装置都连接到所述控制器的输入端上，所述方向盘控制舵机连接到所述控制器的输出端上且所述方向盘控制舵机与所述靶车的方向盘相连。

优选地，所述双目摄像机的镜头上设置有滤光片。

优选地，所述双目摄像机用于拍摄所述靶车前方的图片并将拍摄的图片发送给所述控制器，所述控制器根据双目成像原理利用所述图片得出图片中的目标点到所述双目摄像机的中心的距离并基于所述目标点到所述双目摄像机的中心的距离计算出所述双目摄像机获得的靶车位置。

优选地，所述控制器基于所述双目摄像机获得的靶车位置，结合所述惯性导航装置计算得到的靶车位置变化值计算出所述靶车的准确当前位置，并根据所述靶车的准备当前位置与期望位置点的偏差给所述方向盘控制舵机发送脉宽调制控制指令。

优选地，所述控制器采用以下公式计算出所述靶车的准确当前位置的坐标值：

(x1+a*(x0-x1)+b*dx，y1+a*(y0-y1)+b*dy，z1+a*(z0-z1)+b*dz)；

其中，（x0,y0,z0）是所述双目摄像机获得的靶车当前位置的坐标值，（x1,y1,z1）是所述双目摄像机获得的靶车1s之前的位置的坐标值，(dx,dy,dz)是所述惯性导航装置积分计算得到的1s内的位置坐标变化值，a是所述双目摄像机获得的靶车位置的置信度，b为所述惯性导航装置计算得到的靶车位置的置信度。

优选地，所述方向盘控制舵机接收所述控制器发送的脉宽调制控制命令并输出对应的方向盘偏转角度以控制所述靶车的方向盘的方向。

此外，本发明还提供一种无人驾驶靶车方向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、将双目摄像机安装在三轴云台上；

2）、将所述三轴云台固定在靶车的顶部；

3）、将所述三轴云台调整水平，以将所述双目摄像机的角度调整为水平向前拍摄；

4）、将所述双目摄像机和惯性导航装置连接到控制器的输入端上；

5）、将方向盘控制舵机连接到控制器的输出端上；

6）、在所述控制器中配置所述靶车的轨迹线，并设置相对起始点的坐标值；

7）、将所述方向盘控制舵机和所述靶车的方向盘相连；

8）、控制所述靶车沿着配置的轨迹线行驶。

优选地，在行驶过程中，所述双目摄像机用于拍摄所述靶车前方的图片并将拍摄的图片发送给所述控制器，所述控制器根据双目成像原理利用所述图片得出图片中的目标点到所述双目摄像机的中心的距离并基于所述目标点到所述双目摄像机的中心的距离计算出所述双目摄像机获得的靶车位置。

优选地，所述控制器基于所述双目摄像机获得的靶车位置，结合所述惯性导航装置计算得到的靶车位置变化值计算出所述靶车的准确当前位置，并根据所述靶车的准备当前位置与期望位置点的偏差给所述方向盘控制舵机发送脉宽调制控制指令。

优选地，所述控制器采用以下公式计算出所述靶车的准确当前位置的坐标值：

(x1+a*(x0-x1)+b*dx，y1+a*(y0-y1)+b*dy，z1+a*(z0-z1)+b*dz)；

其中，（x0,y0,z0）是所述双目摄像机获得的靶车当前位置的坐标值，（x1,y1,z1）是所述双目摄像机获得的靶车1s之前的位置的坐标值，(dx,dy,dz)是所述惯性导航装置积分计算得到的1s内的位置坐标变化值，a是所述双目摄像机获得的靶车位置的置信度，b为所述惯性导航装置计算得到的靶车位置的置信度。

与现有技术相比，本发明的无人驾驶靶车方向控制系统和控制方法具有如下有益技术效果中的一者或多者：

1、其大幅度降低了系统成本，采用UWB定位标签的方式进行三维定位，铺设5个基站，外加两个标签，费用大于3万，外加供电和基站摆放、维护费用高、铺设不便利；采用本发明的方案，只需配备一个双目摄像头和三轴云台，就可以为靶车提供相对准确的位置坐标，成本低廉。

