一种自动驾驶儿童玩具车控制系统及控制方法与流程
本发明涉及儿童玩具用品技术领域，更具体的，涉及一种自动驾驶儿童玩具车控制系统及控制方法。
背景技术：
随着近年儿童社会生活质量的提升，各种带有动力的儿童玩具车出现在市面上，在提升玩具车乐趣的同时，家长们对儿童车的安全性问题一直存在担忧。
儿童自己在操纵带有动力的儿童玩具车，由于其安全意识较低，极有可能会无意识行驶到危险区域，从而给儿童的生命安全带来威胁。而且目前的大部分儿童玩具车自动驾驶能力低，主要依靠儿童直接操纵或者使用遥控器控制，对操控儿童玩具车的儿童的年龄和安全意识有一定的要求。
因此，如果能有一种儿童玩具车能自主规划安全行驶区域，具备自动驾驶能力，且能在驾驶过程中自动规避障碍物，则可以在不降低儿童玩具车乐趣性的同时，提高儿童玩具车的安全性，避免儿童的无意识操作带来的危险。
目前，智能驾驶儿童玩具车已成为儿童玩具领域的研究热点，并出现了许多新颖的儿童玩具车设计方案，如发明专利申请《一种新型智能儿童玩具车控制系统》(cn106504470u)。
中国发明专利申请公开说明书cn106504470u于2017年3月15日公开的《一种新型智能儿童玩具车控制系统》，根据gps定位模块对儿童玩具车进行定位，利用监视部和体温监测模块对儿童安全进行检测，家长可以通过智能应用软件设计儿童玩具车的行驶路径，使儿童玩具车沿设置好的路径行驶，该儿童玩具车还具有音乐播放设备，供儿童娱乐用，同时还可以根据gps定位模块提供的地图信息判断儿童玩具车在台阶或者水边时，向家长和儿童发出语音警报提示。但是，该儿童玩具车控制系统存在着以下不足：
1)所用的gps定位模块利用的是gps定位系统提供的服务，gps定位系统的地图精度不够，如不能识别室内的台阶，除此之外，在室内时gps定位模块的信号减弱无法提供精确的定位，甚至丢失定位信号而无法定位；
2)该儿童玩具车控制系统缺乏自主避障能力，在家长为儿童玩具车规划好路径之后，儿童玩具车处在自动驾驶状态，但是如果儿童玩具车的前方有静态或者动态障碍物，儿童玩具车无法进行识别和进行规避动作，存在安全隐患。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种自动驾驶儿童玩具车控制系统和控制方法，旨在解决现有儿童玩具车不具备自动驾驶能力，儿童自己驾驶儿童玩具车带来的误操作引起的安全性问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种自动驾驶儿童玩具车控制系统，该控制系统包括环境信息采集装置、动力装置、语音警报装置、主控模块和存储模块；所述主控模块与环境信息采集装置、动力装置和语音警报装置单向连接，所述主控模块与存储模块双向连接；
所述环境信息采集装置实时采集儿童玩具车周围的环境信息，并将采集的环境信息传递给主控模块；
所述存储模块用于预设信息的存储、主控模块内信息的传入储存及提取操作；
所述主控模块接收环境信息采集装置传送的环境信息后，提取存储模块中预设信息中的处理程序进行如下处理及控制：检测并标识出环境信息里的物体信息，利用视觉slam图像处理程序，建立儿童玩具车周围环境的三维地图m3d和栅格化的二维坐标系pxoy，将三维地图m3d和栅格化的二维坐标系pxoy存储在存储模块中，并进行实时更新；根据环境信息里的障碍物信息，按照预先设定的安全行驶区域规则划定安全行驶区域asafe，按照预先设定的规则和算法规划得到安全行驶路径r；根据环境信息里的动态物体信息对行驶中的儿童玩具车a进行实时检测和实时控制，包括向动力装置发送行驶控制指令、向语音警报装置发送报警指令，所述视觉slam图像处理程序是指搭载视觉传感器的主体，在没有环境先验信息的情况下，于运动的过程中搭建环境的模型，同时估计自己的运动；
所述动力装置包括驱动电路、后置驱动电机和前置转向电机，驱动电路接收主控模块发出的行驶控制指令后，按照行驶控制指令驱动后置驱动电机、前置转向电机，实现驱动儿童玩具车行驶的目的；
所述语音警报装置接收主控模块发出的报警指令，驱动并触发扬声器进行报警。
