一种基于无人机的车载交通监视与指挥控制系统及方法与流程

本发明属于道路车辆的交通控制系统技术领域，尤其涉及一种基于无人机的车载交通监视与指挥控制系统及方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：随着汽车日益普及，城市的交通压力越来越大，交警人力和交通指挥的压力的矛盾已经成为每个城市的一个热点问题。要实现精确的交通指挥，势必投入更多的指挥人员。现在交通高峰时段，成都市在每个干道的十字路口至少要投入4～6个交警，而且每个人的指挥很难同步，使得交通指挥的压力很大，同时指挥效果也不尽人意。

综上所述，现有技术存在的问题是：现在交通高峰时段交警每个人的指挥很难同步，使得交通指挥的压力很大，同时指挥效果也不尽人意。

本发明充分利用无人机的快速部署型，让以车辆为单位的交通指挥前线节点能够快速展开并投入指挥工作；快速抵近指挥，通常由人力步行5分钟完成的抵近指挥，能够通过无人机在10秒钟内完成，大大提高了效率，降低人力成本；充分利用无人机的飞行高度和不受交通阻塞影响的可部署性，通过机载监视设备快速向指挥人员呈现大范围的实时交通信息；充分利用无人机的高速性，通过声光指挥系统实现超越交通信号灯的，对以一个车道甚至是一台机动车级别粒度的精确指挥和疏导；利用近场通信技术实现多个车载平台的组网以求适应更大型交通状况的指挥和控制；利用高速4g/5g网络实现指挥控制中心和车载平台之间的互联互通，让指挥中心能够以更快，更灵活的了解更广泛的交通状况。车载平台上传的历史数据能够对未来交通指挥策略的指定和验证提供重要参考。

解决上述技术问题的难度和意义：

交通指挥任务的难度在于交通状况的突发性和多变性，要求指挥人员能够及时根据即时情况做出准确判断，因此灵活、全面的观察视野是高效完成该项工作的基础。在缺乏有效辅助手段的情况下，交警只有采取不同位置布置多个现场执法人员，采取协同指挥的方式完成任务。这种方式需要警员较多，不同位置的交警通过对讲机交换信息，准确性和即时性存在不足。本方案可以全面优化指挥人员工作环境，为指挥人员提供一系列辅助设施，增加指挥人员的视野范围，无人机可以为指挥人员传递不同角落的实时监控画面，提高指挥的准确性、及时性，帮助交警高效完成指挥任务，从而减少警力投入，减少人员工作负荷。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无人机的车载交通监视与指挥控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于无人机的车载交通监视与指挥控制系统，所述基于无人机的车载交通监视与指挥控制系统包括：

载车平台，用于通过设置机降平台，提供无人机的起飞和降落平台；设置设备升降平台主要承载交通指挥设备；

地面控制组件，用于提供无人机控制操作，数据通信，数据显示及电源供应功能；

无人机，用于通过无人机的机载监视设备向指挥人员呈现大范围的实时交通信息；

机载任务组件，用于通过摄像设备采集监控画面；

交通控制中心系统插件，用于对所有车载平台语音/文本/数据交互，对所有车载平台位置与地理信息系统交联并实时显示，提供车载无人机越级指挥，对所有车载平台数据汇总，分析和记录。

