高速公路智能監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)器人系統(tǒng)研究

引言

在高速公路日常運(yùn)行管理中,管理部門(mén)主要通過(guò)視頻系統(tǒng)監(jiān)視與車(chē)輛流動(dòng)巡邏方式采集高速公路運(yùn)行狀況,由于視頻監(jiān)視效率低、車(chē)輛巡邏存在時(shí)間間隔,因此無(wú)法做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的監(jiān)控:特別是高速公路發(fā)生交通事故時(shí),很難及早發(fā)現(xiàn),無(wú)法第一時(shí)間獲取現(xiàn)場(chǎng)情況,影響救援效率。

本文提出了可用于高速公路監(jiān)測(cè)預(yù)警的移動(dòng)機(jī)器人,利用現(xiàn)有護(hù)欄作為機(jī)器人移動(dòng)載體,降低機(jī)器人應(yīng)用的成本,從而使高速公路智能化運(yùn)營(yíng)管理成為可能。

1總體方案設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)器人系統(tǒng)以現(xiàn)有的高速公路護(hù)欄為軌道,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)前行、倒行和停止運(yùn)動(dòng),運(yùn)行速度約10km/h,一次充電可持續(xù)行走3~4h。系統(tǒng)集成高清紅外攝像機(jī)及高精度傳感器,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)路況信息,及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患,通過(guò)聲光向后方車(chē)輛提示預(yù)警,避免事故發(fā)生。系統(tǒng)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸[3],可通過(guò)手機(jī)APP和PC端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和查看。

智能監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)器人系統(tǒng)主要包括機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和遠(yuǎn)程通信系統(tǒng),系統(tǒng)框圖如圖1所示。機(jī)械系統(tǒng)針對(duì)護(hù)欄波浪型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì),確保機(jī)器人在護(hù)欄上平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)運(yùn)行速度得到提高,同時(shí)設(shè)置減震結(jié)構(gòu),減輕機(jī)器人通過(guò)護(hù)欄連接處時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)對(duì)機(jī)器人搭載高精設(shè)備的影響,延長(zhǎng)使用壽命:電氣控制系統(tǒng)控制機(jī)器人系統(tǒng)自主運(yùn)行的路徑與能量供給,規(guī)劃與控制機(jī)器人行走路徑,系統(tǒng)采用鋰電池供電,電量較低時(shí)能夠以最優(yōu)路徑尋找充電站進(jìn)行自主充電:監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)路況信息,通過(guò)先進(jìn)的視頻雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)道路安全隱患,做出準(zhǔn)確判斷:遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)基于4G網(wǎng)絡(luò)建立機(jī)器人與客戶(hù)端的連接,監(jiān)控人員可通過(guò)電腦或手機(jī)上的軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2機(jī)械系統(tǒng)

系統(tǒng)包括支座以及安裝設(shè)置在支座上的輪轂電機(jī)、主動(dòng)輪、被動(dòng)輪組件、電控單元和圖像視頻采集單元,電控單元和圖像視頻采集單元安裝在支座的頂部,支座的外側(cè)安裝有外罩,外罩的兩側(cè)安裝有拉環(huán),輪轂電機(jī)和圖像視頻采集單元分別與電控單元電連接,主動(dòng)輪直立設(shè)置于被動(dòng)輪組件的上方,被動(dòng)輪組件包括第一被動(dòng)輪組件和第二被動(dòng)輪組件,第一被動(dòng)輪組件和第二被動(dòng)輪組件分別橫臥設(shè)置于主動(dòng)輪的兩側(cè),第一被動(dòng)輪組件和第二被動(dòng)輪組件之間的橫向間距與高速公路護(hù)欄板的寬度相適配,第一被動(dòng)輪組件上設(shè)置有減震機(jī)構(gòu),圖像視頻采集單元包括傳感器和攝像頭,支座上設(shè)置有用于安裝傳感器的安裝孔,圖像視頻采集單元用于實(shí)時(shí)監(jiān)控并采集高速公路路面信息以及與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備建立無(wú)線(xiàn)通信連接,安裝后,第一被動(dòng)輪組件和第二被動(dòng)輪組件分別裝配在高速公路護(hù)欄板的兩側(cè),主動(dòng)輪置于高速公路護(hù)欄板的頂端,使用時(shí)輪轂電機(jī)帶動(dòng)監(jiān)控裝置沿高速公路護(hù)欄移動(dòng)。

