本發(fā)明涉及交通路障，尤其涉及一種基于無(wú)人機(jī)的路障升降式擺放回收系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，交通事故發(fā)生的頻率也在不斷增加，而在交通事故發(fā)生后需要人員對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)處理。路障作為一種警示和保障作業(yè)人員安全的重要設(shè)施在過(guò)程中具有至關(guān)重要的作用。因?yàn)槁氛鲜桥R時(shí)使用的，目前絕大多數(shù)都是靠人力來(lái)進(jìn)行擺放和回收,特別是在高速公路上作業(yè)區(qū)域一般較長(zhǎng)并且各個(gè)區(qū)域?qū)τ诼氛系臄[放間隔要求都是不同的，因而對(duì)于人工擺放這種作業(yè)方式不僅作業(yè)效率低下,人員對(duì)于路障擺放之間的距離和擺放路障起點(diǎn)位置把握也不準(zhǔn)確,而且在高速公路上人為擺放和回收的危險(xiǎn)性極高，很容易發(fā)生二次事故。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，作業(yè)人員在作業(yè)中與管理中心的聯(lián)系不緊密，遇到緊急情況不能做到及時(shí)的溝通處理。

2、現(xiàn)如今，無(wú)人機(jī)在快遞運(yùn)輸、應(yīng)急救援和農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域用途比較廣泛，在路障擺放回收領(lǐng)域中應(yīng)用較少?，F(xiàn)在的無(wú)人機(jī)運(yùn)輸大多采用的是點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)輸，確定固定的起降點(diǎn)，通過(guò)遙控或軟件系統(tǒng)創(chuàng)建常用的運(yùn)輸航線，到達(dá)目的地完成降落后，指揮中心再通過(guò)遠(yuǎn)程指令或人工手動(dòng)操作拆卸貨物。而如何將路障、無(wú)人機(jī)、人工智能和自動(dòng)化相結(jié)合，在復(fù)雜的道路作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如何利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行道路環(huán)境掃描并根據(jù)要求自動(dòng)確定路障擺放點(diǎn)位，然后根據(jù)擺放點(diǎn)位和要求對(duì)路障進(jìn)行自動(dòng)化擺放和回收；若獲取到路障擺放位置的錯(cuò)誤信息還能夠及時(shí)進(jìn)行回收和調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的路障擺放和回收，極大程度上解放工作人員的雙手，降低作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)是目前仍需要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明提出一種基于無(wú)人機(jī)的路障升降式擺放回收系統(tǒng)及方法，通過(guò)傳感器、路障存儲(chǔ)和加緊裝置與自動(dòng)檢測(cè)模塊相結(jié)合，以作業(yè)人員或作業(yè)車作為基點(diǎn)建立二維的網(wǎng)格坐標(biāo)圖，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)交通量、車輛速度首先計(jì)算出最短的警告區(qū)長(zhǎng)度，便于作業(yè)人員第一時(shí)間擺放最外側(cè)的施工長(zhǎng)度標(biāo)志進(jìn)行警示；通過(guò)無(wú)人機(jī)上的高清攝像頭來(lái)進(jìn)行路況的準(zhǔn)確識(shí)別，并確定每個(gè)路障的位置計(jì)算出每個(gè)路障的初始坐標(biāo)；按照每個(gè)區(qū)域設(shè)置的不同距離間隔進(jìn)行路障的擺放和回收，即使在車上也進(jìn)行路障精準(zhǔn)的擺放和回收。本發(fā)明既適用于普通道路的作業(yè)，也同樣適用于高速公路，提高了作業(yè)人員的安全性和作業(yè)效率。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明基于無(wú)人機(jī)的路障升降式擺放回收系統(tǒng)，包括無(wú)人機(jī)本體、連接裝置和路障投放回收裝置；

3、無(wú)人機(jī)本體包括距離檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、移動(dòng)控制模塊、自動(dòng)檢測(cè)模塊、顯示模塊、圖像識(shí)別模塊、自主定位模塊和實(shí)時(shí)信息交互模塊；

4、路障投放回收裝置包括路障存儲(chǔ)裝置、路障夾持裝置、自動(dòng)檢測(cè)模塊、移動(dòng)控制模塊和升降裝置；所述路障存儲(chǔ)裝置通過(guò)連接裝置與無(wú)人機(jī)本體連接；

