一种基于无人机的道路维修无人巡逻车系统及工作方法与流程

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1.本发明涉及无人巡逻车技术领域，尤其是涉及一种基于无人机的道路维修无人巡逻车系统及工作方法。

背景技术：

2.随着科技的不断发展，人工智能技术越来越受到人们的关注，基于上述技术的无人巡逻车，也在不断地成为我们研究的主题方向。
3.道路清洁、路面养护、路灯维修、车辆救援、道路除障等道路维护作业时，需道路养护工人暴露于高速车流进行人工作业，仅通过隔离安全锥桶将被施工路面隔离，存在很大安全隐患，极易发生人车相撞重大安全事故，是我们亟待解决的问题。

技术实现要素：

4.鉴于以上问题，本发明提供了一种基于无人机的道路维修无人巡逻车系统及工作方法，不仅实现了道路养护封控作业全流程无人化和人车隔离，保障了作业安全，而且只需设置惯导模块、激光测距、视觉识别模块，无需昂贵的rtk定位天线及3d激光雷达，自动化方案成本低廉。
5.为了实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案如下：一种基于无人机的道路维修无人巡逻车系统，该系统包括遥控器、带图像回传功能的巡逻车，所述作业巡逻车上装载基于pid控制模块的车载控制器，所述系统还包括四旋翼无人机，所述巡逻车与所述四旋翼无人机的均设有单目摄像机，所述四旋翼无人机与巡逻车通过mavlink协议进行数据沟通及状态反馈，所述四旋翼无人机底部固定有设有警示挂牌，警示挂牌底部两端设有三角撑脚，所述巡逻车后部设置有固定架，固定架顶部设有无人机停泊的接口槽，巡逻车前部固定设置有显示屏，所述挂牌底部插入至接口槽内，接口槽内设有压板，接口槽外固定有电动推杆，电动推杆的伸缩杆穿过接口槽侧部与压板连接，压板在电动推杆作用下令挂牌侧部锁紧或释放，所述巡逻车显示屏顶部还设有一个长距离单点激光测距雷达。
6.进一步优化的，所述巡逻车的显示屏与所述四旋翼无人机的挂牌距地面高度相同，且都在激光测距雷达的视角范围内。
7.进一步优化的，所述遥控器具备四旋翼无人机和巡逻车遥控功能，并采用一键切换，实现四旋翼无人机和巡逻车分别遥控。
8.进一步优化的，所述四旋翼无人机具备一键返航功能。
9.为了实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供了一种基于无人机的道路维修无人巡逻车的工作方法，包括以下步骤：s1：作业人员通过遥控器控制巡逻车，在高速公路沿车道标线右侧行驶，达到预设位置a作业点并点亮显示屏；s2：启动四旋翼无人机，四旋翼无人机带着警示挂牌向前飞行；
s3：巡逻车的激光测距雷达测量警示挂牌距离m，当距离m满足预设的b作业点后，四旋翼无人机下降并点亮警示挂牌，开始预警作业；s4：发出四旋翼无人机归位指令，四旋翼无人机返航；s5：四旋翼无人机准确停泊至固定接口，对接完成，完成任务。
10.进一步优化的，在步骤s1中，包括以下步骤：s11：基于巡逻车的单目摄像机，获得车道标线图像；s12：将车道标线图像进行预处理，分割兴趣区域，得到感兴趣区域范围内的图像；s13：将感兴趣区域范围内的图像基于均值法进行灰度化处理，再对灰度化处理后的图像进行边缘检测，识别车道标线；s14：基于识别车道标线的图像数据，计算车道左右标线与画面中线相隔像素的数量；s15：将上述得到的像素数量数据与预设画面像素数量数据的差值进行比对，根据预设阀值t1，超过该阀值t1，将偏差方向数据反馈输入到车载控制器，车载控制器对巡逻车进行调整；s16：根据所得的差值小于预设阀值t1，车辆保持当前方向进行行驶。