2、其解决了没有卫星定位辅助条件下，无人驾驶靶车位置来源的问题，且误差小，安装方便；另外，双目摄像头可以方便搭载AI人工智能算法，在不增加硬件的前提下，快速实现自主避障、特征识别、编队行驶等功能。

3、其主要应用在视觉定位领域，通过将成熟的三轴云台引入定位系统，高效、可靠地解决了双目摄像头定位时由于姿态变化带来的误差，大幅度简化了算法，提高了系统的可靠性。

4、用本发明设计的样机在实验室测试时，位置精度可以达到10cm以内，位置输出周期大于10Hz，完全能够满足无人驾驶靶车的需求。

附图说明

图1是本发明的无人驾驶靶车方向控制系统的构成示意图。

图2是双目视觉定位原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。

本发明针对现有方法的不足之处进行改进，采用双目视觉定位的方式，解决了靶车在野外没有卫星信号下的定位和控制难题。

图1示出了本发明的无人驾驶靶车方向控制系统的构成示意图。如图1所示，本发明的无人驾驶靶车方向控制系统包括双目摄像机1、三轴云台2、方向盘控制舵机3、控制器4和惯性导航装置6。

其中，所述双目摄像机1安装在所述三轴云台2上。所述三轴云台2固定在靶车的顶部。由于所述双目摄像机1为光学敏感器件，对靶车的振动环境极为敏感，而在本发明中，将所述双目摄像机1安装在所述三轴云台2上，可有效解决靶车抖动、靶车航向角带来的问题。

所述双目摄像机1和惯性导航装置5都连接到所述控制器4的输入端上。

所述双目摄像机1用于拍摄所述靶车前方的图片并将拍摄的图片发送给所述控制器4。所述控制器4可以根据双目成像原理利用所述图片得出图片中的目标点到所述双目摄像机1的中心的距离并基于所述目标点到所述双目摄像机1的中心的距离计算出所述双目摄像机1获得的靶车位置。

具体地，如图2所示，假定场景中有目标点P，所述双目摄像机1的中心离所述目标点P的距离是D（要求出这个值）。所述双目摄像机1的两个摄像头高度为f，且两个摄像头一模一样。

O_L和O_R两个点就是目标点P投影在照片上的点，根据三角形相似，可以得出目标点P到所述双目摄像机1的中心的距离D为：

其中，f为摄像头高度，b为两个摄像头间隔，X_L和X_R为图像中目标点在摄像头中成像距离图像中心的距离，计算X_L和X_R之前需要根据标准图像标定出成像像素数目和距离的关系。

在求出D之后，由于目标点P的位置，也就是其坐标是固定的，由此，即可基于所述目标点到所述双目摄像机1的中心的距离D计算出所述双目摄像机1获得的靶车位置。

优选地，所述双目摄像机1的镜头上设置有滤光片。这样，使得所述双目摄像机1可以抵御强光干扰，可以在黄昏黎明等微光环境下使用。

由于仅仅采用双目视觉进行定位会存在一定的误差，因此，在本发明中，所述控制器4基于所述双目摄像机1获得的靶车位置，结合所述惯性导航装置5计算得到的靶车位置变化值计算出所述靶车的准确当前位置，

其中，所述惯性导航装置5获取位置的方法是现有技术。具体地，由陀螺仪计算出惯性组件的姿态（即求出四元数或者旋转矩阵）；根据惯性组件的姿态将加速度测得的载体坐标系的比例分量转换到导航坐标系中（坐标系转换）；在导航坐标系下，通过积分求解比例方程，获得载体相对地球的速度（去除地球引力加速度）；在位置参考坐标系下，由载体加速度积分得出速度，由速度积分得到位置。

