一种基于AI的远程智能车实验平台及实验方法

技术领域

本发明涉及远程控制技术领域，具体的是一种基于AI的远程智能车实验平台及实验方法。

背景技术

在计算机科学中，人工智能(AI)有时被称为机器智能，是由机器展示的智能，与人类和动物展示的自然智能形成对比。通俗地说，“人工智能”一词用来描述模仿人类与其他人类思维相关联的“认知”功能的机器，如“学习”和“解决问题”。智能车是一种较为典型的运动控制实验装置，在许多工程技术领域有着广阔的开发前景，具有趣味性和理论研究性于一体。

现有技术中，对智能车、飞行器等运动控制实验装置可以通过遥控的方法控制其运动，但是无法让实验者通过在线编程的方式调试、固化程序，从而达到学习运动控制装置的编程方法和控制方法。而且，目前的实验工具与智能车及其组件必须有限距离连接，甚至是实验编程工具、调试器、智能车控制器必须通过数据线连接，学习者利用实验编程工具编写控制程序，下载到智能车控制器，观察运动效果，完成控制任务。智能车体积庞大，不便于携带，学习者必学购置全套组件才能够完成学习，成本较高。智能车的运动训练有一定的环境要求，常常需要构建复杂的不能携带的平面或者立体地图，降低了学习人员的实验效率；地图面积较大，一般的家庭、宿舍和教室环境难以满足要求，需要特殊的环境支持。并且，这种集成的结构不便于开展远程教学和在线实验，同时现有的在实验的过程中，尽管可通过多组摄像头进行拍摄，但是只能小车在移动，从而固定的摄像头拍摄任然存在死角以及不清晰的情况，同时本地调试器，适中需要工作人员进行现场调解，不能够利用人工智能技术进行远程调试本地调试器。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于AI的远程智能车实验平台及实验方法，该实验平台能够在形式上分离实验者与车载控制器、智能车车体、训练地图和相关组件，实际上保留原有的闭环控制数据链路，实验者只需要携带实验编程工具和本地调试器，即可在有网络条件的任何地方学习智能车的调试和控制技术，通过本地调试器直接收发调试指令和反馈运动信息，通过网络查看实验室监控视频数据，操作方便，便于开展远程教学和在线实验，实现真正的智能车远程编程、调试、程序固化和控制，节约了学习成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于AI的远程智能车实验平台，包括本地实验端、远程智能车平台和通讯介质，本地实验端包括本地实验工具和本地调试器，远程智能车平台包括车载调试器、车载控制器、车载驱动单元、车载信号采集单元、智能车车体和电源系统，车载信号采集单元包括车体运动速度采集单元、加速度采集单元、方向采集单元、姿态采集单元、车载电源信息采集单元、车载摄像头采集单元；

通讯介质分别实现本地调试器和车载调试器之间、本地实验工具和实验室监控设备之间、本地实验工具和车载控制器之间的数据双向交互，本地调试器遵循既定的通讯协议与远程的车载调试器完成通讯对接，实现对车载控制器的编程、调试和监测；

本地实验工具和本地调试器双向交互，车载控制器分别与车载调试器、车载驱动单元及车载信号采集单元双向交互。

优选地，本地实验工具包括PC、笔记本、PAD或者其他能够构建编程下载环境的电子设备。

优选地，远程智能车平台中的车载调试器、车载控制器、车载驱动单元、车载信号采集单元以及电源系统与智能车车体集成为一体，远程智能车平台与实验室监控设备布置在能够铺设智能车运行地图的实验室内。

优选地，车载控制器下载车载控制器调试程序，运行后，观察智能车回传的数据查看控制效果，通过实验室的监控查看智能车运动图像，如未达到控制任务，查找错误继续编写程序，车载控制器调试程序包括单步和断点调试程序。

优选地，本地实验平台还包括控制柜，控制柜的顶部固定安装有AI智能终端，本地调试器安装于控制柜顶部右侧，监控设备包括安装板，安装板底部固定安装有导轨，导轨的外壁套装有罩壳，罩壳底部固定连接连接板，连接板底部固定连接有升降板，升降板底部连接有固定板，固定板底部两侧分别固定安装有摄像头和红外模块；

