基于激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z像頭的校園無人電動車平臺的制作方法
【專利摘要】一種基于激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z像頭的無人駕駛電動校園通勤車，屬于電子設(shè)備領(lǐng)域。本實用新型的目的是將激光雷達(dá)和電動車有機(jī)地結(jié)合在一起，并應(yīng)用在校園內(nèi)部通勤車上的基于激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z像頭的無人駕駛電動校園通勤車。本實用新型是由安裝在車體上的激光雷達(dá)、數(shù)字?jǐn)z像頭、中央控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)系統(tǒng)組成，激光雷達(dá)、攝像頭、遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)系統(tǒng)均與中央控制系統(tǒng)連接。本實用新型將激光雷達(dá)和電動車有機(jī)地結(jié)合在一起，使用激光雷達(dá)的成像原理和數(shù)字?jǐn)z像頭的雙重采集系統(tǒng)采集路面信息，傳遞給車載計算機(jī)，經(jīng)過分析處理后送至控制器，實現(xiàn)對電動車的控制。
【專利說明】基于激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z像頭的校園無人電動車平臺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于電子設(shè)備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)在信息技術(shù)和控制技術(shù)的合力推動下，信息化和智能化已經(jīng)成為未來車輛的 發(fā)展趨勢。無人駕駛車輛則是智能化技術(shù)應(yīng)用的高度集中體現(xiàn)。無人駕駛車輛包括兩類： 一類是遙控車輛，另一類是自主車輛。遙控車輛依靠有線、無線及因特網(wǎng)方式由操縱者遠(yuǎn)程 控制來實現(xiàn)無人駕駛；自主車輛也稱為智能化車輛或者移動機(jī)器人，一般是利用車載傳感 器來感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn) 向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在不同道路環(huán)境中行駛。
[0003] 無人駕駛車輛技術(shù)是集車輛工程、計算機(jī)技術(shù)、自動控制理論、人工智能理論、視 覺計算理論、體系結(jié)構(gòu)理論、程序設(shè)計技術(shù)、機(jī)構(gòu)控制技術(shù)、組合導(dǎo)航技術(shù)、傳感器技術(shù)、通 信與信息融合技術(shù)等多種理論及技術(shù)于一體的多學(xué)科、多行業(yè)的綜合技術(shù)，該技術(shù)不僅有 潛力巨大的軍用價值，而且也有著廣闊的工業(yè)和民用市場。它是一個國家計算機(jī)科學(xué)，模式 識別和智能控制技術(shù)的發(fā)展水平的體現(xiàn)，也是衡量一個國家科研實力和工業(yè)水平的一個重 要標(biāo)志。
[0004] 激光雷達(dá)作為一種高速精確掃描技術(shù)，近年來眾多學(xué)者對它進(jìn)行了大量的研究。 不同于傳統(tǒng)的采集設(shè)備，激光雷達(dá)能夠直接獲取真實物體的表面采樣點，從而得到物體的 三維信息。早在1965年，L. Rober提出了通過計算機(jī)視覺技術(shù)得到物體空間信息的可能性， 這標(biāo)志著人們真正開始重視三維掃描技術(shù)，但是由于當(dāng)時條件所限，其對處理設(shè)備性能要 求太高，所以直到20多年前，隨著計算機(jī)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)才逐漸進(jìn)行工 程應(yīng)用。目前，全世界已經(jīng)有多家公司對激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，并且形成了一定的規(guī) 模，研制的產(chǎn)品在精確度等各方面都達(dá)到了較高的水平。