CN206523781U - 一种无人机与无人车协作巡逻系统 - Google Patents

一种无人机与无人车协作巡逻系统 Download PDF

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杜浩
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Abstract

本实用新型提供一种无人机与无人车协作巡逻系统,包括:无人机、无人车及用于接收处理所述无人机和无人车返回的监控信息并进行协同任务分配和处理的智能管控系统。本实用新型不仅将当前地面二维巡逻视野扩展到三维,而且通过无人机和无人车相互协作,延长了无人机的续航时间,实现远程控制与自主控制的相互结合,使得协同巡逻系统更加的智能化和易操作化。

Description

一种无人机与无人车协作巡逻系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于属于机器人协同控制技术领域,尤其涉及一种无人机与无人车协 作巡逻系统。
背景技术
[0002] 单一地面无人车巡逻系统存在巡检视野范围小且不能覆盖所有区域的问题,而且 一些像峡谷、河流等路况复杂的区域无人车无法到达,单一无人机巡逻系统虽然巡检视野 开阔,可以到达无人车不能到达的区域,但是无人机存在一个致命缺陷,便是飞行时间短。 因此,无人机和无人车协同控制系统逐渐受到人们的关注,二者相互取长补短,能够达到单 一无人巡逻系统实现不了的效果。
[0003] 为解决无人机飞行时间短的问题,本领域技术人员采用无人飞行器通过电缆与无 人车上的供电系统相连来解决供电问题,虽然解决了无人机飞行时间短的问题,但是因为 无人机拖着线缆不够灵活,适用于高速公路等路况好的区域,应用范围受限。
[0004] 除此之外,目前还有通过建立中转站,实现无人机精准降落,采用无线供电和利用 太阳能电池板来解决无人机续航时间短问题。但是地面一些不适宜无人机飞行的地方还是 需要无人车来执行巡检,此外,中转站的建立势必会影响无人机巡逻的灵活性,限制了其应 用。
发明内容
[0005] 为解决上述技术问题,本实用新型提供一种无人机与无人车协作巡逻系统。为了 对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解,下面给出了简单的概括。该概括部分不是 泛泛评述,也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是 用简单的形式呈现一些概念,以此作为后面的详细说明的序言。
[0006] 本实用新型采用如下技术方案:
[0007]在一些可选的实施例中,提供一种无人机与无人车协作巡逻系统,包括:无人机、 无人车及用于接收处理所述无人机和无人车返回的监控信息并进行协同任务分配和处理 的智能管控系统,所述无人车上设置解锁装置,所述无人机通过所述解锁装置安装在所述 无人车上并由所述无人车运载至巡逻目标点;
[0008]所述无人机包括:无线数传模块、中央控制模块、多传感器复合导航模块、驱动器、 执行机构及电量采集模块,所述多传感器复合导航模块及电量采集模块与所述中央控制模 块的信息输入端连接,所述驱动器与所述中央控制模块的控制输出端连接,所述中央控制 模块接收到初步返回指令后将所述多传感器复合导航模块采集的位置信息及所述电量采 集模块采集的无人机电量信息通过所述无线数传模块发送至所述智能管控系统,所述中央 控制模块接收到所述无人车的位置信息后通过所述驱动器控制所述执行机构运作,使得所 述无人机降落在所述无人车上;
[0009]所述智能管控系统包括:通信模块及与所述通信模块连接的计算模块,所述通信 模块用于接收所述无人机的电量信息和位置信息,所述计算模块依据所述无人机的电量信 息和位置信息进行计算以判断所述无人机是否可以自行飞回出发点,并通过所述通信模块 向所述无人机与无人车下发返回指令。