进一步，所述载车平台上设置有：交通信号灯、定向传声器、摄像头；

交通信号灯每个方向采用红、黄、绿灯组。

进一步，所述地面控制组件包括：

无人机控制组件，用于操控交通指挥无人机对指定的位置进行抵近的交通指挥工作；操控无人机在车顶平台实现精确定位回归进行充电；监控无人机的工作状态；

通信组件，用物理平台和无人机的通信速率达到50mbp/s，有效地传输车、机之间的视频图像信号和语音信号；

显示控制台，用于在车内设有一个多功能控制台，配有三台多功能液晶显示器。

进一步，所述机载任务组件包括：h4-3d高精度云台系统、摄像机、定向扬声器。

进一步，所述无人机自动回收控制系统包括：

无人机自动回收定位，用于无人机精确回收到车载平台；

锂电池，对无人机连续充电。

进一步，所述无人机机载交通指挥组件包括：

交通信号显示子系统，在无红绿灯的十字路口充当临时交通指挥；

交通定向语音子系统，用于定向传递交通警察的指挥口令；

交通指挥车升降台视频子系统，控制无人机的交通警察或者是控制中心提供实时高解析度视频信息。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的基于无人机的车载交通监视与指挥控制系统的的基于无人机的车载交通监视与指挥控制方法，所述的基于无人机的车载交通监视与指挥控制方法包括：

步骤一，载车平台设置机降平台，提供无人机的起飞和降落平台；机降平台上设有电磁锁扣，有效固定无人机，同时还设有定位充电装置，为无人机充电，设置设备升降平台主要承载交通指挥设备；

步骤二，地面控制组件提供无人机控制操作，数据通信，数据显示及电源供应功能；无人机的机载监视设备向指挥人员呈现大范围的实时交通信息；机载任务组件4利用摄像设备采集监控画面；

本发明实施例提供的无人机与车载系统的通信分为两大类：

1)无人机通信系统，该系统主要由无人机厂商提供模块和驱动程序。该系统负责传输无人机控制指令和无人机状态数据。该通信组件采用wifi通信模式，tcp/ip通信协议。在厂商模块的基础上，车载系统需要将天线系统与无人机控制系统相整合，同时解决频率和功耗冲突等潜在设计问题。

2)无人机机载交通指挥组件与控制系统的通信。该通信组件采用wifi通信模式，tcp/ip通信协议。需要达到100mbps的下传和100mbps的上传速率以保证高清视频数据，指挥显示数据，音频数据和控制数据的并行传输。

本发明实施例提供的无人机控制系统与车载系统的整合，无人机控制系统需要和车载系统无缝深度整合，并结合gis地图系统以实现对无人机的轻松控制。本发明的前期研究提供了如下的操作流程。首先，系统载入载车的地图信息并显示在触摸显示器上。交警通过触摸屏选定无人机，并通过触摸地图相关位置向无人机发出‘飞往该地点指令’。车载系统会根据交警输入的gis坐标和载车位置生成无障碍飞行航路，生成无人机控制指令，自动制导无人机飞往指定位置。在无人机需要返回的时候，通过车载系统控制无人机实现一键式收回。

本发明实施例提供的车际通信组网的实现，车载系统需要具备车际通信的能力。前期研究探索了无线和有线连接两种方式。除了通信制式不同，两者并无本质区别，所以本发明拟让车载系统同时具备两种通信能力。车际组网的具体能力在于：1.共享无人机，当一台车上的无人机不够，可以超越指挥组网的其他车辆平台的无人机。2.共享数据，如果实施多车异地指挥，则每台车能够方位其他车辆所搜集到的数据，以使其操作员能够对较大范围的交通形势有宏观的判断。

步骤三，交通控制中心系统插件对所有车载平台语音/文本/数据交互，对所有车载平台位置与地理信息系统交联并实时显示，提供车载无人机越级指挥，对所有车载平台数据汇总，分析和记录。通信组件用物理平台和无人机的通信速率达到50mbp/s，可以有效地传输车、机之间的视频图像信号和语音信号。完成抵近的交通指挥工作；远程(4g/lte)通信速率达到下行100mbp/s和上行50mbp/s；可有效地以支持车载平台和交通控制中心之间的数据和指令上传下达。信息处理系统包括：系统状态gui(graphuserinterface，图像用户接口)、无人机控制gui、交通声光指挥模块(机载任务组件)控制gui、数据处理/记录gui、指挥中心交互gui。

机载任务组件通过摄像设备采集监控画面，无人机的机载监视设备向指挥人员呈现大范围的实时交通信息，地面控制组件提供无人机控制操作，数据通信，数据显示及电源供应功能；交通控制中心系统插件对所有车载平台语音/文本/数据交互，对所有车载平台位置与地理信息系统交联并实时显示，提供车载无人机越级只会，对所有车载平台数据汇总，分析和记录。