由于所述惯性导航装置5获取位置的方法是现有技术，因此，为了简化，在此不在对其进行详细描述。

在本发明中，所述控制器4可以采用以下公式计算出所述靶车的准确当前位置的坐标值：

(x1+a*(x0-x1)+b*dx，y1+a*(y0-y1)+b*dy，z1+a*(z0-z1)+b*dz)；

其中，（x0,y0,z0）是所述双目摄像机1获得的靶车当前位置的坐标值，（x1,y1,z1）是所述双目摄像机1获得的靶车1s之前的位置的坐标值，(dx,dy,dz)是所述惯性导航装置5积分计算得到的1s内的位置坐标变化值，a是所述双目摄像机1获得的靶车位置的置信度，b为所述惯性导航装置5计算得到的靶车位置的置信度。

优选地，a为0.7；b为0.3。这样，所述靶车的准确当前位置的坐标值为：(x1+0.7*(x0-x1)+0.3*dx，y1+0.7*(y0-y1)+0.3*dy，z1+0.7*(z0-z1)+0.3*dz)。

通过以上处理，可以综合双目视觉和惯性导航综合实现靶车的定位。

所述方向盘控制舵机3连接到所述控制器4的输出端上且所述方向盘控制舵机3与所述靶车的方向盘相连。这样，在获得了靶车的位置之后，所述控制器4可以根据所述靶车的准备当前位置与期望位置点的偏差给所述方向盘控制舵机3发送脉宽调制控制指令。

然后，所述方向盘控制舵机3可以接收所述控制器4发送的脉宽调制控制命令并输出对应的方向盘偏转角度以控制所述靶车的方向盘的方向。由此，实现无人驾驶靶车方向的控制。

在使用本发明的无人驾驶靶车方向控制系统控制无人驾驶靶车时，先将双目摄像机1安装在三轴云台2上。然后，将所述三轴云台2固定在靶车的顶部。之后，将所述三轴云台2调整水平，以将所述双目摄像机1的角度调整为水平向前拍摄。

接着，将所述双目摄像机1和惯性导航装置5连接到控制器4的输入端上；并将方向盘控制舵机3连接到控制器4的输出端上。同时，将所述方向盘控制舵机3和所述靶车的方向盘相连。

安装和连接好之后，在所述控制器4中配置所述靶车的轨迹线，并设置相对起始点的坐标值。

配置好之后，可以启动，即可控制所述靶车沿着配置的轨迹线行驶。

在卫星信号拒止的情况下进行弹药运动目标射击试验时，采用GPS卫星定位的无人驾驶靶车失去了位置定位来源，将无法使用。采用纯惯性导航装置产生的位置坐标控制靶车时，由于惯性元器件的漂移，会带来较大的位置误差，通常30s位置偏差达到3米以上，导致靶车无法在较窄的靶场路面上使用。为了解决这一问题，本发明采用双目摄像机产生的位置不断修正惯性导航装置的方法，解决了惯性导航装置带来的位置偏差问题，将图像修正后的惯性导航装置计算出的位置信息作为靶车的位置输入，控制车辆前进方向，解决了在无卫星信号情况下，无人驾驶靶车使用问题。同时，系统中双目摄像机作为光学敏感器件，对靶车的振动环境极为敏感，将双目摄像机安装在三轴云台上，可有效解决靶车抖动、靶车航向角带来的问题。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种无人驾驶靶车方向控制系统，其包括双目摄像机（1）、三轴云台（2）、方向盘控制舵机（3）、控制器（4）和惯性导航装置（5），其特征在于，所述双目摄像机（1）安装在所述三轴云台（2）上，所述三轴云台（2）固定在靶车的顶部，所述双目摄像机（1）和惯性导航装置（5）都连接到所述控制器（4）的输入端上，所述方向盘控制舵机（3）连接到所述控制器（4）的输出端上且所述方向盘控制舵机（3）与所述靶车的方向盘相连，所述双目摄像机（1）用于拍摄所述靶车前方的图片并将拍摄的图片发送给所述控制器（4），所述控制器（4）根据双目成像原理利用所述图片得出图片中的目标点到所述双目摄像机（1）的中心的距离并基于所述目标点到所述双目摄像机（1）的中心的距离计算出所述双目摄像机（1）获得的靶车位置，所述控制器（4）基于所述双目摄像机（1）获得的靶车位置，结合所述惯性导航装置（5）计算得到的靶车位置变化值计算出所述靶车的准确当前位置，并根据所述靶车的准备当前位置与期望位置点的偏差给所述方向盘控制舵机（3）发送脉宽调制控制指令，所述控制器（4）采用以下公式计算出所述靶车的准确当前位置的坐标值：

