CN107589744B - 基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台方法 - Google Patents
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Abstract
基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台方法，该平台包括车体及设置在车体底部的麦克纳姆轮；麦克纳姆轮通过压簧设置在车体底部，左右两侧的压簧呈由上向下逐渐向外倾斜的八字形布置，麦克纳姆轮与车体内的电机连接，电机连接电机驱动，电机驱动连接主控单片机，主控单片机连接电脑、超声波模块、GPS及九轴传感器模块；电脑连接激光雷达（3）和摄像头；其很好的解决了隧道检测快速、高效和自动化的问题，具有重要的意义，减少了高速公路隧道裂缝检测中大量人力、物力的浪费，同时裂缝检测的准确性也会大大提高。
Description
技术领域：
本发明属于无人驾驶技术领域，涉及机器视觉、图像处理、同步定位与建图(SLAM)、惯性导航和电子机械控制等领域，特别是涉及一种基于高速公路隧道裂缝检测的全向无人驾驶系统。
背景技术：
进入21世纪以来，随着国民经济的快速发展，特别是在“7918”国家高速公路网规划和西部大开发的历史机遇下，公路隧道建设进入了一个高速发展的时期。近十年来，公路隧道年增长率达24％，远高于道与桥的增长率，公路隧道的重要性日益凸显。目前，我国已是世界上公路隧道最多、发展最快的国家。伴随着我国高速公路隧道工程的大量开展，隧道在运营期间,衬棚结构会因为设计不合理、施工不当、运营年限、气候条件等原因产生各种病害,有的在隧道建成后短时间内甚至建设过程中就会出现比较严重的病害，因此，我国将面临着大量隧道的检测、维修问题。
国内外基于图像处理的隧道裂缝检测过程中仍摆脱不了技术人员的参与。而我国运用机器视觉的隧道裂缝检测研究大多处于理论研究、实验室模拟阶段，且大部分是针对于高速铁路。
发明内容：
发明目的：
本发明提供一种基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台及方法，其目的是解决以往所存在的问题。
技术方案：
一种基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，其特征在于：该平台包括车体及设置在车体底部的麦克纳姆轮；麦克纳姆轮通过压簧设置在车体底部，左右两侧的压簧呈由上向下逐渐向外倾斜的八字形布置，麦克纳姆轮与车体内的电机连接，电机连接电机驱动，电机驱动连接主控单片机，主控单片机连接电脑、超声波模块、GPS及九轴传感器模块；电脑连接激光雷达(3) 和摄像头；
激光雷达安装在车体顶部；超声波传感器为四个，四个超声波传感器在车体左右两侧各安装两个；GPS及九轴传感器模块用天线支撑于车体顶部；
摄像头为四个，分别为一号摄像头、二号摄像头、三号摄像头和四号摄像头；其中用于路面标线识别的三号摄像头安装在车体前方，方向朝下；用于隧道入口检测及采集隧道顶部图像的一号摄像头安装在车体上方，方向朝上；用于采集隧道左右侧图像信息的二号摄像头和四号摄像头分别安装于车体左、右两侧；
在车体顶部显眼位置设置有用于警示来往车辆驾驶人员的警示信号灯。
麦克纳姆轮为四个，对应的四块电机驱动分别安装在底盘表面四个直角处并装在车体中；电脑和主控制器装均放在车体中。
在车体侧面设置有用于缓冲撞击的撞击缓冲器，该撞击缓冲器包括缓冲球、缓冲座以及缓冲杆；
缓冲球的一面为半球状软性头，缓冲球的另一面连接有扭簧壳，两根弹性缓冲片的一端伸进扭簧壳内并通过扭簧壳内的扭簧活动连接形成另一端开口的“人”字形结构，扭簧保持将两根弹性缓冲片的另一端开口向内收紧的力，两根弹性缓冲片穿过缓冲座上的矩形限位圈且能相对于该矩形限位圈移动；
扭簧壳连接衔接杆，衔接杆前端套有仅能相对于衔接杆做轴向转动且带有内螺纹的连连接螺母；
缓冲杆的一端设置有与连接螺母螺纹配合的外螺纹，另一端设置有溃缩头，缓冲杆伸进溃缩头内并通过溃缩片与溃缩头内壁连接，缓冲杆与溃缩片之间为点连接使得缓冲球受撞击时，缓冲杆与溃缩片脱离；