步骤三，交通控制中心系统插件对所有车载平台语音/文本/数据交互，对所有车载平台位置与地理信息系统交联并实时显示，提供车载无人机越级指挥，对所有车载平台数据汇总，分析和记录。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于无人机的车载交通监视与指挥控制方法的无人机。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于无人机的车载交通监视与指挥控制方法的车载交通控制系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明首次为无人机设计包含声音，显示和视频收集功能的交通指挥模块，使用gis信息系统来指挥控制无人机，使用了无人机精确回收技术，具有“一键回收”的功能，可以让无人机执行完任务后，“一键”精确地回到车顶起飞的位置，定位精度，使用无人机控制系统联网控制(多个载车平台联网，一个平台指挥控制)；本发明可以大大改善交通警察执勤时的工作条件，可以避免执勤人员在酷暑严寒下日晒雨淋，更重要的是可以大大提高安全性，避免交警在执勤时受到意外交通伤害。本发明实施例提供的车载系统和指挥中心的互联互通，在现有系统的基础上，以插件的形势让本系统的功能与数据能够对接上原有的交通管理控制系统。具体功能包括以下6点。

1)能够实时收集各车载平台的gis信息并显示在gis地图系统上。

2)能够通过语音和数据实时像车载平台下达指令。

3)能够汇总各车载平台上传的实时路况信息，并投射在基于gis的地图系统上。

4)能够显示某个或者多个无人机的实时高清影响

5)能够对无人机实施超越控制。

6)能够将所有数据自动备份到指定数据中心

本发明的无人机系统基于gis(geographicinformationsystem地理信息系统)的精确控制。基于主流地图系统，通过以点击地图某点的方式来指派无人机自动飞至并悬停在地理空间相对应位置。该功能将大大简化控制人员的工作负担，并让交通警察能够方便的使用该系统而不需要进行特别的培训。该功能的实现能够是本系统的推广性和实用性极大的增强。高效可行且交通指挥功能完备的机载指挥组件。该组件是整个系统的前端，需要将交通警察的指挥信息通过多媒体技术以简单易懂的方式传递给驾驶员。本发明包括了视频显示和定向语音两种多媒体方式，使交通警察能够以交通信号(视频)和交通口令(音频)的方式准确快速的指导交通。在本发明实施的后期阶段，也将探索更多可行的多媒体技术已让交通警察的指挥意图更直观，更准确地让驾驶员理解。无人机和控制系统间高速/高可靠性的无线通信。部分交通路口空间环境复杂，无限发送和接收器之间可能出现遮挡。因此，车载系统能够实时检测rssi(radiosignalstrengthindicator，无线信号强度参数)，并在rssi过低时自动报警。低功耗机载指挥组件。由于无人机机载电池容量有限，机载系统需要严格控制功耗。同时，由于快冲电池和无线充电技术的普及，本发明也将考虑使用成熟的这两项技术以缩短无人机整备时间，提高全系统使用效率。机载设备重量控制。由于无人机载重有限且载荷越大留空时间越短，本发明在设计实施过程中将严格限制机载设备的重量，提高单位载荷的使用效率。高实时性的车载系统/指挥中心间数据指令互传。由于车辆载台和数据中心之间有大容量实时通信需求，比如高分辨率视频信息，两者之间的无限连接需要稳定高速。本发明通过应用已有移动运营商无线网络，利用5g高速无线网络技术，实现车载系统和指挥中心之间的互联互通。指挥中心系统插件。本插件将本发明所设计系统的功能整合进入已有的指挥中心系统中。由于需要已有系统的支持和兼容，该插件需要和指挥中心系统开发商共同完成。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于无人机的车载交通监视与指挥控制系统结构示意图；

