CN104732835B - 一种体育场智能缩微车辆教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种体育场智能缩微车辆教学装置，所述装置中：车体作为载体，视觉传感器、GPS和激光雷达用于信息采集和定位，动力、转向驱动系统用于执行主处理器的决策，反馈系统给主控制器反馈当前速度信息，人机交互系统用于实时在线监控和管理当前运行状态，电池组提供电源，通信设备用于监控和远程管理主控制器，紧急开关用于紧急制动和停车，主处理器用于信息融合、场景分析和图像处理并决策和控制转向、动力驱动系统，同时优先接受外部紧急停车指令。本发明利于无人驾驶车辆技术的教学探讨性研究，同时有利于素质体育机器人运动的全民推广，实现了教学和素质体育的融合。

Description

一种体育场智能缩微车辆教学装置

技术领域

本发明涉及一种轮式移动机器人装置，具体地，涉及一种具有场景分析自主行驶功能的体育场1:5智能缩微车辆教学装置。

背景技术

信息化时代下，随着汽车工业的飞速发展，智能驾驶将是未来汽车的重要发展方向和趋势。为推动无人驾驶车辆的发展，国内外目前主要针对真实道路环境下的无人车和室内缩微道路小型缩微车展开研究。国外像美国国防部高级研究计划局DARPA组织了多次无人驾驶车辆超级挑战赛，国内国家自然科学基金委员会在2009年以后每年主办了中国智能车未来挑战赛。

基于真实道路环境下的自主驾驶研究目前还面临诸多困难，如智能车的改装、维护费用昂贵，成本极高，试验安全性低，行人、非机动车辆意外情况的影响等，不利于教学和研究的推广，极大地限制了无人车的研究进程。基于上述限制，缩微道路交通环境下模拟真车在真实道路环境下的驾驶行为成为很重要的方式。

近年来在国家自然科学基金委“视听觉信息的认知计算”重大研究计划推动下开展了“缩微智能车自主驾驶行为研究”的相关研究工作。例如，申请号为201310132532.6的发明专利提供了一种缩微智能车教学实验装置。但是该发明主要适用于室内环境，完全脱离了室外较为复杂的真实环境，无法分析当前的现实场景，如天空、地表等，同时，缺少真实环境下的诸多干扰，如自然光照和阴影等，这与现实环境还存在较大的差距，不利于真实车辆自主驾驶行为和环境处理等方面的研究与教学。

另外无人驾驶车辆实质上是一种轮式移动机器人，随着一种新兴的体育运动即素质体育机器人运动，正在全世界范围蓬勃开展。国家体育总局结合中国的实际情况，将机器人运动定义为素质体育机器人运动(CRC)，旨在挖掘广大机器人运动爱好者的核心价值。因此，将无人驾驶车辆的教学和素质体育机器人运动相结合，研制出一种既能自主分析室外场景，又能进行素质体育机器人运动实践和竞技的车辆装置具有很重要的实际意义。

发明内容

为了将无人驾驶车辆的教学和素质体育机器人运动相结合，本发明提供了一种具有场景分析自主行驶功能的体育场1:5智能缩微车辆教学装置。

按照1:5型缩微车辆，更为接近真实车辆比例，可很好模拟车辆的实际驾驶行为。采用体育场环境模拟自主行驶，一方面可完全作为素质体育机器人运动和竞技的场所，另一方面其跑道最为接近真实车道模型。该体育场智能缩微车辆教学装置，不仅增加了教学的趣味性，更将素质体育机器人运动带到教学活动中，是一种极为适合推广的车辆教学装置。

为实现以上目的，本发明提供了一种具有场景分析自主行驶功能的体育场1:5智能缩微车辆教学装置，所述车辆教学装置实质是一种轮式移动机器人，主要包括：车体、主处理器、主控制器、GPS传感器、激光雷达传感器、视觉传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、反馈系统、人机交互系统、通讯设备、紧急开关、电池组，其中：

所述车体作为主处理器、GPS传感器、激光雷达传感器、视觉传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、反馈系统、人机交互系统、电池组、通讯系统、紧急开关的载体；

