一种机场道面异物智能探测与清扫系统的制作方法

本发明涉及图像识别领域中的物体探测和识别技术领域，具体涉及一种机场道面异物智能探测与清扫系统。

背景技术：

机场跑道异物fod机场道面异物(fod)：foreignobjectdebris的缩写，泛指任何不属于机场但出现在机场运行区域并可能对机场造成损失或者飞机造成损害的外来物品。机场道面异物主要可分为“三大类”：一是金属类外来物。主要包括飞机、车辆等脱落的铆钉、螺栓等零部件，以及地靶训练散落的弹药碎片等物质；二是砂石类外来物。主要是道面在外来作用力和自然风化的混合作用下，道面板脱落的砂砾等碎物；三是软体类外来物。主要是因驱鸟工作造成跌落在道面上的飞鸟、蝙蝠等动物尸体。fod如果出现在机场飞行区，将会严重威胁机场的飞行安全，特别在起飞、降落等关键阶段更容易损伤航空器，甚至可能导致机毁人亡的重大事故。因此，对机场道面异物的快速、全天候检测识别变得十分重要。

常见的机场道面异物的探测系统中，有两种典型的运行方式，即固定式和移动式。

国外最具代表性的固定式道面异物监测系统中包括：英国的tarsier(眼镜猴)、以色列的fodetect、新加坡iferrer三种。

英国的tarsier系统又名眼镜猴是目前相对较较成熟的系统，是由qinetiq公司研发的，目前正在进一步改进更新，利用的fod检测工具为连续波调频雷达，工作频率在94.5ghz。更新代的tarsier系统在使用了毫米波雷达的基础上，又加入了可见光及红外灯光学摄像设备，监控人员可以通过视频监控设备来观察tarsier系统识别出的fod目标是否正确并作出处理，特点包括探测距离长、波束窄和分辨率高，但该系统仍然没有脱离人工判断fod这种模式，而且只能识别20mm以上目标，是国际民用机场安装最多的fod探测报警系统。

以色列xsight公司开发的fodetect系统，安装在不同位置的跑道边灯上，有多个sdu(道面监测单元)，由77ghz毫米波雷达和摄像设备所组成。产品体积较小，多个监测单元协同监测整个机场跑道道面，可以在30s内完成一次扫描，并将数据发送到中央处理中心，处理结果中fod的位置由传感器锁定，提示工作人员进行清理工作，但该系统需要工作人员到现场对fod做进一步确认，fodetect系统由于安装位置的特殊性可以有效的避免灯光的影响，易受工作环境如强风等的影响，油污侵蚀严重，同时子探测器规模庞大，系统的开发，维护成本较高。

新加坡的scratech公司利用现代数字图像识别技术研制了iferret智能视频fod检测系统，在跑道上每隔一定距离安装一台具有高分辨率功能的摄像机，图像处理软件针对变化的照明和路面条件调整，自动探测机场跑道上的外来异物，iferret系统能探测的异物大小为20mm。摄像系统可以全天24小时拍摄机场跑道以获取目标，其两部分采集图像和处理图像是分离的，这样使图像数据量较大，处理过程复杂，对图像识别算法的要求较高，而且受光照影响，降低检测效率。

目前见于文献报道的移动式道面异物探测技术只有fodfinder系统。fodfinder系统是由美国trexenterprises公司开发的一套移动监控系统，可以安装在车辆的车顶。系统由监控系统与后台软件处理系统组成，监控系统使用的是78-81ghz毫米波雷达、高精度的gps定位系统和摄像系统，雷达扫描速度为30次/min，探测半径为200m，装在车顶的一个雷达罩中；摄像系统也装于车顶，用于跟踪所发现的fod；gps定位装置用于锁定探测区域和标示fod的地理位置，除此之外，此高精度的gps定位装置还可以应用差分技术校准场内的其它gps设备。fodfinder系统优点是分辨率较高，能够及时处置发现20mm以上的道面异物；缺点是道面异物可以自动监测发现，但是需要人工判读、人工清理。