[0010]在一些可选的实施例中,所述无人机还包括:机端通信模块、云台、相机、无线图传 模块及摄像机,所述机端通信模块与所述中央控制模块连接,所述云台及摄像机与所述中 央控制模块的控制输出端连接,所述相机安装在所述云台上,所述机端通信模块通过2G网 络、3G网络、4G网络或北斗卫星短报文与所述智能管控系统通信,所述相机通过所述无线图 传模块将拍摄的图片发送至所述智能管控系统,所述摄像机通过所述无线图传模块将拍摄 的图片、视频信息发送至所述智能管控系统。
[0011] 在一些可选的实施例中,所述多传感器复合导航模块包括:用于测量无人机三轴 姿态角及高度信息的惯性测量单元、用于提供无人机经纬度及速度信息的GPS接收机、用于 输出无人机X轴及Y轴光流信息的光流传感器、用于为无人机实时局域定位的激光扫描测距 仪、状态估计器,所述惯性测量单元、GPS接收机及光流传感器与所述状态估计器的信息输 入端连接;所述状态估计器包括:卡尔曼滤波器,所述卡尔曼滤波器用于数据融合并计算出 无人机的姿态角、经纬度、高度及速度数据。
[0012]在一些可选的实施例中,所述无人车包括:导航模块、运动控制模块、车端驱动器、 车端执行机构、车端无线数传模块、车端通信模块、车端摄像头及车端无线图传模块;所述 导航模块与所述运动控制模块的信息输入端连接,所述车端驱动器及车端摄像头与所述运 动控制模块的控制输出端连接;所述运动控制模块接收到所述智能管控系统下发的任务信 息后通过所述车端驱动器控制所述车端执行机构运作;所述车端无线数传模块与所述运动 控制模块连接,将无人车的自身状态信息传送至所述智能管控系统;所述车端通信模块通 过2G网络、3G网络、4G网络或北斗卫星短报文与所述智能管控系统通信;所述车端摄像头通 过所述车端无线图传模块将拍摄的视频发送至所述智能管控系统。
[0013]在一些可选的实施例中,所述无人车的导航模块包括:用于测量无人车二维姿态 角信息的车端惯性测量单元、用于检测无人车的经纬度和速度信息的车端GPS接收机、车端 激光扫描测距仪、车端状态估计器;所述车端惯性测量单元及车端GPS接收机与所述车端状 态估计器的信息输入端连接;所述车端状态估计器包括:车端卡尔曼滤波器,所述车端卡尔 曼滤波器用于数据融合并计算出无人车的姿态角、经纬度及速度数据。
[0014]本实用新型所带来的有益效果:本发明不仅将当前地面二维巡逻视野扩展到三 维,而且通过无人机和无人车相互协作,延长了无人机的续航时间,实现远程控制与自主控 制的相互结合,使得协同巡逻系统更加的智能化和易操作化。
[0015]为了上述以及相关的目的,一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求 中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面,并且其指示的仅仅是 各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下 面的详细说明结合附图考虑而变得明显,所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们 的等同。
附图说明
[0016]图1是本实用新型一种无人机与无人车协作巡逻系统框图;
[0017] 图2是无人机内部结构示意图;
[0018] 图3是无人车内部结构示意图;
[0019] 图4是无人机的多传感器复合导航模块的内部结构示意图;
[0020]图5是无人车的导航模块的内部结构示意图。
具体实施方式
[0021] 以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案,以使本领域的技术人员能够 实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例 仅代表可能的变化。除非明确要求,否则单独的部件和功能是可选的,并且操作的顺序可以 变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发 明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围,以及权利要求书的所有可获得的等同 物。