5、升降裝置包括升降架、帶有升降絲的縱向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)輪、觸發(fā)電機(jī)、主動(dòng)齒條、從動(dòng)齒條、預(yù)緊板、正齒輪、夾持塊和轉(zhuǎn)輪軸；轉(zhuǎn)輪軸上貫穿有轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪由觸發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；觸發(fā)電機(jī)倒置在升降架上并與正齒輪通過(guò)軸連接；縱向穩(wěn)定桿一端固定在主動(dòng)齒條下端擋板上，另一端固定在預(yù)緊板下端擋板上；預(yù)緊板與夾持塊連接；轉(zhuǎn)輪上連接有牽引吊繩；

6、路障存儲(chǔ)裝置包括投放箱體、傳動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)、壓力傳感器、感應(yīng)控制模塊、紅外控制器、固定撥片和轉(zhuǎn)輪軸；傳動(dòng)軸連接有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器；固定撥片位于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器的輸出軸上；輸出軸水平布置；投放箱體的內(nèi)壁設(shè)有供固定撥片轉(zhuǎn)動(dòng)的限位槽和限位墊片；限位墊片內(nèi)設(shè)有感應(yīng)傳感器；固定撥片上設(shè)有對(duì)路障限位的凸起；電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器的輸出軸和固定撥片轉(zhuǎn)動(dòng)至固定撥片與限位墊片接觸時(shí)停止；

7、路障夾持裝置包括夾持塊、連桿、夾持滑軌和夾持手；夾持手與連桿之間連接有銷軸；夾持滑軌上連接有壓縮彈簧，夾持手和連桿沿著夾持滑軌移動(dòng)；

8、夾持塊上設(shè)有電機(jī)，電機(jī)的軸上連接有曲柄和轉(zhuǎn)動(dòng)撥片，曲柄與電機(jī)的軸之間設(shè)有軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)撥片與電機(jī)的軸固定連接；曲柄設(shè)有帶有內(nèi)凸臺(tái)和外凸臺(tái)的外延部；外凸臺(tái)與連桿連接；轉(zhuǎn)動(dòng)撥片通過(guò)內(nèi)凸臺(tái)帶動(dòng)曲柄圓周運(yùn)動(dòng)，連桿隨外凸臺(tái)運(yùn)動(dòng)；

9、自動(dòng)檢測(cè)模塊包括重量感應(yīng)器、紅外線傳感器和壓力傳感器，重力傳感器位于路障夾持裝置的底部，紅外線傳感器位于固定撥片的上端。

10、轉(zhuǎn)輪的中部開(kāi)設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)連接有牽引吊繩。

11、升降架的上邊框嵌入在投放箱體的外壁與內(nèi)壁之間并上下移動(dòng)。

12、預(yù)緊板與夾持塊連接。

13、本發(fā)明基于無(wú)人機(jī)的路障升降式擺放回收方法，由基于無(wú)人機(jī)的路障升降式擺放回收系統(tǒng)實(shí)施，該方法包括以下步驟：

14、步驟(1)，無(wú)人機(jī)接收到工作指令后，上升到指定高度懸停在空中并將現(xiàn)場(chǎng)的初始圖像和位置發(fā)至管理中心；

15、步驟(2)，以作業(yè)車為基點(diǎn)建立二維網(wǎng)格坐標(biāo)，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)車道的設(shè)計(jì)速度計(jì)算出警告區(qū)的最小長(zhǎng)度s和各個(gè)區(qū)域路障擺放的長(zhǎng)度，再根據(jù)各個(gè)區(qū)域路障間隔生成的路障擺放點(diǎn)圖；

16、警告區(qū)的最小長(zhǎng)度s為：s＝s1+s2+s3

17、式中，s1為車輛從正常行駛降至最終限速值所需的距離，s2為車輛到達(dá)警告區(qū)排隊(duì)尾部時(shí)的最小安全距離，s3為因行車條件改變引起的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度；

