电子哨卡系统在安防反恐上的研究与应用
徐 文 菁
（洛阳电光设备研究所，河南洛阳471000）
摘 要： 本文设计了一种应用于危险环境的电子哨卡系统，它可以代替人从事侦察、排险、救援等危险工作，也为相关领域科研工作提供参考。
关键词： 电子哨卡；安防反恐；无源定位；自主导航
近些年，全球极端天气事件增多，自然灾害加剧、暴力恐怖活动激增，给社会稳定和人民生命财产安全造成极大危害。在处理恐怖事件、工业事故及遭敌袭击后产生的核、生、化灾害时，经常会遇到情况不明、人员无法接近或高度危险的区域。如果利用机器人代替人员进入情况不明或者人难以进入的场合去查明现场情况、取回样本、处理高危险性事件，避免操作人员直接暴露在有毒、核辐射等危险环境中，则可大大减小人员伤亡，提高保障能力和工作效率［1］。将无人系统技术应用于危险场景相比传统处理具有很大优势。
目前国内外对陌生人员车辆监控，有条件的地区使用监控摄像头，无条件的地区需要派专人巡视。监控摄像头位置相对固定、功能比较单一、可视距离短，专人巡视不仅耗时耗力，而且在遇到危险情况时可能对人身安全产生威胁。针对这种情况，电子哨卡便应运而生。电子哨卡利用光电转塔可视距离远、可对目标精确定位等功能，远距离直接对环境进行侦察或对目标进行监视。利用无线通讯技术与智能前突越野无人车进行信息交互，实时回传监控画面，远程控制进行警示警告。
图1 电子哨卡系统
1 电子哨卡系统
1.1 系统组成和功能
电子哨卡系统由高空作业车、光电转塔、智能前突越野无人车和地面操作台组成，如图1所示。系统将光电转塔挂载于高空作业车上，用于对平台周围的情况进行搜索、观察、跟踪、定位和取证等应用。光电转塔配置高性能制冷型红外探测器和高清摄像机，可对目标进行红外和可见光成像探测；光电转塔配置惯性测量单元，可对目标进行定位。智能前突越野无人车可以自主行驶，自主避障，实时传输巡视画面给指挥控制中心，并响应指挥控制中心的远程指令操控。
光电转塔的功能：红外、高清可见光探测成像；手动、自动扫描等搜索功能；本机和目标精确定位；车辆、人员识别；图像跟踪。
无人车的功能：红外、高清可见光探测成像；360°无死角云台 （带照明）；实时图像、语音回传；远程语音对讲、警告；指定目标位置、无人车智能前突；车辆、行人跟踪。
并且图像f(x,y)被映射到正方形区域<-1,1>×<-1,1>上。在正交区域Ω1=<-1,1>上的正交关系是：
（2）惯导地理坐标系与惯导坐标系的转换。
1.1 工作方式
使用时把高空作业车开到指定的作业点，展开悬臂，将光电转塔升起10 m～15 m。光电转塔有手动模式和自动模式。手动模式下，操作人员控制转塔转动，监控特定区域有无入侵的车辆和人员；自动模式下，转塔自动扫描周围区域，并自动检测车辆和人员。如果发现可疑车辆和人员，派出智能前突越野无人车进行近处探查观察。智能前突越野无人车可根据转塔定位功能预估目标运行路线［2］，始终保持在目标即将到达的前方，实时传输巡视画面给指挥控制中心，为指挥人员提供决策依据。
图2 无源定位系统计算流程图
2 电子哨卡的工作原理
2.1 光电转塔的无源定位技术
光电转塔通过光轴指向、GPS信息、惯导姿态，计算出地球坐标系下的目标方位矢量，该方位矢量结合激光测距信息，可计算出地球坐标系下的目标位置，既目标经度、纬度、高度。无源定位系统计算流程图2所示。
2.1.1 坐标系转换
（1）坐标系通用转换矩阵。
绕X轴逆时针旋转α角的转换矩阵：