對比而言，我國國內(nèi)對激光雷達(dá)的 研究還處于初始階段，大多數(shù)研究所都停留在理論研究層面，特別是由于設(shè)備昂貴的緣故， 激光雷達(dá)應(yīng)用到工程上的實例也比較少。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實用新型的目的是將激光雷達(dá)和電動車有機(jī)地結(jié)合在一起，并應(yīng)用在校園內(nèi)部 通勤車上的基于激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z像頭的校園無人電動車平臺。
[0006] 本實用新型是由安裝在車體上的激光雷達(dá)、數(shù)字?jǐn)z像頭、中央控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程高 速無線收發(fā)系統(tǒng)組成，激光雷達(dá)、攝像頭、遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)系統(tǒng)均與中央控制系統(tǒng)連接；
[0007] 中央控制系統(tǒng)為MK60DN512ZVLL10 ;遠(yuǎn)程無線收發(fā)系統(tǒng)為NORDIC NRF24L01 ;數(shù)字 攝像頭為0V7620彩色數(shù)字?jǐn)z像頭；激光雷達(dá)為SICK LMS151 ;
[0008] LMS151激光雷達(dá)的RxD引腳與MK60DN512ZVLL10的ΡΕΤ0引腳相連；LMS151激光雷 達(dá)TxD引腳與MK60的PTE1引腳相連；LMS151激光雷達(dá)IN1引腳與MK60的PTE5引腳相連； LMS151激光雷達(dá)IN2引腳與MK60的PTE6引腳相連；LMS151激光雷達(dá)CAN_H引腳與MK60 的PTE2引腳相連；LMS151激光雷達(dá)CAN_L引腳與MK60的PTE3引腳相連；LMS151的GND、 GND CAN、GND HEAT、IN GND 引腳接地；0V7620 的 SCL 引腳與 MK60 的 PTBO 引腳相連；0V7620 的SDA引腳與MK60的PTB1引腳相連；0V7620的Y0-Y7引腳分別與MK60的PTB2-PTB9弓丨 腳相連；0V7620的HREF引腳與MK60的PTB10引腳相連；0V7620的VSYN引腳與MK60的 PTB11引腳相連；0V7620的VCC引腳接5V直流電源；0V7620的GND引腳和RST引腳接地； NRF24L01的CE引腳與MK60的PTE10引腳相連；NRF24L01的IRQ引腳與MK60的PTE11引 腳相連；NRF24L01的CSN引腳與MK60的PTE12引腳相連；NRF24L01的SCK引腳與MK60的 PTE13引腳相連；NRF24L01的MISO引腳與MK60的PTE14引腳相連；NRF24L01的MOSI引腳 與MK60的PTE15引腳相連；NRF24L01的ΑΝΤΙ引腳與MK60的PTE16引腳相連；NRF24L01的 ΑΝΤ2引腳與ΜΚ60的ΡΤΕ17引腳相連；NRF24L01的VCC引腳接1. 9V-3. 6V直流電源。
[0009] 本實用新型將激光雷達(dá)和電動車有機(jī)地結(jié)合在一起，使用激光雷達(dá)的成像原理和 數(shù)字?jǐn)z像頭的雙重采集系統(tǒng)采集路面信息，傳遞給車載計算機(jī)，經(jīng)過分析處理后送至控制 器，實現(xiàn)對電動車的控制。
[0010] 同時在wifi網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋面積日益擴(kuò)大的今天，實現(xiàn)固定區(qū)域內(nèi)通勤車輛與指揮 控制中心的高速網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)成為可能，校園wifi信號良好的建設(shè)現(xiàn)狀使得需要高速網(wǎng)絡(luò) 通信來運行的校園通勤車的應(yīng)用成為可能，受此啟發(fā)，本發(fā)明特別強(qiáng)調(diào)了無線收發(fā)模塊在 系統(tǒng)中的地位，由此可以利用wifi無線網(wǎng)絡(luò)信號來實現(xiàn)無人駕駛電動車和指揮中心的連 接，加強(qiáng)了指揮中心對通勤車的實時控制能力，使得無人駕駛和必要時的人為干預(yù)有機(jī)地 結(jié)合起來。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是本實用新型中央控制系統(tǒng)電路圖；