图中：1、载车平台；2、地面控制组件；3、无人机；4、机载任务组件；5、交通控制中心系统插件。

图2是本发明实施例提供的基于无人机的车载交通监视与指挥控制方法流程图。

图3是本发明实施例提供的指挥过程中的信息交互过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现在交通高峰时段交警每个人的指挥很难同步，使得交通指挥的压力很大，同时指挥效果也不尽人意；本发明充分利用无人机的快速部署型，让以车辆为单位的交通指挥前线节点能够快速展开并投入指挥工作；快速抵近指挥，通常由人力步行5分钟完成的抵近指挥，能够通过无人机在10秒钟内完成，大大提高了效率，降低人力成本。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于无人机的车载交通监视与指挥控制系统包括：载车平台1、地面控制组件2、无人机3、机载任务组件4、交通控制中心系统插件5。

载车平台1，用于通过设置机降平台，提供无人机的起飞和降落平台；机降平台上设有电磁锁扣，可以有效固定无人机，同时还设有定位充电装置，为无人机充电，设置设备升降平台主要承载交通指挥设备(红绿灯、摄像头和定向传声器)；

地面控制组件2，用于提供无人机控制操作，数据通信，数据显示及电源供应功能；

无人机3，用于通过无人机的机载监视设备向指挥人员呈现大范围的实时交通信息；

机载任务组件4，用于通过摄像设备采集监控画面；

交通控制中心系统插件5，用于对所有车载平台语音/文本/数据交互，对所有车载平台位置与地理信息系统交联并实时显示，提供车载无人机越级指挥，对所有车载平台数据汇总，分析和记录。

在本发明的优选实施例中，载车平台1采用suv；载车平台1空间足以支持至少2名交通警察在独立显示控制台同时工作；载车平台1在满电状态下可以不使用内燃机提供17kwh的稳定电能输出支持全系统全负荷工作12个小时；载车平台1在满油状态下支持全系统全负荷连续工作100小时；载车平台1顶部设计有1.5×2平方米车顶平台供1架无人机同时起降和充电；载车平台1顶部同时设置了一部可升降活动设备平台，上面设置有：

a)四方向交通信号灯，交通信号灯的有效使用高度为2米～6米可调。每个方向的信号灯采用红、黄、绿3×φ400mmled灯组，中心亮度≥8500cd/㎡

b)每个方向设有一只定向传声器：定向传声器的额定传声距离≥200米，3db指向角为±10°@2khz；

c)每个方向设有一个摄像头，可在该方向实行语音指挥和视频监控。摄像头支持最大2560×1440@30fps高清画面输出，支持23倍光学变焦，16倍数字变焦。

本发明提供的地面控制组件2包括无人机控制组件、通信组件、显示控制台、车载电源；

无人机控制组件，用于操控交通指挥无人机对指定的位置进行抵近的交通指挥工作；操控无人机在车顶平台实现精确定位回归进行充电；监控无人机的工作状态(包括续航能量)；

通信组件，用物理平台和无人机的通信速率达到50mbp/s，可以有效地传输车、机之间的视频图像信号和语音信号。完成抵近的交通指挥工作；远程(4g/lte)通信速率达到下行100mbp/s和上行50mbp/s；可有效地以支持车载平台和交通控制中心之间的数据和指令上传下达。

显示控制台，用于在车内设有一个多功能控制台，配有三台多功能液晶显示器，1#显示屏用于无人跟踪操作和视频获取，2#显示屏用于四个路口方向摄像机的画面监控，3#显示屏用于系统工作操作；

显示控制台的硬件用户接口：

无人机系统包括：

输入设备：标准键盘+追踪球；无人机操作杆；按钮操作面板

输出设备：触摸显示屏，状态显示指示灯板

路口交通监视系统包括：

输入设备：四方向高清摄像机；四路云台控制器；四方向交通指挥灯控制器(手动/自动)；高保真无人机载定向传声器麦克风。

输出设备：车载四方向交通指挥灯；高保真无人机载定向传声器；

信息处理系统包括：

输入设备

软件用户接口包括：系统状态gui(graphuserinterface，图像用户接口)、无人机控制gui、交通声光指挥模块(机载任务组件)控制gui、数据处理/记录gui、指挥中心交互gui；

