高速公路智能監(jiān)測預(yù)警機器人系統(tǒng)研究

引言

在高速公路日常運行管理中,管理部門主要通過視頻系統(tǒng)監(jiān)視與車輛流動巡邏方式采集高速公路運行狀況,由于視頻監(jiān)視效率低、車輛巡邏存在時間間隔,因此無法做到實時、準確、全面的監(jiān)控:特別是高速公路發(fā)生交通事故時,很難及早發(fā)現(xiàn),無法第一時間獲取現(xiàn)場情況,影響救援效率。

本文提出了可用于高速公路監(jiān)測預(yù)警的移動機器人,利用現(xiàn)有護欄作為機器人移動載體,降低機器人應(yīng)用的成本,從而使高速公路智能化運營管理成為可能。

1總體方案設(shè)計

智能監(jiān)測預(yù)警機器人系統(tǒng)以現(xiàn)有的高速公路護欄為軌道,可實現(xiàn)自動前行、倒行和停止運動,運行速度約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及高精度傳感器,能夠?qū)崟r監(jiān)測路況信息,及時發(fā)現(xiàn)安全隱患,通過聲光向后方車輛提示預(yù)警,避免事故發(fā)生。系統(tǒng)通過4G網(wǎng)絡(luò)進行信號和數(shù)據(jù)的傳輸[3],可通過手機APP和PC端進行遠程控制和查看。

智能監(jiān)測預(yù)警機器人系統(tǒng)主要包括機械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和遠程通信系統(tǒng),系統(tǒng)框圖如圖1所示。機械系統(tǒng)針對護欄波浪型結(jié)構(gòu)進行適應(yīng)性設(shè)計,確保機器人在護欄上平穩(wěn)運行的同時運行速度得到提高,同時設(shè)置減震結(jié)構(gòu),減輕機器人通過護欄連接處時產(chǎn)生的強烈震動對機器人搭載高精設(shè)備的影響,延長使用壽命:電氣控制系統(tǒng)控制機器人系統(tǒng)自主運行的路徑與能量供給,規(guī)劃與控制機器人行走路徑,系統(tǒng)采用鋰電池供電,電量較低時能夠以最優(yōu)路徑尋找充電站進行自主充電:監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測路況信息,通過先進的視頻雷達數(shù)據(jù)融合技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)道路安全隱患,做出準確判斷:遠程通信系統(tǒng)基于4G網(wǎng)絡(luò)建立機器人與客戶端的連接,監(jiān)控人員可通過電腦或手機上的軟件對機器人進行監(jiān)視和控制。

2機械系統(tǒng)

系統(tǒng)包括支座以及安裝設(shè)置在支座上的輪轂電機、主動輪、被動輪組件、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),輪轂電機和圖像視頻采集單元分別與電控單元電連接,主動輪直立設(shè)置于被動輪組件的上方,被動輪組件包括第一被動輪組件和第二被動輪組件,第一被動輪組件和第二被動輪組件分別橫臥設(shè)置于主動輪的兩側(cè),第一被動輪組件和第二被動輪組件之間的橫向間距與高速公路護欄板的寬度相適配,第一被動輪組件上設(shè)置有減震機構(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時監(jiān)控并采集高速公路路面信息以及與遠程計算機監(jiān)控設(shè)備建立無線通信連接,安裝后,第一被動輪組件和第二被動輪組件分別裝配在高速公路護欄板的兩側(cè),主動輪置于高速公路護欄板的頂端,使用時輪轂電機帶動監(jiān)控裝置沿高速公路護欄移動。

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)動定位系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)組成,具體如下:

3.1電源管理系統(tǒng)

為了保證機器人達到設(shè)計的續(xù)航里程與巡航速度,系統(tǒng)各部分功能正常使用,首先需要對機器人的電源管理系統(tǒng)進行設(shè)計。

3.1.1電池設(shè)計

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

根據(jù)統(tǒng)計計算,初步得出系統(tǒng)在工作時的平均功耗約為98W,按照一天工作4個充放電周期計,每個周期機器人運行4h,充電2h:系統(tǒng)一天耗電總計約1568wh。在設(shè)計電池容量時,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

在機器人巡檢的路徑上(護欄旁)設(shè)置充電樁,機器人可以隨時充電。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,則需建立太陽能供電系統(tǒng)為充電樁提供電力。

3.2驅(qū)動定位系統(tǒng)

驅(qū)動定位系統(tǒng)的主要功能是驅(qū)動整個移動機器人系統(tǒng)在護欄上進行前進、后退兩個方向的線性運動。同時通過GPS與內(nèi)置的編碼器對機器人進行定位。

3.2.1驅(qū)動電機

根據(jù)設(shè)定,機器人移動速度為5~15km/h,驅(qū)動輪直徑(含輪胎)初定為100mm,驅(qū)動方式為電機直驅(qū),不設(shè)計減速機構(gòu)。經(jīng)計算,電機所需的轉(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)在護欄上的通過能力。

3.2.2定位

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

3.3遠程控制系統(tǒng)

利用4G-RTU模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制功能。其內(nèi)部集成MODBUS協(xié)議,可采集開關(guān)量、電流等模擬信號,支持IO模塊自由組合,可實現(xiàn)對機器人系統(tǒng)內(nèi)各個功能單元的控制功能。

4監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

4.1監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)備

監(jiān)測預(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云臺,能夠?qū)崟r采集高速公路路況信息,及時發(fā)現(xiàn)道路安全隱患,識別護欄完好狀態(tài),確保機器人安全運行:還能采集現(xiàn)場天氣信息,確保車輛安全運行,并做出準確判斷,通過聲光向后方車輛預(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,可實現(xiàn)與現(xiàn)場人員的語音交互。

4.2監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件功能

交通管理人員可以通過登錄移動巡邏機器人預(yù)警系統(tǒng)客戶端,操控指定巡邏設(shè)備進行移動檢測。通過移動巡邏機器人預(yù)警系統(tǒng)客戶端可以實時了解移動巡邏設(shè)備的相關(guān)配置情況,包含無線網(wǎng)絡(luò)、后臺服務(wù)器是否連接正常,設(shè)備存儲電量是否充足等。

5結(jié)語

本文提出了高速公路智能監(jiān)測預(yù)警機器人的設(shè)計方法,并對其實施方法與工作原理進行了闡述。根據(jù)巡檢任務(wù)需求,對系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型依據(jù)進行了詳細的介紹。利用現(xiàn)有護欄作為機器人移動載體,可以降低機器人應(yīng)用的成本,從而使高速公路智能化運營管理成為可能。