11.进一步优化的，在步骤s2中，包括以下步骤：s21：基于无人机的视觉传感器的单目摄像机，获得道路标线图像；s22：根据道路标线图像，通过图像分区重点识别图像左右各三分之一视场像素内容；s23：通过均值法对终点区域进行图像灰度提取，并通过边缘检测识别道路标线；s24：四旋翼无人机的自动驾驶控制器根据视觉传感器反馈的像素信息，通过位姿算法调整四旋翼无人机在车道中间飞行。
12.进一步优化的，在步骤s5中，所述四旋翼无人机通过单目摄像机与激光测距雷达引导下准确停泊至固定接口，包括以下步骤：s51：四旋翼无人机的单目摄像机对所述巡逻车进行拍照，采用均值法对图像进行灰度化处理，对所述巡逻车进行边缘识别和提取特征值；s52：将提取到的特征值与预存照片进行比对，根据预设的阀值，不满足所述阀值，反馈给所述四旋翼无人机的位姿算法模块计算四旋翼无人机变换角度，所述四旋翼无人机根据根据算法参数执行位姿变换动作，直到满足所述阀值；s53：基于满足上述阀值，所述四旋翼无人机下降1米，激光测距雷达检测到警示挂牌底部并计算动态距离n，四旋翼无人机执行末端精确对位算法，对acuro码像素信息与预存照片进行比对，根据预设阀值t2，不满足阀值t2，将反馈给所述四旋翼无人机的位姿算法模块计算四旋翼无人机变换角度，所述四旋翼无人机根据算法参数执行位姿变换动作，直到位姿满足所述阀值t2，动态距离n在标准距离值内,令无人机警示挂牌底部精确降落至所述巡逻车的固定接口。
13.进一步优化的，步骤s3中，所述四旋翼无人机开始预警作业后还包括：s31：四旋翼无人机定时升空预警显示；s32：距离地面3-5米悬停一段时间；s33：然后再下降等待；重复进入步骤s31。
14.本发明具有以下积极效果：
1.本发明实现了道路养护封控作业全流程无人化和人车隔离，保障了作业安全。
15.2.本发明无人机及巡逻车均只需实现道路标线识别及固定距离直线行驶功能，均采用单目摄像机进行图像获取和长距离单点激光测距雷达进行距离测量，自动化方案成本低廉。
16.3.本发明实现了来车警示、引导、分流功能。作业巡逻车及无人机具有两级警示牌保护功能，安全系数提高。尤其本发明作业开展及回收流程中，无人机在作业点可以自行升空进行定时警示，因此具备了影响范围广、提醒功能强等优点，无人机与巡逻车构成系统后，可以利用两者之长，提高了道路智能化管理水平。
附图说明
17.图1本发明作业流程示意图；图2为本发明巡逻车沿标线行驶流程示意图；图3为本发明四旋翼无人机到达作业点流程示意图；图4为本发明四旋翼无人机末端对位引导流程示意图；图5为本发明结构示意图；图6为本发明无人机结构示意图；图7为本发明巡逻车结构示意图；图8为本发明作业流程示意图；图9为本发明四旋翼无人机压紧装置示意图。
18.图中标号名称说明：1-四旋翼无人机，11-告警装置，12-无人机的长距离激光测距雷达，13-无人机的单目摄像机，2-巡逻车，21-告警装置，22-巡逻车的长距离激光测距雷达，23-巡逻车的单目摄像机，24-aruco码定位标志，25-四旋翼无人机停泊固定接口，26-压板，27-伸缩杆，28-电动推杆。
具体实施方式
19.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