所述GPS传感器，用于对当前所述车辆教学装置进行相对定位，并将定位信息发送到主处理器；

所述激光雷达传感器，用于检测所述车辆教学装置正前方及周围环境中的障碍物，并将检测信息发送到主处理器；

所述视觉传感器，用于采集当前环境图像以便分析当前场景，并将采集的信息发送到主处理器；

所述主控制器，用于接收主处理器的决策指令并作用于动力和驱动系统；

所述动力驱动系统，用于执行主控制器发出的速度指令；

所述转向驱动系统，用于执行主控制器发出的转向指令；

所述反馈系统，用于测量所述车辆教学装置的当前速度信息，并反馈给主控制器，实现速度的闭环反馈控制；

所述人机交互系统，用于实时在线监控和管理所述车辆教学装置当前的运行状态，包括场景、速度、转向、安全级别信息；

所述电池组，用于提供主处理器和主控制器以及所有传感器和驱动系统的供电电源；

所述通讯系统，用于对主控制器的监控和远程管理；

所述紧急开关，用于紧急状况下实现所述车辆教学装置的制动，进行安全管理；

所述主处理器，用于GPS传感器、激光雷达传感器、视觉传感器信息的融合，进行场景分析和图像处理，并结合所述车辆教学装置的当前实际运行状况，进行决策控制，发出控制指令作用在转向驱动系统和动力驱动系统，从而实现场景分析和自主行驶；同时可优先接受外部紧急停车指令，从而保障所述车辆教学装置的安全性。

优选地，所述体育场车辆教学装置可选择人工遥控或在体育场沿跑道自主行驶的双模式工作方式。

优选地，所述体育场车辆教学装置的软件和硬件均留有开发接口，具有较强的拓展性和进一步开发性，可在教学过程中提供延展性。同时也为素质体育机器人的运动性能拓展留出了足够的空间。

优选地，所述体育场车辆教学装置设置有无线急停开关，在紧急情况下可按下该急停开关切断装置供电系统，实现硬件急停；同时也可下达远程停止指令将速度置零，实现软件急停。

优选地，所述体育场车辆教学装置的所述主处理器和所述主控制器之间的串口通信采用Modbus协议，稳定可靠，可保障该车辆装置的通讯稳定。

优选地，所述体育场车辆教学装置本身可通过所述人机交互系统对车辆的运行情况和所处环境相关数据、图像进行在线绘制、监控、观测和记录，并可对相关参数进行在线调整与修改；同时还可连接其他计算机对所述主处理器进行远程监控管理。

本发明所述车辆教学装置主要是针对体育场跑道的自主行驶，包括换道、避障、场景自主分析等，便于在体育场展开素质体育机器人竞技运动，很好地将教学与素质体育结合起来。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明很好地将无人驾驶车辆的教学和素质体育机器人运动相结合，一方面解决了真实无人车和室内缩微车对于教学和研究推广上各自的矛盾，另一方面，提供了素质体育机器人竞技的实现平台，大大推动素质体育机器人运动的开展，促进了我国在科学、技术、教育的先进水平。本发明使用多感知传感器融合设计，提供了场景分析和自主行驶功能，成本较低，安全性高，简单易拓展，研究的趣味性强，可自主切换运行模式，方便教学的实现和素质体育机器人竞技运动的展开。因而，在素质体育竞技中对无人车辆驾驶行为和轮式移动机器人的教学与研究，在教学中开展素质体育机器人竞技运动，本发明是一种极为适合推广的装置。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的结构俯视示意图；

图2为本发明一实施例的结构右侧视示意图；

图3为本发明一实施例的硬件架构示意图；

图中：显示屏1、电机和电子调速器2、电机电池3和10、主控制器4、Garmin GPS 5、Hokuyo激光雷达6、转向舵机7、网络摄像头8、无线AP 9、无线急停开关11、单板电脑12、电池组13、摄像头支架14。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2所示，本实施例提供一种具有场景分析自主行驶功能的体育场1:5智能缩微车辆教学装置，整个车辆教学装置空间大小为98cmx45cmx60cm(长x宽x高)，包括显示屏1、电机和电子调速器2、电机电池3和10、主控制器4、Garmin GPS 5、Hokuyo激光雷达6、转向舵机7、网络摄像头8、无线AP 9、无线急停开关11、单板电脑12、电池组13，其中：