18、

19、式中，vxq為限速前的車輛行駛速度，vxh為限速后的車輛行駛速度；

20、

21、式中，t為駕駛員反應(yīng)時(shí)間；φ為道路縱向摩阻系數(shù)；i為道路縱坡，g為重力加速度；

22、步驟(3)，無(wú)人機(jī)根據(jù)路障擺放點(diǎn)圖飛到指定位置后，觸發(fā)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪驅(qū)動(dòng)夾持塊上升，自動(dòng)檢測(cè)模塊感應(yīng)到路障底部后，觸發(fā)電機(jī)停止，固定撥片上的紅外線傳感器鎖定路障底部，夾持塊在壓縮彈簧作用下彈出，固定撥片上的凸起卡住路障，壓力傳感器檢測(cè)夾持手上的重量；路障下方的固定撥片停止并由限位墊片支撐；觸發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)輪使升降絲反向轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)路障夾持裝置下移；自動(dòng)檢測(cè)模塊感應(yīng)到夾持手底部碰到地面后，控制模塊控制觸發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，夾持手通過(guò)夾持滑軌壓縮壓縮彈簧，路障落到目標(biāo)位置；

23、步驟(4)，數(shù)據(jù)處理模塊采用坐標(biāo)比較法比較擺放后路障坐標(biāo)與規(guī)劃的坐標(biāo)差值是否在閾值內(nèi)，若超出了閾值，則調(diào)整路障的坐標(biāo)；擺放完成后無(wú)人機(jī)回到原始基點(diǎn)；

24、步驟(5)，無(wú)人機(jī)收到回收路障的指令后對(duì)下游過(guò)渡區(qū)、工作區(qū)、縱向緩沖區(qū)和上游過(guò)度區(qū)的路障進(jìn)行回收；觸發(fā)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)升降絲正向轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持手落到地面，紅外傳感器確定路障位置后，夾持手通過(guò)夾持滑軌釋放壓縮彈簧并夾緊路障；觸發(fā)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)升降絲反向轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持手夾持路障向上至被設(shè)定層的固定撥片上的紅外線傳感器感應(yīng)，控制模塊控制使觸發(fā)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，設(shè)定層的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器帶動(dòng)固定撥片轉(zhuǎn)動(dòng)至水平；壓縮彈簧帶動(dòng)夾持手壓縮，路障落到固定撥片上；

25、步驟(6)，回收作業(yè)完成后，無(wú)人機(jī)懸停且顯示屏提示回收作業(yè)完成，無(wú)人機(jī)接收到返回指令后回到初始基點(diǎn)。

26、步驟(4)中，無(wú)人機(jī)通過(guò)攝像頭及傳感器對(duì)路障進(jìn)行圖像采集，圖像識(shí)別模塊先對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，自動(dòng)檢測(cè)模塊識(shí)別圖像中的目標(biāo)。

27、步驟(4)中，定位模塊定位到出錯(cuò)位置，先對(duì)路障進(jìn)行回收然后重新擺放至坐標(biāo)位置。

28、步驟(4)中，擺放完成后，無(wú)人機(jī)懸停到設(shè)定高度，圖像識(shí)別模塊對(duì)擺放的路障進(jìn)行識(shí)別，自主定位模塊提取出現(xiàn)有路障對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，同時(shí)從二維網(wǎng)格坐標(biāo)圖中預(yù)先存儲(chǔ)的開(kāi)始規(guī)劃位置中找出對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)兩次位置坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)。

29、步驟(4)中，采用距離比較法計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)之間的歐式距離。

30、步驟(4)中，在進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)比前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，先對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)清洗，然后進(jìn)行格式化，最后將坐標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化到同一尺度。

31、工作原理：本發(fā)明基于無(wú)人機(jī)的路障升降式擺放回收系統(tǒng)在接收到工作指令后，無(wú)人機(jī)首先上升到指定高度懸停在空中并利用圖像識(shí)別模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像采集與傳輸，確定區(qū)域內(nèi)的交通情況后將現(xiàn)場(chǎng)的初始圖像和作業(yè)位置第一時(shí)間發(fā)送回管理中心。

32、然后以作業(yè)車為基點(diǎn)100建立二維的網(wǎng)格坐標(biāo)圖，具體為，將二維空間劃分為若干個(gè)正方形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格用其左下角的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)表示。設(shè)二維空間橫坐標(biāo)范圍為xmin,xmax，縱坐標(biāo)范圍為ymin,ymax，網(wǎng)格大小為g，則每列有h＝(ymax-ymin)/g個(gè)網(wǎng)格，每行有v＝(xmax-xmin)/g個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為n＝h·v。取每個(gè)網(wǎng)格左下角的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代表對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格，并按照從下往上、從左往右的順序給網(wǎng)格編號(hào)，則編號(hào)為k的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)編號(hào)為(xk,yk)。