AI智能终端包括人工智能服务器、数据传送模块和数据采集模块，人工智能服务器的信号输出端通过数据传送模块和本地调试器的信号输入端连接。

优选地，罩壳的两侧壁均固定安装有电机，电机的传动轴贯穿罩壳固定连接有橡胶轮，导轨的顶部两侧均开设有与橡胶轮适配的轮槽，橡胶轮插接于轮槽内。

优选地，升降板包括第一板体和第二板体，第一板体的顶部和连接板固定连接，第一板体的右侧开设有限位滑槽，限位滑槽内插接有限位滑块，限位滑块的外壁和第二板体固定连接，限位滑块的顶部固定连接有电动推杆，电动推杆的顶端和限位滑槽的内腔顶部固定连接，第二板体的底部和固定板固定连接。

优选地，红外模块的信号输出端和人工智能服务器的信号输入端连接，人工智能服务器的信号输出端和电机的信号输入端连接。

一种基于AI的远程智能车实验方法，包括如下步骤：

S1：实验者利用自备的本地实验工具，在集成开发环境中编写智能车的运动控制逻辑、算法和数据转发程序；

S2：编译程序，查看有无编译错误；

S3：生成车载控制器可用的可执行文件，通过USB接口传输给本地调试器；

S4：本地调试器通过网络介质以特定的通讯协议将可执行文件传输给车载控制器；

S5：车载调试器通过导线以车载控制器的调试接口协议通讯，将可执行文件装载到车载控制器；

S6：如果车载控制器装载程序后，直接运行，跳转到S13，如果是调试程序，调到S7；

S7：实验者在实验工具中的开发环境中可以执行设置断点、设置查看的车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器代码、设置查看的变量名称等调试操作，也可以设置程序的调试执行模式为单步、有限步骤或者全速；

S8：开发环境通过USB接口将实验者的调试命令传输给本地调试器；

S9：本地调试器通过网络介质将调试命令按照既定的通讯协议发送给车载调试器；

S10：车载调试器执行实验者的调试命令；

S11：如果调试命令中有需要查看的车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器、查看的变量值等需要回传数据的调试命令，车载调试器按照车载控制器的调试接口协议访问车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器，获取相关数据，通过网络介质将该数据按照既定的通讯协议通过网络介质回传给本地调试器；

S12：本地调试器将接收到的数据通过USB接口传递给开发环境，得到实验者感兴趣的数据；

S13：在车载控制器运行过程中，可以观察智能车回传的数据查看控制效果，也可以通过实验室的监控查看智能车运动图像；

S14：如未达到控制任务，实验者可以返回S1继续修改程序。也可以返回S7在线调试车载控制器，单步或者断点调试程序，根据回传的信息进行查错，然后返回S1修改程序。

本发明的有益效果：

(1)本发明分离了智能车的车体组件车载控制器和本地实验工具，车体组件和必要的训练地图可以放置在具有条件的大面积专用实验室，实验者只需要携带便携的本地实验工具和本地调试器即可在任何有网络信号的地方调试、控制智能车，实际上保留原有的闭环控制数据链路，本地核心控制器能够直接收发控制指令和反馈运动信息和视频数据，接线简单，操作方便，便于开展远程教学和在线实验，实现真正的无人车远程控制，节约了学习成本。

(2)本发明架构的形式上是远程，智能车的运动状态数据一般为图像环境图像数据、速度、加速度、姿态信息，具有一定的数据量，智能车的控制对实时性和稳定性要求比较高，因此，解决“远程”上信息传输的快速性、实时性、稳定性，保证形式上的“远程”实质上与“车载”一样。

(3)本发明利用通讯介质传输速度快和延迟低这两大技术特性，可以满足智能车对于通讯稳定性、实时性和带宽的要求，避免智能车的控制失灵、实时图像中断或模糊，以及状态反馈滞后的问题，保证控制信号、状态数据、环境图像数据的闭环实时性没有改变，确保了远程调试、控制智能车的可能性。为智能车的通讯提供了充分的支持，同时也为智能车的远程通讯与操控提供了保障。通讯介质接入智能车远程实验平台后，不仅可以实时感知关键节点的运动状态、环境数据，而且能够主动响应任务变化和路径障碍，可以把“远程”变为“车载”。通讯介质极大程度上降低了延迟，提高了远程实验的效率及可靠度。