20.实施例：如图5、6、7、9所示，一种基于无人机的道路维修无人巡逻车系统，该系统包括遥控器、带图像回传功能的巡逻车，所述作业巡逻车上装载基于pid控制模块的车载控制器，所述系统还包括四旋翼无人机，所述巡逻车与所述四旋翼无人机的均设有单目摄像机，所述四旋翼无人机与巡逻车通过mavlink协议进行数据沟通及状态反馈，所述四旋翼无人机底部固定有设有警示挂牌，警示挂牌底部两端设有三角撑脚，所述巡逻车后部设置有固定架，固定架顶部设有无人机停泊的接口槽，巡逻车前部固定设置有显示屏，所述挂牌底部插入至接口槽内，接口槽内设有压板，接口槽外固定有电动推杆，电动推杆的伸缩杆穿过接口槽侧部与压板连接，压板在电动推杆作用下令挂牌侧部锁紧或释放，所述巡逻车显示屏顶部还设有一个长距离单点激光测距雷达。
21.进一步的，如图7所示，所述巡逻车的车身为平板底盘，集成巡逻、除障、灭火及锥桶布设多种上装。
22.进一步的，所述巡逻车的显示屏与所述四旋翼无人机的挂牌距地面高度相同，且都在激光测距雷达的视角范围内。
23.进一步的，所述遥控器具备四旋翼无人机和巡逻车遥控功能，并采用一键切换，实现四旋翼无人机和巡逻车分别遥控。
24.进一步的，所述四旋翼无人机具备一键返航功能。
25.进一步的，如图6所示，所述四旋翼无人机的激光测距模块设有两个长距离单点激光测距雷达，分别设于所述四旋翼无人机的水平方向和垂直方向；所述巡逻车的激光测距模块设有一个长距离单点激光测距雷达，且型号相同。
26.进一步的，如图6或7所示，所述巡逻车的告警装置与所述四旋翼无人机的告警装置距地面高度相同，且都在激光测距雷达的视角范围内。
27.为了实现上述目的及其他相关目的，如图1所示，本发明还提供了一种基于无人机的道路维修无人巡逻车工作方法，包括以下步骤：s1：作业人员通过遥控器控制巡逻车，在高速公路沿车道标线右侧行驶，达到预设位置a作业点并点亮显示屏；s2：启动四旋翼无人机，四旋翼无人机带着警示挂牌向前飞行；s3：巡逻车的激光测距雷达测量警示挂牌距离m，当距离m满足预设的b作业点后，四旋翼无人机下降并点亮警示挂牌，开始预警作业；s4：发出四旋翼无人机归位指令，四旋翼无人机返航；s5：四旋翼无人机准确停泊至固定接口，对接完成，完成任务。
28.进一步的，如图2所示，在步骤s1中，包括以下步骤：s11：基于巡逻车的单目摄像机，获得车道标线图像；s12：将车道标线图像进行预处理，分割兴趣区域，得到感兴趣区域范围内的图像；s13：将感兴趣区域范围内的图像基于均值法进行灰度化处理，再对灰度化处理后的图像进行边缘检测，识别车道标线；s14：基于识别车道标线的图像数据，计算车道左右标线与画面中线相隔像素的数量；s15：将上述得到的像素数量数据与预设画面像素数量数据的差值进行比对，根据预设阀值t1，超过该阀值t1，将偏差方向数据反馈输入到车载控制器，车载控制器对巡逻车进行调整；s16：根据所得的差值小于预设阀值t1，车辆保持当前方向进行行驶。
29.进一步的，如图3所示，，在步骤s2中，包括以下步骤：s21：基于无人机的视觉传感器的单目摄像机，获得道路标线图像；s22：根据道路标线图像，通过图像分区重点识别图像左右各三分之一视场像素内容；s23：通过均值法对终点区域进行图像灰度提取，并通过边缘检测识别道路标线；s24：四旋翼无人机的自动驾驶控制器根据视觉传感器反馈的像素信息，通过位姿算法调整四旋翼无人机在车道中间飞行。
30.进一步的，如图4所示，在步骤s5中，所述四旋翼无人机通过单目摄像机与激光测距雷达引导下准确停泊至固定接口，包括以下步骤：
s51：四旋翼无人机的单目摄像机对所述巡逻车进行拍照，采用均值法对图像进行灰度化处理，对所述巡逻车进行边缘识别和提取特征值；s52：将提取到的特征值与预存照片进行比对，根据预设的阀值，不满足所述阀值，反馈给所述四旋翼无人机的位姿算法模块计算四旋翼无人机变换角度，所述四旋翼无人机根据根据算法参数执行位姿变换动作，直到满足所述阀值；s53：基于满足上述阀值，所述四旋翼无人机下降1米，激光测距雷达检测到警示挂牌底部并计算动态距离n，四旋翼无人机执行末端精确对位算法，对acuro码像素信息与预存照片进行比对，根据预设阀值t2，不满足阀值t2，将反馈给所述四旋翼无人机的位姿算法模块计算四旋翼无人机变换角度，所述四旋翼无人机根据算法参数执行位姿变换动作，直到位姿满足所述阀值t2，动态距离n在标准距离值内,令无人机警示挂牌底部精确降落至所述巡逻车的固定接口。
