CN108004989A - 一种基于红外避障的车道变更装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外避障的车道变更装置及方法，包括A墩、B墩和连接护栏，连接护栏的两端分别铰接在A墩的中心轴和B墩的中心轴上；所述A墩和B墩上均设置有北斗模块、嵌入式控制模块、报警灯、太阳能电池板、铅酸蓄电池、LoRa模块、底盘和外壳；本发明利用道路出入口设置移动式隔离墩，灵活机动，成本低；利用北斗系统进行隔离墩实时定位，控制精度高、安全性高；利用北斗系统精确定位实现多车道变更；利用大数据实现城市交通道路网络实时变更，随时应对由于交通事故、车流量变化、恶劣天气等因素对道路需求的变化，实现自动控制。

Description

一种基于红外避障的车道变更装置及方法

技术领域

本发明涉及潮汐车道技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于红外避障的车道变更装置及方法。

背景技术

汽车为人类的出行带来了极大的便利，但随着汽车数量的快速增加，交通拥堵问题越来越严重。虽然政府不断地修建公路、城市快速路，但是道路的增长速度远低于汽车数量的增长。为了解决这个问题，政府近年来投入越来越多的资金和精力用于开发智能交通系统，提高道路的通行效率，缓解交通拥堵问题。

交通的“潮汐现象”是城市交通拥堵的重要原因之一，每天早晨进城方向交通流量大，出城方向交通流量小，而晚上则是出城方向的流量大，进城方向交通流量小。应对早晚高峰车流的一种典型解决方法是启用潮汐车道，早高峰进城车辆多时，增加进城方向车道数，减少出城方向车道数，晚高峰出城车辆多时，增加出城方向车道数，减少进城方向车道数。目前的潮汐车道是定时潮汐车道，在早晚高峰期的规定的时间内改变潮汐车道的行驶方向，来调整车道数，采用的也是地面双黄线和交通指示灯对车道方向实施控制。传统的利用地面双黄线和交通指示灯对车道方向实施控制的方式，由于众多车辆“顶牛”、标识不够清楚等诸多弊端，逐渐被在车道边设置隔离带的方式替代。而通过人工在不同车道间设置隔离带由于工作量巨大，实施起来有诸多不便，故又有许多新兴的智能化潮汐车道应运而生。

美国金门大桥是世界上最早实行可变车道的路段之一，桥面宽27米，除去两侧的人行道，路段为双向六车道，上午时段四进四出，下午护栏向右移一个车道，形成相反情况。早期管理部门采用人工设置方法设置潮汐车道来解决这个问题。在大桥中间的车道线上面每隔一段都有一个眼，工作车缓缓行驶在车道中间，两边各有一个工作人员坐在车底的平台上，工作车的两边的工作人员分别进行拔插操作，走一遍即可把车道改好。在国内的许多小城市也会采用这种人工的方式设置塑料交通安全堆，从而隔离出一种单独的道路供潮汐车辆使用。这种人工设置潮汐车道的方式操作比较简单，维护费用以及成本较低；但是这种早、晚高峰期人工设置潮汐道路的方式需要耗费大量的人工和时间成本，效率低，且潮汐车道变换不易，同时高速行驶的车辆容易对施工人员造成伤害，风险系数较高。

为了解决人工设置潮汐车道效率低、时间成本高的问题，交管部门采用交通灯和交通指示牌的方式，对某些固定的潮汐道路划定固定的潮汐时间来缓解交通拥堵时的压力。在上下班高峰期或出城进城高峰期的时候，通过设置相应的交通指示灯或指示牌，临时设置潮汐道路，缓解道路拥堵，这种系统控制方式节约了时间和人工成本，提高了潮汐车道的适用性。但是这种方式没有明显的隔离护栏，由于驾驶员对道路标识不熟悉或注意力不集中等问题，容易造成误闯误行，从而影响对潮汐车道的利用，严重时可能会造成一定的交通事故。