绕Y轴逆时针旋转α角的转换矩阵：
矢量在新坐标系中的表达式可通过其在原始坐标系中的表达式左乘以转换旋转矩阵得到。
一般地，设以a坐标系为基准坐标系，按y－z－x的旋转方式逆时针旋转d1、d2、d3，得到b坐标系。则从a坐标系到b坐标系的转换矩阵为：
操作台功能：转塔控制，无人车控制，语音对讲，人脸识别，车牌识别。
从惯导地理坐标系按y－z－x的旋转方式逆时针旋转φ、θ、γ，得到惯导坐标系。因而从惯导地理坐标系到惯导坐标系的转换矩阵为：
（3）惯导坐标系与视轴坐标系的转换。
从惯导坐标系按y－z－x的旋转方式逆时针旋转v、u、0，得到视轴坐标系。因而从惯导坐标系到视轴坐标系的转换矩阵为：
（4）地球坐标系与惯导地理坐标系的转换。
这看似种种的矛盾归根结底是闰土思想里扎根着等级的观念，血液里流淌着高低的等级不平的河流，这就像一堵“厚障壁”，横亘在原本手足情深的兄弟之间，就像一道高高的“围墙”，把闰土封闭在里面，而“我”却在围墙的外面。
①惯导地理坐标系原点在地球坐标系中的坐标。
1）因大数据时代城乡规划学走向计量化中涉及的数据是开放的，可能会使政府在城乡规划决策制定及实施方面受到一定的影响，从而影响城乡规划学走向计量化工作的落实效果；
IMU的经度L，纬度B，海拔高度h。惯导地理坐标系原点在地球坐标系中的坐标：
在坑塘建设过程中，改变了坑边“脏、乱、差”现象，实现了村容整洁。同时改善了生态环境，提升了投资环境，激发民营企业将资金投向新农村建设，从而加速了种植业、养殖业和旅游业发展，保障了农村生产发展。生产发展带来了农村的经济繁荣，提高了农民的生活水平，农村居民家庭恩格尔系数2000年为49.1%，达到小康水平。坑塘水景观还原自然，形成碧水蓝天的优美环境，改变了村民精神面貌，潜移默化地影响村民养成良好生活习惯，也促进了农村文化产业的发展，促进了乡风文明建设。在坑塘建设平台上，通过村民全过程参与、民主决策、财务公开、民主监督和管理，促进了农村管理民主的实现。
②地球坐标系与惯导地理坐标系的转换。
地球坐标系绕其x轴逆时针旋转L，再绕z轴逆时针旋转 （－B），得到原点在地心，三轴平行于惯导地理坐标轴的坐标系。
地球坐标系到惯导地理坐标系的坐标转换，先平移，再旋转。[ Xq，Yq，Zq]T是地球坐标系中的一个矢量，将其装换到惯导地理坐标系，则有：
珠江是我国水电开发的重点流域，梯级枢纽众多，具有较高航运价值的梯级枢纽船闸主要分布于广西、广东境内，仅“两横一纵两网十八线”高等级航道上就建有梯级枢纽18个，已建和在建船闸（升船机）共25座，其中西江航运干线上建有5个梯级枢纽，已建和在建船闸11座。
式中：a为地球椭球长半轴＝6 378 137；b为地球椭球短半轴＝6 356 752；e2为地球椭球第一偏心率
＝0.006 694 379 901 3。
无人车的定姿定位系统提供无人车自身的位置和姿态信息［3］。光电转塔提供被跟踪目标信息，也可以认为是提供行驶角度信息。自主导航系统框架图如图3所示。
已知地球坐标系 [Xq，Yq，Zq]T坐标，计算经度L、纬度B、高度h：
惯导地理坐标系到地球坐标系的坐标转换，先旋转，再平移。[ Xe，Ye，Ze]T是惯导地理坐标系中的一个矢量，将其转换到地球坐标系，则有：
瓮福集团和开磷集团尽管同为贵州省的大型磷化工企业，但是，它们在市场上却没有太多的“兄弟”情分，更多的是市场竞争关系。
