基于無(wú)線充電及自動(dòng)導(dǎo)航避障的生態(tài)景區(qū)監(jiān)測(cè)無(wú)人車系統(tǒng)

張凌云，李清舟，段睿玨，薛裔男

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100091）

0 引言

目前，生態(tài)景區(qū)安防監(jiān)測(cè)常采用布設(shè)傳感器、人工巡查和定點(diǎn)視頻監(jiān)控等方式。但布設(shè)傳感器和定點(diǎn)視頻監(jiān)控方式，布設(shè)密度大、數(shù)據(jù)采集不便；人工巡查方式需要的人工成本巨大，并且無(wú)法做到對(duì)巡查人員的監(jiān)督；所以就如何利用無(wú)線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無(wú)間斷工作，利用自動(dòng)導(dǎo)航避障技術(shù)實(shí)現(xiàn)巡邏以及利用視頻實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)實(shí)行監(jiān)察進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)。

1 裝置的硬件及系統(tǒng)的原理

1.1 硬件的構(gòu)成

由樹莓派、攝像頭、蜂鳴器、紅外反射傳感器、超聲波測(cè)距傳感器、OpenMV4、Arduino和顯示屏等構(gòu)成。

1.2 工作原理

在景區(qū)內(nèi)布置黑色軌跡，openMV4進(jìn)行循跡導(dǎo)航及標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別，紅外反射傳感器實(shí)現(xiàn)避障，超聲波測(cè)距傳感器進(jìn)行充電定位，同時(shí)采用攝像頭實(shí)時(shí)對(duì)追蹤的周圍狀況進(jìn)行錄制，樹莓派作為載體并結(jié)合搭建的系統(tǒng)把攝像頭錄制的圖像傳至終端[1-2]。

1.2.1 導(dǎo)航循跡

OpenMV4是一個(gè)嵌入式的機(jī)器視覺(jué)模塊。一個(gè)攝像頭模塊帶有主控，可以用Python編程。用OpenMV4巡線，追蹤黑色軌跡。借助的是線性回歸，線性回歸的意思就是找出一條直線，用最小二乘法，和曲線的吻合度最高，那個(gè)曲線就是道路的邊緣。同時(shí)，需對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，即對(duì)像素點(diǎn)矩陣的操作，把圖像進(jìn)行二值化。二值化前要設(shè)置閾值，如在這個(gè)閾值下面的設(shè)置為白色，閾值上面的設(shè)置為黑色?？梢詫?duì)所有像素值做個(gè)線性回歸。本身二值化后，像素點(diǎn)為0或?yàn)?，就對(duì)1的點(diǎn)做線性回歸。在OpenMV4視覺(jué)模塊中包含灰度化的算法函數(shù)。通過(guò)OpenMV4對(duì)色塊的尋找以及其內(nèi)部進(jìn)行二值化處理后，就可以對(duì)黑線進(jìn)行多段的標(biāo)記，經(jīng)過(guò)權(quán)重加和算法或者線性回歸處理就可以計(jì)算出黑線的偏離值，注意這里所說(shuō)的偏離值是指偏離圖像中心線的角度。如此，無(wú)人車對(duì)于軌道的偏離程度便可通過(guò)OpenMV4實(shí)時(shí)顯現(xiàn)。最后采用 URT 命令與 Arduino進(jìn)行串口通信傳值，將偏離數(shù)據(jù)傳給無(wú)人車。

1.2.2 紅外避障

紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)放射出的紅外線被物理反射時(shí)，被紅外接收器接收，并輸出數(shù)字量。小車前方得有三個(gè)紅外傳感器用以檢測(cè)是否前方有障礙，如果發(fā)現(xiàn)障礙物，則通過(guò)標(biāo)志位置1的方式進(jìn)入避障子程序。在避障子程序中，為使小車沿障礙物行進(jìn)，所以在前方設(shè)置三個(gè)紅外傳感器（如圖1所示）使其覆蓋角度達(dá)到小車正前方至正左側(cè)90°范圍內(nèi)，使小車能夠完全知悉其與障礙物的位置關(guān)系，并調(diào)整相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向，使小車與障礙物保持一定的距離。當(dāng)下方傳感器檢測(cè)到軌跡后，標(biāo)志位置零返回循跡程序。

圖1 紅外傳感器安裝示意圖

圖2 紅外避障流程圖

1.2.3 標(biāo)志識(shí)別

使用OpenMV4進(jìn)行標(biāo)志物識(shí)別；通過(guò)openMV4識(shí)別充電樁上標(biāo)記，在行進(jìn)過(guò)程中openMV4始終處于開啟狀態(tài)，不斷尋找標(biāo)志物，識(shí)別標(biāo)志物成功后小車停車準(zhǔn)備下一步動(dòng)作[3-4]。

圖3 標(biāo)志識(shí)別流程圖

1.2.4 無(wú)線充電

到達(dá)指定充電地點(diǎn)后，超聲波測(cè)距傳感器打開提示音提醒景區(qū)觀賞人員無(wú)人車充電，避免靠近。通過(guò)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，采用發(fā)射線圈輪流充電的方式動(dòng)態(tài)充電，充電完成后，小車?yán)^續(xù)循跡前進(jìn)[5]。