智能机器人是指一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。

在智能机器人应用方面，国外的相关研究机构和企业纷纷推出了可供研究和开发的机器人平台。例如美国的willowgarage公司于2009年推出了pr2机器人操作系统，除了携带激光雷达、触觉传感器和惯性传感器之外，还搭载了双目视觉导航系统和一台结构光投射器，可以依靠主动视觉测量的技术完成对目标物体的识别与分析。视觉传感器是组成机器人最重要的传感器之一，是智能机器人感知周围世界信息最重要的来源。对于移动机器人上的视觉系统，其主要目标是使机器人能够像人类视觉神经系统一样以智能和灵活的方式对周围的环境做出反应，并且能够结合一定的应用目标完成具体的任务。欧洲的italk项目资助的类人机器人icub就能够通过识别地面的光学目标进行自主导航，其搭载的智能化视觉系统可像人类一样学习和认识新的物体。

我国智能机器人的研究与应用方面，尤其在太空探索、工业制造等领域应用广泛。北京信息科技大学自动化学院研制的water机器人，通过携带的全景摄像头能够快速、稳定的识别周围的信息。上海交通大学成功研制除了高度智能化焊接机器人，能够在工业制造中自主完成焊接任务，大大提高了生产效率。上海交通大学研发的“章鱼侠”六足机器人可以完成复杂地形条件下的物资转移任务。隶属于中国科学院的沈阳新松机器人自动化股份有限公司，是一家以机器人独有技术为核心，致力于数字化智能高端装备制造的高科技上市企业。该公司针对高校学术研究需求，以轮式、履带式室外移动机器人为主体，搭配视觉、自定位类探测类传感器，提供各种系统扩展接口与应用，并具有出众越野能力和全天候工作能力，可以为本发明的推广应用提供了基础。

关于能够造成飞机损伤的金属类异物的最小尺寸，目前还没有比较权威的研究结论。通过调研和整理十几个机场道面异物的情况，除细小的砂石外，其余异物的尺寸都在5毫米以上。根据搜集到的资料，目前国外通过了faa(美国联邦航空管理局)的认证机场道面异物监测技术，能够探测识别的最小异物为20毫米，与某些特殊情况下的现实需求相差较远。

综上所述，目前没有自动检测识别等效直径小于20毫米的机场道面异物的专用技术；没有集成机场道面异物检测与清除与一体的专用技术与设备；没有具备进行机场道面异物检测与清除相结合的机器人技术，进而现有的技术对机场飞行安全的保障程度有限，另外，在实际检测与清扫过程中对机场保障人员的依赖程度仍然较大，进而使保障人员的劳动负荷较大。另外，

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种机场道面异物智能探测与清扫系统，该系统集成异物检测与清扫为一体，能够便捷地实现探测与清扫的自动化结合，能降低机场保障人员的劳动强度，确保飞行保障安全，提升机场保障水平。

为了实现上述目的，本发明提供一种机场道面异物智能探测与清扫系统，包括远程控制单元、两个轮式fod探测机器人和至少一个轮式fod清扫机器人，

两台轮式fod探测机器人用于并行协同探测机场道面上的fod，并在探测到fod后发出fod报警与定位信息信号给远程控制单元；

远程控制单元用于接收和显示轮式fod探测机器人发出的报警和定位信息、用于控制两台轮式fod探测机器人的运行轨迹、用于控制轮式fod清扫机器人移动到定位点，并具有实时监控功能，且在远端出现异常情况下能通过近端操作人员的控制下进行远程遥控的干预；