[0012] 圖2是本實用新型無線模塊電路圖；
[0013] 圖3是本實用新型攝像頭電路原理圖；
[0014] 圖4是本實用新型激光雷達(dá)電路原理圖。

【具體實施方式】
[0015] 本實用新型中使用的中央控制系統(tǒng)芯片型號為Freescale? MK60DN512ZVLL10， 其電路原理圖如圖1所示；遠(yuǎn)程無線收發(fā)系統(tǒng)使用的無線收發(fā)器芯片型號為NORDIC NRF24L01，其電路原理圖如圖2所示；數(shù)字?jǐn)z像頭型號為藍(lán)宇0V7620彩色數(shù)字?jǐn)z像頭，其電 路原理圖如圖3所示；激光雷達(dá)型號為SICK LMS151，其電路原理圖如圖4所示。
[0016] 具體連接方式為：LMS151激光雷達(dá)的RxD引腳與MK60DN512ZVLL10 (以下簡稱 MK60)的ΡΕΤ0引腳相連；LMS151激光雷達(dá)TxD引腳與MK60的PTE1引腳相連；LMS151激光 雷達(dá)IN1引腳與MK60的PTE5引腳相連；LMS151激光雷達(dá)IN2引腳與MK60的PTE6引腳相 連；LMS151激光雷達(dá)CAN_H引腳與MK60的PTE2引腳相連；LMS151激光雷達(dá)CAN_L引腳與 MK60的PTE3引腳相連；常溫工作時，只需將LMS151的VS引腳接10. 8V-30V的直流電源即 可，低溫工作時，需額外在LMS151的VS HEAT引腳接24V的直流電源；LMS151的GND、GND CAN、GND HEAT、IN GND引腳接地；0V7620的SCL引腳與MK60的ΡΤΒ0引腳相連；0V7620的 SDA引腳與MK60的PTB1引腳相連；0V7620的Y0-Y7引腳分別與MK60的PTB2-PTB9引腳相 連；0V7620的HREF引腳與MK60的PTB10引腳相連；0V7620的VSYN引腳與MK60的PTB11 引腳相連；0V7620的VCC引腳接5V直流電源；0V7620的GND引腳和RST引腳接地；0V7620 的VTO, FOOD，PCLK引腳置空；NRF24L01的CE引腳與MK60的PTE10引腳相連；NRF24L01 的IRQ引腳與MK60的PTE11引腳相連；NRF24L01的CSN引腳與MK60的PTE12引腳相連； NRF24L01的SCK引腳與MK60的PTE13引腳相連；NRF24L01的MIS0引腳與MK60的PTE14 引腳相連；NRF24L01的M0SI引腳與MK60的PTE15引腳相連；NRF24L01的ΑΝΤΙ引腳與MK60 的ΡΤΕ16引腳相連；NRF24L01的ΑΝΤ2引腳與ΜΚ60的ΡΤΕ17引腳相連；NRF24L01的VCC引 腳接1.9V-3.6V直流電源。
[0017] 具體工作過程為：在自主行駛模式中，當(dāng)LMS151激光雷達(dá)沒有檢測到警戒區(qū)域內(nèi) 有障礙物時，數(shù)字?jǐn)z像頭為優(yōu)先控制源，此時0V7620通過Υ0-Υ7八個數(shù)據(jù)引腳不間斷將數(shù) 據(jù)傳輸給中央控制系統(tǒng)主處理芯片ΜΚ60進(jìn)行圖像識別和道路信息采集；當(dāng)LMS151發(fā)現(xiàn) 警戒區(qū)域內(nèi)有距離低于警戒閾值的障礙物時，通過TxD和RxD兩個RS232串行主機(jī)發(fā)送接 收接口與中央控制系統(tǒng)主控芯片MK60進(jìn)行通信，MK60識別出通信報文中的障礙物信息， 立刻將LMS151作為優(yōu)先控制源并通過其I/O引腳向底層控制系統(tǒng)發(fā)出剎車信號進(jìn)行緊急 制動；在遙控駕駛模式中，0V7620同樣Y0-Y7八個數(shù)據(jù)引腳不間斷將數(shù)據(jù)傳輸給中央控制 系統(tǒng)主處理芯片MK60,但此時主控芯片MK60并不進(jìn)行圖像識別工作而是通過通用I/O 口 PTE 10-ΡΤΕ17將數(shù)據(jù)傳輸給無線收發(fā)模塊NRF24L01，通過NRF24L01將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程 指揮中心，NRF24L01接受遠(yuǎn)程指揮中心的回傳指令信號，并發(fā)送給中央控制系統(tǒng)主控芯片 MK60,根據(jù)指令的不同內(nèi)容作出對底層控制系統(tǒng)不同的動作姿態(tài)控制。