3電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由電源管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成,具體如下:

3.1電源管理系統(tǒng)

為了保證機(jī)器人達(dá)到設(shè)計(jì)的續(xù)航里程與巡航速度,系統(tǒng)各部分功能正常使用,首先需要對(duì)機(jī)器人的電源管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1.1電池設(shè)計(jì)

由于機(jī)器人在工作時(shí)處于移動(dòng)狀態(tài),且機(jī)身體積較小,只能利用蓄電池提供電力。為了盡量減少電力逆變的損耗,整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部件應(yīng)避免使用交流供電設(shè)備,宜采取直流供電。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,初步得出系統(tǒng)在工作時(shí)的平均功耗約為98W,按照一天工作4個(gè)充放電周期計(jì),每個(gè)周期機(jī)器人運(yùn)行4h,充電2h:系統(tǒng)一天耗電總計(jì)約1568wh。在設(shè)計(jì)電池容量時(shí),通常需考慮蓄電池的放電系數(shù)、充電預(yù)留電量以及電池的損耗,為保證系統(tǒng)正常工作,應(yīng)采用不小于30Ah的24V蓄電池。

3.1.2充電方式

在機(jī)器人巡檢的路徑上(護(hù)欄旁)設(shè)置充電樁,機(jī)器人可以隨時(shí)充電。若取電方便,則采用交流電為充電樁供電。若取電不方便,成本太高,則需建立太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為充電樁提供電力。

3.2驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)的主要功能是驅(qū)動(dòng)整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在護(hù)欄上進(jìn)行前進(jìn)、后退兩個(gè)方向的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。同時(shí)通過(guò)GPS與內(nèi)置的編碼器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位。

3.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)

根據(jù)設(shè)定,機(jī)器人移動(dòng)速度為5~15km/h,驅(qū)動(dòng)輪直徑(含輪胎)初定為100mm,驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)直驅(qū),不設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)。經(jīng)計(jì)算,電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速為300~900r/min。在45w左右的額定功率下,可提供最大3Nm的扭矩,保證了系統(tǒng)在護(hù)欄上的通過(guò)能力。

3.2.2定位

在機(jī)器人識(shí)別出路面異物、交通事故等事件時(shí),如何精確定位是本系統(tǒng)的重要功能之一。系統(tǒng)定位功能可以通過(guò)編碼器、GPS、電子標(biāo)簽三種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

利用4G-RTU模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。其內(nèi)部集成MODBUS協(xié)議,可采集開(kāi)關(guān)量、電流等模擬信號(hào),支持IO模塊自由組合,可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)功能單元的控制功能。

4監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

4.1監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)備

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)包括圖像采集裝置和聲音傳感裝置。圖像采集裝置包括高清紅外攝像機(jī)云臺(tái),能夠?qū)崟r(shí)采集高速公路路況信息,及時(shí)發(fā)現(xiàn)道路安全隱患,識(shí)別護(hù)欄完好狀態(tài),確保機(jī)器人安全運(yùn)行:還能采集現(xiàn)場(chǎng)天氣信息,確保車(chē)輛安全運(yùn)行,并做出準(zhǔn)確判斷,通過(guò)聲光向后方車(chē)輛預(yù)警:聲音傳感裝置包括音頻采集設(shè)備和音頻放大設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)人員的語(yǔ)音交互。

4.2監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件功能

交通管理人員可以通過(guò)登錄移動(dòng)巡邏機(jī)器人預(yù)警系統(tǒng)客戶(hù)端,操控指定巡邏設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)檢測(cè)。通過(guò)移動(dòng)巡邏機(jī)器人預(yù)警系統(tǒng)客戶(hù)端可以實(shí)時(shí)了解移動(dòng)巡邏設(shè)備的相關(guān)配置情況,包含無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)服務(wù)器是否連接正常,設(shè)備存儲(chǔ)電量是否充足等。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出了高速公路智能監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法,并對(duì)其實(shí)施方法與工作原理進(jìn)行了闡述。根據(jù)巡檢任務(wù)需求,對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型依據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。利用現(xiàn)有護(hù)欄作為機(jī)器人移動(dòng)載體,可以降低機(jī)器人應(yīng)用的成本,從而使高速公路智能化運(yùn)營(yíng)管理成為可能。