CN109029463B - 面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了室内多平衡车自主导航与联动调度***,包括地图采样车、多台室内自主导航平衡车、固定点位充电***、后台云端服务器;其特征在于:地图采样车采集室内环境的三维稀疏点云地图,将三维稀疏点云地图存储在后台云端服务器中;后台云端服务器为***提供数据计算和存储,并根据三维稀疏点云地图和室内自主导航平衡车的当前位置以及目的地数据,为室内自主导航平衡车提供室内轨迹规划;各室内自主导航平衡车通过局域网通信网络与后台云端服务器通信;地图采样车与室内自主导航平衡车均具有驾驶人状态感知模块、车载环境感知***、局部导航规划***、控制决策***与远程通信***;可广泛应用在机场、办公大楼、车站、商场等场馆内。
Description
技术领域
本发明涉及车辆自主导航***,具体涉及面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***。
背景技术
随着经济社会的发展,城市的建设,面向室内封闭环境下的便捷、智慧代步驾驶,已经成为人们的广泛社会需求。
现代社会不断发展,城市建设日新月异,人们的活动范围不断扩大,随之带来的问题是人们在不熟悉的机场、办公大楼、车站、商场、场馆内,非常容易迷失方向,不能在计划的时间内找到目的地,而耽搁后续行程安排。同时,室内环境下GPS信号失效,无法使用GPS设备来提供精确定位服务,使得该问题变得更加困难。作为新型室内自主驾驶式车辆工具,本发明公开的自主式室内平衡车可以满足人们在室内场景下对便利出行的需求。
目前,常用的室内代步工具,主要以手动驾驶模式为主,其技术要点在于,通过手柄、方向盘、踏板等钮来完成代步行驶。该方案解决了代步出行问题,但尚未解决便捷、智能、自主室内代步问题。因此,本发明拟建立基于3维稀疏点云构建的室内多平衡车自主导航与联动调度方法,这对于未来室内的智能便利代步,具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***。
本发明为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是:
面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***,包括地图采样车、多台室内自主导航平衡车、固定点位充电***、后台云端服务器;其特征在于:
地图采样车与室内自主导航平衡车均具有驾驶人状态感知模块、车载环境感知***、局部导航规划***、控制决策***与远程通信***。
地图采样车采集室内环境的三维稀疏点云地图,并将三维稀疏点云地图存储在后台云端服务器中,供室内自主导航平衡车调用;在使用过程中,室内自主导航平衡车为地图提供持续更新。
后台云端服务器用于为***提供数据计算和存储,并根据三维稀疏点云地图和室内自主导航平衡车的当前位置数据以及目的地数据,为室内自主导航平衡车提供室内轨迹规划。
各室内自主导航平衡车通过局域网通信网络与后台云端服务器通信,后台云端服务器维护与室内环境对应的三维稀疏点云图,各室内自主导航平衡车在工作过程中,通过车与云的通讯机制,自动上传、下载和更新室内三维稀疏点云地图。
所述驾驶人状态感知模块具有分析驾驶人当前身份、状态、情绪的能力;安装有正对驾驶人面部的单目视觉***,单目视觉***获取驾驶人面部数据,采用主动形状模型(Active Shape Model)进行人脸建模,通过当前驾驶人脸的主动形状模型与后台云端服务器中存储的数据的进行匹配,获取当前驾驶人的身份信息、状态和情绪状态;所述车载环境感知***包括双目视觉感知与语义地图创建模块以及平衡车视觉定位模块。