[0022] 如图1至5所示,在一些说明性的实施例中,提供一种无人机与无人车协作巡逻系 统,适用于智能巡防、森林防火监测,包括:无人机、无人车及智能管控系统,所述无人机和 无人车通过无线信号建立通信链路与地面智能管控系统实现信息交互,具体的,通过3G/ 4G、无线图传、无线数传和北斗卫星短报文复合通信方式建立通信链路。
[0023] 无人车包含两种,一种是适应于路况好的,用于运载无人机到达指定区域,即目标 巡逻点,并能够对无人机进行电池更换,一种是适应于越障的。无人机用于与无人车进行协 作,对空中区域进行巡逻,无人车上设置解锁装置,无人机通过解锁装置安装在无人车上并 由无人车运载至巡逻目标点。所述解锁装置采用电磁控制机构,通过控制解锁装置解锁组 件中电磁铁的吸合以及解锁装置中复位组件使断开的电磁铁复位,进而完成无人机的解锁 与固定。智能管控系统作为多机协同的大脑中枢系统,用于接收处理无人机和无人车返回 的监控信息并进行协同任务分配和处理。根据现场需要调配无人机、两种无人车或者三者 协同巡逻,当需要协同巡逻时,由无人车将无人机带到目标点并释放。
[0024]无人机包括:无线数传模块1、中央控制模块2、多传感器复合导航模块3、驱动器4、 执行机构5、电量采集模块6、机端通信模块7、云台8、相机9、无线图传模块10、摄像机11及巡 逻装置。巡逻装置包括危害气体检测传感器、温湿度传感器、全向视觉传感器、红外视觉传 感器。
[0025]多传感器复合导航模块3及电量采集模块6与中央控制模块2的信息输入端连接, 驱动器4、摄像机11及云台8与中央控制模块2的控制输出端连接,无线数传模块1、机端通信 模块7与中央控制模块2连接。中央控制模块2包含嵌入式处理器及相关外围器件,负责无人 机的自主平稳运行,并根据地面智能管控系统的指示自主飞行到目标位置。驱动器4用来驱 动执行机构5的运动,执行机构5包括:机翼、螺旋桨、脚架、起落架、电机。无线数传模块1、机 端通信模块7及无线图传模块10组成机端人机交互系统,负责与智能管控系统交互信息,向 智能管控系统发送当前位置信息及监控到的图像信息,同时也能接收管控系统下发的任务 信息。相机9安装在云台8上,云台8用于增加相机9的稳定性、拍照录像切换和调整相机的 姿态角,机端通信模块7通过2G网络、3G网络、4G网络或北斗卫星短报文与智能管控系统通 信,相机9通过无线图传模块10将拍摄的图片发送至智能管控系统,摄像机11通过所述无线 图传模块10将拍摄的图片、视频信息发送至智能管控系统。摄像机11通过云网络将拍摄的 图像传ftu到智能管控系统的头戴式显示器,通过增强现实技术来获得更好的视角和体验。 [0026]无人车包括:导航模块12、运动控制模块13、车端驱动器14、车端执行机构15、车端 无线数传模块16、车端通信模块17、车端摄像头18及车端无线图传模块19。
[0027] 导航模块I2与运动控制模块13的信息输入端连接,车端驱动器14及车端摄像头18 与运动控制模块I3的控制输出端连接,车端无线数传模块ie与车端通信模块17组成车端人 机交互系统,与运动控制模块13连接,车端无线数传模块16将无人车的自身状态信息及时 的传送到智能管控系统,车端通信模块17通过2G网络、3G网络、4G网络或北斗卫星短报文 与智能管控系统通。运动控制模块13负责无人车的稳定运行并按照智能管控系统指示到达 目标地点。车端驱动器14用来驱动车端执行机构15的运动,车端执行机构15包括:车轮、电 机,运动控制模块13接收到智能管控系统下发的任务信息后通过车端驱动器14控制车端 执行机构15运作。车端摄像头18通过车端无线图传模块19将拍摄的视频发送至智能管控系 统。