车载电源为：ac：220v/10a；dc：12v/10a；总电能储备：17kwh。

在本发明的优选实施例中，无人机3采用dji经纬m600pro无人机：

产品类型：六轴飞行器；飞行载重：15.5kgg；悬停精度垂直：±0.5m，水平：±1.5mm；旋转角速度俯仰轴：300°/s，航向轴：150°/s；升降速度最大上升速度：5m/s；最大下降速度：3m/s；飞行速度最大水平飞行速度：65km/h(无风环境)；飞行高度最大飞行海拔高度：2500m；飞行时间悬停时间：无负载：32min，负载3kg：25min。

在本发明的优选实施例中，机载任务组件4包括：

(1)采用禅思gopro系列的h4-3d高精度云台系统：

重量1.26公斤；角度控制精度：±0.01°；最大可控转速：旋转方向(pan)：±130°/s；俯仰方向(tilt)：±130°/s；横滚方向(roll)：±30°/s；

(2)采用zenemusex4s摄像机:尺寸为25×100×80mm，重量为253克，fov为84°，35mm画幅等效焦距为24mm。支持高达1/2000秒的镜间快门技术。

(3)采用fs-b定向扬声器：

声压：83-87db@1khz/2m；指向性：＜12°。

如图2所示，本发明实施例提供的基于无人机的车载交通监视与指挥控制方法包括以下步骤：

s201：载车平台设置机降平台，提供无人机的起飞和降落平台；机降平台上设有电磁锁扣，有效固定无人机，同时还设有定位充电装置，为无人机充电，设置设备升降平台主要承载交通指挥设备；

s202：地面控制组件提供无人机控制操作，数据通信，数据显示及电源供应功能；无人机的机载监视设备向指挥人员呈现大范围的实时交通信息；机载任务组件4利用摄像设备采集监控画面；

s203：交通控制中心系统插件对所有车载平台语音/文本/数据交互，对所有车载平台位置与地理信息系统交联并实时显示，提供车载无人机越级指挥，对所有车载平台数据汇总，分析和记录。

如图3所示，指挥过程中的信息交互过程：机载任务组件通过摄像设备采集监控画面，无人机的机载监视设备向指挥人员呈现大范围的实时交通信息，地面控制组件提供无人机控制操作，数据通信，数据显示及电源供应功能；交通控制中心系统插件对所有车载平台语音/文本/数据交互，对所有车载平台位置与地理信息系统交联并实时显示，提供车载无人机越级只会，对所有车载平台数据汇总，分析和记录。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的无人机自动回收控制系统由两部分构成：

无人机自动回收定位：由于现场指挥工作的特殊情况，无人机的操控者(现场指挥的交警)在操控无人机完成对特定目标的抵近指挥后，会立即将指挥注意力集中到下一个交通情况，无暇顾及再将精力用于所无人机的定位回收，因此特别增加了无人机一键回收功能，操作警官在完成抵近指挥工作后，仅需按一下回收键，将无人机精确回收到车载平台。

锂电池，在满载下，无人机的最大连续工作时间约为30分钟，为了保证整个车载系统的连续工作状况，需要对无人机连续充电，即无人机每次完成抵近指挥工作后，都要在车顶平台为其充电。

本发明实施例提供的无人机机载交通指挥组件包括四大子系统：交通信号显示子系统，交通定向语音子系统，交通指挥车升降台视频子系统，通信子系统。

1)交通信号显示子系统。该子系统是置于车顶升降平台的四方向红绿灯指挥系统。该指挥系统可在无红绿灯(或原来的红绿灯出现故障)的十字路口充当临时交通指挥，(在特殊情况下可接替原路口的固定指挥系统)。车载红绿灯在白天阳光下可视距离不小于200米。

2)交通定向语音子系统。该系统用于定向传递交通警察的指挥口令。该定向语音系统需要满足能够将音频口令清晰的传输到不小于500米的距离上，并且在此距离内能够听到指令的扩散截面积半径不超过10米。