图10为中子探测效率及中子能量分辨率随质子准直器高度的变化关系。由图10可见，随着质子准直器高度的增加，中子探测效率上升较快，中子能量分辨能力略有降低。当质子准直器的高度大于2 cm时，高度方向的反冲角展宽由二极偏转磁铁的磁隙高度决定，质子准直器高度增加时，中子探测效率和中子能量分辨率均变化很小。图11为中子探测效率及中子能量分辨率随质子准直器长度的变化关系，计算中设定质子准直器后端位置，即图1中L2不变，改变前端的位置，即图1中L1。由图11可见，随着质子准直器长度的增加，中子探测效率逐渐提高，中子能量分辨能力逐渐降低。
2.1.2 目标位置解算
已知，吊舱在观察点A测得目标的视轴方位角为vA，视轴俯仰角为μA，激光测距距离为dA，此时的吊舱姿态为航向角φA、俯仰角θA、横滚角γA。根据上述坐标转换矩阵，可以通过以下步骤获得目标的地球坐标系下的矢量 [Xq，Yq，Zq]T。
（1）目标在视轴坐标系 （OXYZs）的矢量可定义为：[ X sYsZs]T＝［1，0，0］T。
（2）观察点A的经度LA，纬度BA，海拔高度hA。在地球坐标系中的坐标为：
2.2 无人车的自主导航避障系统设计
③已知地球坐标系的坐标计算经度纬度高度。
图3 自主导航系统框架图
激光雷达进行障碍物判断，如果有障碍物，则改变当前的行进方向，如果没有则沿当前行进方向前进。
（1）自主导航系统组成。包括：自主导航计算机、高速云台、激光雷达。
（2）图像识别。通过可见光摄像机，采集实时图像，利用被跟踪目标上的标识物，对目标进行识别，得到目标相对车体中心的偏转角。可根据被跟踪目标在雷达扫描图上的特征对图像数据滤波、辅助判断、减少光照等复杂环境对图像识别算法的干扰［4］。
2.1.2 不同灌水量对啤酒大麦产量的影响 不同灌溉水平下甘啤6号的产量和方差分析结果表明：随着灌水量的增加，产量显著提高。灌水量在750 m3/hm2时，产量极低，仅为 4 645.65 kg/hm2，水分的亏缺严重影响了啤酒大麦的产量；灌水量在1 500～2 250 m3/hm2时，产量水平较高，各处理间产量差异不显著，折合产量为7760.55～7970.7 kg/hm2，灌水量在2250m3/hm2以上时，增产不显著（见表3）。
随后，每次迭代按下述公式进行 （迭代次数设为4次以满足经度要求）：
税收收入与法律密不可分，这方面相关主管部门应该尽快出台相应的实施细则，使得镇街在征收过程中也有法可依。健全非税收入法规制度，以法规来明确收费项目的审批、收费项目的制定、收费票据的使用、收费资金的征收分配、收费行为的监督检查。
（3）雷达避障。拟选用velodyne的16线激光雷达，与单线激光雷达相比，16线激光雷达具有数据量大、检测精度高、探测范围广等优点。本方案主要采用激光雷达对正负障碍的识别。然后依据障碍物分布情况，改变无人车的运行方向。
(4)为了广纳人才，扩大“带头人”的选择范围，选出能真正改变一村经济面貌的“带头人”作为对农村的人才支援，可以采取与“援藏”一样的政策力度，让来自农村的外出务工人员、大学生、公务员都可回原藉参加选举.大学生胜选者可保留学藉，任职结束后仍可选择继续学习，任职经历视同社会实践；公务员胜选者可保留原职，可连续计算工龄，任职结束后仍可回原单位工作.胜选者作为准公职人员管理，根据任职业绩考核计酬.任职能力与政绩表现突出者可直接招录为县、乡级公务员，以拓展农村经济“带头人”的政治前途，激励这些人为一方村民奉献自己的聪明才智.鼓励退休公职人员回乡参加竞选，发挥余热，勇当发展农村经济的带头人.