优选地，所述环境信息里的物体包括人、车辆、动物、建筑物、道路、公共设施、树木、河流；所述障碍物包括建筑物、道路、公共设施、树木、河流，所述动态物体包括行进中的人、动物和车辆。
优选地，所述环境信息采集装置包括四个视觉传感器，分别安装在儿童玩具车的前方、后方和两侧，实时采集儿童玩具车周围的环境信息，并发送给主控模块。
优选地，语音警报装置内置驱动电路进行驱动并触发扬声器进行报警。
优选地，所述儿童玩具车控制系统还包括一个供电装置，该供电装置包括电池、充电模块、放电模块和电源转换模块；所述供电装置能够为儿童玩具车控制系统供电。
本发明还提供了一种根据权利要求1所述的自动驾驶儿童玩具车控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，设儿童玩具车当前的位置为点a，儿童玩具车启动，环境信息采集装置开始实时采集以点a为中心、半径为h米的环境信息，并将环境信息传递给主控模块；
步骤2，主控模块对接收到的环境信息进行处理，检测、标识出环境信息里的物体，并建立一个半球体形状的三维地图m3d并将三维地图m3d存储在存储模块内；具体的，以地面为半球体的底面，以点a为圆心、以l1为半径构建出一个半球体形状的三维地图m3d；
步骤3，将半球体的底面记为平面pb，以点a为坐标原点在平面pb上建立二维坐标系pxoy，二维坐标系y轴正方向为儿童玩具车车头所指的方向，y轴正方向顺时针旋转90°为x轴正方向；在所建二维坐标系pxoy上，以儿童玩具车的长度为栅格边长h，对二维坐标系pxoy进行栅格化处理，并在栅格化的平面pb上标注出步骤2中物体的坐标信息；
步骤4，在栅格化的平面pb内，首先判断点a是否落入非安全行驶区域，然后进行安全行驶区域asafe的规划并规划出安全行驶路径r；
步骤4.1，所述非安全行驶区域定义为：儿童玩具车的前方和/或后方有障碍物，且其中一个障碍物与点a的距离小于2米；
若点a落入非安全行驶区域，主控模块向语音警报装置发出警报指令，语音警报装置触发扬声器进行第一次报警，提醒家长和儿童挪动儿童玩具车位置，同时锁死儿童玩具车的行驶按键，并返回步骤1；
若点a未落入非安全行驶区域，则进行儿童玩具车安全行驶区域asafe的规划：
步骤4.2，进行安全行驶区域asafe的规划并规划出安全行驶路径r，具体，包括以下两种情况：
情况1，如果儿童玩具车的前方和/或后方10米范围内有障碍物，则选择与点a最近的障碍物记为基础点e，以点a为起点，向基础点e相反的方向延伸做射线f，并在射线f标注出m个点,其中第一个点与点a的距离为5米，任意相邻两个点的距离之差为一个栅格边长h，第m个点与点a的距离不大于15米；在栅格化的平面pxoy内，分别以该m个点为圆心、画出m个相切于点a的圆，将m个相切于点a的圆中的任一个圆记为同切点圆zj，j为按照同切点圆半径长度由小至大进行排序的序号，j＝1，2，...m；对于每一个相切圆，计算该相切圆内步骤2标识的物体数量xjn和该同心圆外步骤1标识的物体数量xjw，并求出内外物体数量比记为rj，
在规划完成的安全行驶区域asafe的边界圆yb上均匀取p个切点，利用预先设定的规则和算法，先规划出点a到距离最近的切点的路径lf，再按顺时针方向依次规划出相邻两个切点之间的路径和最后一个切点到点a的路径，得到一个由p+1条路径连接而成的封闭型规划路径，将该p+1条路径连接而成的封闭型规划路径作为安全行驶路径r；
情况2，如果儿童玩具车的前方和后方10米范围内均没有障碍物，则在栅格化的平面pxoy内，以点a为圆心画出n个同心圆，记n个同心圆中的任一个同心圆为同心圆yi，i为按照同心圆半径长度由小至大进行排序的序号，i＝1，2，3，....n，其中第一个同心圆的半径为3米，任意相邻两个同心圆半径之差为栅格边长h，第n个同心圆的半径不大于10米；对于每一个同心圆，计算该同心圆内步骤2标识的物体数量xin和该同心圆外步骤2标识的物体数量xiw，求出内外物体数量比记为ri，
在规划完成的安全行驶区域asafe的边界圆yb上均匀取p+1个切点，利用预先设定的规则和算法，先规划出点a到任意一个切点的路径lf，再按顺时针方向依次规划出相邻两个切点之间的路径，得到一个由p+1条路径连接而成的封闭型规划路径，将该p+1条路径连接而成的封闭型规划路径作为安全行驶路径r；
