專利名稱：基于無人駕駛飛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)及其處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無人駕駛飛機(jī)信息采集及處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是ー種基于無人駕駛飛機(jī)(UAV)交通信息采集系統(tǒng)及其處理方法。
背景技術(shù)：
無人駕駛飛機(jī)是ー種用來觀察地表目標(biāo)的空中移動(dòng)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于軍事戰(zhàn)爭中，用來收集實(shí)時(shí)的智能信息。與傳統(tǒng)的信息檢測系統(tǒng)相比，其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、靈活，在民用領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力，包括交通管控和信息采集、應(yīng)急反應(yīng)、環(huán)境污染、港口安全和自然災(zāi)害監(jiān)控(如雪崩和森林火災(zāi))等。中國專利文獻(xiàn)CN201138840Y公開了ー種用于巡邏的無人駕駛飛機(jī)上使用的攝像裝置，該方法為無人機(jī)裝有數(shù)碼攝像裝置，該數(shù)碼攝像裝置連接無線移動(dòng)通信裝置和無線遙控拍攝裝置，具有制造成本低，技術(shù)簡單和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，有利于無人機(jī)的普及和使用，尤其適合保安公司、武警和邊防部隊(duì)等單位用于常規(guī)的巡邏。但該無人機(jī)的裝備主要針對特定常規(guī)任務(wù)設(shè)計(jì)，因而機(jī)載設(shè)備相對固定，且對于觀測結(jié)果無后續(xù)處理。中國專利文獻(xiàn)CN101493699B公開了ー種空中無人機(jī)超視距遙控方法。主要根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在電子地圖窗口中顯示無人機(jī)飛行航跡，在虛擬儀表窗ロ動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前無人機(jī)飛行姿態(tài)及位置信息；最后，根據(jù)無人機(jī)圖像視頻數(shù)據(jù)在姿態(tài)重構(gòu)窗ロ進(jìn)行無人機(jī)模型與圖像視頻融合。本方法最主要的特點(diǎn)在于能實(shí)時(shí)反映當(dāng)前無人機(jī)的位置姿態(tài)信息，因而能直接通過無人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對其位置的調(diào)節(jié)。但該發(fā)明主要從遙控和通訊的角度，重點(diǎn)考慮無人機(jī)與地面遙控器的信息交換，并未涉及無人機(jī)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)采集功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)及其處理方法，實(shí)現(xiàn)高空采集交通信息，使得采集的信息全方位，且可以遠(yuǎn)距離跟蹤。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)，包括無人駕駛機(jī)、無人飛機(jī)的控制系統(tǒng)、地面控制站和圖像處理模塊，其特征在于，無人駕駛機(jī)上裝有圖像采集設(shè)備，圖像采集設(shè)備連接無線通信設(shè)備，無線通信設(shè)備用干與地面控制站進(jìn)行通訊和信息的傳輸。所述圖像采集設(shè)備通過帶有伺服電機(jī)的固定架構(gòu)固定于所述的無人駕駛機(jī)內(nèi)。所述圖像采集設(shè)備為高清攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)。所述的數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)參數(shù)為1200mp，37-lllmm，f2. 5-5. 4 ；
所述的高清攝像機(jī)是技術(shù)參數(shù)為520TV Lines PAL的日光型彩色攝像機(jī),或者是技術(shù)參數(shù)為7-14Mm，625TV Lines PAL的紅外熱成像攝像機(jī)。一種應(yīng)該所述的基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)的信息處理方法，其特征在于，該方法包括如下步驟
①飛行前，將航線輸入無人駕駛機(jī)的控制系統(tǒng)；②飛行中，通過無人駕駛機(jī)上的圖像采集設(shè)備對需要監(jiān)測的地表目標(biāo)或空域進(jìn)行交通信息收集；
