CN111230890A - 一种机场跑道检测机器人 - Google Patents

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龚程程
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Abstract

本发明公开一种机场跑道检测机器人。机器人***采用模块化设计，包括视频采集子***、位置姿态采集子***、WiFi通信子***、供电***、运动平台控制子***、机械臂控制子***以及主控制单元等。机器人工作时对机器人各状态进行采集与记录，并将本体状态通过WiFi传回远程PC机，等待PC机的控制指令；PC机设定机场跑道巡检路径和轨迹，通过WiFi将指令以TCP协议的方式发送至机器人；机器人对接收到的巡检路线执行轨迹跟踪，即位姿闭环控制；机器人在轨迹跟踪的同时，执行机场跑道视频采集并分析判断是否有机场跑道异物或者裂纹。本产品操作方便，消耗低，符合节能减排的理念。

Description

一种机场跑道检测机器人
技术领域
本发明涉及一种机场跑道检测机器人，尤其是能确保飞机起降安全的机器人。包括自主检测判断机场跑道是否有异物或者裂纹。在机场跑道检测机器人的视频采集子***上安装了摄像头，用于实时采集并拍摄机场跑道视频，通过对视频的分析并且基于采集的图像，对FOD和机场跑道裂纹进行识别，最终将识别结果以及图像信息传回主控单元，完成对跑道异物的清除和裂纹的检测。为工作人员提供了便利。
背景技术
目前，随着科学技术的飞速发展，航空交通运输业中的安全问题日益突出，受到大众的广泛关注，飞机飞行过程中需要保证其安全，但更重要的是，起降过程中的安全问题也不容忽视，需要***门重点保障。裂纹和小坑等机场跑道缺陷以及跑道异物对飞机起降的安全问题具有很大的隐患和风险。比如飞机可能会被机场跑道上的小坑干扰导致跑偏，轮胎也可能会被机场跑道异物扎破并引起爆胎。迄今为止，国内外机场跑道已有的检测手段效率不高且有一定的盲目性。
在现在社会的发展中，集成自动化、机械、人工智能计算机等高新尖端科技的机器人将成为推动“工业4.0”进程的重要力量。机场跑道检测机器人符合“工业4.0”时代背景，它能平稳、灵活地对机场跑道裂纹和FOD进行巡检和扫描。机场跑道检测机器人的运用能有效及时地巡检机场跑道缺陷并识别FOD，对机场跑道缺陷进行位置上定位以及FOD的有效处理，使得飞机起降过程的安全问题得到最优的保障，增加了检测精度，减轻了工作人员的工作量。并且它的高工作效率降低了劳动强度和维护成本，节约了人力资源。
发明内容
为了改进现有机场检测跑道技术的不足，本发明提供了一种机场跑道检测机器人，用于对机场跑道异物和裂纹的的监测，并且携带摄像装备，用于实时采集并拍摄机场跑道的视频，在进行异物和裂纹识别后将结果以及图像信息传回主控单元。主控单元计算得到机械臂目标位置，完成机械臂对异物或裂纹的清除和定位。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机场跑道检测机器人，***采用模块化设计，主要包括视频采集子***、位置姿态采集子***、WiFi通信子***、供电***、运动平台控制子***、机械臂控制子***以及主控制单元。其特征在于所述的机器人视频采集子***上安装有摄像头，可以实时采集并拍摄机场跑道，用来对采集的图像进行FOD和裂纹识别，并最终将识别结果以及图像信息传回主控单元；所述的位置姿态采集子***用于检测机场跑道检测机器人的姿态角信息和其位置信息，具体实现过程中表现为俯仰角、横滚角、航向角、经度、纬度等信息，以便于通过闭环控制完成位置和姿态的控制；所述的WiFi通信子***用于连接机场跑道检测机器人和远程PC机，可以将机场跑道检测机器人的位置、姿态、速度、摄像头采集的视频以及其他信息发送到远程PC机，并且从远程PC机读取控制指令；所述的运动平台控制子***根据主控单元计算出来的速度设定值以及当前机器人本体的速度值，完成底层运动平台速度闭环控制，保障机器人在整个机场跑道上精确地巡检；所述的机械臂控制子***用于完成机场跑道异物的处理，根据主控单元计算得到的机械臂目标位置，完成机械臂的控制功能；所述的主控单元是机场跑道检测机器人的核心，用来协调所有子***的，完成指令解析、位置姿态控制等核心算法。