缓冲座的中部设置有缓冲凹槽，缓冲凹槽的底部设置有固定杆，固定杆为中空结构，固定杆与溃缩头(42)螺纹连接且固定杆(41)与缓冲杆(34)同轴，当溃缩片(43)遇外力与缓冲杆分离后缓冲杆(34)伸进固定杆(41)内。
在固定杆(41)内还设置有能对缓冲杆(34)起缓冲作用的缓冲弹簧。
矩形限位圈(37)的长度方向与缓冲杆(34)的轴向方向相同，以便保证弹性缓冲片(36)工作时能在矩形限位圈(37)的长度方向上有足够的活动量。
缓冲球(32)的球面为弹性结构。
利用上述的基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台所实施的检测方法，其特征在于：该方法如下：
用户通过电脑(18)上位机设定起始点和终止点，经用户点击上位机运行按钮给定触发信号，无人驾驶平台开始工作，红绿闪烁警示灯(1)闪烁示意，开启激光雷达(3)壁障任务与导航任务；
电脑(18)通过三号摄像头(9)采集路面图像，图像处理识别道路标识线后，经串口(28)与主控单片机(13)通讯，主控单片机(13)通过GPS 及九轴传感器模块(2)信息融合通过CAN总线(27)下发至4个电机驱动单片机，由电机驱动单片机控制四个底盘电机动作，从而控制无人驾驶平台行走路径及走向，对道路标识线进行实时跟踪，同时由一号摄像头(4)检测识别隧道入口，待检测隧道入口成功后结束道路表面标识线跟踪任务；
开启超声波模块对隧道侧壁距离测量，采用三闭环串级控制系统保证移动平台与隧道侧壁定距离、恒速度移动，其中由电机内的编码器信息做速度内环，距离值做外环，从而实现三闭环串级控制系统；
其中：电流闭环为最内环；第二环由电机内的编码器信息做速度内环，距离值做最外环。【三环的原因：从需求上来看，无人驾驶的首要目的是路径规划，所以最直观的方法是直接使用距离之来做单闭环pid,也就是根据路径规划的距离目标设定值与距离实际误差值计算输出pwm，从而控制电机力矩，从而力矩转为电机转速及转向，从而控制车体路径与车速。以上分析可知单级pid的输出量最终控制的是电机力矩，那么问题来了，力矩转为电机转速的过程中，电机转速正比于(电机力矩+外界阻力力矩)，因此电机转速受外界阻力的影响而波动，可知单级pid稳定性不够，这也就是两级pid的理由。两级 pid(也叫双闭环)，根据以上分析加入编码器做速度反馈，则可以使速度不收外界阻力影响，从而稳定性提高；最后，作为安全及保护考虑，这里加入电流反馈做最内环，这是因为：当系统恶化时(比如在行驶过程中电机被卡住了)，此时电机转速为0，根据闭环原理可知，PID系统将迅速累加恶化，最终pid输出值为最大值，力矩最大，而电机堵转，从而电流最大，无疑，电机很容易发热烧毁。若加入电流闭环，对电流加以控制，则系统将更加稳定可靠】
进入隧道的同时开启三路摄像头即：一号摄像头(4)、三号摄像头(9) 和四号摄像头(10)对上、左、右方向隧道表面采集图像；
隧道图像采集完成后，根据传感器信息融合处理返回起始点，与出发时相同即出去时的控制方法和回来时的控制方法相同，最后，用户通过电脑界面与人交互，存取、显示隧道采集图像。
将车体运行分解为三种基本方式：①原地旋转；②左右平移；③前后移动，由三种基本运行方式分别对四个底盘电机进行权重求和控制底盘电机旋转，使其在任意方向上实现平移和原地旋转，具体的行走方式包括直行、斜行、横行、 S形行进、零半径任意角度旋转，借助这一强大的机动性，在狭小的空间内对车辆进行快速定位。
电机控制规则权重求和如下：
一号电机速度＝-原地旋转速度*旋转权重+转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
二号电机速度＝原地旋转速度*旋转权重+转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
三号电机速度＝原地旋转速度*旋转权重-转左右平移速度*平移权
重+前后移动速度*前后权重；
四号电机速度＝-原地旋转速度*旋转权重-转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
以上正负号代表电机转向
