基于激光雷达和数字摄像头的校园无人电动车平台的制作方法
【专利摘要】一种基于激光雷达和数字摄像头的无人驾驶电动校园通勤车，属于电子设备领域。本实用新型的目的是将激光雷达和电动车有机地结合在一起，并应用在校园内部通勤车上的基于激光雷达和数字摄像头的无人驾驶电动校园通勤车。本实用新型是由安装在车体上的激光雷达、数字摄像头、中央控制系统和远程高速无线收发系统组成，激光雷达、摄像头、远程高速无线收发系统均与中央控制系统连接。本实用新型将激光雷达和电动车有机地结合在一起，使用激光雷达的成像原理和数字摄像头的双重采集系统采集路面信息，传递给车载计算机，经过分析处理后送至控制器，实现对电动车的控制。
【专利说明】基于激光雷达和数字摄像头的校园无人电动车平台
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于电子设备领域。
【背景技术】
[0002] 在现在信息技术和控制技术的合力推动下，信息化和智能化已经成为未来车辆的 发展趋势。无人驾驶车辆则是智能化技术应用的高度集中体现。无人驾驶车辆包括两类： 一类是遥控车辆，另一类是自主车辆。遥控车辆依靠有线、无线及因特网方式由操纵者远程 控制来实现无人驾驶；自主车辆也称为智能化车辆或者移动机器人，一般是利用车载传感 器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转 向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在不同道路环境中行驶。
[0003] 无人驾驶车辆技术是集车辆工程、计算机技术、自动控制理论、人工智能理论、视 觉计算理论、体系结构理论、程序设计技术、机构控制技术、组合导航技术、传感器技术、通 信与信息融合技术等多种理论及技术于一体的多学科、多行业的综合技术，该技术不仅有 潜力巨大的军用价值，而且也有着广阔的工业和民用市场。它是一个国家计算机科学，模式 识别和智能控制技术的发展水平的体现，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重 要标志。
[0004] 激光雷达作为一种高速精确扫描技术，近年来众多学者对它进行了大量的研究。 不同于传统的采集设备，激光雷达能够直接获取真实物体的表面采样点，从而得到物体的 三维信息。早在1965年，L. Rober提出了通过计算机视觉技术得到物体空间信息的可能性， 这标志着人们真正开始重视三维扫描技术，但是由于当时条件所限，其对处理设备性能要 求太高，所以直到20多年前，随着计算机技术和工业技术的发展，激光雷达才逐渐进行工 程应用。目前，全世界已经有多家公司对激光雷达技术进行研究开发，并且形成了一定的规 模，研制的产品在精确度等各方面都达到了较高的水平。对比而言，我国国内对激光雷达的 研究还处于初始阶段，大多数研究所都停留在理论研究层面，特别是由于设备昂贵的缘故， 激光雷达应用到工程上的实例也比较少。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是将激光雷达和电动车有机地结合在一起，并应用在校园内部 通勤车上的基于激光雷达和数字摄像头的校园无人电动车平台。
[0006] 本实用新型是由安装在车体上的激光雷达、数字摄像头、中央控制系统和远程高 速无线收发系统组成，激光雷达、摄像头、远程高速无线收发系统均与中央控制系统连接；
[0007] 中央控制系统为MK60DN512ZVLL10 ;远程无线收发系统为NORDIC NRF24L01 ;数字 摄像头为0V7620彩色数字摄像头；激光雷达为SICK LMS151 ;