[0028] 智能管控系统包括:显示界面、通信模块20及计算模块21,通信模块20与计算模 块21连接,计算模块21用于依据无人机的电量信息和位置信息进行计算以判断无人机是否 可以自行飞回出发点。智能管控系统通过通信模块20与无人机和无人通讯,通信模块20包 括2G/3G/4G模块、北斗报文通信模块、无线图传通信模块和无线数传通信模块。在基站多、 蜂窝信号强的地方通过2G/3G/4G模块进行通信,在偏远地区、基站少、信号弱甚至无蜂窝 信号的条件下通过北斗卫星报文功能实现信息交互,无人机和无人车位置信息、电量信息 通过无线数传通信模块与智能管控系统进行通信,巡逻装置通过无线图传通信模块建立通 信链路发送图像到地面智能管控系统。
[0029] 智能管控系统的显示界面包含一个协同任务分配及智能管理界面,负责及时为无 人^自动补充电能,协调分配无人机和无人车的巡逻任务。具体包括:一个无人机图像信息 显^界面,用于显示无人机巡逻范围内的图像信息,两个无人车的图像信息显示界面,用于 显示无人车周边环境图像信息;一个电子地图界面实时显示无人机和无人车当前所处的位 置。
[0030] 工作时,智能管控系统下发任务信息至无人机和无人车,无人车运载无人机至巡 逻目标点后,两者开始执行任务,执行任务完成后,智能管控系统下发初步返回指令至无人 机和无人车。无人机接收到初步返回指令后,无人机的多传感器复合导航模块3采集此时无 人机的位置信息,无人机的电量采集模块6采集的当前无人机电量信息,无人车接收到初 步返回指令后,无人车的导航模块12采集此时无人车的位置信息。无人机通过无线数传模 块1将电量信息和位置信息发送至智能管控系统,无人车通过车端无线数传模块16将位置 信息发送至智能管控系统。智能管控系统的计算模块21通过通信模块20接收无人机的电量 信息和位置信息,进行计算,分析计算电量值能够满足返回的里程需求,若无人机可以自行 返回,则智能管控系统通过通信模块20下发确定返回指令至无人机和无人车,若无人机无 法自行返回,则智能管控系统通过通信模块20将无人车的位置信息发送至无人机,中央控 制模块2接收到无人车的位置信息后通过驱动器4控制执行机构5运作,使得无人机降落在 无人车上。
[0031] 多传感器复合导航模块3包括:惯性测量单元、GPS接收机、光流传感器、激光扫描 测距仪、状态估计器,惯性测量单元、GPS接收机及光流传感器与状态估计器的信息输入端 连接。惯性测量单元用于测量无人机三轴姿态角及高度信息,GPS接收机用于提供无人机经 炜度及速度信息,光流传感器用于输出无人机X轴及Y轴光流信息,在室内GPS信号不好的 情况下,可以通过光流传感器实现室内精确定位、悬停,光流传感器输出X轴、Y轴光流信息。 状态估计器是基于卡尔曼滤波器的状态估计器,即状态估计器包括:卡尔曼滤波器,将惯性 测量单元、GPS接收机、光流传感器输出的信息送入状态估计器,通过卡尔曼滤波器进行数 据融合最终得到无人机需要的姿态角、经纬度、速度、高度等信息。激光扫描测距仪用于为 无人机实时局域定位的,即用于室内外的地图构建并进行路径规划为无人机提供轨迹参考 值。
[0032]无人车的导航模块12包括:车端惯性测量单元、车端GPS接收机、车端激光扫描测 距仪、车端状态估计器,车端惯性测量单元及车端GPS接收机与车端状态估计器的信息输入 端连接,车端状态估计器包括:车端卡尔曼滤波器。车端惯性测量单元用于测量无人车二维 姿态角信息,车端GPS接收机用于检测无人车的经炜度和速度信息,车端惯性测量单元与 GPS接收机输出信息送入车端状态估计器,通过车端卡尔曼滤波器进行数据融合最终得到 无人车需要的姿态角、经炜度、速度信息。车端激光扫描测距仪用于室内外的地图构建并进 行路径规划为无人车提供轨迹参考值。