[0018] 一.系統(tǒng)組成
[0019] ( 1)道路信息采集系統(tǒng)
[0020] 道路信息采集是實現(xiàn)無人駕駛的第一步。本實用新型中，道路信息采集系統(tǒng)由激 光雷達(dá)、數(shù)據(jù)存儲器和一個彩色數(shù)字?jǐn)z像頭組成。
[0021] 攝像頭是比較成熟的路面信息采集方案，有比較高的路面信息采集準(zhǔn)確率，因此 本實用新型中數(shù)字?jǐn)z像頭負(fù)責(zé)大部分的道路信息采集工作。在自主駕駛模式下，攝像頭將 采集到的路面信息傳送給中央控制系統(tǒng)進(jìn)行處理；在遙控駕駛模式下，攝像頭將采集到的 實時路面信息通過遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)模塊傳送給遠(yuǎn)程指揮中心以方便控制人員進(jìn)行人工 干預(yù)；
[0022] 激光雷達(dá)是一種高精、高速、高準(zhǔn)確率的距離傳感器，在本實用新型中激光雷達(dá)主 要負(fù)責(zé)主動防撞。相比傳統(tǒng)的采用攝像頭進(jìn)行主動防撞的平臺，激光雷達(dá)主動防撞系統(tǒng)擁 有更高的速度、準(zhǔn)確率和更遠(yuǎn)的警戒距離。在自主駕駛模式下，激光雷達(dá)隨時處于警戒狀 態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)前方有距離低于警戒閾值的障礙物則立即發(fā)送信號給優(yōu)先級控制單元，并接 管底層控制系統(tǒng)發(fā)出剎車信號；在遙控駕駛模式下，一旦發(fā)現(xiàn)前方有距離低于警戒閾值的 障礙物則立即通過遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)模塊發(fā)出警告信號，提醒操作人員避開障礙物或緊急 制動；
[0023] 二者通過中央控制系統(tǒng)中的優(yōu)先級控制單元，合作對車輛底層控制系統(tǒng)發(fā)出控制 命令，從而使得攝像頭的成熟算法技術(shù)和激光雷達(dá)的高速性、準(zhǔn)確性都能夠得到充分的發(fā) 揮。
[0024] 攝像頭和激光雷達(dá)安裝位置如圖1所示。
[0025] (2)中央控制系統(tǒng)
[0026] 中央系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)四項功能的實現(xiàn)。
[0027] 第一，道路信息預(yù)處理功能。由于在實際應(yīng)用中，激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z像頭在電動車 平臺安裝的位置不同，因此必須對激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z像頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，即尋 找激光雷達(dá)坐標(biāo)系、數(shù)字?jǐn)z像頭坐標(biāo)系與車體坐標(biāo)系之間的剛體變換，這一過程，作為平臺 的道路信息預(yù)處理工作，由中央控制系統(tǒng)完成；
[0028] 第二，優(yōu)先級控制功能。在激光雷達(dá)警戒距離內(nèi)無障礙物時，攝像頭為優(yōu)先控制 源，此時由攝像頭發(fā)送給中央處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)決定車輛的行駛狀態(tài)；在激光雷達(dá)警戒距離 內(nèi)出現(xiàn)障礙物時，激光雷達(dá)為優(yōu)先控制源，此時由激光雷達(dá)發(fā)送給中央處系統(tǒng)的數(shù)據(jù)決定 車輛行駛狀態(tài)。這一過程，作為平臺的優(yōu)先級控制工作，由中央控制系統(tǒng)完成；