31.进一步优化的，步骤s3中，所述四旋翼无人机开始预警作业后还包括：s31:四旋翼无人机定时升空预警显示；s32:距离地面3-5米悬停一段时间；s33:然后再下降等待；重复进入步骤s31。
32.具体地，所述四旋翼无人机到达预警作业点，每隔十分钟升空进行预警作业，预警告示牌灯管闪烁提醒来往车辆进行避让，悬停三分钟之后降落，然后重复上述操作，达到了不同视觉角度来提醒来往不同型号的车辆注意安全，提高了作业过程中的安全性。
33.具体地，aruco码外部由正方形框构成，因此，首先肯定要检测出候选框，由于透视变换的影响，导致正方形在图像上的投影可以为任意4边形，唯一可知的性质就是，这个4边形一定是具有凸性的，代码也是利用这个性质进行筛选的。前面步骤检测出的角点都是像素级的，用于后续四旋无人机位姿估计时候可能会有误差，因此检测出角点之后，需要对其进行细化，得到亚像素角点，细化方法有两种，分别为：角点细化和拟合直线细化。然后四旋无人机飞到目标点，发送期望目标点到四旋无人机的控制模块，进行调整，最终到达无人巡逻车的固定接口上。
34.综上所述，本发明实现了道路养护封控作业全流程无人化和人车隔离，保障了作业安全，与此同时，不仅无人机及巡逻车均只需实现道路标线识别及固定距离直线行驶功能，故只需单目摄像机进行图像获取和激光测距雷达，自动化方案成本低廉，而且作业开展及回收流程中，无人机均先于巡逻车进行来车警示、引导、分流工作，作业保障车及作业人员始终有无人机、无人车两级警示牌保护，安全系数提高。
35.以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于无人机的道路维修无人巡逻车系统，该系统包括遥控器、带图像回传功能的巡逻车，所述作业巡逻车上装载基于pid控制模块的车载控制器，其特征在于：所述系统还包括四旋翼无人机，所述巡逻车与所述四旋翼无人机的均设有单目摄像机，所述四旋翼无人机与巡逻车通过mavlink协议进行数据沟通及状态反馈，所述四旋翼无人机底部固定有设有警示挂牌，警示挂牌底部两端设有三角撑脚，所述巡逻车后部设置有固定架，固定架顶部设有无人机停泊的接口槽，巡逻车前部固定设置有显示屏，所述挂牌底部插入至接口槽内，接口槽内设有压板，接口槽外固定有电动推杆，电动推杆的伸缩杆穿过接口槽侧部与压板连接，压板在电动推杆作用下令警示挂牌侧部锁紧或释放，所述巡逻车显示屏顶部还设有一个长距离单点激光测距雷达。2.根据权利要求1所述的基于无人机的道路维修无人巡逻车系统，其特征在于：所述巡逻车的显示屏与所述四旋翼无人机的挂牌距地面高度相同，且都在激光测距雷达的视角范围内。3.根据权利要求1所述的基于无人机的道路维修无人巡逻车系统，其特征在于：所述遥控器具备四旋翼无人机和巡逻车遥控功能，并采用一键切换，实现四旋翼无人机和巡逻车分别遥控。4.根据权利要求3所述的基于无人机的道路维修无人巡逻车系统，其特征在于：所述四旋翼无人机具备一键返航功能。5.