一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统及工作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统及工作方法，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，通过前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统和环境探测系统实时确定巡逻车所处的位置并进行导航，同时确定周围是否存在障碍物，并将数据实时反馈给中心控制系统进行分析处理，中心控制系统控制两轮驱动系统改变巡逻车的运行状态，从而加速通过或绕过障碍物，进而保证巡逻车正常的巡逻行驶。本发明专利技术通过ARM控制器+NUC计算机+FPGA可编程控制器的三核控制保证巡逻车运行的稳定及精确导航巡逻，并且可适应室外崎岖不平路况及发生突发情况的区域。

A two wheel drive fast self driving patrol car system and its working method

The invention discloses a two-wheel drive fast unmanned patrol vehicle system and its working method, including a two-wheel drive system, a front blind area detection and obstacle avoidance system, a rear blind area detection and obstacle avoidance system, an environment detection system and a central control system, a front blind area detection and obstacle avoidance system, a rear blind area detection and obstacle avoidance system and an environment detection system. The central control system controls the two-wheel drive system to change the running state of the patrol vehicle, so as to speed up the passage or bypass the obstacles and ensure the patrol. The car patrolled normally. The invention guarantees the stable and precise navigation patrol of the patrol vehicle by the three-core control of the ARM controller, the NUC computer and the FPGA programmable controller, and can be adapted to the rugged and unexpected road conditions and the unexpected areas outdoors.

【技术实现步骤摘要】
一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统及工作方法
本专利技术涉及一种无人驾驶巡逻车系统及工作方法，具体是一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统及工作方法。
技术介绍
随着现代化建设的速度加快，超级市场、大型码头、国际机场、各种会展中心、大型物流仓库、高级酒店、医院等场所的数量和规模不断增加，各种大型生活小区和活动场所日益增多，人类活动和物流运输等变得更为复杂，需要大量的人力、物力和安保资源确保这个系统安全运作。目前的安保技术主要以人力巡逻和CCD摄像机定位监控为主，这两种方式已不能满足现有大规模复杂环境的安保需求，采用安保机器人替代人类巡逻的安保巡逻自动化系统可解决眼前的燃眉之急，因为安保巡逻自动化系统不仅可以进一步提高安保系统的稳定性、安全性和实时性，而且可有效节约人工成本。无人驾驶巡逻车作为一种新型特殊安保类机器人，能够通过传感器感知环境和本身状态并实现避障，穿梭于熙熙攘攘的人群和各种各样障碍物，完成自主巡逻任务。无人驾驶巡逻车进行定时、定点、不间断流动式的监控与巡逻是解决安保巡逻自动化最好的解决方案。无人驾驶巡逻车将环境感知、动态决策、路线规划以及行为控制集中于一体的多功能复合系统，它利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、巡逻车辆位置、障碍物和可疑危险物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在巡逻路径上行驶。无人驾驶巡逻车集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。目前，智能无人驾驶巡逻车发展还处于起步阶段，无论是何种程度的智能驾驶，巡逻车的感知能力都是首要考虑的问题，也就是感知无人驾驶巡逻车周边复杂的环境，在这个基础上才能做出相应的路径规划和驾驶行为决策，感知传感器的选择是无人驾驶巡逻车成功避障的前提。多线激光雷达，顾名思义，就是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布，通过电机的旋转形成多条线束的扫描。理论上讲，线束越多、越密，对环境描述就更加充分，这样还可以降低算法的要求。3D多线激光雷达通过激光扫描可以得到机器人周围环境的3D模型，运用相关算法比对上一帧和下一帧环境的变化可以较为容易的探测出机器人周围的行人和其他障碍物信息，同时3D激光雷达另一大特性是同步建图，实时得到的全局地图通过和高精度地图中的特征物比对，可以实现导航及加强机器人的定位精度。多线激光雷达探测范围相对较广，能提供大量环境距离信息，可以为控制决策提供较大的方便，以上优点使得多线激光雷达成为了无人驾驶巡逻车感知未知环境的一个优先选择。一般普通的简易无人驾驶巡逻车驱动系统的电机机械排列结构如图1所示，其控制系统原理如图2所示。