(根据上述控制规则：例如：5000r/min斜45度行走，可将其分解为前后移动和左右平移，从而
一号电机速度＝-0*0+5000*0.5+5000*0.5；
二号电机速度＝0*0+5000*0.5+5000*0.5；
三号电机速度＝0*0-5000*0.5+5000*0.5；
四号电机速度＝-0*0-5000*0.5+5000*0.5；
以上正负号代表电机转向；
由麦克纳姆轮特性结合电机方式即可实现5000r/min斜45度行走。
优点效果：
本发明提供一种基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台及方法，其采用麦克纳姆轮使得全向智能移动平台能够在任意方向上实现平移和原地旋转，使平台具有最大的灵活性和自由机动性；采用多控制器分级控制组合，使得系统分工明确，易维护，控制专一精确；采用CAN总线和串口总线实现分级通讯网络使得数据传输速度快，可靠性高，抗干扰能力强；采用九轴传感器、编码器和GPS进行惯性导航，可实时进行局部路线和全局路线规划；采用悬挂系统避震，缓冲由不平路面传给车架或车身造成的冲击力，并衰减由此引起的震动，增加机械使用寿命；采用双闭环控制系统，其调节能力强，稳定性高；采用激光雷达、摄像头、超声波传感器，多传感器信息融合，环境感知能力强；自动生成记事本，记录移动平台工作信息和状态，方便用户查看移动平台工作情况及维修。其采用特有的撞击缓冲器来缓冲来自车身侧面的撞击，最大限度的减小或消除整个装置在受侧面撞击时，所造成的车体及内部构件的损坏，减小维修成本，增加工作效率。
该基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，很好的解决了隧道检测快速、高效和自动化的问题，其将无人驾驶、机器视觉二者相结合，应用到高速公路隧道衬砌裂缝检测的工程问题中，从而为隧道衬砌表面裂缝的检测提供了一种简单、高效的方法，可以实现对隧道衬砌裂缝的自动采集。填补国内高速公路隧道裂缝自动检测方面的空白，为繁重的裂缝检测作业提供一种简单可靠的方法，在保持高速公路的安全和顺利的运营方面，具有重要的意义，减少了高速公路隧道裂缝检测中大量人力、物力的浪费，同时裂缝检测的准确性也会大大提高。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3为图1的俯视图；
图4为图1的立体图；
图5为悬挂避震结构示意图；
图6为车体内部示意平面图；
图7为车体内部示意立体图；
图8为车体的底盘结构立体示意图；
图9为图8的平面俯视图；
图10为通讯系统示意图；
图11为双闭环控制原理图；
图12为撞击缓冲器结构示意图；
图13为溃缩头结构示意图；
本发明监测系统一种实施例的结构，示意图中零件标号说明：1.红绿闪烁示意信号灯；2.GPS及九轴传感器；3.激光雷达；4.一号摄像头；5.车体；6. 底盘；7.超声波传感器；8.二号摄像头；9.三号摄像头；10.四号摄像头； 11.一号超声波；12.一号电机驱动；13.主控制器；14.二号电机驱动；15. 二号超声波；16.三号超声波；17.三号电机驱动；18.电脑；19.四号电机驱动；20.四号超声波；21.悬挂结构；22.一号电机；23.二号电机；24.三号电机；25.电源；26.四号电机；27.CAN总线；28.串口总线；29.USB线；30. 编码器A相线。
具体实施方式：
本发明提供一种基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，其特征在于：该平台包括车体(5)及设置在车体(5)底部的麦克纳姆轮(30)；麦克纳姆轮通过压簧(31)设置在车体(5)底部，左右两侧的压簧呈由上向下逐渐向外倾斜的八字形布置，麦克纳姆轮与车体(5)内的电机连接，电机连接电机驱动，电机驱动连接主控单片机(13)，主控单片机(13)连接电脑 (18)、超声波模块、GPS及九轴传感器模块(2)；电脑(18)连接激光雷达(3)和摄像头；
激光雷达(3)安装在车体(5)顶部；超声波传感器为四个，四个超声波传感器在车体左右两侧各安装两个；GPS及九轴传感器模块(2)用天线支撑于车体顶部；