(x1+a*(x0-x1)+b*dx，y1+a*(y0-y1)+b*dy，z1+a*(z0-z1)+b*dz)；

其中，（x0,y0,z0）是所述双目摄像机（1）获得的靶车当前位置的坐标值，（x1,y1,z1）是所述双目摄像机（1）获得的靶车1s之前的位置的坐标值，(dx,dy,dz)是所述惯性导航装置（5）积分计算得到的1s内的位置坐标变化值，a是所述双目摄像机（1）获得的靶车位置的置信度，b为所述惯性导航装置（5）计算得到的靶车位置的置信度。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶靶车方向控制系统，其特征在于，所述双目摄像机（1）的镜头上设置有滤光片。

3.根据权利要求1所述的无人驾驶靶车方向控制系统，其特征在于，所述方向盘控制舵机（3）接收所述控制器（4）发送的脉宽调制控制命令并输出对应的方向盘偏转角度以控制所述靶车的方向盘的方向。

4.一种无人驾驶靶车方向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、将双目摄像机（1）安装在三轴云台（2）上；

2）、将所述三轴云台（2）固定在靶车的顶部；

3）、将所述三轴云台（2）调整水平，以将所述双目摄像机（1）的角度调整为水平向前拍摄；

4）、将所述双目摄像机（1）和惯性导航装置（5）连接到控制器（4）的输入端上；

5）、将方向盘控制舵机（3）连接到控制器（4）的输出端上；

6）、在所述控制器（4）中配置所述靶车的轨迹线，并设置相对起始点的坐标值；

7）、将所述方向盘控制舵机（3）和所述靶车的方向盘相连；

8）、控制所述靶车沿着配置的轨迹线行驶；

在行驶过程中，所述双目摄像机（1）用于拍摄所述靶车前方的图片并将拍摄的图片发送给所述控制器（4），所述控制器（4）根据双目成像原理利用所述图片得出图片中的目标点到所述双目摄像机（1）的中心的距离并基于所述目标点到所述双目摄像机（1）的中心的距离计算出所述双目摄像机（1）获得的靶车位置，所述控制器（4）基于所述双目摄像机（1）获得的靶车位置，结合所述惯性导航装置（5）计算得到的靶车位置变化值计算出所述靶车的准确当前位置，并根据所述靶车的准备当前位置与期望位置点的偏差给所述方向盘控制舵机（3）发送脉宽调制控制指令，所述控制器（4）采用以下公式计算出所述靶车的准确当前位置的坐标值：

(x1+a*(x0-x1)+b*dx，y1+a*(y0-y1)+b*dy，z1+a*(z0-z1)+b*dz)；

其中，（x0,y0,z0）是所述双目摄像机（1）获得的靶车当前位置的坐标值，（x1,y1,z1）是所述双目摄像机（1）获得的靶车1s之前的位置的坐标值，(dx,dy,dz)是所述惯性导航装置（5）积分计算得到的1s内的位置坐标变化值，a是所述双目摄像机（1）获得的靶车位置的置信度，b为所述惯性导航装置（5）计算得到的靶车位置的置信度。