3)交通指挥车升降台视频子系统。本子系统为控制无人机的交通警察或者是控制中心提供实时高解析度视频信息。视频摄像头的水平分辨率≥500线；2x变焦，焦距2.8-10mm。

本发明实施例提供的无人机与车载系统的通信分为两大类：

1)无人机通信系统，该系统主要由无人机厂商提供模块和驱动程序。该系统负责传输无人机控制指令和无人机状态数据。该通信组件采用wifi通信模式，tcp/ip通信协议。在厂商模块的基础上，车载系统需要将天线系统与无人机控制系统相整合，同时解决频率和功耗冲突等潜在设计问题。

2)无人机机载交通指挥组件与控制系统的通信。该通信组件采用wifi通信模式，tcp/ip通信协议。需要达到100mbps的下传和100mbps的上传速率以保证高清视频数据，指挥显示数据，音频数据和控制数据的并行传输。

本发明实施例提供的无人机控制系统与车载系统的整合，无人机控制系统需要和车载系统无缝深度整合，并结合gis地图系统以实现对无人机的轻松控制。本发明的前期研究提供了如下的操作流程。首先，系统载入载车的地图信息并显示在触摸显示器上。交警通过触摸屏选定无人机，并通过触摸地图相关位置向无人机发出‘飞往该地点指令’。车载系统会根据交警输入的gis坐标和载车位置生成无障碍飞行航路，生成无人机控制指令，自动制导无人机飞往指定位置。在无人机需要返回的时候，通过车载系统控制无人机实现一键式收回。

本发明实施例提供的车际通信组网的实现，车载系统需要具备车际通信的能力。前期研究探索了无线和有线连接两种方式。除了通信制式不同，两者并无本质区别，所以本发明拟让车载系统同时具备两种通信能力。车际组网的具体能力在于：1.共享无人机，当一台车上的无人机不够，可以超越指挥组网的其他车辆平台的无人机。2.共享数据，如果实施多车异地指挥，则每台车能够方位其他车辆所搜集到的数据，以使其操作员能够对较大范围的交通形势有宏观的判断。

4、本发明项目应用方案：

1)路况实时监视：对于各类型道路十字路口，部署一台车载平台。1～2名交通警察在车内根据指挥车顶平台上的四方向高清晰度摄像头摄取的实时交通状况，指挥车顶红绿灯和大功率定向传声器，进行实时指挥，必要的时候可以操纵车载无人机进行抵近指挥。

2)简单路况交通控制：对于中小型拥塞道路十字路口，部署一台车载平台。1～2名交通警察在平台内可以有效地指挥四方向交通(辅助固定红绿灯或者超越固定红绿灯)。

3)复杂路况交通控制：对于多层立交复杂道路，可据情况在每一平面层部署一台车载平台。该立交桥部署的多台指挥车可以组成短距离高速实时指挥网络，可以实现有效的立体交通指挥体系，达到人力交通指挥无法企及的交通指挥效果。联网指挥多组最多支持8台指挥车对8层立交进行交通指挥。

4)特定车道/机动车定点疏导：在交通疏导中，对于特定车道或特定机动车，车载平台中的交通警察可以指挥无人机飞临其上方可视位置，利用机载显示器和定向扬声器对其进行交通疏导。

5)交通取证：利用无人机的高速性和机载摄像转塔，可对交通事故进行快速精确的立体取证，以便事故车辆迅速撤出现场，恢复交通。

6)交通指挥中心指令上传下达：指挥中心能够快速对每个车载平台生成和下达任务指令，比如移动至某特定路口实施交通控制或交通疏导。车载平台能够实时上传自身系统状态，比如自持时间，载油量以及无人机整备情况等。

7)交通指挥中心信息汇总：指挥中心能够实时调阅各车载平台搜集的路况信息，比如实时交通图像等。该信息将被融合进入已有的控制系统已优化系统的辅助决策功能。

8)交通指挥中心超越控制：在应急情况下，指挥中心将能够超越控制各车载平台所属无人机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。