双目视觉感知与语义地图创建模块采用双目机器视觉作为环境感知手段,通过双目机器视觉获得当前环境的图像数据,并以获得的图像数据为输入,基于卷积神经网络构建环境感知模型,获得周围环境中的行人、可通行道路和障碍物的信息,构建三维语义环境模型。
平衡车视觉定位模块通过双目机器视觉以30Hz的频率采集平衡车当前环境,并通过图像分析方法获得双目视觉***中的特征点对,再基于双目三角测量方法将特征点对投影到三维空间中,形成实时局部稀疏点云地图;并将实时局部稀疏点云地图通过所述远程通信***上传到后台云端服务器供服务器更新,同时将实时局部稀疏点云地图与后台云端服务器存储的当前环境对应的三维稀疏点云地图进行匹配,实现车辆的实时定位。
所述局部导航规划***以双目视觉感知与语义地图创建模块所构建的三维语义环境模型为基础,构建环境中行人、障碍物、以及本身室内自主导航平衡车的人工势场,再基于人工势场的互斥原理,在后台云端服务器提供的室内轨迹规划基础上,进行前方局部范围的轨迹规划。
所述控制决策***根据车载环境感知***所构建的三维语义环境模型和所述局部导航规划***所构建的轨迹规划路径,控制室内自主导航平衡车进行自动驾驶,该自动驾驶包括“向前行驶”、“向后倒退”、“左转弯”、“右转弯”、“制动”或“停止”。
所述远程通信***采用射频频段,链接到无线局域网,在局域网内实现信息通信。
所述固定点位充电***固定布置在室内充电区域,采用无线射频充电方法,当室内自主导航平衡车检测到电量SOC值低于设定值时,驶入无线充电区域时,进行非接触式无线充电;当电量充满后,室内自主导航平衡车自动驶出充电区域。
根据本发明所述的面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***的优选方案,所述固定点位充电***内设置充电线圈,当自主导航平衡车驶入该区域,充电线圈通过电磁共振的方式为自主导航平衡车进行电量补充。
根据本发明所述的面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***的优选方案,后台云端服务器用于维护与更新室内三维稀疏点云地图,并在存储三维稀疏点云地图时,采用基于区块Section分区的块状存储方法,将室内区域分为若干个区块,每个区块对应各自独一无二的ID,为每个区块的边沿标记不同的标识,每个区块的大小控制在一个固定值,所有的区块之和覆盖整个室内区域空间。
根据本发明所述的面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***的优选方案,后台云端服务器内设置有联动调度***,所述联动调度***用于根据室内各区域的人流情况,绘制室内不同区块在不同时段对应的人流分布热点分布图,根据人流分布热点分布图将区块划分为不同等级,以确定不同时段内不同区块对应的室内自主导航平衡车的目标分布数量;同时,后台云端服务器每间隔设定时间,统计不同区块中当前处于待使用状态的室内自主导航平衡车数量,并根据目标分布数量,对当前区块中的室内自主导航平衡车数量进行调整。
本发明所述的面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***的有益效果是:本发明面向室内封闭环境,采用基于3维稀疏点云建模和驾驶人身份识别技术,完成多个自主导航平衡车在室内的自主代步任务;该发明能够帮助人们在不熟悉环境中,不再迷失方向,实现快速到达目的地,起到智慧代步的功能,进而提升室内环境的智能化水平,给宾客以人性化和智能化关怀;本发明以车载单、双目视觉***为主要车载传感器,以后台云端服务器为技术、控制中枢,能够在低成本的情况下,形成安全可靠的自主导航平衡车安全决策,保证了自主导航平衡车的安全行驶,可广泛应用在机场、办公大楼、车站、商场等场馆内。
附图说明
图1是本发明所述的面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***结构图。