(4)本发明通过AI智能终端能够实现人工智能控制摄像头进行移动，从而在红外模块对智能小车的追踪下，随着小车的移动，摄像头的高度以及位置能够实时发生变化，从而实时追踪智能小车，从而能够对智能小车的图像数据拍摄的更加准确，真正的实现无死角，保证观看和智能小车的研究更加精准，同时利用AI智能终端能够直接采集工作人员所需进行调整的指令，可利用语音输入的方式进行自动发出指令，将指令传送给本地调试器进行调试操作，使得工作人员可在远程进行控制控制本地调试，在AI技术的支撑下，使得操作更加的简单快捷。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明远程智能车实验平台的架构框图；

图2是本发明远程智能车实验平台的方法流程图；

图3是本发明远程智能车实验平台的监控设备和控制柜结构示意图；

图4是本发明远程智能车实验平台的导轨和罩壳连接结构示意图；

图5是本发明远程智能车实验平台的升降板结构示意图；

图6是本发明远程智能车实验平台的AI智能终端示意图。

图中：

1、控制柜；2、AI智能终端；3、安装板；4、导轨；5、罩壳；6、连接板；7、升降板；8、固定板；9、摄像头；10、红外模块；11、电机；12、橡胶轮；13、轮槽；14、第一板体；15、第二板体；16、限位滑槽；17、限位滑块；18、电动推杆；19、人工智能服务器；20、数据传送模块；21、数据采集模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种基于AI的远程智能车实验平台，包括实验平台，实验平台包括本地实验工具、监控软件、本地调试器、远程调试器、远程智能车平台、实验室监控设备以及通讯介质，通讯介质分别实现本地调试器和车载调试器之间、本地PC和实验室监控设备之间的数据双向交互，其中：

本地实验端包括本地实验工具和本地调试器，本地实验工具运行智能车控制程序编辑、编译程序、监控软件和视频监控程序；本地调试器用于本地实验工具与车载调试器的双向交互；

远程智能车平台包括车载调试器、车载控制器、车载驱动单元、车载信号采集单元、智能车车体和电源系统，车载控制器分别与车载调试器、车载驱动单元及车载信号采集单元双向交互；

车载信号采集单元包括车体运动速度、加速度、方向、姿态采集单元、车载电源信息采集单元、车载摄像头采集单元；为监控和软件提供数据源。

本实施例中，远程智能车实验平台的实验操作过程如下：实验者携带含有本地实验工具和本地调试器的本地实验端，在具有网络信号的任何地方对智能车车体进行远程调试控制，实验者使用编程工具按照实验任务以及既定的通讯协议编写智能车的运动控制逻辑、算法和数据转发程序，编译后生成可执行代码，通过本地调试器、通讯介质、车载调试器下载到远程智能车平台中的车载控制器，车载控制器生成智能车驱动电平给车载驱动单元，车载驱动单元根据接收到的信号为智能车车体提供动力信号，改变智能车车体的运动状态；实验者也可以通过本地调试器、通讯介质、车载调试器在线调试车载控制器，访问车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器；车载信号采集单元采集智能车车体的运动状态信息并实时将这些信息通过车载控制器、通讯介质回传给本地实验工具中运行的监控软件；本地实验工具同时控制实验室监控设备，实验室监控设备为实验者提供智能车运行的实时现场图像视频，能够全方位的观察和了解智能车运动状态和实际控制效果，形成对智能车的闭环控制。

进一步的，本地实验端中的本地实验工具包括PC、笔记本、PAD或者其他能够构建编程下载环境的电子设备；本地实验端中的本地调试器遵循既定的通讯协议，与远程的车载调试器完成通讯对接，实现对车载控制器的编程、调试和监测。

本实施例中，实验室提供本地实验工具可运行的监控软件，按照既定的通讯协议，通过网络介质与车载控制器进行数据交互，监测智能车运动的性能数据。

进一步的，本地调试器、车载调试器通过通讯介质形成数据双向交互。

本实施例中，本地调试器通过USB接口与本地实验工具连接，支持Windows7、Windows 10、Linux等操作系统，实验者在本地实验工具的集成开发环境中调试程序时，有断点调试、连续调试、单步调试、下载程序等操作，可查看车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器的内容，可查看程序变量在程序运行中的数值变化，这些操作都可以由本地调试器通过通讯介质与车载调试器通讯，将集成开发环境的这些命令转换成对车载控制器调试接口的控制信号,对芯片进行控制、数据读写等操作。