③收集的信息經(jīng)無線通信設(shè)備傳輸至地面控制站，通過圖像處理模塊進(jìn)行圖像處理；或者收集的信息存儲(chǔ)于無人駕駛機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)模塊中，待無人駕駛機(jī)著陸后再導(dǎo)入電腦，進(jìn)行后續(xù)處理。無人駕駛機(jī)收集交通信息的方法包括收集信息的種類及實(shí)施方法，特別是無人機(jī)在不同情況下，收集多種交通數(shù)據(jù)的樣本量及飛行路線算法。例如特定地點(diǎn)(如交叉口或立交橋)數(shù)據(jù)收集、線性數(shù)據(jù)收集(如路段交通流量，跟車及變道行為)和區(qū)域數(shù)據(jù)收集(如局部路網(wǎng))的樣本量需求和無人機(jī)飛行路線及布局算法。無人駕駛機(jī)視頻通信和圖像處理的方法包括探索無人機(jī)視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入控制中心和利用圖像處理技術(shù)自動(dòng)處理、提取及傳遞交通信息的最優(yōu)方法。

基于無人駕駛機(jī)收集的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，開展交通領(lǐng)域的新應(yīng)用包含
I)根據(jù)對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)交通數(shù)據(jù)的采集，提取交通沖突樣本，分析交叉口車輛行為，標(biāo)定檢驗(yàn)仿真模型，建立新的參數(shù)來檢驗(yàn)交叉路口的通行能力和現(xiàn)有信號(hào)燈的合理性。2)利用關(guān)鍵路段動(dòng)態(tài)交通流數(shù)據(jù)，優(yōu)化車輛跟馳模型、改善并驗(yàn)證交通流仿真模型及研究車輛換道行為模型。3)根據(jù)UAV觀測到的路網(wǎng)面域數(shù)據(jù)建立交通流時(shí)空演變模型，分析交通擁堵的產(chǎn)生和消散規(guī)律及交通擁堵產(chǎn)生的原因，建立探究交通擁擠形成和擴(kuò)散的時(shí)空演變模型。本發(fā)明利用無人駕駛飛機(jī)，攜帶圖像采集設(shè)備按照規(guī)劃的航線和高度自動(dòng)飛行，進(jìn)行全息道路交通信息采集及處理，為后續(xù)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用以及城市應(yīng)急管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持及利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1.在監(jiān)測成本和惡劣天氣條件的操作便利性方面具有明顯的優(yōu)勢；
2.立足于將無人駕駛飛機(jī)引入傳統(tǒng)的信息收集領(lǐng)域，建立無人機(jī)巡航最優(yōu)線路的模型及算法；
3.突破傳統(tǒng)交通信息采集方法，建立在全息化方面具有國際領(lǐng)先水平的陸路交通全息信息采集及處理系統(tǒng)。


圖I是本發(fā)明基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的俯視圖。圖3是本發(fā)明在應(yīng)急狀態(tài)的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中選用的無人駕駛機(jī)是德國Microdrones GmbH公司的四旋翼UAVMD4-1000。圖I是本發(fā)明基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，包括天線I、發(fā)動(dòng)機(jī)2、懸臂3、飛行控制和動(dòng)力艙4、支架5、探測設(shè)備裝載艙6、圖像采集設(shè)備7、無線通信設(shè)備8、螺旋槳9和起落架10。其性能參數(shù)為機(jī)身采用碳纖維材料，尺寸70cm,自重2. 65kg,最大負(fù)荷2. 5kg,巡航速度48km/h,極限高度150m,飛行時(shí)長60-70分鐘，航程50-60km。無人機(jī)通過自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行駕駛控制，自動(dòng)駕駛儀裝有GPS導(dǎo)航模塊、飛行控制微型計(jì)算機(jī)及其接ロ電路、慣性導(dǎo)航用陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、溫度計(jì)。使用吋，可遙測遙控，隨時(shí)設(shè)定飛機(jī)的飛行高度、速度、飛行航線，也可向飛行控制微型計(jì)算機(jī)中輸入預(yù)設(shè)的飛行航線及飛行參數(shù)。