CN102654940A

CN102654940A - 基于无人驾驶飞机的交通信息采集系统及其处理方法

Info

Publication number: CN102654940A
Application number: CN2012101615663A
Authority: CN
Inventors: 孙健; 彭仲仁
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102654940B

Abstract

一种基于无人驾驶机的交通信息采集系统及其处理方法，包括无人驾驶机、无人飞机的控制系统、地面控制站和图像处理模块，无人驾驶机上装有图像采集设备，图像采集设备连接无线通信设备，无线通信设备用于与地面控制站进行通讯和信息的传输。本发明利用无人驾驶飞机，携带高清摄像或红外设备，按照已规划的航线和高度自动飞行，进行全息道路交通信息采集。达到利用基于无人机收集的点、线、面数据，开展多方位交通领域新应用的目的。

Description

基于无人驾驶飞机的交通信息采集系统及其处理方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶飞机信息采集及处理技术领域，特别是一种基于无人驾驶飞机（UAV）交通信息采集系统及其处理方法。

背景技术

无人驾驶飞机是一种用来观察地表目标的空中移动设备，广泛应用于军事战争中，用来收集实时的智能信息。与传统的信息检测系统相比，其特点是经济、灵活，在民用领域具有较大应用潜力，包括交通管控和信息采集、应急反应、环境污染、港口安全和自然灾害监控（如雪崩和森林火灾）等。中国专利文献CN201138840Y公开了一种用于巡逻的无人驾驶飞机上使用的摄像装置，该方法为：无人机装有数码摄像装置，该数码摄像装置连接无线移动通信装置和无线遥控拍摄装置，具有制造成本低，技术简单和维护方便等优点，有利于无人机的普及和使用，尤其适合保安公司、武警和边防部队等单位用于常规的巡逻。但该无人机的装备主要针对特定常规任务设计，因而机载设备相对固定，且对于观测结果无后续处理。中国专利文献CN101493699B公开了一种空中无人机超视距遥控方法。主要根据无人机回传数据在电子地图窗口中显示无人机飞行航迹，在虚拟仪表窗口动态显示当前无人机飞行姿态及位置信息；最后，根据无人机图像视频数据在姿态重构窗口进行无人机模型与图像视频融合。本方法最主要的特点在于能实时反映当前无人机的位置姿态信息，因而能直接通过无人机当前状态实现对其位置的调节。但该发明主要从遥控和通讯的角度，重点考虑无人机与地面遥控器的信息交换，并未涉及无人机的应用和数据采集功能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于无人驾驶机的交通信息采集系统及其处理方法，实现高空采集交通信息，使得采集的信息全方位，且可以远距离跟踪。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于无人驾驶机的交通信息采集系统，包括无人驾驶机、无人飞机的控制系统、地面控制站和图像处理模块，其特征在于，无人驾驶机上装有图像采集设备，图像采集设备连接无线通信设备，无线通信设备用于与地面控制站进行通讯和信息的传输。

所述图像采集设备通过带有伺服电机的固定架构固定于所述的无人驾驶机内。

所述图像采集设备为高清摄像机或数码相机。

所述的数码相机的技术参数为1200mp，37-111mm，f2.5-5.4；

所述的高清摄像机是技术参数为520TV Lines PAL的日光型彩色摄像机，或者是技术参数为7-14μm，625TV Lines PAL的红外热成像摄像机。

一种应该所述的基于无人驾驶机的交通信息采集系统的信息处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①飞行前，将航线输入无人驾驶机的控制系统；

②飞行中，通过无人驾驶机上的图像采集设备对需要监测的地表目标或空域进行交通信息收集；

③收集的信息经无线通信设备传输至地面控制站，通过图像处理模块进行图像处理；或者收集的信息存储于无人驾驶机内的存储模块中，待无人驾驶机着陆后再导入电脑，进行后续处理。

无人驾驶机收集交通信息的方法：包括收集信息的种类及实施方法，特别是无人机在不同情况下，收集多种交通数据的样本量及飞行路线算法。例如：特定地点（如交叉口或立交桥）数据收集、线性数据收集（如路段交通流量，跟车及变道行为）和区域数据收集（如局部路网）的样本量需求和无人机飞行路线及布局算法。