图2是本发明所述的室内自主导航平衡车原理框图。
图3是实施例中驾驶人身份确认流程框图。
图4是联动调度***流程框图。
图5是某室内环境三维点云建构效果图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
参见图1与图2,面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***,包括地图采样车、多台室内自主导航平衡车、固定点位充电***、后台云端服务器;多台室内自主导航平衡车的具体容量为1000台以内,每台室内自主导航平衡车具有相同的功能和结构,可以为2轮、3轮或4轮车辆***,室内自主导航平衡车行驶最高速度小于20km/h,额定行驶速度为15km/h;室内自主导航平衡车可以同时载人和载物低速行驶。
地图采样车与室内自主导航平衡车均具有驾驶人状态感知模块、车载环境感知***、局部导航规划***、控制决策***与远程通信***。
地图采样车采集室内环境的三维稀疏点云地图,并将三维稀疏点云地图存储在后台云端服务器中,供室内自主导航平衡车调用;在使用过程中,室内自主导航平衡车为地图提供持续更新。
后台云端服务器是计算能力强大的计算机***,包括CPU、内存、硬盘、通信网卡、供电***等,为***提供数据计算和存储。并根据三维稀疏点云地图和室内自主导航平衡车的当前位置数据以及目的地数据,为室内自主导航平衡车提供室内轨迹规划。
各室内自主导航平衡车通过局域网通信网络与后台云端服务器通信,后台云端服务器维护与室内环境对应的三维稀疏点云图,各室内自主导航平衡车在工作过程中,通过车与云的通讯机制,自动上传、下载和更新室内三维稀疏点云地图。
参见图5,三维稀疏点云地图由室内环境中的3维稀疏特征点构成,双目视距***将视频流中对应的特征角点投影到3维空间中形成3维稀疏特征点。所述的3维稀疏特征点包括Harris角点、Fast角点等。
所述驾驶人状态感知模块具有分析驾驶人当前身份、状态、情绪的能力;安装有正对驾驶人面部的单目视觉***,单目视觉***获取驾驶人面部数据,采用主动形状模型(Active Shape Model)进行人脸建模,通过当前驾驶人脸的主动形状模型与后台云端服务器中存储的数据的进行匹配,获取当前驾驶人的身份信息、状态和情绪状态。
所述车载环境感知***包括双目视觉感知与语义地图创建模块以及平衡车视觉定位模块。
双目视觉感知与语义地图创建模块采用双目机器视觉作为环境感知手段,通过双目机器视觉获得当前环境的图像数据,并以获得的图像数据为输入,基于卷积神经网络构建环境感知模型,获得周围环境中的行人、可通行道路和障碍物的信息,构建三维语义环境模型。
所述基于卷积神经网络(CNN)构建环境感知模型,具体为:使用迁移学***衡车的视觉分类***;该视觉分类***建立基于室内自主导航平衡车的环境视觉库,通过实际环境驾驶,采集实际环境视觉库,以此为基础对Mask-RCNN深度神经网络的最后4层全连接层进行再训练,获得权重系数。
平衡车视觉定位模块通过双目机器视觉以30Hz的频率采集平衡车当前环境,并通过图像分析方法获得双目视觉***中的特征点对,再基于双目三角测量方法将特征点对投影到三维空间中,形成实时局部稀疏点云地图;并将实时局部稀疏点云地图通过所述远程通信***上传到后台云端服务器供服务器更新地图,同时将实时局部稀疏点云地图与后台云端服务器存储的当前环境对应的三维稀疏点云地图进行匹配,实现车辆的实时定位。
所述局部导航规划***以双目视觉感知与语义地图创建模块所构建的三维语义环境模型为基础,构建环境中行人、障碍物、以及本身室内自主导航平衡车的人工势场,再基于人工势场的互斥原理,在后台云端服务器提供的室内轨迹规划基础上,进行前方局部范围的轨迹规划。
