基于無線充電及自動導航避障的生態景區監測無人車系統

張凌云，李清舟，段睿玨，薛裔男

（北京林業大學工學院，北京 100091）

0 引言

目前，生態景區安防監測常采用布設傳感器、人工巡查和定點視頻監控等方式。但布設傳感器和定點視頻監控方式，布設密度大、數據采集不便；人工巡查方式需要的人工成本巨大，并且無法做到對巡查人員的監督；所以就如何利用無線充電技術實現24小時無間斷工作，利用自動導航避障技術實現巡邏以及利用視頻實時傳輸系統實行監察進行裝置設計。

1 裝置的硬件及系統的原理

1.1 硬件的構成

由樹莓派、攝像頭、蜂鳴器、紅外反射傳感器、超聲波測距傳感器、OpenMV4、Arduino和顯示屏等構成。

1.2 工作原理

在景區內布置黑色軌跡，openMV4進行循跡導航及標志點識別，紅外反射傳感器實現避障，超聲波測距傳感器進行充電定位，同時采用攝像頭實時對追蹤的周圍狀況進行錄制，樹莓派作為載體并結合搭建的系統把攝像頭錄制的圖像傳至終端[1-2]。

1.2.1 導航循跡

OpenMV4是一個嵌入式的機器視覺模塊。一個攝像頭模塊帶有主控，可以用Python編程。用OpenMV4巡線，追蹤黑色軌跡。借助的是線性回歸，線性回歸的意思就是找出一條直線，用最小二乘法，和曲線的吻合度最高，那個曲線就是道路的邊緣。同時，需對圖像進行灰度處理，即對像素點矩陣的操作，把圖像進行二值化。二值化前要設置閾值，如在這個閾值下面的設置為白色，閾值上面的設置為黑色?？梢詫λ邢袼刂底鰝€線性回歸。本身二值化后，像素點為0或為1，就對1的點做線性回歸。在OpenMV4視覺模塊中包含灰度化的算法函數。通過OpenMV4對色塊的尋找以及其內部進行二值化處理后，就可以對黑線進行多段的標記，經過權重加和算法或者線性回歸處理就可以計算出黑線的偏離值，注意這里所說的偏離值是指偏離圖像中心線的角度。如此，無人車對于軌道的偏離程度便可通過OpenMV4實時顯現。最后采用 URT 命令與 Arduino進行串口通信傳值，將偏離數據傳給無人車。

1.2.2 紅外避障

紅外發射二極管不斷發射紅外線，當放射出的紅外線被物理反射時，被紅外接收器接收，并輸出數字量。小車前方得有三個紅外傳感器用以檢測是否前方有障礙，如果發現障礙物，則通過標志位置1的方式進入避障子程序。在避障子程序中，為使小車沿障礙物行進，所以在前方設置三個紅外傳感器（如圖1所示）使其覆蓋角度達到小車正前方至正左側90°范圍內，使小車能夠完全知悉其與障礙物的位置關系，并調整相應的運動方向，使小車與障礙物保持一定的距離。當下方傳感器檢測到軌跡后，標志位置零返回循跡程序。

圖1 紅外傳感器安裝示意圖

圖2 紅外避障流程圖

1.2.3 標志識別

使用OpenMV4進行標志物識別；通過openMV4識別充電樁上標記，在行進過程中openMV4始終處于開啟狀態，不斷尋找標志物，識別標志物成功后小車停車準備下一步動作[3-4]。

圖3 標志識別流程圖

1.2.4 無線充電

到達指定充電地點后，超聲波測距傳感器打開提示音提醒景區觀賞人員無人車充電，避免靠近。通過磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，采用發射線圈輪流充電的方式動態充電，充電完成后，小車繼續循跡前進[5]。

1.2.5 圖像傳輸

無人車搭載攝像頭，在行進過程中錄制圖像，把錄制的圖像發送給樹莓派。樹莓派將接收到的無人車運行過程的圖像數據顯示到終端。

2 應用前景分析

該裝置應用前景廣闊，主要應用于景區突發狀態情況監測、預判是否存在火災隱患、景區宣傳及緊急通知傳達、救援物資的運送等。

2.1 用于景區突發狀態情況監測

在景區內管理資源、控制監視設備、顯示事件，可完成巡邏、監測、圖像處理等，實現對景區的實時數據監測傳輸。面向應急突發事件處置的管理決策者，提供景區的全面監測數據綜合直觀展現，針對旅游突發事件的實時監測功能，幫助管理決策人員時刻跟進以形成最合理突發事件的處置方案，提高處置應急事件的能力。

2.2 用于預判是否存在火災隱患

在監測系統對消防設施的遠程實時監控下，可以將所巡檢景區中消防監測設施運行狀態進行實時反饋。同時，在消防設施發生運行故障時，系統將及時反饋故障信息回總控制中心并亮起警報指示燈，可督促負責人及有關部門及時整改，保證消防安全及設施正常運轉。

另外，針對消防的“生命通道”易被堵塞的情況，實時監控系統可提供及時反饋，一旦監測到車輛或障礙物超出預期時間就會采集畫面信息至總控制中心以便反饋給負責人，同時也會播報提示音示意車輛離開消防通道，以保證道路安全暢通。

2.3 用于景區宣傳及緊急通知傳達

集成各路巡查設備，基于地理信息系統，可實時連接監控人員的在崗狀態、位置，支持查看巡查路線的詳細信息、調取視頻監控回傳畫面；支持一鍵直呼，協同調度。同時在面對火災或者人員突發疾病等情況時，一方面此系統可以作為指揮長或參與其中的業務人員，為各類專家提供通信服務、信息服務，讓專家決策更有依據、更加準確。另一方面能及時、有效地調集各種資源，對突發事件控制和救治起到極大幫助，最大程度地去減輕火災對景區資源的損害以及突發疾病對游客健康和生命的威脅。

2.4 用于救援物資的運送

此無人車系統也可以實現救援物資的運送。在面對重大自然災害時，一般車輛難以適應復雜地形，且需人力來進行車輛的駕駛，存在較大的安全隱患。無人車依靠于自主導航定位技術的實時性、準確性和穩定性，可安全可靠地完成物資的運輸工作，減輕救援人員壓力及救援風險，提高救援效率。針對提高救援物資無人車運動能力不足的問題，提高了無人車自主導航避障的能力。算法自主導航時，能夠保證無人車適應不同環境，平穩地控制其實現循跡避障。此系統提高了無人車的靈活性，并設計了遠程監控端進行功能的完善及擴展。

3 結語

生態景區兼有供人們認知自然和保護生態的功能，隨著近年來安全事故與人為火災的頻繁發生，生態景區的安防工作不容小視。

本項目將定點無線充電、自動導航避障和視頻監測傳輸相結合，實現無人車自動對景區全面監控，具有續航久、定位避障精確、大幅減少人工等優勢。之后如何完善和優化，我們將繼續探索。