智能小车控制系统、方法及智能小车的空中控制设备与流程
本发明涉及自动控制技术领域，特别是指一种智能小车控制系统、方法及智能小车的空中控制设备。
背景技术：
智能小车作为现代的新发明，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探、自动运输等等的用途。
传统的智能小车通过提前编好行驶路线与行驶轨迹，使之能够按照既定的路线行驶，从而实现无人导航自动行驶。现有的智能小车基本都是按既定的路线行驶，较难以改变或在线控制智能小车的运行路径，给智能小车的调度带来了不便。比如，在运输搬运的场合，预设既定路线的智能小车难以适应随时改变装卸地点的场景。
为了能够改变智能小车的运行路径，现有的一种智能小车控制系统，包括智能小车，一个远程控制中心和若干条铺设于地面的导航磁条。智能小车沿导航磁条行驶，导航磁条上等距离铺设若干rfid电子标签，rfid电子标签中存储有标注小车所处位置的地址坐标编码。智能小车上的rfid读写器读取智能小车所处rfid电子标签的地址坐标编码，并发送给远程控制中心；远程控制中心可实时获取智能小车当前地理位置，并远程控制智能小车的前进、停止或倒退。
但该方案仍然有很大的局限性，对智能小车的轨迹的控制受限于地面铺设的导航磁条。对于无法预铺导航磁条的场景，则无法应用该技术方案，且该智能小车控制方案所需硬件设备多，成本高。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种智能小车控制系统、方法及智能小车的空中控制设备，可以更为灵活地控制智能小车的运行，且具有成本低的优点。
基于上述目的本发明提供一种智能小车控制系统，包括：智能小车、摄像飞行器，以及设置于地面的信标；其中，
所述摄像飞行器用于在空中拍摄地面上的所述智能小车与信标的图像，并识别出所述图像中所述信标，以及所述智能小车的车头、车尾；确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置；并根据所述三点相对位置，决定所述智能小车的电机和舵机的运转参数后，将所述电机和舵机的运转参数通过无线方式发送给所述智能小车；
所述智能小车根据所述摄像飞行器发送的电机和舵机的运转参数控制本小车的电机和舵机，使本小车驶向所述信标。
本发明还提供一种智能小车控制方法，包括：
于空中拍摄地面上的智能小车与信标的图像，并识别出所述图像中所述信标，以及所述智能小车的车头、车尾；
确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置；
根据所述三点相对位置，决定所述智能小车的电机和舵机的运转参数；
将所述电机和舵机的运转参数通过无线方式发送给所述智能小车，控制所述智能小车的电机和舵机，使所述智能小车驶向所述信标。
本发明还提供一种智能小车的空中控制设备，包括：
飞行器装置，用于在空中飞行；
摄像装置，搭载于所述飞行器装置上，用于从空中拍摄地面上的所述智能小车与信标的图像；
图像处理装置，搭载于所述飞行器装置上，用于获取所述摄像装置拍摄的图像，并识别出所述图像中所述信标，以及所述智能小车的车头、车尾；确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置；并根据所述三点相对位置，决定所述智能小车的电机和舵机的运转参数后，将所述电机和舵机的运转参数通过无线方式发送给所述智能小车。
本发明实施例的技术方案中，摄像飞行器在空中拍摄地面上的智能小车与信标的图像，从图像中确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置，根据所述三点的相对位置，决定智能小车的电机和舵机的运转参数，并发送给智能小车，控制智能小车驶向信标。这样，如果地面工作人员移动或更改地面上的信标的位置，则智能小车则可以随之自动更改行进路线，而向变更位置后的信标自动行驶，不受预设既定路线的限制，也不必预铺导航磁条或其它导航轨道，大大增加了智能小车运行控制的灵活性；而且本系统中不需预铺导航磁条或其它导航轨道，硬件设备少，成本低，场地适应性强。
更优地，本发明实施例的技术方案中，以三点的相对位置，决定智能小车的电机和舵机的运转参数，计算方法简单、快速，便于实现对智能小车的实时、快速的控制。
更优地，本发明实施例的技术方案中，在进行数据发送前，将舵机的转角或电机的转速进行等级化，以减少数据传输量，以保证数据传输的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种智能小车控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种智能小车控制方法流程图；
图3为本发明实施例提供的信标至智能小车的车头距离，以及信标至车尾距离的示意图；
图4为本发明实施例提供的信标与智能小车之间的连线，与智能小车车身之间的夹角示意图；
图5为本发明实施例提供的图像处理装置内部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。