摄像头为四个，分别为一号摄像头(4)、二号摄像头(8)、三号摄像头 (9)和四号摄像头(10)；其中用于路面标线识别的三号摄像头(9)安装在车体前方，方向朝下；用于隧道入口检测及采集隧道顶部图像的一号摄像头(4) 安装在车体上方，方向朝上；用于采集隧道左右侧图像信息的二号摄像头(8) 和四号摄像头(10)分别安装于车体左、右两侧；
在车体顶部显眼位置设置有用于警示来往车辆驾驶人员的警示信号灯(1)。
麦克纳姆轮为四个，对应的四块电机驱动分别安装在底盘表面四个直角处并装在车体中；电脑和主控制器装均放在车体中。
在车体(5)侧面设置有用于缓冲撞击的撞击缓冲器，该撞击缓冲器包括缓冲球(32)、缓冲座(33)以及缓冲杆(34)；
缓冲球(32)的一面为半球状软性头，缓冲球(32)的另一面连接有扭簧壳(35)，两根弹性缓冲片(36)的一端伸进扭簧壳(35)内并通过扭簧壳(35) 内的扭簧活动连接形成另一端开口的“人”字形结构，扭簧保持将两根弹性缓冲片(36)的另一端开口向内收紧的力，两根弹性缓冲片(36)穿过缓冲座(33) 上的矩形限位圈(37)且能相对于该矩形限位圈(37)移动；
扭簧壳(35)连接衔接杆(38)，衔接杆(38)前端套有仅能相对于衔接杆(38)做轴向转动且带有内螺纹的连连接螺母(39)；
缓冲杆(34)的一端设置有与连接螺母(39)螺纹配合的外螺纹，另一端设置有溃缩头(42)，缓冲杆(34)伸进溃缩头(42)内并通过溃缩片(43) 与溃缩头(42)内壁连接，缓冲杆(34)与溃缩片(43)之间为点连接使得缓冲球(32)受撞击时，缓冲杆(34)与溃缩片(43)脱离；
缓冲座(33)的中部设置有缓冲凹槽(40)，缓冲凹槽(40)的底部设置有固定杆(41)，固定杆(41)为中空结构，固定杆(41)与溃缩头(42)螺纹连接且固定杆(41)与缓冲杆(34)同轴，当溃缩片(43)遇外力与缓冲杆分离后缓冲杆(34)伸进固定杆(41)内。
在固定杆(41)内还设置有能对缓冲杆(34)起缓冲作用的缓冲弹簧。
矩形限位圈(37)的长度方向与缓冲杆(34)的轴向方向相同，以便保证弹性缓冲片(36)工作时能在矩形限位圈(37)的长度方向上有足够的活动量。
缓冲球(32)的球面为弹性结构。
当车体5受到侧向冲击时，缓冲球32首先受到冲击，弹性结构的形成第一级缓冲，而当力度持续增加时，缓冲杆34前移，也就是向图12中的左侧移动，缓冲杆34与溃缩片43分离，并伸进固定杆41内，与此同时，两根弹性缓冲片36被挤压形成形变，构成第二级缓冲，而随着弹性缓冲片36被挤压至形变的极限后，弹性缓冲片36逐渐分开,而在分开的过程中因为扭簧的扭力作用，弹性缓冲片36分开的力度形成第三级缓冲，而当缓冲杆34伸进固定杆41内后又有缓冲弹簧进行第四级缓冲，这样就通过多级缓冲的形式对整个无人驾驶平台进行保护。而缓冲杆34的一端与连接螺母39螺纹连接，固定杆 41与溃缩头42螺纹连接，这样一来更换缓冲杆34及溃缩头42套件的时候，至需要从两端拧下损坏后的缓冲杆34及溃缩头42即可，然后拿来新的缓冲杆 34及溃缩头42,而新的缓冲杆34及溃缩头42是连接在一起的，现将溃缩头 42一端璇拧在固定杆41上，然后将缓冲杆34与连接螺母39连接即可。该结构可以很好的保证车体5进而保证麦克纳姆轮(30)的悬挂系统不收破坏，这是因为四轮结构的车底盘若与车轮刚性连接，由三点确定一个平面的定理，则四轮中必然有一个轮是悬空的，一方面导致一定程度麦克纳姆轮四轮全向移动的机械精度大大降低，比如说原本四轮着地可以横着移动，但是有轮悬空后三轮运动就会变成斜着移动，大大降低了控制的精度；另一方面对于无人驾驶惯性导航来说，须由电机编码器反馈位置信息做融合，若有轮悬空，则编码器返回数据就是错的，俗称打滑现象，因此本申请采用前面所述的带有软性压簧(31) 的悬挂系统，但是这种悬挂系统在收到侧向冲击力较大时，就无法对轮进行保护，甚至自身都会容易损坏，因此，通过侧向撞击缓冲器，来缓解侧面的压力，因为侧向的力出现时，轻则侧面的轮被顶起进而出现前面所述的轮悬空的状况，重则轮直接损坏无法进行后续的操作，因此对侧向撞击的保护很有必要。
利用上述的基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台所实施的检测方法，其特征在于：该方法如下：