[0008] LMS151激光雷达的RxD引脚与MK60DN512ZVLL10的ΡΕΤ0引脚相连；LMS151激光雷 达TxD引脚与MK60的PTE1引脚相连；LMS151激光雷达IN1引脚与MK60的PTE5引脚相连； LMS151激光雷达IN2引脚与MK60的PTE6引脚相连；LMS151激光雷达CAN_H引脚与MK60 的PTE2引脚相连；LMS151激光雷达CAN_L引脚与MK60的PTE3引脚相连；LMS151的GND、 GND CAN、GND HEAT、IN GND 引脚接地；0V7620 的 SCL 引脚与 MK60 的 PTBO 引脚相连；0V7620 的SDA引脚与MK60的PTB1引脚相连；0V7620的Y0-Y7引脚分别与MK60的PTB2-PTB9弓丨 脚相连；0V7620的HREF引脚与MK60的PTB10引脚相连；0V7620的VSYN引脚与MK60的 PTB11引脚相连；0V7620的VCC引脚接5V直流电源；0V7620的GND引脚和RST引脚接地； NRF24L01的CE引脚与MK60的PTE10引脚相连；NRF24L01的IRQ引脚与MK60的PTE11引 脚相连；NRF24L01的CSN引脚与MK60的PTE12引脚相连；NRF24L01的SCK引脚与MK60的 PTE13引脚相连；NRF24L01的MISO引脚与MK60的PTE14引脚相连；NRF24L01的MOSI引脚 与MK60的PTE15引脚相连；NRF24L01的ΑΝΤΙ引脚与MK60的PTE16引脚相连；NRF24L01的 ΑΝΤ2引脚与ΜΚ60的ΡΤΕ17引脚相连；NRF24L01的VCC引脚接1. 9V-3. 6V直流电源。
[0009] 本实用新型将激光雷达和电动车有机地结合在一起，使用激光雷达的成像原理和 数字摄像头的双重采集系统采集路面信息，传递给车载计算机，经过分析处理后送至控制 器，实现对电动车的控制。
[0010] 同时在wifi网络信号覆盖面积日益扩大的今天，实现固定区域内通勤车辆与指挥 控制中心的高速网络通信已经成为可能，校园wifi信号良好的建设现状使得需要高速网络 通信来运行的校园通勤车的应用成为可能，受此启发，本发明特别强调了无线收发模块在 系统中的地位，由此可以利用wifi无线网络信号来实现无人驾驶电动车和指挥中心的连 接，加强了指挥中心对通勤车的实时控制能力，使得无人驾驶和必要时的人为干预有机地 结合起来。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是本实用新型中央控制系统电路图；
[0012] 图2是本实用新型无线模块电路图；
[0013] 图3是本实用新型摄像头电路原理图；
[0014] 图4是本实用新型激光雷达电路原理图。
【具体实施方式】
[0015] 本实用新型中使用的中央控制系统芯片型号为Freescale? MK60DN512ZVLL10， 其电路原理图如图1所示；远程无线收发系统使用的无线收发器芯片型号为NORDIC NRF24L01，其电路原理图如图2所示；数字摄像头型号为蓝宇0V7620彩色数字摄像头，其电 路原理图如图3所示；激光雷达型号为SICK LMS151，其电路原理图如图4所示。
[0016] 具体连接方式为：LMS151激光雷达的RxD引脚与MK60DN512ZVLL10 (以下简称 MK60)的ΡΕΤ0引脚相连；LMS151激光雷达TxD引脚与MK60的PTE1引脚相连；LMS151激光 雷达IN1引脚与MK60的PTE5引脚相连；LMS151激光雷达IN2引脚与MK60的PTE6引脚相 连；LMS151激光雷达CAN_H引脚与MK60的PTE2引脚相连；LMS151激光雷达CAN_L引脚与 MK60的PTE3引脚相连；常温工作时，只需将LMS151的VS引脚接10. 