无人驾驶机视频通信和图像处理的方法：包括探索无人机视频数据实时传入控制中心和利用图像处理技术自动处理、提取及传递交通信息的最优方法。

基于无人驾驶机收集的点、线、面数据，开展交通领域的新应用：包含

1) 根据对关键节点交通数据的采集，提取交通冲突样本，分析交叉口车辆行为，标定检验仿真模型, 建立新的参数来检验交叉路口的通行能力和现有信号灯的合理性。

2) 利用关键路段动态交通流数据，优化车辆跟驰模型、改善并验证交通流仿真模型及研究车辆换道行为模型。

3）根据UAV观测到的路网面域数据建立交通流时空演变模型，分析交通拥堵的产生和消散规律及交通拥堵产生的原因，建立探究交通拥挤形成和扩散的时空演变模型。

本发明利用无人驾驶飞机，携带图像采集设备按照规划的航线和高度自动飞行，进行全息道路交通信息采集及处理，为后续的智能交通运输系统应用以及城市应急管理提供基础数据支持及利用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1. 在监测成本和恶劣天气条件的操作便利性方面具有明显的优势；

2. 立足于将无人驾驶飞机引入传统的信息收集领域，建立无人机巡航最优线路的模型及算法；

3. 突破传统交通信息采集方法，建立在全息化方面具有国际领先水平的陆路交通全息信息采集及处理系统。

附图说明

图1是本发明基于无人驾驶机的交通信息采集系统的第一实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的俯视图。

图3是本发明在应急状态的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例中选用的无人驾驶机是德国Microdrones GmbH公司的四旋翼UAV MD4-1000。图1是本发明基于无人驾驶机的交通信息采集系统的第一实施例的结构示意图，如图所示，包括天线1、发动机2、悬臂3、飞行控制和动力舱4、支架5、探测设备装载舱6、图像采集设备7 、无线通信设备8、螺旋桨9和起落架10。其性能参数为：机身采用碳纤维材料，尺寸70cm，自重2.65kg，最大负荷2.5kg，巡航速度48km/h，极限高度150m，飞行时长60-70分钟，航程50-60km。

无人机通过自动驾驶仪进行驾驶控制，自动驾驶仪装有GPS导航模块、飞行控制微型计算机及其接口电路、惯性导航用陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计、温度计。使用时，可遥测遥控，随时设定飞机的飞行高度、速度、飞行航线，也可向飞行控制微型计算机中输入预设的飞行航线及飞行参数。

图像采集设备7采用高清摄像机或数码相机，本实施例中其安装在无人机的探测设备装载舱6中并且采用带有伺服电机的固定架构，可实现飞行过程中相机机身与镜头可绕固定轴横向自转，从而达到有效对抗由飞机航行中由风力引起抖动，解决由此导致的拍摄角度误差。选用的数码相机的技术参数为：分辨率1200mp，等效焦距37-111mm，光圈f2.5-5.4；日光型彩色摄像机的分辨率为520TV Lines PAL；微光黑白摄像机的技术参数为：最低照度0.0003Lux, 分辨率570TV Lines PAL, 光圈f1.4；红外热成像摄像机的技术参数为：响应波长7-14μm，分辨率625TV Lines PAL。数码相机所拍摄的路面图片或摄像机拍摄的路面视频。图像采集设备与无线通信设备之间的连接由无人驾驶机厂商提供内嵌传输模块完成；图像采集设备通过内嵌模块将所采集信号传输给无线通信设备，通过无线方式传输到地面控制站。

无线通信设备8安装于无人驾驶机的飞行控制和动力舱4中，实现与地面之间双向通信，从而可控制无人机的飞行航线，同时还可以将图像采集设备采集的交通图像传输至地面控制站。