步骤5，主控模块向动力装置发出开始行驶的行驶控制指令，行驶按键解锁，动力装置控制儿童玩具车按照步骤4规划完成的安全行驶路径r行驶，且在行驶过程中主控模块实时接收环境信息采集装置采集的环境信息，对三维地图m3d进行更新；
步骤6，主控模块根据采集模块采集的环境信息，实时检测儿童玩具车前方是否有动态物体：
如果没有动态物体，则进入步骤9，即按照安全行驶路径r进行行驶；如果有动态物体，进入步骤7；
步骤7，计算动态物体的速度和方向，并按照动态物体当前的行驶轨迹，预测其未来的轨迹路线r2；
步骤8，判断动态物体的轨迹路线r2与步骤4得到的安全行驶规划路径r是否有交点：
如果无交点，则进入步骤9，即按照安全行驶路径r进行行驶；
如果有交点，则根据当前儿童玩具车的车速和方向、动态物体的速度和方向判断二者是否有相撞的可能性：若无相撞的可能性，进入步骤9；若有相撞的可能性，则主控模块同时向动力装置和语音警报装置发出改变行驶速度和方向的行驶控制指令和警报指令，动力装置收到指令后，改变儿童玩具车的速度和方向，以回避相撞，并返回步骤6，同时语音警报装置触发扬声器进行第二次报警，以提醒家长和儿童；
步骤9，儿童玩具车按照步骤4规划的安全行驶路径r行驶，同时根据环境信息采集装置实时采集的环境信息判断儿童玩具车前方的动态物体信息是否更新：
如已经更新，返回步骤6；
如果没有更新，继续按照安全行驶路径r行驶，直至儿童或家长通过人工操作行驶按键结束行驶，即通过行驶按键复位，主控模块向动力装置发出关于停止运行的行驶控制指令，控制儿童玩具车动力装置停止运行，行驶按键复位，等待下次操作。
优选地，h为10～30米，p为6～16个。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明所述儿童玩具车具备自动驾驶能力，不将儿童玩具车的驾驶权完全交由儿童自己，避免由于儿童自身的安全意识不足进行误操作带来的危险。
2、本发明所述儿童玩具车具备检测玩具车前方运动物体的能力，能对儿童玩具车前方的潜在危险进行检测，控制儿童玩具车进行规避，避免了儿童对儿童玩具车前方的危险认识不足和反应能力不足带来的危险。
附图说明
图1为本实施例中自动驾驶儿童玩具车控制系统结构图。
图2为本实施例情况1中的安全行驶区域asafe规划过程中障碍物及m个相切圆的分布情况示意图。
图3为本实施例本实施例情况1中的自动驾驶儿童玩具车安全行驶路径规划示意图。
图4为本实施例情况2中的安全行驶区域asafe规划过程中障碍物及n个同心圆的分布情况示意图。
图5为本实施例情况2中的自动驾驶儿童玩具车安全行驶路径规划示意图。
图6为本实施例中自动驾驶儿童玩具车控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
图1为本实施例中自动驾驶儿童玩具车控制系统结构图，由图可见，本发明一种自动驾驶儿童玩具车控制系统包括环境信息采集装置10、动力装置20、语音警报装置30、主控模块40和存储模块50。所述主控模块40与环境信息采集装置10、动力装置20和语音警报装置30单向连接，所述主控模块40与存储模块50双向连接。
所述环境信息采集装置10实时采集儿童玩具车周围的环境信息，并将采集的环境信息传递给主控模块40。在本实施例中，所述环境信息采集装置10包括四个视觉传感器，分别安装在儿童玩具车的前方、后方和两侧，实时采集儿童玩具车周围的环境信息，并发送给主控模块40。
所述存储模块50用于预设信息的存储、主控模块40内信息的传入储存及提取操作。