一种基于无人机的道路维修无人巡逻车的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：作业人员通过遥控器控制巡逻车，在高速公路沿车道标线右侧行驶，达到预设位置a作业点并点亮显示屏；s2：启动四旋翼无人机，四旋翼无人机带着警示挂牌向前飞行；s3：巡逻车的激光测距雷达测量警示挂牌距离m，当距离m满足预设的b作业点后，四旋翼无人机下降并点亮警示挂牌，开始预警作业；s4：发出四旋翼无人机归位指令，四旋翼无人机返航；s5：四旋翼无人机准确停泊至固定接口，对接完成。6.根据权利要求5所述的基于无人机的道路维修无人巡逻车的工作方法，其特征在于，在步骤s1中，包括以下步骤：s11：基于巡逻车的单目摄像机，获得车道标线图像；s12：将车道标线图像进行预处理，分割兴趣区域，得到感兴趣区域范围内的图像；s13：将感兴趣区域范围内的图像基于均值法进行灰度化处理，再对灰度化处理后的图像进行边缘检测，识别车道标线；s14：基于识别车道标线的图像数据，计算车道左右标线与画面中线相隔像素的数量；s15：将上述得到的像素数量数据与预设画面像素数量数据的差值进行比对，根据预设阀值t1，超过该阀值t1，将偏差方向数据反馈输入到车载控制器，车载控制器对巡逻车进行调整；s16：根据所得的差值小于预设阀值t1，车辆保持当前方向进行行驶。7.根据权利要求5所述的基于无人机的道路维修无人巡逻车的工作方法，其特征在于，在步骤s2中，包括以下步骤：s21：基于无人机的视觉传感器的单目摄像机，获得道路标线图像；
s22：根据道路标线图像，通过图像分区重点识别图像左右各三分之一视场像素内容；s23：通过均值法对终点区域进行图像灰度提取，并通过边缘检测识别道路标线；s24：四旋翼无人机的自动驾驶控制器根据视觉传感器反馈的像素信息，通过位姿算法调整四旋翼无人机在车道中间飞行。8.根据权利要求5所述的基于无人机的道路维修无人巡逻车的工作方法，其特征在于：在步骤s5中，所述四旋翼无人机在单目摄像机与激光测距雷达引导下准确停泊至固定接口，包括以下步骤：s51：四旋翼无人机的单目摄像机对所述巡逻车进行拍照，采用均值法对图像进行灰度化处理，对所述巡逻车进行边缘识别和提取特征值；s52：将提取到的特征值与预存照片进行比对，根据预设的阀值，不满足所述阀值，反馈给所述四旋翼无人机的位姿算法模块计算四旋翼无人机变换角度，所述四旋翼无人机根据根据算法参数执行位姿变换动作，直到满足所述阀值；s53：基于满足上述阀值，所述四旋翼无人机下降1米，激光测距雷达检测到警示挂牌底部并计算动态距离n，四旋翼无人机执行末端精确对位算法，对acuro码像素信息与预存照片进行比对，根据预设阀值t2，不满足阀值t2，将反馈给所述四旋翼无人机的位姿算法模块计算四旋翼无人机变换角度，所述四旋翼无人机根据算法参数执行位姿变换动作，直到位姿满足所述阀值t2，动态距离n在标准距离值内,令无人机警示挂牌底部精确降落至所述巡逻车的固定接口。9.根据权利要求5所述的基于无人机的道路维修无人巡逻车的工作方法，其特征在于：步骤s3中，所述四旋翼无人机开始预警作业后还包括：s31:四旋翼无人机定时升空预警显示；s32:距离地面3-5米悬停一段时间；s33:然后再下降等待；重复进入步骤s31。

技术总结

本发明涉及一种基于无人机的道路维修无人巡逻车系统及工作方法。该系统包括巡逻车、四旋翼无人机及车载控制终端，所述车载控制终端装载于所述巡逻车上，所述巡逻车包括顶部设置有无人机停泊固定接口、告警装置、视觉传感器、接收信息与控制模块、激光测距模块以及视觉定位模块；所述四旋翼无人机包括告警装置、视觉传感器、自动驾驶控制器以及激光测距模块。本发明不仅实现了道路养护封控作业全流程无人化和人车隔离，保障了作业安全，而且只需设置惯导模块、激光测距雷达、单目摄像机，无需昂贵的RTK定位天线及3D激光雷达，自动化方案成本低廉。成本低廉。成本低廉。