用户通过电脑(18)上位机设定起始点和终止点，经用户点击上位机运行按钮给定触发信号，无人驾驶平台开始工作，红绿闪烁警示灯(1)闪烁示意，开启激光雷达(3)壁障任务与导航任务；
电脑(18)通过三号摄像头(9)采集路面图像，图像处理识别道路标识线后，经串口(28)与主控单片机(13)通讯，主控单片机(13)通过GPS 及九轴传感器模块(2)信息融合通过CAN总线(27)下发至4个电机驱动单片机，由电机驱动单片机控制四个底盘电机动作，从而控制无人驾驶平台行走路径及走向，对道路标识线进行实时跟踪，同时由一号摄像头(4)检测识别隧道入口，待检测隧道入口成功后结束道路表面标识线跟踪任务；
开启超声波模块对隧道侧壁距离测量，采用三闭环串级控制系统保证移动平台与隧道侧壁定距离、恒速度移动，其中由电机内的编码器信息做速度内环，距离值做外环，从而实现三闭环串级控制系统；
其中：电流闭环为最内环；第二环由电机内的编码器信息做速度内环，距离值做最外环。【三环的原因：从需求上来看，无人驾驶的首要目的是路径规划，所以最直观的方法是直接使用距离之来做单闭环pid,也就是根据路径规划的距离目标设定值与距离实际误差值计算输出pwm，从而控制电机力矩，从而力矩转为电机转速及转向，从而控制车体路径与车速。以上分析可知单级 pid的输出量最终控制的是电机力矩，那么问题来了，力矩转为电机转速的过程中，电机转速正比于(电机力矩+外界阻力力矩)，因此电机转速受外界阻力的影响而波动，可知单级pid稳定性不够，这也就是两级pid的理由。两级 pid(也叫双闭环)，根据以上分析加入编码器做速度反馈，则可以使速度不收外界阻力影响，从而稳定性提高；最后，作为安全及保护考虑，这里加入电流反馈做最内环，这是因为：当系统恶化时(比如在行驶过程中电机被卡住了)，此时电机转速为0，根据闭环原理可知，PID系统将迅速累加恶化，最终pid输出值为最大值，力矩最大，而电机堵转，从而电流最大，无疑，电机很容易发热烧毁。若加入电流闭环，对电流加以控制，则系统将更加稳定可靠】
进入隧道的同时开启三路摄像头即：一号摄像头(4)、三号摄像头(9) 和四号摄像头(10)对上、左、右方向隧道表面采集图像；
隧道图像采集完成后，根据传感器信息融合处理返回起始点，与出发时相同即出去时的控制方法和回来时的控制方法相同，最后，用户通过电脑界面与人交互，存取、显示隧道采集图像。
该方法采用全向驱动技术：将车体运行分解为三种基本方式：①原地旋转；②左右平移；③前后移动，由三种基本运行方式分别对四个底盘电机进行权重求和控制底盘电机旋转，使其在任意方向上实现平移和原地旋转，具体的行走方式包括直行、斜行、横行、S形行进、零半径任意角度旋转，借助这一强大的机动性，在狭小的空间内对车辆进行快速定位。
电机控制规则权重求和如下：
一号电机速度＝-原地旋转速度*旋转权重+转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
二号电机速度＝原地旋转速度*旋转权重+转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
三号电机速度＝原地旋转速度*旋转权重-转左右平移速度*平移权
重+前后移动速度*前后权重；
四号电机速度＝-原地旋转速度*旋转权重-转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
以上正负号代表电机转向
根据上述控制规则：例如：5000r/min斜45度行走，可将其分解为前后移动和左右平移，从而
一号电机速度＝-0*0+5000*0.5+5000*0.5；
二号电机速度＝0*0+5000*0.5+5000*0.5；
三号电机速度＝0*0-5000*0.5+5000*0.5；
四号电机速度＝-0*0-5000*0.5+5000*0.5；
以上正负号代表电机转向，由麦克纳姆轮特性结合电机方式即可实现 5000r/min斜45度行走。
本发明的安装方式：
1.底盘电机安装方式：
一号电机安装在车体前左位置，方向朝左；
二号电机安装在车体前右位置，方向朝右；
三号电机安装在车体后右位置，方向朝右；