所述主控模块40接收环境信息采集装置10传送的环境信息后，提取存储模块50中预设信息中的处理程序进行如下处理及控制：检测并标识出环境信息里的物体信息，利用视觉slam图像处理程序，建立儿童玩具车周围环境的三维地图m3d和栅格化的二维坐标系pxoy，将三维地图m3d和栅格化的二维坐标系pxoy存储在存储模块50中，并进行实时更新；根据环境信息里的障碍物信息，按照预先设定的安全行驶区域规则划定安全行驶区域asafe，按照预先设定的规则和算法规划得到安全行驶路径r；根据环境信息里的动态物体信息对行驶中的儿童玩具车a进行实时检测和实时控制，包括向动力装置20发送行驶控制指令、向语音警报装置30发出报警指令。在本实施例中，所述环境信息里的物体包括人、车辆、动物、建筑物、道路、公共设施、树木、河流；所述障碍物包括建筑物、道路、公共设施、树木、河流，所述动态物体包括行进中的人、动物和车辆，所述视觉slam图像处理程序是指搭载视觉传感器的主体，在没有环境先验信息的情况下，于运动的过程中搭建环境的模型，同时估计自己的运动。
所述动力装置20包括驱动电路、后置驱动电机和前置转向电机，驱动电路接收主控模块40发出的行驶控制指令后，按照行驶控制指令驱动后置驱动电机、前置转向电机，实现驱动儿童玩具车行驶的目的；
所述语音警报装置30接收主控模块40发出的报警指令，驱动并触发扬声器进行报警。在本实施例中，语音警报装置30内置驱动电路进行驱动并触发扬声器进行报警。
在本实施例中，儿童玩具车控制系统还包括一个供电装置，该供电装置包括电池、充电模块、放电模块和电源转换模块。该供电装置能够为儿童玩具车控制系统供电。
图6为本实施例中自动驾驶儿童玩具车控制方法的流程图。由图6可见，本发明中的自动驾驶儿童玩具车控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，设儿童玩具车当前的位置为点a，儿童玩具车启动，环境信息采集装置10开始实时采集以点a为中心、半径为h米的环境信息，并将环境信息传递给主控模块40。h为10～30米,在本实施例中，h＝20米。
步骤2，主控模块40对接收到的环境信息进行处理，检测、标识出环境信息里的物体，并建立一个半球体形状的三维地图m3d并将三维地图m3d存储在存储模块50内.具体的，以地面为半球体的底面，以点a为圆心、l1为半径构建出一个半球体形状的三维地图m3d。在本实施例中，取l1＝20米。
步骤3，将半球体的底面记为平面pb，以点a为坐标原点在平面pb上建立二维坐标系pxoy，二维坐标系y轴正方向为儿童玩具车车头所指的方向，y轴正方向顺时针旋转90°为x轴正方向；在所建二维坐标系pxoy上，以儿童玩具车的长度为栅格边长h，对二维坐标系pxoy进行栅格化处理，并在栅格化的平面pb上标注出步骤2中物体的坐标信息。
步骤4，在栅格化的平面pb内，首先判断点a是否落入非安全行驶区域，然后进行安全行驶区域asafe的规划并规划出安全行驶路径r；
步骤4.1，所述非安全行驶区域定义为：儿童玩具车的前方和/或后方有障碍物，且其中一个障碍物与点a的距离小于2米；
若点a落入非安全行驶区域，主控模块40向语音警报装置30发出警报指令，语音警报装置30触发扬声器进行第一次报警，提醒家长和儿童挪动儿童玩具车位置，同时锁死儿童玩具车的行驶按键，并返回步骤1；
若点a未落入非安全行驶区域，则进行儿童玩具车安全行驶区域asafe的规划。
步骤4.2，进行安全行驶区域asafe的规划并规划出安全行驶路径r，具体，包括以下两种情况：
情况1，如果儿童玩具车的前方和/或后方10米范围内有障碍物，则选择与点a最近的障碍物记为基础点e，以点a为起点，向基础点e相反的方向延伸做射线f，并在射线f上标注出m个点,其中第一个点与点a的距离为5米，任意相邻两个点的距离之差为一个栅格边长h，第m个点与点a的距离不大于15米；在栅格化的平面pxoy内，分别以该m个点为圆心、画出m个相切于点a的圆，将m个相切于点a的圆中的任一个圆记为同切点圆zj，j为按照同切点圆半径长度由小至大进行排序的序号，j＝1，2，...m；对于每一个相切圆，计算该相切圆内步骤2标识的物体数量xjn和该同心圆外步骤1标识的物体数量xjw，并求出内外物体数量比记为rj，