本发明实施例提供的一种智能小车控制系统，如图1所示，包括：飞行空中的摄像飞行器101、地面上的智能小车102，以及设置于地面的信标103。
其中，地面的信标103具体可以是闪烁的信标灯，而信标灯可以方便移动、放置。
摄像飞行器101用于在空中拍摄地面上的所述智能小车102与信标103的图像。也就是说，摄像飞行器101在空中拍摄包含智能小车102与信标103的图像。
摄像飞行器101识别出拍摄的图像中所述信标，以及所述智能小车的车头、车尾后，进一步确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置。也就是说，摄像飞行器101从拍摄的图像中，确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标，这三点的相对位置。
摄像飞行器101根据所述三点的相对位置，决定所述智能小车的电机和舵机的运转参数后，将所述电机和舵机的运转参数通过无线方式发送给智能小车102。其中，所述电机和舵机的运转参数可以包括：所述电机的转动方向、转速以及所述舵机的转角。
智能小车102根据摄像飞行器101发送的电机和舵机的运转参数控制本小车的电机和舵机，使本小车驶向所述信标103。
这样，如果地面工作人员移动或更改地面上的信标103的位置，则智能小车102则可以随之自动更改行进路线，而向变更位置后的信标103自动行驶，不受预设既定路线的限制，也不必预铺导航磁条或其它导航轨道，大大增加了智能小车运行控制的灵活性；而且本系统中主要是增加了一个摄像飞行器，不需预铺导航磁条或其它导航轨道，硬件设备少，成本低，场地适应性强。
具体地，摄像飞行器101在空中摄像并控制智能小车102的方法流程，如图2所示，包括如下步骤：
步骤s201：摄像飞行器101于空中拍摄地面上的智能小车102与信标103的图像。
具体地，摄像飞行器101飞行于智能小车102与信标103的上空，从空中向地面拍摄包含有智能小车102与信标103的图像。
步骤s202：摄像飞行器101识别出拍摄的图像中信标103，以及智能小车102的车头、车尾。
本步骤中，摄像飞行器101对拍摄的图像进行处理，从中识别出信标103，以及智能小车102的车头、车尾。
例如，一种简易的识别方法是，智能小车102的车头安装常亮蓝色车灯，智能小车102的车尾安装常亮黄色车灯，信标103为红色信标灯。从拍摄的图像中识别出蓝色、黄色或红色灯，则识别出智能小车102的车头、车尾以及信标等。
当然，还可以其它方法进行识别，比如，将车前灯设计的比车尾灯小，而信标灯则是一种闪烁灯；通过连续拍摄的图像，从中可以识别忽明忽暗的信标灯；通过比较图像中车灯大小，可以识别出是车尾灯还是车前灯，进而识别出车头和车尾；该方法通过黑白摄像头即可实现，可进一步降低方案实现的成本。
步骤s203：摄像飞行器101确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置；根据所述三点相对位置，决定所述智能小车的电机和舵机的运转参数。
本步骤中，摄像飞行器101根据图像中识别出的智能小车的车头、车尾以及信标，确定智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置：
摄像飞行器101获取识别出的智能小车的车头、车尾以及信标的图像数据行列值。比如，如图3所示，获取的智能小车的车头的行列值为(a，b)，智能小车的车尾的行列值为(as，bs)，信标的行列值为(m，n)。
将上述三点的行列值转换为此三点的坐标。假设三点坐标分别为：信标坐标(x2,y2)、车尾坐标(x0,y0)和车头坐标(x1,y1)。则：
x2＝n；y2＝dataline-m；
x1＝b；y1＝dataline-a；
x0＝bs；y0＝dataline-as。
其中，dataline为行数。
确定了三点的坐标就确定了三点相对位置。
本步骤中，摄像飞行器101根据所述三点相对位置，决定所述智能小车的电机和舵机的运转参数的方法，具体包括：1、决定所述智能小车的电机的转动方向的方法；2、决定所述智能小车的舵机的转角的方法；3、决定所述智能小车的电机的转速的方法。
其中，摄像飞行器101决定所述智能小车的电机的转动方向的具体方法如下：
摄像飞行器101将所述智能小车的车头至所述信标的距离，与所述智能小车的车尾至所述信标的距离进行比较；若前者大于后者，则决定所述电机的转动方向为倒退方向；否则，所述电机的转动方向为前进方向。
比如，如图3所示，智能小车的车头至所述信标的距离为d2，智能小车的车尾至所述信标的距离为d1。根据智能小车的车头、车尾以及信标的坐标，可以计算出距离d1、d2；距离计算方法为本领域技术人员所熟知，此处不赘述。
若d1小于d2，则说明车尾离信标近，需控制电机的转动方向为倒退方向；
若d2小于d1，则说明车头离信标近，需控制电机的转动方向为前进方向；
对于d2等于d1的情况，则可以默认电机的转动方向为前进方向。
摄像飞行器101决定所述智能小车的舵机的转角的具体方法如下：