四号电机安装在车体后左位置，方向朝左；
2.底盘麦克纳姆轮安装方式：麦克纳姆轮轮轴成内八形式安装，轮子转动可以产生yaw轴转动力矩，而且转动力矩的力臂也比较长；
3.悬挂系统：四个轮上分别连接有独立的“圈形弹簧”构成悬挂系统缓冲，并衰减由不平路面传给车架或车身造成的冲击力引起的震动，增加机械使用寿命，保证图像采集系统画面清晰的同时使汽车平顺行驶；
4.传感器安装方式:
①激光雷达：安装在车体顶部；
②超声波传感器：车体左右两侧各两个；
③GPS、九轴传感器：用天线支撑于车体顶部；
④摄像头:车体前方装放一个，朝向朝下(用于路面标线识别)；车体上方装放一个，朝向朝上(用于隧道入口检测及采集隧道顶部图像)；车体左、右各一个用于采集隧道左右侧图像信息；
⑤警示信号灯：安装在车体顶部显眼位置，用于警示来往车辆驾驶人员。
5.控制器安放方式：四块电机驱动分别安装在底盘表面四个直角处，装在车体中；电脑和主控制器装放在车体中。
6.全向驱动技术：将车体运行分解为三种基本方式：①原地旋转；②左右平移；③前后移动。由三种基本运行方式分别对四个底盘电机进行权重求和控制底盘电机旋转，可在任意方向上实现平移和原地旋转，使平台具有最大的灵活性和自由机动性。具体的行走方式为直行、斜行、横行、S形行进、零半径任意角度旋转等。借助这一强大的机动性，可以在狭小的空间内对车辆进行快速定位；电机控制规则如下：
一号电机速度＝-原地旋转速度*旋转权重+转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
二号电机速度＝原地旋转速度*旋转权重+转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
三号电机速度＝原地旋转速度*旋转权重-转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
四号电机速度＝-原地旋转速度*旋转权重-转左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重。
7.采用5块单片机和一台电脑实现多控制器分级控制组合：其中4块单片机为stm32f1单片机系列，分别与4个底盘电机相连接，作为底盘电机驱动控制器，通过CAN总线与主控单片机相连；电脑与激光雷达和多路摄像头相连接，通过串口与主控单片机相连；主控单片机采用stm32f4高性能单片机系列，同时连接GPS、超声波和九轴传感器；
8.路径规划：由于GPS定位精度有限，加之隧道内无GPS信号，因而采用局部路线和全局路线规划对车体路线进行惯性导航。由GPS数据提供绝对位置信息进行全局路线规划，再由九轴传感器与编码器数据融合得到相对位置信息进行局部路线规划；
9.道路识别跟踪：由车体前方摄像头经图像处理得到道路标识线，进行道路识别跟踪，同时进入隧道内部时由超声波传感器辅助导航，保证摄像机与隧道定距离移动，有利于摄像机定标及后期图像处理；
10.人机交互：自动生成记事本，记录移动平台工作信息和状态，方便用户查看移动平台工作情况及维修。
下面结合附图，对发明的全向自主移动无人驾驶检测系统为实现解决快速、高效、解放人力物力的技术问题采取的技术方案的优选方式做进一步说明。
如图所示，本发明全向移动无人驾驶检测系统如下：
红绿闪烁警示灯1：用作交通信号标识，示意驾车人员前方为无人驾驶车辆；
GPS及九轴传感器2：由主控单片机13采集相应数据，结合编码器(电机 22、23、24、26体内各一个)信息做路径规划：采用局部路线和全局路线规划进行惯性导航。由GPS数据提供绝对位置信息进行全局路线规划，再由九轴传感器与编码器数据融合得到相对位置信息进行局部路线规划；
激光雷达3：由电脑18经USB线29采集数据分析，通过串口28与主控单片机13通信，下发控制底盘电机命令，从而移动平台动作。用于障碍及应急检测，以防移动平台碰撞到其他行车和路面障碍，由电脑18采集激光雷达传感器3信息实现地图建立，并通过串口28下发决策信息至主控单片机13，以保证自主导航的安全性；
摄像头4、8、9、10：三号摄像头9用于路面道路标识线识别,一号摄像头4用于隧道入口识别判断和顶部隧道图像采集，其余摄像头9、10用于进入隧道后，同时对隧道左右方向采集图像。