[0029] 第三，底層控制系統(tǒng)管理功能。平臺的底層控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)車輛的加減速、轉(zhuǎn)彎、剎 車等功能的實現(xiàn)，而底層控制系統(tǒng)，接受中央控制系統(tǒng)的指揮，通過識別中央控制系統(tǒng)發(fā)送 的不同信號，對車輛進(jìn)行控制。這一過程，作為平臺的底層控制系統(tǒng)管理工作，由中央控制 系統(tǒng)完成；
[0030] 第四，路徑規(guī)劃功能。中央控制系統(tǒng)根據(jù)道路信息采集系統(tǒng)得到的車輛位姿信息， 依照一定的算法計算出車輛前輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角和車輛的目標(biāo)速度，然后將目標(biāo)轉(zhuǎn)角和速度命 令發(fā)送給底層控制系統(tǒng)，以保證車輛按照規(guī)定的路線行駛。這一過程，作為平臺的路徑規(guī)劃 工作，由中央控制系統(tǒng)完成；
[0031] (3)遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)系統(tǒng)
[0032] 在遙控駕駛模式下，為了保證人工干預(yù)的實時性，系統(tǒng)會將數(shù)字?jǐn)z像頭采集到的 圖像傳回遠(yuǎn)程指揮中心，因此需要高速無線網(wǎng)絡(luò)的支持，本實用新型采用已經(jīng)成熟的集成 化遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)模塊作為系統(tǒng)的無線通信單元，即遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z像頭的無人駕駛電動校園通勤車，其特征在于：是由安 裝在車體上的激光雷達(dá)、數(shù)字?jǐn)z像頭、中央控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)系統(tǒng)組成，激光雷 達(dá)、攝像頭、遠(yuǎn)程高速無線收發(fā)系統(tǒng)均與中央控制系統(tǒng)連接； 中央控制系統(tǒng)為MK60DN512ZVLL10 ;遠(yuǎn)程無線收發(fā)系統(tǒng)為NORDIC NRF24L01 ;數(shù)字?jǐn)z像 頭為0V7620彩色數(shù)字?jǐn)z像頭；激光雷達(dá)為SICK LMS151 ; LMS151激光雷達(dá)的RxD引腳與MK60DN512ZVLL10的PET0引腳相連；LMS151激光雷達(dá) TxD引腳與MK60的PTE1引腳相連；LMS151激光雷達(dá)IN1引腳與MK60的PTE5引腳相連； LMS151激光雷達(dá)IN2引腳與MK60的PTE6引腳相連；LMS151激光雷達(dá)CAN_H引腳與MK60 的PTE2引腳相連；LMS151激光雷達(dá)CAN_L引腳與MK60的PTE3引腳相連；LMS151的GND、 GND CAN、GND HEAT、IN GND 引腳接地；0V7620 的 SCL 引腳與 MK60 的 PTB0 引腳相連；0V7620 的SDA引腳與MK60的PTB1引腳相連；0V7620的Y0-Y7引腳分別與MK60的PTB2-PTB9弓丨 腳相連；0V7620的HREF引腳與MK60的PTB10引腳相連；0V7620的VSYN引腳與MK60的 PTB11引腳相連；0V7620的VCC引腳接5V直流電源；0V7620的GND引腳和RST引腳接地； NRF24L01的CE引腳與MK60的PTE10引腳相連；NRF24L01的IRQ引腳與MK60的PTE11引 腳相連；NRF24L01的CSN引腳與MK60的PTE12引腳相連；NRF24L01的SCK引腳與MK60的 PTE13引腳相連；NRF24L01的MIS0引腳與MK60的PTE14引腳相連；NRF24L01的M0SI引腳 與MK60的PTE15引腳相連；NRF24L01的ΑΝΤΙ引腳與MK60的PTE16引腳相連；NRF24L01的 ΑΝΤ2引腳與ΜΚ60的ΡΤΕ17引腳相連；NRF24L01的VCC引腳接1. 9V-3. 6V直流電源。
【文檔編號】G05D1/02GK203894634SQ201420327768
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】康冰, 崔熠明, 劉富 申請人:吉林大學(xué)