摄像飞行器101根据所述信标与所述车尾的坐标之间的反正切函数值，以及所述车头与车尾的坐标之间的反正切函数值，确定由所述智能小车的车头、车尾以及所述信标这三点构成的三角形中，顶点为所述车尾的夹角的角度大小；根据所述夹角的角度大小，决定所述舵机的转角。
比如，如图4所示，由所述智能小车的车头、车尾以及所述信标这三点构成的三角形中，顶点为所述车尾的夹角θ等于θ2-θ1。
其中，θ1为所述车头与车尾的坐标之间连线的反正切函数值，如公式一所示：
θ2为所述信标与所述车尾的坐标之间连线的反正切函数值，如公式二所示：
由于反正切函数的值域是[-90，90]，所以夹角θ的值域就是[-180，180]，当夹角的绝对值小于90度时说明车头离信标比较近，小车应该向前；反之小车应该向后倒退行驶。考虑到倒退时舵机正好要进行反向才能到达目的地，所以输出转角增加一个负号。
亦即，如果夹角θ小于-90，则决定所述舵机的转角real_θ＝-(θ+180)；
如果夹角θ大于90，则决定所述舵机的转角real_θ＝-(θ-180)；
如果夹角θ在-90与90之间，则决定所述舵机的转角real_θ＝θ。
这样，舵机的转角的值域为[-90，90]。转角real_θ为正，表示向左打方向；转角real_θ为负，表示向右打方向。
为了能够减小数据传输量，可以将转角的值域为[-90，90]，映射为[0，9]的值域中，并取整为十个等级的数据。0表示右边最大转角，9表示左边最大转角。这样，仅用一位十进制数就可以表示舵机的转角，减小了数据传输量。
摄像飞行器101决定所述智能小车的电机的转速的具体方法为如下：
摄像飞行器101将所述智能小车的车头至所述信标的距离，以及所述智能小车的车尾至所述信标的距离，确定所述信标至所述智能小车的车身的平均距离；根据所述平均距离决定所述电机的转速。
由于空中拍摄智能小车与信标，拍摄图像中智能小车与信标之间的距离受拍摄高度的影响而不同；因此，不能直接以图像中智能小车与信标之间的距离作为智能小车与信标之间在地面上的距离。本发明技术方案中，以
比如，将这个距离分为0到9十个等级，不同的等级可以控制给出不同的电机的转速。假设智能小车车头车尾距离大约是20cm，智能小车离信标灯最远是500cm，所以两者比值最大是25，可以用这个值除以2.5，并且向下取整，当得到的值大于9，则决定所述电机的转速等于9，当得到的值小于1就决定所述电机的转速等于0。
步骤s204：摄像飞行器101将所述电机和舵机的运转参数通过无线方式发送给智能小车102，控制所述智能小车的电机和舵机，使所述智能小车驶向信标103。
具体地，摄像飞行器101将上述步骤决定的电机和舵机的运转参数进行数据封装；比如，可以将数据封装为三位的十进制数data_send。
data_send的百位表示的是电机的转动方向motor，motor的取值可以是0或1，表示倒退或前进；
data_send的十位表示的是舵机的转角steering_level；
data_send的个位表示的是电机的转速speed_level。
由此，data_send的取值可以如公式三所示：
data_send＝motor×100+steering_level×10+speed_level(公式三)
摄像飞行器101将封装的数据通过无线方式发送给智能小车102。
智能小车102接收到数据后，对数据进行解析。比如，从接收的data_send中解析出百位数，得到电机的转动方向；解析出十位数，得到舵机的转角；解析出个位数，得到电机的转速。
由于舵机的转角和电机的转速为了缩减数据传输量进行了等级化，因此，相应地，智能小车102可以先将等级化的数据转换为可以直接控制电机和舵机的数值，进而根据转换得到的数值相应地控制电机和舵机，使智能小车驶向信标。
比如，智能小车的左转最大值是leftmax，右转最大值是rightmax，则转向控制关系式如公式四所示：
steering_value＝a×steering_level+b(公式四)
公式四中，steering_level为智能小车102接收到数据后解析出来的，其值为0～9；steering_value为智能小车102计算得到的、可以直接控制舵机的转角数值，其取值范围为leftmax～rightmax。
公式四中：a＝(leftmax-rightmax)÷(9-0)；
b＝(10×rightmax-leftmax)÷(9-0)；
类似地，智能小车102也可以将解析出的等级化的speed_level转换为可以直接控制电机的转速数值speed_aim。
比如，智能小车距离信标最远时速度是speed_fast，距离信标最近时速度是speed_safe，speed_aim与speed_level之间为线性关系，电机的转速数值speed_aim可根据如下公式五计算得到：
基于上述的方法，本发明实施例提供的一种智能小车的空中控制设备包括上述的摄像飞行器101，其内部具体结构可以包括：飞行器装置、摄像装置、图像处理装置。
其中，飞行器装置用于在空中飞行；
摄像装置搭载于所述飞行器装置上，用于从空中拍摄地面上的所述智能小车与信标的图像；