[0033]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制,其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变,修饰,替代, 组合,简化,均应为等效的置换方式,都应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1. 一种无人机与无人车协作巡逻系统,其特征在于,包括:无人机、无人车及用于接收 处理所述无人机和无人车返回的监控信息并进行协同任务分配和处理的智能管控系统,所 述无人车上设置解锁装置,所述无人机通过所述解锁装置安装在所述无人车上并由所述无 人车运载至巡逻目标点; 所述无人机包括:无线数传模块、中央控制模块、多传感器复合导航模块、驱动器、执行 机构及电量采集模块,所述多传感器复合导航模块及电量采集模块与所述中央控制模块的 信息输入端连接,所述驱动器与所述中央控制模块的控制输出端连接,所述中央控制模块 接收到初步返回指令后将所述多传感器复合导航模块采集的位置信息及所述电量采集模 块采集的无人机电量信息通过所述无线数传模块发送至所述智能管控系统,所述中央控制 模块接收到所述无人车的位置信息后通过所述驱动器控制所述执行机构运作,使得所述无 人机降落在所述无人车上; 所述智能管控系统包括:通信模块及与所述通信模块连接的计算模块,所述通信模块 用于接收所述无人机的电量信息和位置信息,所述计算模块依据所述无人机的电量信息和 位置信息进行计算以判断所述无人机是否可以自行飞回出发点,并通过所述通信模块向所 述无人机与无人车下发返回指令。
2. 根据权利要求1所述的一种无人机与无人车协作巡逻系统,其特征在于,所述无人机 还包括:机端通信模块、云台、相机、无线图传模块及摄像机,所述机端通信模块与所述中央 控制模块连接,所述云台及摄像机与所述中央控制模块的控制输出端连接,所述相机安装 在所述云台上,所述机端通信模块通过2G网络、3G网络、4G网络或北斗卫星短报文与所述智 能管控系统通信,所述相机通过所述无线图传模块将拍摄的图片发送至所述智能管控系 统,所述摄像机通过所述无线图传模块将拍摄的图片、视频信息发送至所述智能管控系统。
3. 根据权利要求2所述的一种无人机与无人车协作巡逻系统,其特征在于,所述多传感 器复合导航模块包括:用于测量无人机三轴姿态角及高度信息的惯性测量单元、用于提供 无人机经纬度及速度信息的GPS接收机、用于输出无人机X轴及Y轴光流信息的光流传感器、 用于为无人机实时局域定位的激光扫描测距仪、状态估计器,所述惯性测量单元、GPS接收 机及光流传感器与所述状态估计器的信息输入端连接;所述状态估计器包括:卡尔曼滤波 器,所述卡尔曼滤波器用于数据融合并计算出无人机的姿态角、经炜度、高度及速度数据。
4. 根据权利要求3所述的一种无人机与无人车协作巡逻系统,其特征在于,所述无人车 包括:导航模块、运动控制模块、车端驱动器、车端执行机构、车端无线数传模块、车端通信 模块、车端摄像头及车端无线图传模块;所述导航模块与所述运动控制模块的信息输入端 连接,所述车端驱动器及车端摄像头与所述运动控制模块的控制输出端连接;所述运动控 制模块接收到所述智能管控系统下发的任务信息后通过所述车端驱动器控制所述车端执 行机构运作;所述车端无线数传模块与所述运动控制模块连接,将无人车的自身状态信息 传送至所述智能管控系统;所述车端通信模块通过2G网络、3G网络、4G网络或北斗卫星短报 文与所述智能管控系统通信;所述车端摄像头通过所述车端无线图传模块将拍摄的视频发 送至所述智能管控系统。
5. 根据权利要求4所述的一种无人机与无人车协作巡逻系统,其特征在于,所述无人车 的导航模块包括:用于测量无人车二维姿态角信息的车端惯性测量单元、用于检测无人车 的经纬度和速度信息的车端GPS接收机、车端激光扫描测距仪、车端状态估计器;所述车端 惯性测量单元及车端GPS接收机与所述车端状态估计器的信息输入端连接;所述车端状态 估计器包括:车端卡尔曼滤波器,所述车端卡尔曼滤波器用于数据融合并计算出无人车的 姿态角、经炜度及速度数据。
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