超声波传感器11、15、16、20：用于进入隧道后实现对隧道墙壁进行距离探测，作位置闭环(请参图6)，从而实时跟踪，保证行驶过程中与隧道墙壁定距离移动，有利于摄像机9、10定标，提高隧道裂缝测量精度。
系统整体运行方式：
本发明由用户通过电脑18上位机设定起始点和终止点，经用户点击上位机运行按钮给定触发信号，移动平台开始工作，红绿闪烁警示灯1闪烁示意，开启激光雷达3壁障任务与导航任务。
由电脑18通过三号摄像头9采集路面图像，图像处理识别道路标识线后，经串口28与主控单片机13通讯，主控单片机13通过GPS及九轴传感器模块 2信息融合通过CAN总线27下发至4个电机驱动控制器12、14、17、19，由电机驱动控制器12、14、17、19控制四个底盘电机22、23、24、26动作，从而控制移动平台行走路径及走向，对道路标识线进行实时跟踪，同时由一号摄像头4检测识别隧道入口，待检测隧道入口成功后结束道路表面标识线跟踪任务；
开启超声波模块11、15、16、20对隧道侧壁距离测量，采用双闭环控制系统(图6)保证移动平台与隧道侧壁定距离、恒速度移动，其中由编码器(电机22、23、24、26体内各一个)信息做速度内环，距离值做外环，从而实现双闭环系统；进入隧道的同时开启三路摄像头4、9、10对上、左、右方向隧道表面采集图像；
隧道图像采集完成后，根据传感器信息融合处理返回起始点(与出发时相同)。最后，用户通过电脑界面与人交互，存取、显示隧道采集图像。
本发明一种基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台快速、高效、准确，实现了对隧道衬砌裂缝的自动采集。
Claims (9)
1.一种基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，其特征在于：该平台包括车体(5)及设置在车体(5)底部的麦克纳姆轮(30)；麦克纳姆轮通过压簧(31)设置在车体(5)底部，左右两侧的压簧呈由上向下逐渐向外倾斜的八字形布置，麦克纳姆轮与车体(5)内的电机连接，电机连接电机驱动，电机驱动连接主控单片机(13)，主控单片机(13)连接电脑(18)、超声波模块、GPS及九轴传感器模块(2)；电脑(18)连接激光雷达(3)和摄像头；
激光雷达(3)安装在车体(5)顶部；超声波传感器为四个，四个超声波传感器在车体左右两侧各安装两个；GPS及九轴传感器模块(2)用天线支撑于车体顶部；
摄像头为四个，分别为一号摄像头(4)、二号摄像头(8)、三号摄像头(9)和四号摄像头(10)；其中用于路面标线识别的三号摄像头(9)安装在车体前方，方向朝下；用于隧道入口检测及采集隧道顶部图像的一号摄像头(4)安装在车体上方，方向朝上；用于采集隧道左右侧图像信息的二号摄像头(8)和四号摄像头(10)分别安装于车体左、右两侧；
在车体(5)侧面设置有用于缓冲撞击的撞击缓冲器，该撞击缓冲器包括缓冲球(32)、缓冲座(33)以及缓冲杆(34)；
缓冲球(32)的一面为半球状软性头，缓冲球(32)的另一面连接有扭簧壳(35)，两根弹性缓冲片(36)的一端伸进扭簧壳(35)内并通过扭簧壳(35)内的扭簧活动连接形成另一端开口的“人”字形结构，扭簧保持将两根弹性缓冲片(36)的另一端开口向内收紧的力，两根弹性缓冲片(36)穿过缓冲座(33)上的矩形限位圈(37)且能相对于该矩形限位圈(37)移动；
扭簧壳(35)连接衔接杆(38)，衔接杆(38)前端套有仅能相对于衔接杆(38)做轴向转动且带有内螺纹的连接螺母(39)；
缓冲杆(34)的一端设置有与连接螺母(39)螺纹配合的外螺纹，另一端设置有溃缩头(42)，缓冲杆(34)伸进溃缩头(42)内并通过溃缩片(43)与溃缩头(42)内壁连接，缓冲杆(34)与溃缩片(43)之间为点连接使得缓冲球(32)受撞击时，缓冲杆(34)与溃缩片(43)脱离；
缓冲座(33)的中部设置有缓冲凹槽(40)，缓冲凹槽(40)的底部设置有固定杆(41)，固定杆(41)为中空结构，固定杆(41)与溃缩头(42)螺纹连接且固定杆(41)与缓冲杆(34)同轴，当溃缩片(43)遇外力与缓冲杆分离后缓冲杆(34)伸进固定杆(41)内。