本发明的有益效果是，可以利用对摄像装备反馈回的图像进行识别分析实现对机器人的操控，提高了机场跑道检测的准确性和方便性，使工作人员能够更好的进行跑道安全维护，节约维护时间和降低维护成本，提高了检测效率，解放了劳动力，有广泛的应用价值和市场前景。
附图说明
图1是***工作流程图
图2是***控制结构图
具体实施方式
下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。
在图1中，机场跑道检测***的基本工作主要包含以下内容：机器人各状态的采集与记录；机器人将本体状态通过WiFi传回远程PC机，并等待PC机的控制指令；PC机设定机场跑道巡检路径和轨迹，通过WiFi将指令以TCP协议的方式发送至机器人；机器人对接收到的巡检路线执行轨迹跟踪，即位姿闭环控制；机器人在轨迹跟踪的同时，执行机场跑道视频采集并分析判断是否有机场跑道异物或者裂纹，若有异物，机器人停车并控制机械手清除异物，若有裂纹，机器人将裂纹所在位置上传PC机，否则继续执行轨迹跟踪和视频采集；机器人判断轨迹跟踪是否已经执行完毕，若执行完毕停车并等待下一步命令，否则继续执行轨迹跟踪和视频采集。
在图2中，一种机场跑道检测机器人，***采用模块化设计，主要包括视频采集子***、位置姿态采集子***、WiFi通信子***、供电***、运动平台控制子***、机械臂控制子***以及主控制单元。其特征在于所述的机器人视频采集子***上安装有摄像头，可以实时采集并拍摄机场跑道，用来对采集的图像进行FOD和裂纹识别，并最终将识别结果以及图像信息传回主控单元；所述的位置姿态采集子***用于检测机场跑道检测机器人的姿态角信息和其位置信息，具体实现过程中表现为俯仰角、横滚角、航向角、经度、纬度等信息，以便于通过闭环控制完成位置和姿态的控制；所述的WiFi通信子***用于连接机场跑道检测机器人和远程PC机，可以将机场跑道检测机器人的位置、姿态、速度、摄像头采集的视频以及其他信息发送到远程PC机，并且从远程PC机读取控制指令；所述的运动平台控制子***根据主控单元计算出来的速度设定值以及当前机器人本体的速度值，完成底层运动平台速度闭环控制，保障机器人在整个机场跑道上精确地巡检；所述的机械臂控制子***用于完成机场跑道异物的处理，根据主控单元计算得到的机械臂目标位置，完成机械臂的控制功能；所述的主控单元是机场跑道检测机器人的核心，用来协调所有子***的，完成指令解析、位置姿态控制等核心算法。
在图2中，机场跑道检测机器人本体是一个嵌入式控制***，是以ARM11为嵌入式控制***的核心，各功能模块协调作用下共同完成机场跑道检测等功能。本机器人的ARM11***板采用的是三星以ARM11为核的处理器S3C6410，具有丰富的硬件资源，运行在667MHz主频以上，具有128M字节的Mobile DDR和1G字节的NAND Flash。ARM11板上集成了4个串口、1个USB HOST插口、1路D/A、8路A/D、10路I/O等资源。同时附带电阻触摸屏和TFT LCD。ARM11软件***支持WinCE、Linux、Android以及uC/OS-II。ARM11***板NAND Flash主要用于存放kernel代码、APP代码、File System和其它数据资料，其型号为K9G8G08U0A。***板设计为了支持扩容，采用了双片选架构。ARM11***板配置128M Bytes Mobile DDR存储器，使用2片三星K4X51163PC芯片，DDR数据传输总线频率可达266MHz。设计有四个串口，包括1个五线RS-232电平串口和3个三线TTL电平串口。其中UART0为9针232电平，用于打印调试信息，而UART1、UART2以及UART3为TTL电平的串口，分别用于与WiFi通信子***、运动平台控制子***以及位姿采集***进行通信。ARM11***板的USB HOST接口，可连接U盘、键盘、鼠标等USB设备。