1.2.5 圖像傳輸

無(wú)人車搭載攝像頭，在行進(jìn)過(guò)程中錄制圖像，把錄制的圖像發(fā)送給樹莓派。樹莓派將接收到的無(wú)人車運(yùn)行過(guò)程的圖像數(shù)據(jù)顯示到終端。

2 應(yīng)用前景分析

該裝置應(yīng)用前景廣闊，主要應(yīng)用于景區(qū)突發(fā)狀態(tài)情況監(jiān)測(cè)、預(yù)判是否存在火災(zāi)隱患、景區(qū)宣傳及緊急通知傳達(dá)、救援物資的運(yùn)送等。

2.1 用于景區(qū)突發(fā)狀態(tài)情況監(jiān)測(cè)

在景區(qū)內(nèi)管理資源、控制監(jiān)視設(shè)備、顯示事件，可完成巡邏、監(jiān)測(cè)、圖像處理等，實(shí)現(xiàn)對(duì)景區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳輸。面向應(yīng)急突發(fā)事件處置的管理決策者，提供景區(qū)的全面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合直觀展現(xiàn)，針對(duì)旅游突發(fā)事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，幫助管理決策人員時(shí)刻跟進(jìn)以形成最合理突發(fā)事件的處置方案，提高處置應(yīng)急事件的能力。

2.2 用于預(yù)判是否存在火災(zāi)隱患

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)消防設(shè)施的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控下，可以將所巡檢景區(qū)中消防監(jiān)測(cè)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。同時(shí)，在消防設(shè)施發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，系統(tǒng)將及時(shí)反饋故障信息回總控制中心并亮起警報(bào)指示燈，可督促負(fù)責(zé)人及有關(guān)部門及時(shí)整改，保證消防安全及設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

另外，針對(duì)消防的“生命通道”易被堵塞的情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可提供及時(shí)反饋，一旦監(jiān)測(cè)到車輛或障礙物超出預(yù)期時(shí)間就會(huì)采集畫面信息至總控制中心以便反饋給負(fù)責(zé)人，同時(shí)也會(huì)播報(bào)提示音示意車輛離開消防通道，以保證道路安全暢通。

2.3 用于景區(qū)宣傳及緊急通知傳達(dá)

集成各路巡查設(shè)備，基于地理信息系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)連接監(jiān)控人員的在崗狀態(tài)、位置，支持查看巡查路線的詳細(xì)信息、調(diào)取視頻監(jiān)控回傳畫面；支持一鍵直呼，協(xié)同調(diào)度。同時(shí)在面對(duì)火災(zāi)或者人員突發(fā)疾病等情況時(shí)，一方面此系統(tǒng)可以作為指揮長(zhǎng)或參與其中的業(yè)務(wù)人員，為各類專家提供通信服務(wù)、信息服務(wù)，讓專家決策更有依據(jù)、更加準(zhǔn)確。另一方面能及時(shí)、有效地調(diào)集各種資源，對(duì)突發(fā)事件控制和救治起到極大幫助，最大程度地去減輕火災(zāi)對(duì)景區(qū)資源的損害以及突發(fā)疾病對(duì)游客健康和生命的威脅。

2.4 用于救援物資的運(yùn)送

此無(wú)人車系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)救援物資的運(yùn)送。在面對(duì)重大自然災(zāi)害時(shí)，一般車輛難以適應(yīng)復(fù)雜地形，且需人力來(lái)進(jìn)行車輛的駕駛，存在較大的安全隱患。無(wú)人車依靠于自主導(dǎo)航定位技術(shù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可安全可靠地完成物資的運(yùn)輸工作，減輕救援人員壓力及救援風(fēng)險(xiǎn)，提高救援效率。針對(duì)提高救援物資無(wú)人車運(yùn)動(dòng)能力不足的問(wèn)題，提高了無(wú)人車自主導(dǎo)航避障的能力。算法自主導(dǎo)航時(shí)，能夠保證無(wú)人車適應(yīng)不同環(huán)境，平穩(wěn)地控制其實(shí)現(xiàn)循跡避障。此系統(tǒng)提高了無(wú)人車的靈活性，并設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行功能的完善及擴(kuò)展。

3 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)景區(qū)兼有供人們認(rèn)知自然和保護(hù)生態(tài)的功能，隨著近年來(lái)安全事故與人為火災(zāi)的頻繁發(fā)生，生態(tài)景區(qū)的安防工作不容小視。

本項(xiàng)目將定點(diǎn)無(wú)線充電、自動(dòng)導(dǎo)航避障和視頻監(jiān)測(cè)傳輸相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)人車自動(dòng)對(duì)景區(qū)全面監(jiān)控，具有續(xù)航久、定位避障精確、大幅減少人工等優(yōu)勢(shì)。之后如何完善和優(yōu)化，我們將繼續(xù)探索。