进一步的，远程智能车平台中的车载调试器、车载控制器、车载驱动单元、车载信号采集单元以及电源系统与智能车车体集成为一体，与实验室监控设备布置在能够铺设智能车运行地图的实验室内。

本实施例中，车载调试器通过导线与车载控制器调试接口连接，接收本地调试器的指令和数据，访问车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器，并返回相关数据，完成调试、编程和程序固化等操作。

车载调试器的调试命令、固化程序来自本地调试器，并将实验者关心的车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器的内容发送给本地调试器，两者之间的数据交互通过通讯介质传递。

进一步的，下载到车载控制器的编程后的可执行文件，运行后，观察智能车回传的数据查看控制效果，通过实验室的监控查看智能车运动图像。如未达到控制任务，查找错误继续编写程序。

进一步的，车载控制器调试程序包括单步和断点调试程序。

进一步的，本地实验平台还包括控制柜1，控制柜1的顶部固定安装有AI智能终端2，本地调试器安装于控制柜1顶部右侧，监控设备包括安装板3，安装板3底部固定安装有导轨4，导轨4的外壁套装有罩壳5，罩壳5底部固定连接连接板6，连接板6底部固定连接有升降板7，升降板7底部连接有固定板8，固定板8底部两侧分别固定安装有摄像头9和红外模块10；

AI智能终端2包括人工智能服务器19、数据传送模块20和数据采集模块21，人工智能服务器19的信号输出端通过数据传送模块20和本地调试器的信号输入端连接。

进一步的，罩壳5的两侧壁均固定安装有电机11，电机11的传动轴贯穿罩壳5固定连接有橡胶轮12，导轨4的顶部两侧均开设有与橡胶轮1适配的轮槽13，橡胶轮12插接于轮槽13内。

进一步的，升降板7包括第一板体14和第二板体15，第一板体14的顶部和连接板6固定连接，第一板体14的右侧开设有限位滑槽16，限位滑槽16内插接有限位滑块17，限位滑块17的外壁和第二板体15固定连接，限位滑块17的顶部固定连接有电动推杆18，电动推杆18的顶端和限位滑槽16的内腔顶部固定连接，第二板体15的底部和固定板8固定连接。

进一步的，红外模块10的信号输出端和人工智能服务器19的信号输入端连接，人工智能服务器19的信号输出端和电机11的信号输入端连接。

实施例1：

下面结合附图和具体实施案例对本发明进行进一步的详细说明。

参看图1，本发明远程智能车实验平台包括本地实验端、远程智能车平台、实验室监控设备以及通讯介质，本地实验端包括本地实验工具和本地调试器，远程智能车平台包括车载调试器、车载控制器、车载驱动单元、车载信号采集单元、智能车车体和电源系统并与实验室监控设备布置在具有条件铺设智能车运行地图的实验室内，实验室的监控软件包括的摄像头9，可在AI智能终端2发出指令后，利用红外模块10进行追踪智能小车，从而人工智能服务器19会发出指令，使得电机11进行工作，使得带动橡胶轮12在轮槽13内转动，从而使得罩壳5带动摄像头9能够进行移动，同时电动推杆18能够带动第二板体15升降，调节摄像头9的高度，从而能够实现智能追踪拍摄智能小车的情况，并且将利用数据传送数据传送给远程端，从而实时追踪进行拍摄能够保证智能小车更加清晰的呈现在远端，同时远程的工作人员需要对本地调试器进行调试时，可通过远程传送信号，然后AI智能终端2的数据采集模块21能够将信号反馈给人工智能服务器19，从而对本地调试器进行发出指令，进行本地调试，从而无需人工现场手动调试，更加的提供了便利性。

其中：车载控制器可采用恩智浦公司的Cortex-M7内核的i.MX RT1021处理器为核心。车载控制器需要提前由实验室管理人员或者学习者通过导线与车载调试器连接。车载控制器运行智能车控制逻辑、算法、外设组件驱动程序和相关通讯协议，车载控制器生成智能车驱动电平给车载驱动单元，车载驱动单元根据接收到的信号为智能车提供动力信号，改变智能车运动状态，驱动智能车按照指令进行前进、后退、左转、右转、单脉冲等运动。车载信号采集单元采集智能车运动状态信息和环境信息、图像数据，并由车载调试器经通讯介质回传给本地实验端的本地核心控制器。车载控制器接收车载信号采集单元发来的智能车运动信息数据、车载摄像头(可选配)的图像信息，通过车载调试器、通讯介质、本地调试器发送给学习者。实验室的监控设备可以通过通讯介质实时提供智能车的运行状态。