8V-30V的直流电源即 可，低温工作时，需额外在LMS151的VS HEAT引脚接24V的直流电源；LMS151的GND、GND CAN、GND HEAT、IN GND引脚接地；0V7620的SCL引脚与MK60的ΡΤΒ0引脚相连；0V7620的 SDA引脚与MK60的PTB1引脚相连；0V7620的Y0-Y7引脚分别与MK60的PTB2-PTB9引脚相 连；0V7620的HREF引脚与MK60的PTB10引脚相连；0V7620的VSYN引脚与MK60的PTB11 引脚相连；0V7620的VCC引脚接5V直流电源；0V7620的GND引脚和RST引脚接地；0V7620 的VTO, FOOD，PCLK引脚置空；NRF24L01的CE引脚与MK60的PTE10引脚相连；NRF24L01 的IRQ引脚与MK60的PTE11引脚相连；NRF24L01的CSN引脚与MK60的PTE12引脚相连； NRF24L01的SCK引脚与MK60的PTE13引脚相连；NRF24L01的MIS0引脚与MK60的PTE14 引脚相连；NRF24L01的M0SI引脚与MK60的PTE15引脚相连；NRF24L01的ΑΝΤΙ引脚与MK60 的ΡΤΕ16引脚相连；NRF24L01的ΑΝΤ2引脚与ΜΚ60的ΡΤΕ17引脚相连；NRF24L01的VCC引 脚接1.9V-3.6V直流电源。
[0017] 具体工作过程为：在自主行驶模式中，当LMS151激光雷达没有检测到警戒区域内 有障碍物时，数字摄像头为优先控制源，此时0V7620通过Υ0-Υ7八个数据引脚不间断将数 据传输给中央控制系统主处理芯片ΜΚ60进行图像识别和道路信息采集；当LMS151发现 警戒区域内有距离低于警戒阈值的障碍物时，通过TxD和RxD两个RS232串行主机发送接 收接口与中央控制系统主控芯片MK60进行通信，MK60识别出通信报文中的障碍物信息， 立刻将LMS151作为优先控制源并通过其I/O引脚向底层控制系统发出刹车信号进行紧急 制动；在遥控驾驶模式中，0V7620同样Y0-Y7八个数据引脚不间断将数据传输给中央控制 系统主处理芯片MK60,但此时主控芯片MK60并不进行图像识别工作而是通过通用I/O 口 PTE 10-ΡΤΕ17将数据传输给无线收发模块NRF24L01，通过NRF24L01将图像数据发送给远程 指挥中心，NRF24L01接受远程指挥中心的回传指令信号，并发送给中央控制系统主控芯片 MK60,根据指令的不同内容作出对底层控制系统不同的动作姿态控制。
[0018] 一.系统组成
[0019] ( 1)道路信息采集系统
[0020] 道路信息采集是实现无人驾驶的第一步。本实用新型中，道路信息采集系统由激 光雷达、数据存储器和一个彩色数字摄像头组成。
[0021] 摄像头是比较成熟的路面信息采集方案，有比较高的路面信息采集准确率，因此 本实用新型中数字摄像头负责大部分的道路信息采集工作。在自主驾驶模式下，摄像头将 采集到的路面信息传送给中央控制系统进行处理；在遥控驾驶模式下，摄像头将采集到的 实时路面信息通过远程高速无线收发模块传送给远程指挥中心以方便控制人员进行人工 干预；
[0022] 激光雷达是一种高精、高速、高准确率的距离传感器，在本实用新型中激光雷达主 要负责主动防撞。相比传统的采用摄像头进行主动防撞的平台，激光雷达主动防撞系统拥 有更高的速度、准确率和更远的警戒距离。在自主驾驶模式下，激光雷达随时处于警戒状 态，一旦发现前方有距离低于警戒阈值的障碍物则立即发送信号给优先级控制单元，并接 管底层控制系统发出刹车信号；在遥控驾驶模式下，一旦发现前方有距离低于警戒阈值的 障碍物则立即通过远程高速无线收发模块发出警告信号，提醒操作人员避开障碍物或紧急 制动；
[0023] 二者通过中央控制系统中的优先级控制单元，合作对车辆底层控制系统发出控制 命令，从而使得摄像头的成熟算法技术和激光雷达的高速性、准确性都能够得到充分的发 挥。
[0024] 摄像头和激光雷达安装位置如图1所示。
[0025] (2)中央控制系统
[0026] 中央系统主要负责四项功能的实现。
[0027] 第一，道路信息预处理功能。由于在实际应用中，激光雷达和数字摄像头在电动车 平台安装的位置不同，因此必须对激光雷达和数字摄像头采集的数据进行坐标变换，即寻 找激光雷达坐标系、数字摄像头坐标系与车体坐标系之间的刚体变换，这一过程，作为平台 的道路信息预处理工作，由中央控制系统完成；