在图2中，运动平台控制子***的硬件采用了TI的2000系列DSP中的TMS320F28335芯片。DSP28335输出的高精度PWM输出，即HRPWM，通过功率放大后可直接驱动直流电机。而DSP28335的事件捕捉单元EQEP接收直流电机光电编码盘产生的正交脉冲序列，可以计算出电机的实时转速。同时DSP28335的串口SCI可以实现芯片间、芯片与上位机的串口通信，用于传递控制命令。由于DSP28335只有2通道的EQEP，而机器人的全向运动平台具有4个Mecanum轮需要驱动，在本设计中，采用双DSP架构驱动机器人的运动平台。由于Mecanum轮转速等于电机减速器输出的转速，对Mecanum轮转速的控制就是DSP28335对直流电机转速的控制。从串口接收到的电机期望转速与经光电编码器采集的实际转速求取偏差后，在DSP28335中执行设计好的PI控制算法，计算出控制量，即PWM占空比，通过L298N驱动放大后实现电机转速的驱动控制。
在图2中，机场跑道检测机器人的位置姿态检测子***作为机器人本体的输入环节，是机器人的“感知器官”，能够采集机器人在全局坐标系，即机场跑道下的位置和姿态信息。其中，机器人的位置信息以经度和纬度的形式体现出来，而姿态信息则是俯仰角、横滚角以及航向角。机场跑道检测机器人的实际位置通过室外定位的方法来检测，定位芯片涉及到了GPS和北斗定位。机场跑道检测机器人位置采集所使用的定位是基于UM220-III的定位技术。UM220-III是和芯星通研发的民用级北斗/GPS双模式传感器，集成度高、功耗低，具有最新的ARM9内核、-160d Bm的高跟踪灵敏度、通过串口输出NMEA等优越特性。采用GNSS多***融合及卡尔曼滤波等优化算法，具有良好的捕获跟踪能力和可靠的连续定位结果。在供电和天线连接的情况下，UM220-III会以设定好的波特率和特定的格式通过串口输出经纬度等信息。同时姿态检测模块融合了电子罗盘来获取航向角，用加速度计对陀螺仪校正，通过电子罗盘的弥补，融合3个传感器的数据来获取机场跑道检测机器人的运动姿态。MPU9250和STM32F051K8U6单片机芯片组成姿态测量模块。STM32F051K8U6采用高性能的ARMCortex MO的32位RISC内核，工作于48MHz频率，64K字节的FLASH，8K字节的SRAM。其中，MPU9250通过IIC与STM32单片机连接并通信。而单片机预留出了两个通道的UART通信口，其中一个用于接收UM220-III传来的经纬度串口数据并处理，组成完整的一套位姿采集模块。另外一个UART口与ARM11通信。
在图2中，机场跑道检测的过程中，涉及到跑道巡检路径设置以及检测到机场裂纹进行裂纹位置上传等功能，需要机场跑道检测机器人与远程PC机进行交互，本机器人采用了WiFi通信，用到的无线WiFi通信模块是Robot-Link V5.0 WIFI模块，该模块具有采集USB摄像头图像并通过Mjpeg格式发送至客户端显示的功能，并且可以实现网络——串口指令的转发。该模块采用MT7620N芯片，具有8M的Flash，32M的DDR，同时留出了USB视频接口和TTL串口指令接口以及双天线SMA接头/高增益天线和1个网口LAN。Robot-Link V5.0 WiFi模块其本质就是一个无线WiFi路由器，其内部运行的是Openwrt路由操作***，在使用的时候将模块配置为服务端。可以开放TCP连接，控制端口号为2001，实现串口数据的接收与发送；视频端口为8080，实现USB摄像头视频数据的传送。而远程监控***主要包含以下几大板块：命令控制板块、摄像头视频显示板块、状态值曲线显示板块以及机器人车体3维姿态视景仿真显示板块等，采用NI的Lab VIEW开发环境进行远程PC监控软件的开发。Lab VIEW采用图形化编程方式，开发周期较其它人机界面编程语言较短，且功能丰富，界面美观。其中，命令控制板块完成对机场跑道检测机器人位置、姿态信息的输入设定，以及位置、姿态角、麦克纳姆轮转速等信息的显示功能，同时，还要完成一些特殊设置按钮控件，如紧急停车按钮和确认设置的按钮等。摄像头视频显示板块完成机场跑道实时视频的显示，机场跑道检测机器人在采集到机场跑道的视频后，将图像通过WiFi传回远程PC监控***，供后台工作人员查看。3维姿态显示板块用于显示机场跑道检测机器人实时的3维姿态视景仿真模型，状态值曲线显示板块用于绘制姿态角度的数据曲线。方便工作人员查看机器人的姿态角。位置和姿态信息的检测，不仅是位姿控制的需要，也是检测到机场跑道异物后对机器人对机械手控制的前提。
本发明由于采用上述结构，提出了一种机场跑道检测机器人的设计，设计简单，检测结果精确，产品性能稳定，适用广泛。而且该***的运用，解放了劳动力，节约了人力资源，能够根据视频采集子***传回的图像信号进行识别分析，提高了工作效率，有广泛的市场价值和应用前景。