实验者携带编程工具、本地调试器，在具有网络信号的任何地方像调试传统智能车一样调试远程的智能车。

实验者使用远程智能车实验平台架构进行实验的流程如图2所示，步骤描述如下：

实验者利用自备的本地实验工具，在集成开发环境中编写智能车的运动控制逻辑、算法和数据转发程序。

编译程序，查看有无编译错误。

生成车载控制器可用的可执行文件，通过USB接口传输给本地调试器。

本地调试器通过网络介质以特定的通讯协议将可执行文件传输给车载控制器。

车载调试器通过导线以车载控制器的调试接口协议通讯，将可执行文件装载到车载控制器。

如果车载控制器装载程序后，直接运行，跳转到S13，如果是调试程序，调到S7。

实验者在实验工具中的开发环境中可以执行设置断点、设置查看的车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器代码、设置查看的变量名称等调试操作，也可以设置程序的调试执行模式为单步、有限步骤或者全速。

开发环境通过USB接口将实验者的调试命令传输给本地调试器。

本地调试器通过网络介质将调试命令按照既定的通讯协议发送给车载调试器。

车载调试器执行实验者的调试命令。

如果调试命令中有需要查看的车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器、查看的变量值等需要回传数据的调试命令，车载调试器按照车载控制器的调试接口协议访问车载控制器相关数据寄存器和指令寄存器，获取相关数据，通过网络介质将该数据按照既定的通讯协议通过网络介质回传给本地调试器。

本地调试器将接收到的数据通过USB接口传递给开发环境，得到实验者感兴趣的数据。

在车载控制器运行过程中，可以观察智能车回传的数据查看控制效果，也可以通过实验室的监控查看智能车运动图像。

如未达到控制任务，实验者可以返回S1继续修改程序。也可以返回S7在线调试车载控制器，单步或者断点调试程序，根据回传的信息进行查错，然后返回S1修改程序。

实施例2：

实验者使用远程智能车实验平台架构进行实验方法如图1所示，可以存在第二种方法：

实验室为实验者提供智能车运行监控软件，并提供与智能车的相关通讯协议。

实验者按照实施例1方法为车载控制器固化程序

实验者在本地实验工具运行监控软件

车载控制器按照既定的通讯协议，通过网络介质为监控软件提供智能车运行指标信息，包括但不限于车体运动速度、加速度、方向、姿态、车载电源信息、车载摄像头信息；

如果这些运动指标信息没有达到预期性能需求，实验者继续修改程序，按照实施例1继续调试。

实施例3：

实验者使用远程智能车实验平台架构进行实验可以利用实验室提供的自检程序来检验智能车组件：

实验者按照实施例1方法为车载控制器固化自检程序

车载控制器通过网络介质为本地实验端提供智能车运行指标信息，包括但不限于车体运动速度、加速度、方向、姿态、车载电源信息、车载摄像头信息；

如果这些运动指标信息中有故障信息提示，实验者向实验者报告智能车故障请求实验室协助。

本地实验工具可以是PC、笔记本、PAD或者其他可以构建编程下载环境的电子设备，由用户自备；本地调试器与车载调试器通过通讯介质完成调试命令和数据对接，车载控制器向实验者发送运动状态和图像数据等。用户使用实验工具按照实验任务完成编程，经本地调试器、通讯介质、车载调试器下载到车载控制器，同时接收智能车的运动信息和图像数据，形成闭环控制。

电源系统可采用电池供电，为智能车及其装载单元提供所需电源。

本发明分离了学习者和智能车的车体组件。车体组件和必要的训练地图可以放置在具有条件的大面积专用实验室，实验者只需要携带便携的本地调试器即可在任何有网络信号的地方调试、控制智能车。

通讯介质可以是5G网络技术及其他通讯速度、网络延时更优的网络技术。5G网络技术规范的理论网络带宽达到10Gbps，相当于1.25GB/s的下载速度，其超低的网络延迟可以达到1ms级别的范畴。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。