无人驾驶巡逻车由多线激光雷达传感器探测系统探测环境并输送给PC机，然后PC机经过编码处理，发送控制指令给基于单片机的下位机，单片机控制模块经过通讯解码后发送控制指令给直流伺服电机控制器，控制器驱动两个直流电机运动，进而通过与直流电机直接连接的驱动轮带动无人驾驶巡逻车行走；单片机控制系统根据激光雷达采集外围环境的变化实时调节直流电机的运动，进而控制无人驾驶巡逻车在实际环境中的位置，CCD摄像机负责实时采集无人驾驶巡逻车巡逻路径中的图像并通过PC机实时储存。现有的简易无人驾驶巡逻车控制系统均是由单个单片机控制单个多线激光雷达传感器来实现上述功能的。长时间运行发现其存在如下问题：(1)由于受直流电机本身特征影响，直流电机的体积和重量相对较大，不利于无人驾驶巡逻车动态性能的提高。(2)运行过程中直流电机的电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。(3)由于巡逻车的直流电机长度均较大，采用传统机械结构的无人驾驶巡逻车宽度较大，无法通过一些狭小的空间。(4)现有的无人驾驶巡逻车直流电机均是与驱动轮直接机械连接，通过控制器调节直流电机的电压来完成调速，虽然满足了行走速度的要求，但是驱动整个无人驾驶巡逻车的扭矩较小，适应室外崎岖不平路况的能力较差。(5)现有的无人驾驶巡逻车均采用低级的单片机芯片，工作频率较低，只有几十兆赫兹，无法满足无人驾驶巡逻车对各种复杂环境干扰的控制，容易引起无人驾驶巡逻车失控。(6)受无人驾驶巡逻车PC机性能影响，无人驾驶巡逻车的环境探测传感器采集数据无法快速计算和储存，影响了无人驾驶巡逻车对周围环境的判断。(7)受无人驾驶巡逻车PC机性能影响，无人驾驶巡逻车的CCD传感器图像采集数据无法实时进行快速分析和计算，总站只能通过分析存储的图像数据才能发现巡逻中的问题。(8)多线激光雷达虽然可实现3D数据，并可判断障碍物的高度，处理地面的信息等，但是价格相对比较昂贵，无法大面积推广使用。(9)现在的无人驾驶巡逻车仅考虑前向探测和避障，均未考虑后方的障碍物信息，有时候巡逻车在倒车时后方出现的障碍物会进入到无人驾驶巡逻车保护区域，造成不必要的伤害。(10)基于多线激光雷达无人驾驶巡逻车在向前运动过程中存在着一个探测盲区，一旦有障碍物处于盲区，易于产生交通事故。(11)基于多线激光雷达无人驾驶巡逻车在实际倒车反向过程中也会出现探测盲区，一旦在运动过程中有障碍物进入运动盲区也易导致交通事故的发生。(12)ARM控制器无法快速完成直流电机的快速伺服调节，加大了无人驾驶巡逻车姿态的调整时间，无人巡逻车无法快速行走。(13)ARM控制器的图像传输系统，受本身能力影响，传输时间较长，导致无人驾驶车无法快速行走。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统及工作方法，能有效解决上述技术问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，所述两轮驱动系统包括直流无刷伺服电机驱动器、直流无刷伺服电机X、行星减速机X、直流无刷伺服电机Y和行星减速机Y，直流无刷伺服电机驱动器分别与直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y连接，直流无刷伺服电机X与行星减速机X的输入端传动连接，行星减速机X的输出端与驱动轮Ⅰ传动连接，直流无刷伺服电机Y与行星减速机Y的输入端传动连接，行星减速机Y的输出端与驱动轮Ⅱ传动连接；驱动轮Ⅰ和驱动轮Ⅱ均设有速度及加速度检测编码器；所述前盲区探测避障系统由超声波探测器US1～US3组成，超声波探测器US1～US3固定在巡逻车的前端；所述后盲区探测避障系统由超声波探测器US4～US6组成，超声波探测器US4～US6固定在巡逻车的后端；所述环境探测系统由单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机组成，CCD摄像机固定在巡逻车顶部，单线激光雷达L1处于巡逻车顶部且探测方向与水平面呈一定角度，单线激光雷达L2处于巡逻车前端且探测方向为水平向前，单线激光雷达L3处于巡逻车后端且探测方向为水平向后；所述中心控制系统包括中心控制器、ARM控制器和FPGA可编程控制器，中心控制器与ARM控制器和FPGA可编程控制器数据连接，单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机与中心控制器数据连接，编码器与FPGA可编程控制器数据连接，ARM控制器与FPGA可编程控制器和超声波探测器US1～US6数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，所述两轮驱动系统包括直流无刷伺服电机驱动器、直流无刷伺服电机X、行星减速机X、直流无刷伺服电机Y和行星减速机Y，直流无刷伺服电机驱动器分别与直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y连接，直流无刷伺服电机X与行星减速机X的输入端传动连接，行星减速机X的输出端与驱动轮Ⅰ传动连接，直流无刷伺服电机Y与行星减速机Y的输入端传动连接，行星减速机Y的输出端与驱动轮Ⅱ传动连接；驱动轮Ⅰ和驱动轮Ⅱ均设有速度及加速度检测编码器；所述前盲区探测避障系统由超声波探测器US1～US3组成，超声波探测器US1～US3固定在巡逻车的前端；所述后盲区探测避障系统由超声波探测器US4～US6组成，超声波探测器US4～US6固定在巡逻车的后端；所述环境探测系统由单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机组成，CCD摄像机固定在巡逻车顶部，单线激光雷达L1处于巡逻车顶部且探测方向与水平面呈一定角度，单线激光雷达L2处于巡逻车前端且探测方向为水平向前，单线激光雷达L3处于巡逻车后端且探测方向为水平向后；所述中心控制系统包括中心控制器、ARM控制器和FPGA可编程控制器，中心控制器与ARM控制器和FPGA可编程控制器数据连接，单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机与中心控制器数据连接，编码器与FPGA可编程控制器数据连接，ARM控制器与FPGA可编程控制器和超声波探测器US1～US6数据连接，FPGA可编程控制器与直流无刷伺服电机驱动器连接，电源为直流无刷伺服电机驱动器供电，电源通过电源转换模块为ARM控制器、FPGA可编程控制器、超声波探测器US1～US6、单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机供电。...