所述显示屏1安装在单板电脑12的正上方，作为人机交互模块的显示单元；

所述电机和电子调速器2，作为动力驱动系统，安装在车体的中间，且位于前、后驱动连杆的中心轴正上方并与前、后轮的驱动轴水平，可实现电机转速的控制；

所述主控制器4安装在电机和电子调速器2与转向舵机7之间的平面上，用于产生控制信号，作用于电子调速器和转向舵机7。

所述Garmin GPS 5，作为GPS传感器，安装在车体的正上方，并与摄像头支架14的底座同平面，可实现所述车辆教学装置的相对定位；

所述Hokuyo激光雷达6，作为激光雷达传感器，安装在车体的正前方并与车体水平，距离地面15cm处的高度，可检测车体正前方25m以内且高度高于15cm的障碍物；

所述转向舵机7，作为转向驱动系统，位于车体前方三分之一处，安装在转向驱动轴中间且与之平行，可实现车体方向的控制；

所述网络摄像头8，作为视觉传感器，垂直安装在车体前方中心高度可调的摄像头支架14上，并与车体平行，可调高度在40cm-65cm；

所述无线AP 9置于所述网络摄像头8的正下方，可实现远程管理；

所述无线急停开关11安装在电子调速器2的侧面，作为通讯设备单元，可通过无线急停开关11实现电机电源的硬件通断；

所述单板电脑12视为主处理器，安装在车体的车架后方中间；

所述电池组13安装在车体的后方且位于前后驱动连杆的中心轴正上方，为所有传感器即Garmin GPS 5、Hokuyo激光雷达6、网络摄像头8以及单板电脑12、显示屏1、急停开关11的接收机提供电源。

本实施例中，所述电机的电池3、10分别悬挂于车体的安装板左、右两侧，单独为动力驱动系统中的电机和电子调速器2提供电源。

本实施例硬件架构图如图3所示，基于上述的硬件结构，总体可以分为上位机和下位机两个层次。

如图3所示，所述上位机包括车辆教学装置中的网络摄像头8、Garmin GPS 5、Hokuyo激光雷达6、主处理器(即单板电脑12)以及显示屏1，共同组成三个模块，分别是感知模块、处理决策模块和人机交互模块；具体的：

所述感知模块，通过各类传感器获取所述车辆教学装置自身状态信息及其所处环境信息；本实施例中采用三种传感器如图3所示，其中：利用网络摄像头8作为视觉传感器，分析体育场场景并获取跑道信息以及所述车辆教学装置在跑道中所处的相对位置；利用Garmin GPS 5获取所述车辆教学装置在体育场的相对位置信息；利用Hokuyo激光雷达6获取所述车辆教学装置前方的障碍物信息；

所述处理决策模块，通过主处理器(即单板电脑12)对所述感知模块的信息通过一系列的图像、数据分析处理，提取有效信息进行数据融合，包括所述车辆教学装置当前所处场景、位置、速度，从而决定所述车辆教学装置的自主驾驶行为模式，包括跑道线保持、障碍物响应和变速换道；

所述人机交互模块，一方面显示屏1可实时显示当前不同场景，包括天空、草坪、跑道场景，同时可在线显示所述车辆教学装置当前所处环境信息，包括图像信息、障碍物信息、车体位置信息和所述车辆教学装置运行状态，包括当前速度、方向信息，同时也可修改某些参数调整所述车辆教学装置的运行状态；另一方面可通过无线AP 9(如图3所示)外接PC机远程控制主处理器(即单板电脑12)，获取并在线以图像和数据的形式实时显示监控，并且可传送基本指令。

如图3所示，下位机包括车辆教学装置中的电机和电子调速器2、主控制器4、转向舵机7设备，共同组成两个模块，分别是控制模块和通讯模块；

具体的：

所述控制模块，将所述处理决策模块输出的所述车辆教学装置驾驶行为(如当前的舵机方向和速度大小)利用主控制器4(MCU)产生相应的控制量作用于舵机和电子调速器，同时通过光电编码器(作为装置的反馈系统单元)获取所述车辆教学装置中电机转速信息，从而实现所述车辆教学装置的安全自主驾驶；

所述通讯模块，是连接所述上位机和所述下位机的桥梁，利用串口Modbus协议进行通信，将所述上位机中的主处理器(即单板电脑12)的决策信息或者人为决策指令传送到所述下位机中的主控制器4(MCU)，同时又将所述下位机获取的所述车辆教学装置信息反馈给所述上位机，从而实现稳定的信息交互。

本实施例中，所述车辆教学装置可在标准体育场利用无线键盘人为操控小车保持跑道行驶，同时也可切换成智能模式，即可在跑道中完成体育场的场景分析和自主行驶。以下给出了较为详细的实施方式和具体的操作过程：

首先接通电源，所述车辆教学装置即可进入程序自启动状态，并且进入上位机人机交互界面；同时自动开启无线AP模块，利用外接PC机连接单板电脑12并接管交互界面，进行远程管理和控制；

然后打开下位机的电源，此时下位机的主控制器MCU即单片机开启，初始状态下可进行人为操控所述车辆教学装置行驶，无线键盘上的“←”、“→”键分别对应调整小车的左、右方向，“↑”、“↓”键分别对应所述车辆教学装置的前进和后退，数字键“1”、“2”、“3”、“4”、“5”分别对应所述车辆教学装置不同的速度档位；