轮式fod探测机器人用于根据远程控制单元提供的fod定位信息自动移动到定位点进行清扫任务；

所述轮式fod探测机器人包括轮式机器人平台一、fod智能探测系统、无线控制与数据传输单元一、gps定位单元、处理器一和供电单元一，其中轮式机器人平台一用于承载fod智能探测系统、无线控制与数据传输单元一、gps定位单元和供电单元一，fod智能探测系统由雷达扫描fod智能探测系统、红外扫描fod智能探测系统、可见光扫描探测与记录单元一和处理器一组成，雷达扫描fod智能探测系统和红外扫描fod智能探测系统分别用于探测不同类型的fod并将探测结果发送给处理器一；可见光扫描探测与记录单元一用于扫描探测fod并实时记录探测作业过程并生成清扫档案；所述处理器一用于接收gps定位单元的定位信息数据、用于接收来自雷达扫描fod智能探测系统的雷达探测信号、接收来自红外扫描fod智能探测系统的探测信号、接收来自可见光扫描探测与记录单元一的探测信号及探测作业过程的数字图像数据和生成的清扫档案，并对所接收数据进行分析处理后通过无线控制与数据传输单元一向远程控制单元发出fod报警与定位信息信号；无线控制与数据传输单元一用于与远程控制单元中进行数据通信、用于建立两台轮式fod探测机器人的数据通信、用于将gps定位单元的定位信息数据发送给轮式fod清扫机器人；供电单元一、与对应的轮式机器人平台、无线控制与数据传输单元一、gps定位单元和fod智能探测系统连接，以用于提供电力；

轮式fod清扫机器人包括轮式机器人平台二、fod定位信号接收单元、可见光扫描探测与记录单元二、无线控制与数据传输单元二、清扫执行单元、供电单元二和处理器三，其中轮式机器人平台二用于承载fod定位信号接收单元、可见光扫描探测与记录单元二、无线控制与数据传输单元二、清扫执行单元、供电单元二和处理器三；fod定位信号接收单元用于接收来自无线控制与数据传输单元一发出的fod定位信息数据，并将所接收数据发送给处理器三进行分析处理；无线控制与数据传输单元二用于接收来自远程控制单元的控制信号并控制轮式机器人平台二的运行轨迹；可见光扫描探测与记录单元二用于扫描探测fod并实时记录探测作业过程并生成清扫档案；清扫执行单元用于接收处理器三的控制信号以完成清扫作业；供电单元二、与对应的轮式机器人平台二、fod定位信号接收单元、可见光扫描探测与记录单元二、清扫执行单元、无线控制与数据传输单元二和处理器三连接，以用于提供电力；

远程控制单元包括数据处理模块、信号接收与控制单元、显示与报警单元、机器人探测、清扫数据管理单元、无线控制与数据传输单元三；无线控制与数据传输单元三用于分别与无线控制与数据传输单元一和无线控制与数据传输单元二进行通信；机器人探测、清扫数据管理单元用于接收并存储轮式fod探测机器人探测作业过程的相关数据、用于存储fod清扫机器人清扫作业过程的相关数据、用于建立fod探测与清扫档案、用于对机器人实现全寿命健康管理、用于实现多个fod探测机器人和fod清扫机器人之间协同作业及远程遥控和清扫作业应急控制，并能具有为近端操作人员提供相关数据的调取及显示功能；显示与报警单元用于监控和显示fod探测机器人和fod清扫机器人的运行状态、用于显示fod报警信息及fod探测机器人和fod清扫机器人运行异常信息；信号接收与控制单元用于接收来自近端操作者的输入的控制信号、用于对fod探测机器人和fod清扫机器人进行远程干扰控制；数据处理模块进行数据的分析、处理过程。

在该技术方案中，2台轮式fod探测机器人并行协同探测机场道面fod，从而能有效提高探测效率和探测精度，同时，探测到fod后向远程控制单元发出fod报警与定位信息，另外，也会向轮式fod清扫机器人发出fod定位信息，轮式fod清扫机器人根据fod坐标自动移动执行清扫任务，远程控制单元的设置能对轮式fod探测、清扫机器人进行实时监控，同时，也能在其运行异常的情况下进行遥控干预。

2台轮式fod探测机器人和轮式fod清扫机器人相互协同配合，能满足30分钟内完成机场道面快速检测与清扫。该系统能解决昼夜、全天候机场道面异物管控的难题。能显著提高道面异物管控精度，降低场务人员劳动强度。一方面通过轮式fod清扫机器人能够对小尺寸(粒径5-20毫米范围内)的机场道面异物进行探测、识别和清扫。另一方面，对发现的大尺寸(粒径20毫米以上)的机场道面异物及时通过远程控制单元进行报警、定位，通知其他清扫装备或人员进行清除作业，提高了道面保障的可靠性。

