高速公路智能监测预警机器人系统研究

引言

在高速公路日常运行管理中,管理部门主要通过视频系统监视与车辆流动巡逻方式采集高速公路运行状况,由于视频监视效率低、车辆巡逻存在时间间隔,因此无法做到实时、准确、全面的监控:特别是高速公路发生交通事故时,很难及早发现,无法第一时间获取现场情况,影响救援效率。

本文提出了可用于高速公路监测预警的移动机器人,利用现有护栏作为机器人移动载体,降低机器人应用的成本,从而使高速公路智能化运营管理成为可能。

1总体方案设计

智能监测预警机器人系统以现有的高速公路护栏为轨道,可实现自动前行、倒行和停止运动,运行速度约10km/h,一次充电可持续行走3~4h。系统集成高清红外摄像机及高精度传感器,能够实时监测路况信息,及时发现安全隐患,通过声光向后方车辆提示预警,避免事故发生。系统通过4G网络进行信号和数据的传输[3],可通过手机APP和PC端进行远程控制和查看。

智能监测预警机器人系统主要包括机械系统、电气控制系统、监测预警系统和远程通信系统,系统框图如图1所示。机械系统针对护栏波浪型结构进行适应性设计,确保机器人在护栏上平稳运行的同时运行速度得到提高,同时设置减震结构,减轻机器人通过护栏连接处时产生的强烈震动对机器人搭载高精设备的影响,延长使用寿命:电气控制系统控制机器人系统自主运行的路径与能量供给,规划与控制机器人行走路径,系统采用锂电池供电,电量较低时能够以最优路径寻找充电站进行自主充电:监测预警系统能够实时监测路况信息,通过先进的视频雷达数据融合技术及时发现道路安全隐患,做出准确判断:远程通信系统基于4G网络建立机器人与客户端的连接,监控人员可通过电脑或手机上的软件对机器人进行监视和控制。

2机械系统

系统包括支座以及安装设置在支座上的轮毂电机、主动轮、被动轮组件、电控单元和图像视频采集单元,电控单元和图像视频采集单元安装在支座的顶部,支座的外侧安装有外罩,外罩的两侧安装有拉环,轮毂电机和图像视频采集单元分别与电控单元电连接,主动轮直立设置于被动轮组件的上方,被动轮组件包括第一被动轮组件和第二被动轮组件,第一被动轮组件和第二被动轮组件分别横卧设置于主动轮的两侧,第一被动轮组件和第二被动轮组件之间的横向间距与高速公路护栏板的宽度相适配,第一被动轮组件上设置有减震机构,图像视频采集单元包括传感器和摄像头,支座上设置有用于安装传感器的安装孔,图像视频采集单元用于实时监控并采集高速公路路面信息以及与远程计算机监控设备建立无线通信连接,安装后,第一被动轮组件和第二被动轮组件分别装配在高速公路护栏板的两侧,主动轮置于高速公路护栏板的顶端,使用时轮毂电机带动监控装置沿高速公路护栏移动。

3电气控制系统

电气控制系统由电源管理系统、驱动定位系统、远程控制系统组成,具体如下:

3.1电源管理系统

为了保证机器人达到设计的续航里程与巡航速度,系统各部分功能正常使用,首先需要对机器人的电源管理系统进行设计。

3.1.1电池设计

由于机器人在工作时处于移动状态,且机身体积较小,只能利用蓄电池提供电力。为了尽量减少电力逆变的损耗,整个系统各个部件应避免使用交流供电设备,宜采取直流供电。

根据统计计算,初步得出系统在工作时的平均功耗约为98W,按照一天工作4个充放电周期计,每个周期机器人运行4h,充电2h:系统一天耗电总计约1568wh。在设计电池容量时,通常需考虑蓄电池的放电系数、充电预留电量以及电池的损耗,为保证系统正常工作,应采用不小于30Ah的24V蓄电池。

3.1.2充电方式

在机器人巡检的路径上(护栏旁)设置充电桩,机器人可以随时充电。若取电方便,则采用交流电为充电桩供电。若取电不方便,成本太高,则需建立太阳能供电系统为充电桩提供电力。

3.2驱动定位系统

驱动定位系统的主要功能是驱动整个移动机器人系统在护栏上进行前进、后退两个方向的线性运动。同时通过GPS与内置的编码器对机器人进行定位。

3.2.1驱动电机

根据设定,机器人移动速度为5~15km/h,驱动轮直径(含轮胎)初定为100mm,驱动方式为电机直驱,不设计减速机构。经计算,电机所需的转速为300~900r/min。在45w左右的额定功率下,可提供最大3Nm的扭矩,保证了系统在护栏上的通过能力。

3.2.2定位

在机器人识别出路面异物、交通事故等事件时,如何精确定位是本系统的重要功能之一。系统定位功能可以通过编码器、GPS、电子标签三种方式来实现。

3.3远程控制系统

利用4G-RTU模块来实现系统的远程控制功能。其内部集成MODBUS协议,可采集开关量、电流等模拟信号,支持IO模块自由组合,可实现对机器人系统内各个功能单元的控制功能。

4监测预警系统

4.1监测预警系统硬件设备

监测预警系统包括图像采集装置和声音传感装置。图像采集装置包括高清红外摄像机云台,能够实时采集高速公路路况信息,及时发现道路安全隐患,识别护栏完好状态,确保机器人安全运行:还能采集现场天气信息,确保车辆安全运行,并做出准确判断,通过声光向后方车辆预警:声音传感装置包括音频采集设备和音频放大设备,可实现与现场人员的语音交互。

4.2监测预警系统软件功能

交通管理人员可以通过登录移动巡逻机器人预警系统客户端,操控指定巡逻设备进行移动检测。通过移动巡逻机器人预警系统客户端可以实时了解移动巡逻设备的相关配置情况,包含无线网络、后台服务器是否连接正常,设备存储电量是否充足等。

5结语

本文提出了高速公路智能监测预警机器人的设计方法,并对其实施方法与工作原理进行了阐述。根据巡检任务需求,对系统的硬件设备选型依据进行了详细的介绍。利用现有护栏作为机器人移动载体,可以降低机器人应用的成本,从而使高速公路智能化运营管理成为可能。