图像处理装置搭载于所述飞行器装置上，并与摄像装置电连接，用于获取所述摄像装置拍摄的图像，并识别出所述图像中所述信标，以及所述智能小车的车头、车尾；确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置；并根据所述三点相对位置，决定所述智能小车的电机和舵机的运转参数后，将所述电机和舵机的运转参数通过无线方式发送给所述智能小车。
其中，图像处理装置的一种具体内部结构，如图5所示，包括：图像识别模块501、参数确定模块502、数据发送模块503。
图像识别模块501用于获取所述摄像装置拍摄的图像，并识别出所述图像中所述信标，以及所述智能小车的车头、车尾；
参数确定模块502用于根据图像识别模块501的识别结果，确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置；并根据所述三点相对位置，决定所述智能小车的电机和舵机的运转参数；
数据发送模块503用于将参数确定模块502确定的所述电机和舵机的运转参数通过无线方式发送给所述智能小车。数据发送模块503具体可以先将所述电机和舵机的运转参数进行数据封装，之后将封装的数据通过无线方式发送给所述智能小车。
其中，参数确定模块502具体用于确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置后：
将所述智能小车的车头至所述信标的距离，与所述智能小车的车尾至所述信标的距离进行比较；若前者大于后者，则决定所述电机的转动方向为倒退方向；否则，所述电机的转动方向为前进方向；
根据所述信标与所述车尾的坐标之间的反正切函数值，以及所述车头与车尾的坐标之间的反正切函数值，确定由所述智能小车的车头、车尾以及所述信标这三点构成的三角形中，顶点为所述车尾的夹角的角度大小；根据所述夹角的角度大小，决定所述舵机的转角；
将所述智能小车的车头至所述信标的距离，以及所述智能小车的车尾至所述信标的距离，确定所述信标至所述智能小车的车身的平均距离；根据所述平均距离决定所述电机的转速。
进一步，参数确定模块502还可以将决定出的舵机的转角、转速进行等级化。
参数确定模块502确定电机和舵机的运转参数的具体方法可参考上述如图2所示的方法流程的步骤，此处不再赘述。
本发明实施例的技术方案中，摄像飞行器在空中拍摄地面上的智能小车与信标的图像，从图像中确定所述智能小车的车头、车尾以及所述信标之间的三点相对位置，根据所述三点的相对位置，决定智能小车的电机和舵机的运转参数，并发送给智能小车，控制智能小车驶向信标。这样，如果地面工作人员移动或更改地面上的信标的位置，则智能小车则可以随之自动更改行进路线，而向变更位置后的信标自动行驶，不受预设既定路线的限制，也不必预铺导航磁条或其它导航轨道，大大增加了智能小车运行控制的灵活性；而且本系统中不需预铺导航磁条或其它导航轨道，硬件设备少，成本低，场地适应性强。
更优地，本发明实施例的技术方案中，以三点的相对位置，决定智能小车的电机和舵机的运转参数，计算方法简单、快速，便于实现对智能小车的实时、快速的控制。
更优地，本发明实施例的技术方案中，在进行数据发送前，将舵机的转角或电机的转速进行等级化，以减少数据传输量，以保证数据传输的可靠性。
本技术领域技术人员可以理解，本发明包括涉及用于执行本申请中所述操作中的一项或多项的设备。这些设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中，所述计算机可读介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、cd-rom、和磁光盘)、rom(read-onlymemory，只读存储器)、ram(randomaccessmemory，随即存储器)、eprom(erasableprogrammableread-onlymemory，可擦写可编程只读存储器)、eeprom(electricallyerasableprogrammableread-onlymemory，电可擦可编程只读存储器)、闪存、磁性卡片或光线卡片。也就是，可读介质包括由设备(例如，计算机)以能够读的形式存储或传输信息的任何介质。
本技术领域技术人员可以理解，可以用计算机程序指令来实现这些结构图和/或框图和/或流图中的每个框以及这些结构图和/或框图和/或流图中的框的组合。本技术领域技术人员可以理解，可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专业计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来实现，从而通过计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来执行本发明公开的结构图和/或框图和/或流图的框或多个框中指定的方案。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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