Claims (2)

1.一种机场跑道检测机器人，***采用模块化设计，主要包括视频采集子***、位置姿态采集子***、WiFi通信子***、供电***、运动平台控制子***、机械臂控制子***以及主控制单元；其特征在于所述的机器人视频采集子***上安装有摄像头，可以实时采集并拍摄机场跑道，用来对采集的图像进行FOD和裂纹识别，并最终将识别结果以及图像信息传回主控单元；所述的位置姿态采集子***用于检测机场跑道检测机器人的姿态角信息和其位置信息，具体实现过程中表现为俯仰角、横滚角、航向角、经度、纬度等信息，以便于通过闭环控制完成位置和姿态的控制；所述的WiFi通信子***用于连接机场跑道检测机器人和远程PC机，可以将机场跑道检测机器人的位置、姿态、速度、摄像头采集的视频以及其他信息发送到远程PC机，并且从远程PC机读取控制指令；所述的运动平台控制子***根据主控单元计算出来的速度设定值以及当前机器人本体的速度值，完成底层运动平台速度闭环控制，保障机器人在整个机场跑道上精确地巡检；所述的机械臂控制子***用于完成机场跑道异物的处理，根据主控单元计算得到的机械臂目标位置，完成机械臂的控制功能；所述的主控单元是机场跑道检测机器人的核心，用来协调所有子***的，完成指令解析、位置姿态控制等核心算法。
2.根据权利要求书1所述的一种机场跑道检测机器人，其特征在于当机器人开始工作时，将本体状态通过WiFi传回远程PC机，并等待PC机的控制指令，PC机设定机场跑道巡检路径和轨迹，通过WiFi将指令以TCP协议的方式发送至机器人；机器人对接收到的巡检路线执行轨迹跟踪，即位姿闭环控制；机器人在轨迹跟踪的同时，执行机场跑道视频采集并分析判断是否有机场跑道异物或者裂纹，若有异物，机器人停车并控制机械手清除异物，若有裂纹，机器人将裂纹所在位置上传PC机。
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CN112130580A (zh) * 2020-11-22 2020-12-25 西北农林科技大学 基于LabVIEW的果园机器人姿态监控***可视化方法
CN112256025A (zh) * 2020-10-12 2021-01-22 北京字节跳动网络技术有限公司 设备控制方法、装置和电子设备

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