当按下键盘中的“F1”键时，所述车辆教学装置切换成自主行驶模式，开始分析和记录当前场景并以视频形式保存，同时保持跑道线行驶，当遇到前方有障碍物时自主换道行驶；

当按下键盘中的“Esc”键时，退出智能模式，切换到人工操控模式；

当遇到紧急情况或安全隐患时，可按下无线急停开关进行紧急停车，保障所述车辆教学装置在行驶过程中的安全性。

本发明主要是基于体育场环境的实现，很好地将教学和素质体育结合起来，利于无人驾驶车辆技术的教学探讨性研究，同时利于素质体育机器人运动的开展和推广；

本发明采用多感知传感器融合，即GPS、激光雷达、网络摄像头等，可对室外更为复杂的环境进行感知。利用激光雷达进行有效避障，利用网络摄像头分析室外运动场景，利用GPS相对定位，实现体育场跑道的自主行驶和避障换道功能，经过拓展可很好地进行素质体育机器人竞技运动；

本发明提供了较为完整的人机交互模式，既可通过本身显示设备单元进行在线管理，也可外接PC进行远程监控和远程管理。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种体育场智能缩微车辆教学装置，其特征在于，所述车辆教学装置本质是移动机器人，包括：车体、主处理器、主控制器、GPS传感器、激光雷达传感器、视觉传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、反馈系统、人机交互系统、通讯设备以及紧急开关、电池组，其中：

所述车体作为主处理器、GPS传感器、激光雷达传感器、视觉传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、反馈系统、人机交互系统、电池组、通讯系统、紧急开关的载体；

所述GPS传感器，用于对当前所述车辆教学装置进行相对定位，并将定位信息发送到主处理器；

所述激光雷达传感器，用于检测所述车辆教学装置正前方及周围环境中的障碍物，并将检测信息发送到主处理器；

所述视觉传感器，用于采集当前环境图像以便分析当前场景，并将采集的信息发送到主处理器；

所述主控制器，用于接收主处理器的决策指令并作用于动力和驱动系统；

所述动力驱动系统，用于执行主控制器发出的速度指令；

所述转向驱动系统，用于执行主控制器发出的转向指令；

所述反馈系统，用于测量所述车辆教学装置的当前速度信息，并反馈给主控制器，实现速度的闭环反馈控制；

所述人机交互系统，用于实时在线监控和管理所述车辆教学装置当前的运行状态，包括场景、速度、转向、安全级别信息；

所述电池组，用于提供主处理器和主控制器以及所有传感器和驱动系统的供电电源；

所述通讯系统，用于对主控制器的监控和实现远程管理；

所述紧急开关，用于紧急状况下实现所述车辆教学装置的制动，进行安全管理；

所述主处理器，用于GPS传感器、激光雷达传感器、视觉传感器信息的融合，进行场景分析和图像处理，并结合所述车辆教学装置的当前实际运行状况，进行决策控制，发出控制指令作用在转向驱动系统和动力驱动系统，从而实现场景分析和自主行驶；同时可优先接受外部紧急停车指令，从而保障所述车辆教学装置的安全性；

所述车辆教学装置的软件和硬件均留有开发接口，具有较强的拓展性和进一步开发性，能在教学过程中提供延展性，同时也为素质体育机器人的运动性能拓展留出了足够的空间。

2.根据权利要求1所述的一种体育场智能缩微车辆教学装置，其特征在于，所述车辆教学装置选择人工遥控或在体育场沿跑道自主行驶的双模式工作方式。

3.根据权利要求1所述的一种体育场智能缩微车辆教学装置，其特征在于，所述车辆教学装置设置有无线急停开关，在紧急情况下按下该急停开关切断装置供电系统，实现硬件急停；同时也能下达远程停止指令将速度置零，实现软件急停。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种体育场智能缩微车辆教学装置，其特征在于，所述车辆教学装置的所述主处理器和所述主控制器之间的串口通信采用Modbus协议，稳定可靠，保障该车辆教学装置的通讯稳定。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种体育场智能缩微车辆教学装置，其特征在于，所述车辆教学装置本身通过所述人机交互系统对车辆的运行情况和所处环境相关数据、图像进行在线绘制、监控、观测和记录，并可对相关参数进行在线调整与修改；同时还能连接其他计算机对所述主处理器进行远程监控管理。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种体育场智能缩微车辆教学装置，其特征在于，使用GPS、激光雷达、视觉传感器这些多传感器融合技术，主处理器自主准确分析和记录体育场天空、草地、跑道、跑道线场景，在跑道中自主行驶的过程中遇到前方障碍能自主变道行驶。