使用前，设定好无人驾驶机的飞行航线和飞行参数，调整好无人驾驶机的飞行控制系统。使用时，先由地面控制人员采取人工遥控的方式使无人驾驶机上升到一定的高度，然后将无人驾驶机转换到自动驾驶状态。其后，无人驾驶机按设定的航线及飞行参数飞行，对需要监测的地表目标或空域进行交通参数、突发群体性事件的检测。检测到的数据既可实时传回地面控制站，也可存储在无人驾驶机内的存储模块中，待无人驾驶机着陆后再将检测数据导入电脑，以进行后续处理。在线实时传输通道主要由无线通信设备提供，高清摄像设备或者无人驾驶机上设置的一些传感器采集的信息以模拟信号的格式，通过无线通信设备自动传输到地面站系统。终端用户可按自身需要，将视频定制转存成其他通用标准的数字格式，以便进一步利用。其传输距离由无人机自身性能决定，通常在20-30公里。使用结束，无人驾驶机由地面控制人员遥控，在指定区域降落回收。例如在全息道路交通信息采集应用中，具体飞行方式如下：

1、利用本发明系统在高空定点采集宏观大面积影像和视频，用以分析交通拥挤形成和扩散的时空演变过程，以及特定地点（如交叉口或立交桥）交通数据收集。

2、利用本发明系统在适当高度，沿特定路段以50-80km速度来回飞行，分析该路段交通状态及驾驶行为，或者跟踪特殊车辆，来分析点、线、面的交通状态及驾驶行为,利用图像处理软件得到所有车辆的时空轨迹。

3、利用UAV设备在低空固定拍摄高清晰录像，利用图像处理软件得到所有车辆的时空轨迹，分析其微观行为（速度、加速度、跟驰、变道等），从而探索路段交通流量，跟车、变道行为。同时也可采集行人和非机动车的轨迹（可达到每帧的精度）。

、采用一套以上的本发明系统，可设置盘旋半径，实现多台飞机精确拍摄特定点的交通状况。

图3是本发明在应急状态的工作方法流程，如图所示，假设交通管理或监控部门得到相关交通事件的警报，迅速派遣无人驾驶机去事件现场，通过图像采集设备7拍摄实时视频图像信息及识别处理，通过软件对事件进行确认并判断是否需要进行人工干预及干预程度。干预模式分为全人工干预与准人工干预；全人工干预模式中管理人员可通过无人驾驶机实时对事件现场发布指挥与调度命令；准人工模式中无人机系统不直接干预交通事件，仅自动触发其摄像设备为高清照片拍摄模式，获取第一手照片资料，存储于本地CF卡设备。收集的信息经无线通信设备8传输至地面控制站，通过图像处理模块进行图像处理；或者收集的信息存储于无人驾驶机内的存储模块中，待无人驾驶机着陆后再导入电脑，进行后续处理。

以上实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对该实施案例做出修改，并将此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于无人驾驶机的交通信息采集系统，包括无人驾驶机、无人驾驶机的控制系统、地面控制站和图像处理模块，其特征在于，无人驾驶机上装有图像采集设备（7），图像采集设备（7）连接无线通信设备（8），无线通信设备（8）用于与地面控制站进行通讯和信息的传输。

2.如权利要求书1所述的基于无人驾驶机的交通信息采集系统，其特征在于：所述图像采集设备（7）通过带有伺服电机的固定架构（4）固定于所述的无人驾驶机（1）内。

3.如权利要求书1或2所述的基于无人驾驶机的交通信息采集系统，其特征在于：所述图像采集设备（7）为高清摄像机或数码相机。

4.如权利要求书3所述的基于无人驾驶机的交通信息采集系统，其特征在于：所述的数码相机的技术参数为1200mp，37-111mm，f2.5-5.4；

如权利要求书3所述的基于无人驾驶机的交通信息采集系统，其特征在于：所述的高清摄像机是技术参数为520TV Lines PAL的日光型彩色摄像机，或者是技术参数为7-14μm，625TV Lines PAL的红外热成像摄像机。

5.一种应该权利要求1所述的基于无人驾驶机的交通信息采集系统的信息处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①飞行前，将航线输入无人驾驶机的控制系统；

②飞行中，通过无人驾驶机上的图像采集设备（7）对需要监测的地表目标或空域进行交通信息收集；

③收集的信息经无线通信设备（8）传输至地面控制站，通过图像处理模块进行图像处理；或者收集的信息存储于无人驾驶机内的存储模块中，待无人驾驶机着陆后再导入电脑，进行后续处理。