（4）正负障碍物检测。采用避障方式航行时，激光雷达扫描距离30 m内的数据则足够使用。需要在离障碍物3 m之外就开启避障策略［5－6］。避障策略开启之前，首先需要实现对障碍物的识别。
①数据点投影。将激光雷达的三维空间点数据，投影在二维栅格地图中，并保留高度信息，以及角度信息。
②判定障碍。搜索每个栅格内的最大和最小高度点，并计算高度差，如果高度差大于阈值H，则认为这个栅格是障碍，反之则认为该栅格可通行。该方法主要可以避免将前方的斜坡误检成障碍物。其中阈值H，与栅格精度有很大关系。
③获取所有障碍点的坐标信息的二维分布图。
（5）控制策略。
①根据栅格地图，建立连续可通行角度区间合集。对无障区域以及距离大于安全距离点同样进行合集处理，得到可通行的角度区间［7］。可通行角度必须大于某个经验值，并对各角度区间取中值。最后根据图像识别给出的跟踪目标方向，给出通行角度a。
*基金项目：国家科技重大专项课题-污泥与废弃物处置及资源化利用技术集成与综合示范（2017ZX07202005）
②最终的航向角度控制，分为两种情况，A当车体行进方向一定全速距离 （15 m）内没有检测到障碍物情况，则按照跟踪目标给定的角度行进，速度为3 m／s。B当车体行进速度方向的全速距离内检测到障碍物时，则按照避障策略给出的角度行驶，行驶速度按照最近障碍物的距离从0 m／s到2 m／s分段控制。
③车体的控制实现。本方案主要按照航向对车体控制，如图4所示。当前车体期望航向进行与车体反馈的角度信息，进行负反馈PID控制。同时为了保证车体行车安全，下发的角度同时受车体当前速度的限制。
图4 车体控制流程图
3 结 语
本文依据无人系统现有技术和研究成果，设计了一套完整的针对危险区域情况处理的移动机器人系统，针对类似无人平台提出了可供参考的体系架构。
第一眼看到布莱德湖时，太阳正推开一片薄云，把夺目的阳光毫不吝啬地洒向湖面，湖水瞬间变得清幽湛蓝，令人不禁赞叹湖景之美。微风轻轻推起一层层如丝绸褶皱般的细波纹，向湖的四周扩散开来。湖上慢慢划过的小船和皮筏艇连同它们在湖水中的倒影，一起轻轻地起起伏伏，悠闲地荡漾在湖中。空气清凉而湿润，薄如轻纱的水雾已然飘过了半山腰，绕着山林逐渐散去。湖心岛上，教堂整点的钟声划破了此时的宁静，悠远而绵长。童话故事中的仙境就这样出现在面前，而我甚至还没有准备好如何走进它。
参考文献：
［1］张辰贝西，黄志球.自动导航车（AGV）发展综述［J］.中国制造业信息化，2010（1）：53－59.
［2］朱彦，赵盼.基于 P综合的无人驾驶车辆路径跟随串级鲁棒控制方法［J］.机器人，2013，35（4）：417－424.
［3］王灿.基于激光雷达的运动目标跟踪和地图构建技术研究［D］.合肥：中国科学技术大学，2013：45－80.
［4］谢茜.基于视觉的车道线检测与识别［D］.武汉：武汉理工大学，2013：55－78.
［5］辛煜.无人驾驶车辆运动障碍物避撞系统中的方法研究［D］.合肥：中国科学技术大学，2014：23－68.
［6］杨象军.基于四线激光雷达的道路检测与跟踪［D］.杭州：浙江大学，2013：56－88.
［7］辛煜，梁华为，杜明博，等.—种可搜索无限个邻域的改进 A*算法［J］.机器人，2014，36（5）：627－633.
Research on Application of Electronic Checkpoint System for Security Defense
XU Wenjing
（Luoyang Electro-optic Equipment Research Institute of China Aviation Industry，Luoyang 471000，China）
Abstract： In this paper，an electronic checkpoint system is designed，which can can be used in dangerous environments such as reconnaissance，risk removal，rescue operation in replacement of human beings.This paper can also provide a reference for related scientific researches.
Key words： electronic Checkpoint；security and anti-terrorism；passive positioning；self－contained navigation
DOI： 10.3969／j.issn.1674－5043.2019.01.013
中图分类号： TP391.4
文献标识码： A
文章编号： 1674－5043（2019）01－0060－05
收稿日期： 2019－02－15
作者简介： 徐文菁（1983－），女，河南洛阳人，硕士，工程师，主要从事无人车导航及控制方面的研究.
标签：电子哨卡论文; 安防反恐论文; 无源定位论文; 自主导航论文; 洛阳电光设备研究所论文;