圖像采集設(shè)備7采用高清攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)，本實(shí)施例中其安裝在無人機(jī)的探測 設(shè)備裝載艙6中并且采用帶有伺服電機(jī)的固定架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)飛行過程中相機(jī)機(jī)身與鏡頭可繞固定軸橫向自轉(zhuǎn)，從而達(dá)到有效對抗由飛機(jī)航行中由風(fēng)カ引起抖動(dòng)，解決由此導(dǎo)致的拍攝角度誤差。選用的數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)參數(shù)為分辨率1200mp，等效焦距37-lllmm，光圈f2. 5-5.4;日光型彩色攝像機(jī)的分辨率為52017 Lines PAL ;微光黑白攝像機(jī)的技術(shù)參數(shù)為最低照度0.0003LUX，分辨率570TV Lines PAL,光圈f I. 4 ;紅外熱成像攝像機(jī)的技術(shù)參數(shù)為響應(yīng)波長7-14Mm，分辨率625TV Lines PAL。數(shù)碼相機(jī)所拍攝的路面圖片或攝像機(jī)拍攝的路面視頻。圖像采集設(shè)備與無線通信設(shè)備之間的連接由無人駕駛機(jī)廠商提供內(nèi)嵌傳輸模塊完成；圖像采集設(shè)備通過內(nèi)嵌模塊將所采集信號(hào)傳輸給無線通信設(shè)備，通過無線方式傳輸?shù)降孛婵刂普?。無線通信設(shè)備8安裝于無人駕駛機(jī)的飛行控制和動(dòng)カ艙4中，實(shí)現(xiàn)與地面之間雙向通信，從而可控制無人機(jī)的飛行航線，同時(shí)還可以將圖像采集設(shè)備采集的交通圖像傳輸至地面控制站。使用前，設(shè)定好無人駕駛機(jī)的飛行航線和飛行參數(shù)，調(diào)整好無人駕駛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。使用時(shí)，先由地面控制人員采取人工遙控的方式使無人駕駛機(jī)上升到一定的高度，然后將無人駕駛機(jī)轉(zhuǎn)換到自動(dòng)駕駛狀態(tài)。其后，無人駕駛機(jī)按設(shè)定的航線及飛行參數(shù)飛行，對需要監(jiān)測的地表目標(biāo)或空域進(jìn)行交通參數(shù)、突發(fā)群體性事件的檢測。檢測到的數(shù)據(jù)既可實(shí)時(shí)傳回地面控制站，也可存儲(chǔ)在無人駕駛機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)模塊中，待無人駕駛機(jī)著陸后再將檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，以進(jìn)行后續(xù)處理。在線實(shí)時(shí)傳輸通道主要由無線通信設(shè)備提供，高清攝像設(shè)備或者無人駕駛機(jī)上設(shè)置的一些傳感器采集的信息以模擬信號(hào)的格式，通過無線通信設(shè)備自動(dòng)傳輸?shù)降孛嬲鞠到y(tǒng)。終端用戶可按自身需要，將視頻定制轉(zhuǎn)存成其他通用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字格式，以便進(jìn)一歩利用。其傳輸距離由無人機(jī)自身性能決定，通常在20-30公里。使用結(jié)束，無人駕駛機(jī)由地面控制人員遙控，在指定區(qū)域降落回收。例如在全息道路交通信息采集應(yīng)用中，具體飛行方式如下
I、利用本發(fā)明系統(tǒng)在高空定點(diǎn)采集宏觀大面積影像和視頻，用以分析交通擁擠形成和擴(kuò)散的時(shí)空演變過程，以及特定地點(diǎn)(如交叉ロ或立交橋)交通數(shù)據(jù)收集。2、利用本發(fā)明系統(tǒng)在適當(dāng)高度，沿特定路段以50_80km速度來回飛行，分析該路段交通狀態(tài)及駕駛行為，或者跟蹤特殊車輛，來分析點(diǎn)、線、面的交通狀態(tài)及駕駛行為，利用圖像處理軟件得到所有車輛的時(shí)空軌跡。3、利用UAV設(shè)備在低空固定拍攝高清晰錄像，利用圖像處理軟件得到所有車輛的時(shí)空軌跡，分析其微觀行為(速度、加速度、跟馳、變道等)，從而探索路段交通流量，跟車、變道行為。同時(shí)也可采集行人和非機(jī)動(dòng)車的軌跡(可達(dá)到每幀的精度)。