进一步，所述雷达扫描fod智能探测系统由雷达天线、射频模块和信号处理模块组成，雷达天线接收来自射频模块的射频调制信号，射频模块接收来自雷达天线的目标回波信号，接收来自信号处理模块发射的中频信号，信号处理模块用于接收来自射频模块的模拟信号。

进一步，可见光扫描探测与记录单元一和二分别由光学成像模块、光学控制模块和近红外补光模块组成，光学成像模块接收来自光学控制模块变倍、聚集的控制指令，近红外补光模块接收来自光学控制模块的打开、关闭、光强调整的控制信号，通信模块用于接收光学成像模块的数字图像信号和控制模块的回馈信号。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明中雷达扫描探测单元的结构框图；

图3是本发明中可见光扫描探测与记录单元的结构框图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种机场道面异物智能探测与清扫系统，包括远程控制单元、两个轮式fod探测机器人和至少一个轮式fod清扫机器人，

两台轮式fod探测机器人用于并行协同探测机场道面上的fod，并在探测到fod后发出fod报警与定位信息信号给远程控制单元；

远程控制单元用于接收和显示轮式fod探测机器人发出的报警和定位信息、用于控制两台轮式fod探测机器人的运行轨迹、用于控制轮式fod清扫机器人移动到定位点，并具有实时监控功能，且在远端出现异常情况下能通过近端操作人员的控制下进行远程遥控的干预；

轮式fod探测机器人用于根据远程控制单元提供的fod定位信息自动移动到定位点进行清扫任务；

所述轮式fod探测机器人包括轮式机器人平台一、fod智能探测系统、无线控制与数据传输单元一、gps定位单元、处理器一和供电单元一，其中轮式机器人平台一用于承载fod智能探测系统、无线控制与数据传输单元一、gps定位单元和供电单元一，fod智能探测系统由雷达扫描fod智能探测系统、红外扫描fod智能探测系统、可见光扫描探测与记录单元一和处理器一组成，雷达扫描fod智能探测系统和红外扫描fod智能探测系统分别用于探测不同类型的fod并将探测结果发送给处理器一；可见光扫描探测与记录单元一用于扫描探测fod并实时记录探测作业过程并生成清扫档案；所述处理器一用于接收gps定位单元的定位信息数据、用于接收来自雷达扫描fod智能探测系统的雷达探测信号、接收来自红外扫描fod智能探测系统的探测信号、接收来自可见光扫描探测与记录单元一的探测信号及探测作业过程的数字图像数据和生成的清扫档案，并对所接收数据进行分析处理后通过无线控制与数据传输单元一向远程控制单元发出fod报警与定位信息信号；无线控制与数据传输单元一用于与远程控制单元中进行数据通信、用于建立两台轮式fod探测机器人的数据通信、用于将gps定位单元的定位信息数据发送给轮式fod清扫机器人；供电单元一、与对应的轮式机器人平台、无线控制与数据传输单元一、gps定位单元和fod智能探测系统连接，以用于提供电力；

轮式fod清扫机器人包括轮式机器人平台二、fod定位信号接收单元、可见光扫描探测与记录单元二、无线控制与数据传输单元二、清扫执行单元、供电单元二和处理器三，其中轮式机器人平台二用于承载fod定位信号接收单元、可见光扫描探测与记录单元二、无线控制与数据传输单元二、清扫执行单元、供电单元二和处理器三；fod定位信号接收单元用于接收来自无线控制与数据传输单元一发出的fod定位信息数据，并将所接收数据发送给处理器三进行分析处理；无线控制与数据传输单元二用于接收来自远程控制单元的控制信号并控制轮式机器人平台二的运行轨迹；可见光扫描探测与记录单元二用于扫描探测fod并实时记录探测作业过程并生成清扫档案；清扫执行单元用于接收处理器三的控制信号以完成清扫作业；供电单元二、与对应的轮式机器人平台二、fod定位信号接收单元、可见光扫描探测与记录单元二、清扫执行单元、无线控制与数据传输单元二和处理器三连接，以用于提供电力；