在规划完成的安全行驶区域asafe的边界圆yb上均匀取p个切点，利用预先设定的规则和算法，先规划出点a到距离最近的切点的路径lf，再按顺时针方向依次规划出相邻两个切点之间的路径和最后一个切点到点a的路径，得到一个由p+1条路径连接而成的封闭型规划路径，将该p+1条路径连接而成的封闭型规划路径作为安全行驶路径r。本实施例中具体规划过程和结果可见图3。由图3可见，p＝8,即在边界圆yb上均匀取8个切点：b0、b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7，并通过规划得到9条路径，其中，lf为儿童玩具车位置点a到最近的切点b1的路径，切点和小车之间的8条路径分别记为l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l0，顺序连接9条路径得到安全行驶路径r。
情况2，如果儿童玩具车的前方和后方10米范围内均没有障碍物，则在栅格化的平面pxoy内，以点a为圆心画出n个同心圆，记n个同心圆中的任一个同心圆为同心圆yi，i为按照同心圆半径长度由小至大进行排序的序号，i＝1，2，3，....n，其中第一个同心圆的半径为3米，任意相邻两个同心圆半径之差为栅格边长h，第n个同心圆的半径不大于10米；对于每一个同心圆，计算该同心圆内步骤2标识的物体数量xin和该同心圆外步骤2标识的物体数量xiw，求出内外物体数量比记为ri，
在规划完成的安全行驶区域asafe的边界圆yb上均匀取p个切点，利用预先设定的规则和算法，先规划出点a到任意一个切点的路径lf，再按顺时针方向依次规划出相邻两个切点之间的路径，得到一个由p+1条路径连接而成的封闭型规划路径，将该p+1条路径连接而成的封闭型规划路径作为安全行驶路径r。本实施例中具体规划过程和结果可见图5。由图5可见，p＝8,即在边界圆yb上均匀取8个切点：b0、b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7，并通过规划得到9条路径，其中，lf为儿童玩具车位置点a到任一切点b1的路径，切点和小车之间的8条路径分别记为l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l0，顺序连接9条路径得到安全行驶路径r，如果儿童玩具车再次行驶路径r，则再次行驶时，路径r不包括lf。
所述预先设计的规则和算法为a*算法，a*算法是一种静态路网中求解最短路径最有效的直接搜索方法，能规划起点和目标点之间的最短路径。
步骤5，主控模块40向动力装置20发出开始行驶的行驶控制指令，行驶按键解锁，动力装置20控制儿童玩具车按照步骤4规划完成的安全行驶路径r行驶，且在行驶过程中主控模块40实时接收环境信息采集装置10采集的环境信息，对三维地图m3d进行更新。
步骤6，主控模块40根据采集模块10采集的环境信息，实时检测儿童玩具车前方是否有动态物体：
如果没有动态物体，则进入步骤9，即按照安全行驶路径r进行行驶；如果有动态物体，进入步骤7。
步骤7，计算动态物体的速度和方向，并按照动态物体当前的行驶轨迹，预测其未来的轨迹路线r2。
步骤8，判断动态物体的轨迹路线r2与步骤4得到的安全行驶规划路径r是否有交点：
如果无交点，则进入步骤9，即按照安全行驶路径r进行行驶；
如果有交点，则根据当前儿童玩具车的车速和方向、动态物体的速度和方向判断二者是否有相撞的可能性：
若无相撞的可能性，进入步骤9；
若有相撞的可能性，则主控模块40同时向动力装置20和语音警报装置30发出改变行驶速度和方向的行驶控制指令和警报指令，动力装置20收到指令后，改变儿童玩具车的速度和方向，以回避相撞，并返回步骤6，同时语音警报装置30触发扬声器进行第二次报警，以提醒家长和儿童。
步骤9，儿童玩具车按照步骤4规划的安全行驶路径r行驶，同时根据环境信息采集装置10实时采集的环境信息判断儿童玩具车前方的动态物体信息是否更新：
如已经更新，返回步骤6；
如果没有更新，继续按照安全行驶路径r行驶，直至儿童或家长通过人工操作行驶按键结束行驶，即通过行驶按键复位，主控模块40向动力装置20发出关于停止运行的行驶控制指令，控制儿童玩具车动力装置20停止运行，行驶按键复位，等待下次操作。
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