所述控制决策***根据车载环境感知***所构建的三维语义环境模型和所述局部导航规划***所构建的轨迹规划路径,控制室内自主导航平衡车进行自动驾驶,该自动驾驶包括“向前行驶”、“向后倒退”、“左转弯”、“右转弯”、“制动”或“停止”。
所述远程通信***采用2.4G UHF射频频段,链接到无线局域网,在局域网内实现信息通信。
所述固定点位充电***固定布置在室内充电区域,采用无线射频充电,当室内自主导航平衡车检测到电量SOC值低于设定值时,驶入无线充电区域时,进行非接触式无线充电;当电量充满后,室内自主导航平衡车自动驶出充电区域。
在具体实施例中,所述固定点位充电***内设置充电线圈,当自主导航平衡车驶入该区域,充电线圈通过电磁共振的方式为自主导航平衡车进行电量补充。
在具体实施例中,后台云端服务器还用于维护与更新室内三维稀疏点云地图,并在存储三维稀疏点云地图时,采用基于区块Section分区的块状存储方法,将室内区域分为若干个区块,每个区块对应各自独一无二的ID,为每个区块的边沿标记不同的标识,每个区块的大小控制在一个固定值,所有的区块之和覆盖整个室内区域空间。
后台云端服务器内设置有联动调度***,所述联动调度***用于根据室内各区域的人流情况,绘制室内不同区块在不同时段对应的人流分布热点分布图,根据人流分布热点分布图将区块划分为不同等级,以确定不同时段内不同区块对应的室内自主导航平衡车的目标分布数量;同时,后台云端服务器每间隔设定时间,统计不同区块中当前处于待使用状态的室内自主导航平衡车数量,并根据目标分布数量,对当前区块中的室内自主导航平衡车数量进行调整。
具体使用时,可按如下实施:
各室内自主导航平衡车通过局域网通信网络与后台云端服务器通信。
自主导航平衡车通过室内wifi与后台云端服务器连接,后台云端服务器通过万维网与广域网其他站点服务器连接;具体方法为,各自主导航平衡车在工作过程中,通过2.4GUHF射频频段,连接到后台云端服务器,建立车与云间的连接;后台云端服务器通过有线光钎网络,实现和外部的信息交互。
地图采样车采集室内环境的三维稀疏点云地图时,首先对地图采样车上的双目机器视觉进行参数标定,获得变换矩阵M;地图采样车在室内无死角行驶,行驶过程中地图采样车的双目机器视觉获得双目视频流,在基本矩阵的约束下,以变换矩阵M为基础,采用三角测量方法,将图像中对应的2D特征点对映射到基于室内坐标系的三维空间中去。
所述图像中对应的2D特征点对,具体为3D环境中表示为同一个特征在双目机器视觉中的不同成像;获取方法具体为,采用ORB特征提取方法,提取视频流对应时间戳下的二幅图像中的ORB对应特征点,并采用图像特征点匹配方法,获得2D特征点间的匹配关系,获得2D特征点对。
后台云端服务器存储与维护室内三维稀疏点云图,并根据三维稀疏点云地图和室内自主导航平衡车的当前位置数据以及目的地数据,为室内自主导航平衡车提供室内轨迹规划;各室内自主导航平衡车在工作过程中,通过车与云的通讯机制,自动上传、下载和更新室内三维稀疏点云地图。
后台云端服务器在存储三维稀疏点云地图的过程中,采用基于区块Section分区的块状存储方法,将室内范围分为若干个区块Section,每个区块Section对应各自独一无二的ID,如:1,2,3,4等,为每个区块Section的边沿标记不同的标识,如:A,B,C,D,E等,每个区块Section的大小控制在一个固定值,如20m*20m,所有的区块Section叠加之和可以覆盖整个室内区域空间。
所述各自主导航平衡车在工作过程中,通过车与云的通讯机制,自动上传、下载和更新室内三维稀疏点云地图;当车辆进入到当前的区块Section之后,云端服务器将会把当前区块Section的三维稀疏点云地图,通过所述远程通信***传给室内自主导航平衡车,便于室内自主导航平衡车在该区域内导航使用;当室内自主导航平衡车驶出该区块Section之后,会把更新后的三维稀疏点云地图上传到后台云端服务器;后台云端服务器采用证据判定方法,更新云端服务器中的地图数据。