远程控制单元包括数据处理模块、信号接收与控制单元、显示与报警单元、机器人探测、清扫数据管理单元、无线控制与数据传输单元三；无线控制与数据传输单元三用于分别与无线控制与数据传输单元一和无线控制与数据传输单元二进行通信；机器人探测、清扫数据管理单元用于接收并存储轮式fod探测机器人探测作业过程的相关数据、用于存储fod清扫机器人清扫作业过程的相关数据、用于建立fod探测与清扫档案、用于对机器人实现全寿命健康管理、用于实现多个fod探测机器人和fod清扫机器人之间协同作业及远程遥控和清扫作业应急控制，并能具有为近端操作人员提供相关数据的调取及显示功能；显示与报警单元用于监控和显示fod探测机器人和fod清扫机器人的运行状态、用于显示fod报警信息及fod探测机器人和fod清扫机器人运行异常信息；信号接收与控制单元用于接收来自近端操作者的输入的控制信号、用于对fod探测机器人和fod清扫机器人进行远程干扰控制；数据处理模块进行数据的分析、处理过程。

在该技术方案中，2台轮式fod探测机器人并行协同探测机场道面fod，从而能有效提高探测效率和探测精度，同时，探测到fod后向远程控制单元发出fod报警与定位信息，另外，也会向轮式fod清扫机器人发出fod定位信息，轮式fod清扫机器人根据fod坐标自动移动执行清扫任务，远程控制单元的设置能对轮式fod探测、清扫机器人进行实时监控，同时，也能在其运行异常的情况下进行遥控干预。

2台轮式fod探测机器人和轮式fod清扫机器人相互协同配合，能满足30分钟内完成机场道面快速检测与清扫。该系统能解决昼夜、全天候机场道面异物管控的难题。能显著提高道面异物管控精度，降低场务人员劳动强度。一方面通过轮式fod清扫机器人能够对小尺寸(粒径5-20毫米范围内)的机场道面异物进行探测、识别和清扫。另一方面，对发现的大尺寸(粒径20毫米以上)的机场道面异物及时通过远程控制单元进行报警、定位，通知其他清扫装备或人员进行清除作业，提高了道面保障的可靠性。

通过轮式fod探测机器人的雷达和红外实时扫描跑道检测fod目标，光学成像模块拍摄fod目标，处理器对雷达、红外探测信息、可见光图像信息进行综合处理，生成fod清扫坐标后，将处理结果传给轮式fod清扫机器人，fod清扫机器人自动判读探测结果，根据fod的分类特征，智能化地选取清扫工具，实现道面异物识别后的快速自动处理。远程控制单元通过机器人探测、清扫数据管理软件系统，能实现多个轮式fod探测、清扫机器人平台之间协同作业以及远程遥控与自主控制系统，实现无人和有人干预下的道面清扫作业。

在远程控制单元一端还可以由1位操作员实时监控fod探测机器人和清扫机器人作业运行状态，接收探测与清扫数据，建立机场fod探测与清扫档案、对机器人实现全寿命健康管理。远程控制单元接收fod探测与清扫机器人信号、监控机器人作业状态，生成fod清扫作业档案。同时，在非清扫作业时，对fod探测和清扫机器人实施健康管理。

进一步，所述雷达扫描fod智能探测系统由雷达天线、射频模块和信号处理模块组成，雷达天线接收来自射频模块的射频调制信号，射频模块接收来自雷达天线的目标回波信号，接收来自信号处理模块发射的中频信号，信号处理模块用于接收来自射频模块的模拟信号。雷达天线采用毫米雷达天线，这样能对等效直径小于20毫米的机场道面异物进行有效地识别。

进一步，可见光扫描探测与记录单元一和二分别由光学成像模块、光学控制模块和近红外补光模块组成，光学成像模块接收来自光学控制模块变倍、聚集的控制指令，近红外补光模块接收来自光学控制模块的打开、关闭、光强调整的控制信号，通信模块用于接收光学成像模块的数字图像信号和控制模块的回馈信号。