[0028] 第二，优先级控制功能。在激光雷达警戒距离内无障碍物时，摄像头为优先控制 源，此时由摄像头发送给中央处理系统的数据决定车辆的行驶状态；在激光雷达警戒距离 内出现障碍物时，激光雷达为优先控制源，此时由激光雷达发送给中央处系统的数据决定 车辆行驶状态。这一过程，作为平台的优先级控制工作，由中央控制系统完成；
[0029] 第三，底层控制系统管理功能。平台的底层控制系统负责车辆的加减速、转弯、刹 车等功能的实现，而底层控制系统，接受中央控制系统的指挥，通过识别中央控制系统发送 的不同信号，对车辆进行控制。这一过程，作为平台的底层控制系统管理工作，由中央控制 系统完成；
[0030] 第四，路径规划功能。中央控制系统根据道路信息采集系统得到的车辆位姿信息， 依照一定的算法计算出车辆前轮的目标转角和车辆的目标速度，然后将目标转角和速度命 令发送给底层控制系统，以保证车辆按照规定的路线行驶。这一过程，作为平台的路径规划 工作，由中央控制系统完成；
[0031] (3)远程高速无线收发系统
[0032] 在遥控驾驶模式下，为了保证人工干预的实时性，系统会将数字摄像头采集到的 图像传回远程指挥中心，因此需要高速无线网络的支持，本实用新型采用已经成熟的集成 化远程高速无线收发模块作为系统的无线通信单元，即远程高速无线收发系统。
【权利要求】
1. 一种基于激光雷达和数字摄像头的无人驾驶电动校园通勤车，其特征在于：是由安 装在车体上的激光雷达、数字摄像头、中央控制系统和远程高速无线收发系统组成，激光雷 达、摄像头、远程高速无线收发系统均与中央控制系统连接； 中央控制系统为MK60DN512ZVLL10 ;远程无线收发系统为NORDIC NRF24L01 ;数字摄像 头为0V7620彩色数字摄像头；激光雷达为SICK LMS151 ; LMS151激光雷达的RxD引脚与MK60DN512ZVLL10的PET0引脚相连；LMS151激光雷达 TxD引脚与MK60的PTE1引脚相连；LMS151激光雷达IN1引脚与MK60的PTE5引脚相连； LMS151激光雷达IN2引脚与MK60的PTE6引脚相连；LMS151激光雷达CAN_H引脚与MK60 的PTE2引脚相连；LMS151激光雷达CAN_L引脚与MK60的PTE3引脚相连；LMS151的GND、 GND CAN、GND HEAT、IN GND 引脚接地；0V7620 的 SCL 引脚与 MK60 的 PTB0 引脚相连；0V7620 的SDA引脚与MK60的PTB1引脚相连；0V7620的Y0-Y7引脚分别与MK60的PTB2-PTB9弓丨 脚相连；0V7620的HREF引脚与MK60的PTB10引脚相连；0V7620的VSYN引脚与MK60的 PTB11引脚相连；0V7620的VCC引脚接5V直流电源；0V7620的GND引脚和RST引脚接地； NRF24L01的CE引脚与MK60的PTE10引脚相连；NRF24L01的IRQ引脚与MK60的PTE11引 脚相连；NRF24L01的CSN引脚与MK60的PTE12引脚相连；NRF24L01的SCK引脚与MK60的 PTE13引脚相连；NRF24L01的MIS0引脚与MK60的PTE14引脚相连；NRF24L01的M0SI引脚 与MK60的PTE15引脚相连；NRF24L01的ΑΝΤΙ引脚与MK60的PTE16引脚相连；NRF24L01的 ΑΝΤ2引脚与ΜΚ60的ΡΤΕ17引脚相连；NRF24L01的VCC引脚接1. 9V-3. 6V直流电源。
【文档编号】G05D1/02GK203894634SQ201420327768
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】康冰, 崔熠明, 刘富 申请人:吉林大学