、采用一套以上的本發(fā)明系統(tǒng)，可設(shè)置盤旋半徑，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)飛機(jī)精確拍攝特定點(diǎn)的交通狀況。圖3是本發(fā)明在應(yīng)急狀態(tài)的工作方法流程，如圖所示，假設(shè)交通管理或監(jiān)控部門得到相關(guān)交通事件的警報(bào)，迅速派遣無人駕駛機(jī)去事件現(xiàn)場，通過圖像采集設(shè)備7拍攝實(shí)時(shí)視頻圖像信息及識(shí)別處理，通過軟件對事件進(jìn)行確認(rèn)并判斷是否需要進(jìn)行人工干預(yù)及干預(yù)程度。干預(yù)模式分為全人工干預(yù)與準(zhǔn)人工干預(yù)；全人工干預(yù)模式中管理人員可通過無人駕駛機(jī)實(shí)時(shí)對事件現(xiàn)場發(fā)布指揮與調(diào)度命令；準(zhǔn)人工模式中無人機(jī)系統(tǒng)不直接干預(yù)交通事件，僅自動(dòng)觸發(fā)其攝像設(shè)備為高清照片拍攝模式，獲取第一手照片資料，存儲(chǔ)于本地CF卡 設(shè)備。收集的信息經(jīng)無線通信設(shè)備8傳輸至地面控制站，通過圖像處理模塊進(jìn)行圖像處理；或者收集的信息存儲(chǔ)于無人駕駛機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)模塊中，待無人駕駛機(jī)著陸后再導(dǎo)入電腦，進(jìn)行后續(xù)處理。以上實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對該實(shí)施案例做出修改，并將此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中，而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明的范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)，包括無人駕駛機(jī)、無人駕駛機(jī)的控制系統(tǒng)、地面控制站和圖像處理模塊，其特征在于，無人駕駛機(jī)上裝有圖像采集設(shè)備(7)，圖像采集設(shè)備(7 )連接無線通信設(shè)備(8 )，無線通信設(shè)備(8 )用于與地面控制站進(jìn)行通訊和信息的傳輸。
2.如權(quán)利要求書I所述的基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集設(shè)備(7)通過帶有伺服電機(jī)的固定架構(gòu)(4)固定于所述的無人駕駛機(jī)(I)內(nèi)。
3.如權(quán)利要求書I或2所述的基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集設(shè)備(7)為高清攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)。
4.如權(quán)利要求書3所述的基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)參數(shù)為1200mp，37-lllmm，f2. 5-5. 4 ； 如權(quán)利要求書3所述的基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)，其特征在于所述的高清攝像機(jī)是技術(shù)參數(shù)為520TV Lines PAL的日光型彩色攝像機(jī),或者是技術(shù)參數(shù)為7_14Mm,625TV Lines PAL的紅外熱成像攝像機(jī)。
5.—種應(yīng)該權(quán)利要求I所述的基于無人駕駛機(jī)的交通信息米集系統(tǒng)的信息處理方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 ①飛行前，將航線輸入無人駕駛機(jī)的控制系統(tǒng)； ②飛行中，通過無人駕駛機(jī)上的圖像采集設(shè)備(7)對需要監(jiān)測的地表目標(biāo)或空域進(jìn)行交通信息收集； ③收集的信息經(jīng)無線通信設(shè)備(8)傳輸至地面控制站，通過圖像處理模塊進(jìn)行圖像處理；或者收集的信息存儲(chǔ)于無人駕駛機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)模塊中，待無人駕駛機(jī)著陸后再導(dǎo)入電腦，進(jìn)行后續(xù)處理。
全文摘要
一種基于無人駕駛機(jī)的交通信息采集系統(tǒng)及其處理方法，包括無人駕駛機(jī)、無人飛機(jī)的控制系統(tǒng)、地面控制站和圖像處理模塊，無人駕駛機(jī)上裝有圖像采集設(shè)備，圖像采集設(shè)備連接無線通信設(shè)備，無線通信設(shè)備用于與地面控制站進(jìn)行通訊和信息的傳輸。本發(fā)明利用無人駕駛飛機(jī)，攜帶高清攝像或紅外設(shè)備，按照已規(guī)劃的航線和高度自動(dòng)飛行，進(jìn)行全息道路交通信息采集。達(dá)到利用基于無人機(jī)收集的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，開展多方位交通領(lǐng)域新應(yīng)用的目的。
文檔編號(hào)G08G1/01GK102654940SQ20121016156
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者孫健, 彭仲仁 申請人:上海交通大學(xué)