2.根据权利要求1所述的基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，其特征在于：在车体顶部显眼位置设置有用于警示来往车辆驾驶人员的警示信号灯(1)。
3.根据权利要求1所述的基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，其特征在于：麦克纳姆轮为四个，对应的四块电机驱动分别安装在底盘表面四个直角处并装在车体中；电脑和主控制器均放在车体中。
4.根据权利要求1所述的基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，其特征在于：在固定杆(41)内还设置有能对缓冲杆(34)起缓冲作用的缓冲弹簧。
5.根据权利要求1所述的基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，其特征在于：矩形限位圈(37)的长度方向与缓冲杆(34)的轴向方向相同，以便保证弹性缓冲片(36)工作时能在矩形限位圈(37)的长度方向上有足够的活动量。
6.根据权利要求1所述的基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台，其特征在于：缓冲球(32)的球面为弹性结构。
7.利用权利要求1所述的基于高速公路隧道裂缝检测的全向移动无人驾驶平台所实施的检测方法，其特征在于：该方法如下：
用户通过电脑(18)上位机设定起始点和终止点，经用户点击上位机运行按钮给定触发信号，无人驾驶平台开始工作，红绿闪烁警示灯(1)闪烁示意，开启激光雷达(3)避 障任务与导航任务；
电脑(18)通过三号摄像头(9)采集路面图像，图像处理识别道路标识线后，经串口(28)与主控单片机(13)通讯，主控单片机(13)通过GPS及九轴传感器模块(2)信息融合通过CAN总线(27)下发至4个电机驱动单片机，由电机驱动单片机控制四个底盘电机动作，从而控制无人驾驶平台行走路径及走向，对道路标识线进行实时跟踪，同时由一号摄像头(4)检测识别隧道入口，待检测隧道入口成功后结束道路表面标识线跟踪任务；
开启超声波模块对隧道侧壁距离测量，采用三闭环串级控制系统保证移动平台与隧道侧壁定距离、恒速度移动，其中电流闭环为最内环；第二环由电机内的编码器信息做速度内环，距离值做最外环，从而实现三闭环串级控制系统；进入隧道的同时开启三路摄像头即：一号摄像头(4)、三号摄像头(9)和四号摄像头(10)对上、左、右方向隧道表面采集图像；
隧道图像采集完成后，根据传感器信息融合处理返回起始点，与出发时相同即出去时的控制方法和回来时的控制方法相同，最后，用户通过电脑界面与人交互，存取、显示隧道采集图像。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：该方法采用全向驱动技术：将车体运行分解为三种基本方式：①原地旋转；②左右平移；③前后移动，由三种基本运行方式分别对四个底盘电机进行权重求和控制底盘电机旋转，使其在任意方向上实现平移和原地旋转，具体的行走方式包括直行、斜行、横行、S形行进、零半径任意角度旋转。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：电机控制规则权重求和如下：
一号电机速度＝-原地旋转速度*旋转权重+左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
二号电机速度＝原地旋转速度*旋转权重+左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
三号电机速度＝原地旋转速度*旋转权重-左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；
四号电机速度＝-原地旋转速度*旋转权重-左右平移速度*平移权重+前后移动速度*前后权重；以上正负号代表电机转向。
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