【技术特征摘要】
1.一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，所述两轮驱动系统包括直流无刷伺服电机驱动器、直流无刷伺服电机X、行星减速机X、直流无刷伺服电机Y和行星减速机Y，直流无刷伺服电机驱动器分别与直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y连接，直流无刷伺服电机X与行星减速机X的输入端传动连接，行星减速机X的输出端与驱动轮Ⅰ传动连接，直流无刷伺服电机Y与行星减速机Y的输入端传动连接，行星减速机Y的输出端与驱动轮Ⅱ传动连接；驱动轮Ⅰ和驱动轮Ⅱ均设有速度及加速度检测编码器；所述前盲区探测避障系统由超声波探测器US1～US3组成，超声波探测器US1～US3固定在巡逻车的前端；所述后盲区探测避障系统由超声波探测器US4～US6组成，超声波探测器US4～US6固定在巡逻车的后端；所述环境探测系统由单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机组成，CCD摄像机固定在巡逻车顶部，单线激光雷达L1处于巡逻车顶部且探测方向与水平面呈一定角度，单线激光雷达L2处于巡逻车前端且探测方向为水平向前，单线激光雷达L3处于巡逻车后端且探测方向为水平向后；所述中心控制系统包括中心控制器、ARM控制器和FPGA可编程控制器，中心控制器与ARM控制器和FPGA可编程控制器数据连接，单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机与中心控制器数据连接，编码器与FPGA可编程控制器数据连接，ARM控制器与FPGA可编程控制器和超声波探测器US1～US6数据连接，FPGA可编程控制器与直流无刷伺服电机驱动器连接，电源为直流无刷伺服电机驱动器供电，电源通过电源转换模块为ARM控制器、FPGA可编程控制器、超声波探测器US1～US6、单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机供电。2.根据权利要求1所述的一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，所述中心控制器为基于NUC7的NUC计算机，所述ARM控制器为STM32F767控制器。3.根据权利要求1所述的一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，所述单线激光雷达L1的探测方向与水平面的夹角为4～6°；单线激光雷达L2距离地面的高度为10cm～30cm；单线激光雷达L3距离地面的高度为10cm～30cm。4.根据权利要求1所述的一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统，其特征在于，所述直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y均为稀土永磁无刷直流伺服电机。5.一种两轮驱动快速无人驾驶巡逻车系统的工作方法，其特征在于，具体步骤为：A、无人驾驶巡逻车未进行巡逻工作之前，通过人工遥控的方式控制巡逻车完成所需巡逻的区域的行走，在行走过程中，通过单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机实时进行环境探测，并将探测的数据返给NUC计算机和FPGA可编程控制器，NUC计算机和FPGA可编程控制器分析处理后最终形成整个巡逻区域的环境地图，然后通过ARM控制器发送给总站进行存储，同时总站内存储巡逻车在巡逻区域内各个巡逻点的位置信息；B、无人驾驶巡逻车启动巡逻之前，NUC计算机通过总站调取无人驾驶巡逻车的巡逻点信息，同时结合形成整个巡逻区域的环境地图及导航信息，所述导航信息为确定无人驾驶巡逻车的导航方式为双边导航、左单边导航、右单边导航和基于陀螺仪的惯性导航中的一种，完成巡逻车的预行驶路径规划，然后ARM控制器控制超声波探测器US1～US6开启，若超声波探测器US1～US6反馈检测到障碍物信息，则ARM控制器发出信号控制FPGA可编程控制器停止工作，进而使FPGA可编程控制器封锁直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y的伺服控制，并等待障碍物的清除；若无障碍物信息反馈，则ARM控制器发出信号控制FPGA可编程控制器开始工作，进而FPGA可编程控制器解锁直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y的伺服控制，使巡逻车开始启动；C、巡逻车的巡逻开始启动后，单线激光雷达L1～L3和CCD摄像机实时进行环境探测，并将数据反馈给NUC计算机，NUC计算机和FPGA可编程控制器将...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐敏，
申请(专利权)人：徐州艾奇机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32