33、數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)車道的設(shè)計(jì)速度計(jì)算出警示區(qū)106的最短長(zhǎng)度和各個(gè)區(qū)域內(nèi)路障擺放的長(zhǎng)度，再根據(jù)各個(gè)區(qū)域路障間隔要求的不同生成路障擺放點(diǎn)圖；無(wú)人機(jī)根據(jù)路障擺放點(diǎn)圖進(jìn)行路障的擺放。自動(dòng)檢測(cè)模塊先對(duì)上一個(gè)擺放的路障進(jìn)行檢測(cè)和定位，距離檢測(cè)模塊進(jìn)行距離的測(cè)量，比如在上游過(guò)渡區(qū)系統(tǒng)設(shè)置路障間隔為4m，距離確定后自主定位模塊會(huì)確定下一個(gè)路障的位置，無(wú)人機(jī)運(yùn)行進(jìn)行擺放；擺放完成后自動(dòng)檢測(cè)模塊對(duì)路障進(jìn)行識(shí)別其坐標(biāo)位置是否與開(kāi)始規(guī)劃位置相同，不同則會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)然后調(diào)整；顯示模塊顯示兩種顏色，作業(yè)中則是紅色而完成擺放或回收后則變?yōu)榫G色；作業(yè)完成后再次懸停一定高度進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像傳輸給作業(yè)人員，再接收到返回指令后返回原始基點(diǎn)。

34、無(wú)人機(jī)完成當(dāng)前路障擺放后，自主定位系統(tǒng)首先確定無(wú)人機(jī)自身的位置，無(wú)人機(jī)通過(guò)無(wú)線通信接收到下一個(gè)路障位置的坐標(biāo)信息，計(jì)算出從當(dāng)前無(wú)人機(jī)位置到下一個(gè)路障位置的路徑。

35、在二維平面環(huán)境下，根據(jù)自身位置、目標(biāo)位置以及周邊的環(huán)境比如避開(kāi)高速行駛的車輛，數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出無(wú)人機(jī)飛行方向、距離和高度變化路徑參數(shù)。飛行過(guò)程中無(wú)人機(jī)持續(xù)通過(guò)定位模塊監(jiān)控自己的位置，并與規(guī)劃路徑進(jìn)行對(duì)比，如果由于外界因素干擾偏離了規(guī)劃路徑，自主定位模塊根據(jù)偏差情況及時(shí)調(diào)整飛行控制指令，同時(shí)無(wú)人機(jī)通過(guò)圖像識(shí)別模塊借助車道線或者已經(jīng)擺放完成的路障來(lái)進(jìn)行輔助定位，進(jìn)一步提高導(dǎo)航精度，直至準(zhǔn)確的到達(dá)下一個(gè)坐標(biāo)位置。

36、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

37、(1)區(qū)別于普通的路障取放方法，本發(fā)明采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行取放作業(yè)提高了作業(yè)效率，避免了作業(yè)人員因?yàn)閿[放回收路障而造成的意外事故；同時(shí)增加了顯示屏紅綠兩種顏色提示，給駕駛員起到了清晰的警示作用。

38、(2)無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)當(dāng)時(shí)道路交通量、車輛時(shí)速和國(guó)家道路清障要求計(jì)算規(guī)劃出各區(qū)域的長(zhǎng)度和自動(dòng)生成路障擺放點(diǎn)位；對(duì)于其它的限速路標(biāo)和標(biāo)志通過(guò)無(wú)人機(jī)定位懸停讓作業(yè)人員做到由遠(yuǎn)及近的精準(zhǔn)擺放，而無(wú)人機(jī)規(guī)劃無(wú)疑能給作業(yè)人員的作業(yè)提供了極大的便捷性和前瞻性。高速公路清障和養(yǎng)護(hù)作業(yè)對(duì)于路障擺放的數(shù)量是相對(duì)比較多的，此路障擺放回收裝置也進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)容來(lái)增加內(nèi)部的擺放空間，必要時(shí)通過(guò)投入多臺(tái)無(wú)人機(jī)同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，最大限度的提高擺放回收效率。

39、(3)管理中心人員通過(guò)后臺(tái)操作實(shí)時(shí)調(diào)取當(dāng)前無(wú)人機(jī)的高清攝像頭實(shí)時(shí)觀察了解作業(yè)人員的作業(yè)情況和定位信息，進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)督。