其中,所述云端服务器采用证据判定方法,更新云端服务器中的地图数据,具体方法为,各自主导航平衡车在驶离当前区块Section的同时,会将当前本车识别的三维稀疏点云地图数据上传到后台云端服务器,后台云端服务器将该上传的地图数据作为临时地图数据保存,当同一区块Section对应的临时地图数据超过设定份数时,如5份时,后台云端服务器采用D/S证据方法对临时地图数据进行证据判定,获得高置信度的地图数据,并将此三维稀疏点云地图数据作为当前区块Section对应的地图数据,替换原后台云端服务器中备份的三维稀疏点云数据。
使用者在使用室内自主导航平衡车之前,需要通过网络访问后台云端服务器,进行注册,并上传本人的照片、身份认证等注册信息和预约出行数据,如出行时间、出发地点、目的地点。
参见图3,室内自主导航平衡车在驾驶人上车之后,通过所述驾驶人状态感知模块对使用者的人脸扫描来获取对驾驶人的身份确认。
室内自主导航平衡车通过平衡车视觉定位模块获取当前车辆位置信息,并将当前位置信息上传给后台云端服务器,后台云端服务器综合室内自主导航平衡车当前的位置和目的地位置进行轨迹规划,即后台云端服务器根据最短距离原理,计算出自主导航平衡车从当前位置行驶到目的地位置,所需要经过的所有区块Section的ID号,并计算室内自主导航平衡车需要驶入的每个区块Section的边沿标识号,和需要驶出的每个区块Section边沿标识号。并将轨迹规划结果发送给室内自主导航平衡车,室内自主导航平衡车再利用局部导航规划***在单个区块Section中进行局部轨迹规划,并通过控制决策***控制室内自主导航平衡车进行自动驾驶,该自动驾驶包括“向前行驶”、“向后倒退”、“左转弯”、“右转弯”、“制动”或“停止”。
另外,参见图4,后台云端服务器内设置有联动调度***,后台云端服务器利用室内视频监控仪,监视室内各区域的人流情况,并对最近一段时间内比如30天时间内,不同时段内室内每个区块Section的人流分布数量进行统计。其中,不同时段具体为早晨:6:00-9:00;上午:9:00-11:00;中午:11:00-14:00,下午:14:00-16:00,傍晚16:00-17:00;晚上17:00-21:00。根据不同时段人流分布数量的统计,绘制室内不同区块Section在不同时段对应的人流分布热点分布图。再根据人流分布热点分布图,将室内区块Section分成若干个等级,比如“最高”、“高”、“中”、“低”、“最低”5个等级,确定不同时段内不同区块Section对应的室内自主导航平衡车的目标分布数量;具体为,“最高”等级对应区块Section目标平衡车数量为总数量的30%,“高”为25%,“中”为20%,“低”15%,“最低”为10%。
后台云端服务器每间隔设定时间,比如每1小时的最后10分钟,统计当前不同区块Section中处于待使用状态的室内自主导航平衡车数量,并根据目标平衡车数量,对当前区块Section中的室内自主导航平衡车数量进行调整。
即:计算当前区块Section中的实际数量和目标数量之差;并将实际需要的调入、调出数量向后台云端服务器登记,后台云端服务器根据登记的调入、调出数量,依据调度距离最短原则,制定调度规则表,根据调度规则表,将多出来的室内自主导航平衡车调配到周边需要自主导航平衡车的区块Section中,完成调配任务。
本发明针对室内环境下的智能、便利、自主代步需求,本发明提出复杂室内环境下基于3维稀疏点云建模和驾驶人身份识别的多平衡车自主导航方法,来实现对室内多平衡车的控制。采用本发明专利公开的技术方案,可以很好地满足人们在室内场景下对便利出行的使用需求。
Claims (4)
1.面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***,包括地图采样车、多台室内自主导航平衡车、固定点位充电***、后台云端服务器;其特征在于:
地图采样车采集室内环境的三维稀疏点云地图,并将三维稀疏点云地图存储在后台云端服务器中;
后台云端服务器用于为***提供数据计算和存储,并根据三维稀疏点云地图和室内自主导航平衡车的当前位置数据以及目的地数据,为室内自主导航平衡车提供室内轨迹规划;
各室内自主导航平衡车通过局域网通信网络与后台云端服务器通信;
地图采样车与室内自主导航平衡车均具有驾驶人状态感知模块、车载环境感知***、局部导航规划***、控制决策***与远程通信***;
所述驾驶人状态感知模块安装有正对驾驶人面部的单目视觉***,单目视觉***获取驾驶人面部数据,采用主动形状模型进行人脸建模,通过当前驾驶人脸的主动形状模型与后台云端服务器中存储的数据的进行匹配,获取当前驾驶人的身份信息;
所述车载环境感知***包括双目视觉感知与语义地图创建模块以及平衡车视觉定位模块;
所述双目视觉感知与语义地图创建模块采用双目机器视觉作为环境感知手段,通过双目机器视觉获得当前环境的图像数据,并以获得的图像数据为输入,基于卷积神经网络构建环境感知模型,获得周围环境中的行人、可通行道路和障碍物的信息,构建三维语义环境模型;
所述平衡车视觉定位模块通过双目机器视觉采集平衡车当前环境,并通过图像分析方法获得双目视觉***中的特征点对,再基于双目三角测量方法将特征点对投影到三维空间中,形成实时局部稀疏点云地图;并将实时局部稀疏点云地图通过所述远程通信***上传到后台云端服务器;同时将实时局部稀疏点云地图与后台云端服务器存储的当前环境对应的三维稀疏点云地图进行匹配,实现车辆的实时定位;
所述局部导航规划***以双目视觉感知与语义地图创建模块所构建的三维语义环境模型为基础,构建环境中行人、障碍物、以及本身室内自主导航平衡车的人工势场,再基于人工势场的互斥原理,在后台云端服务器提供的室内轨迹规划基础上,进行前方局部范围的轨迹规划;
所述控制决策***根据车载环境感知***所构建的三维语义环境模型和所述局部导航规划***所构建的轨迹规划路径,控制室内自主导航平衡车进行自动驾驶;
所述远程通信***采用射频频段,链接到无线局域网,在局域网内实现信息通信;
所述固定点位充电***固定布置在室内充电区域,采用无线射频充电,当室内自主导航平衡车检测到电量SOC值低于设定值时,驶入无线充电区域时,进行非接触式无线充电;当电量充满后,室内自主导航平衡车自动驶出充电区域。
2.根据权利要求1所述的面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***,其特征在于:所述固定点位充电***内设置充电线圈,当自主导航平衡车驶入该区域,充电线圈通过电磁共振的方式为自主导航平衡车进行电量补充。
3.根据权利要求1所述的面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***,其特征在于:
后台云端服务器还用于维护与更新室内三维稀疏点云地图,并在存储三维稀疏点云地图时,将室内区域分为若干个区块,每个区块对应各自独一无二的ID,为每个区块的边沿标记不同的标识,每个区块的大小控制在一个固定值,所有的区块之和覆盖整个室内区域空间。
4.根据权利要求3所述的面向车辆安全行驶的室内多平衡车自主导航与调度***,其特征在于:后台云端服务器内设置有联动调度***,所述联动调度***用于根据室内各区域的人流情况,绘制室内不同区块在不同时段对应的人流分布热点分布图,根据人流分布热点分布图将区块划分为不同等级,以确定不同时段内不同区块对应的室内自主导航平衡车的目标分布数量;同时,后台云端服务器每间隔设定时间,统计不同区块中当前处于待使用状态的室内自主导航平衡车数量,并根据目标分布数量,对当前区块中的室内自主导航平衡车数量进行调整。
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