美国等发达国家针对人工设置潮汐车道和交叉口信号灯控制的一系列问题，发明了一种潮汐车道变换机，既克服了人工设置潮汐效率低，又实现了潮汐道路的有效隔离。这种潮汐车道变换机本质上是一辆运行中的机车，通过在机车内部设置各种机械装置，随着机车的运行将一条车道的护栏挪到另一条车道上去，这大大提高了车道护栏变换的速度，降低了人工成本，对于特别冗长的潮汐车道还可以分为几段由多辆变道机同时运行完成车道变换。但是由于规划限制，原有的隔离带或者绿化带不能拆除，导致潮汐车道变换机不能广泛使用，且该变换机采购成本较高，需要特制的隔离带，同时一台潮汐车道变换机的造价在300万美元以上，因此也极大限制了这一项技术的发展。

为了提高潮汐车道的适应性，深圳的研发人员又设计出一种智能化潮汐车道，该智能化潮汐车道采用遥控护栏与灯控的组合形式在深南大道南山段正式亮相，该智能化潮汐车道可以自动根据车流量的大小，自动设置潮汐车道。这种智能化潮汐车道创新亮点在于遥控护栏的引进，它形似普通护栏，但底部电机带动四个滑轮，只要插上电源，护栏就可以随着遥控器指挥进行横向移动，在1分钟内实现潮汐车道的隔离切换。同时还具有智能障碍识别技术，能够检测到护栏变道过程中遇到的障碍物。相比于传统的交通疏导方式，大大降低了交警执勤的风险和工作负荷。交警可根据现场交通情况，通过手持遥控器，控制可变分向行驶车道标志随时调整车道行驶方向；若路口有明显通行特征，在没有突发事件的情况下，交警还可以提前进行程序输入固定标志转换的时间，由它自动变换；此外，控制中心还可以通过仪器监控路口路况，适时使用远程控制手段对标牌进行控制；若实现计算机联网的路口信号机，还能通过自动识别系统进行辨别并自动调控。目前深圳、北京等地区已经相继投入使用，应用前景非常广泛。但是，在这种智能化潮汐车道的运行过程中，由于中央隔离护栏和绿化带的存在，一方面，东行排队溢出后的车辆无法进入潮汐车道左转，导致潮汐车道利用率不高，另一方面，南进口的右转这两由于受护栏阻碍无法进入潮汐车道，也降低了潮汐车道的利用率。

同时，这种通过手持遥控器进行智能化潮汐车道控制的方式从本质上来说依然是人工手动控制，不稳定因素较多，极容易受到人力因素的影响，而且不容易集中控制，极大地限制了智能化潮汐车道的发展。

智能化潮汐车道的通讯也是限制潮汐车道发展的重要因素之一，例如深圳的这种智能化潮汐车道智能交警现场手持遥控器的方式对遥控护栏进行控制，其仅可进行近距离控制，而无法实现大范围遥控护栏远程的集中控制。

物联网技术则是突破这一问题的重要契机。随着智能化潮汐车道和物联网的发展，市场上对无线技术的要求日益增加。尤其是在对物联网技术倡导的如何打造低功耗、高可靠性的无线连接，成为了现代物联网设备制造商的追求，也成为了无线芯片供应商的目标。物联网应用中的无线技术有很多种，包括局域网和广域网。组成局域网的无线技术有2.4GHz的WiFi，蓝牙、Zigbee等，组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G。LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。这一技术改变了以往关于传输距离与功率的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗的系统。同时，Lo Ra在全球范围内免费频段使用，包括433、868、915MHz。LoRa技术是一种超长距离的小无线技术，融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术。使用LoRa技术可以有数万个无线数传模块组成的一个无线数传网络，类似现有的移动通信的基站网，每一个节点类似移动网络的手机用户，在整个网络覆盖范围内，每个网络节点和网关间的可视通信距离可以达到5公里，甚至更远。LoRa技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特点。

若是将LoRa系统融入到智能化潮汐车道的控制中，将可以摆脱单纯依靠交警手持遥控器来控制智能化潮汐车道的缺陷，以实现智能化潮汐车道的集中控制，并能够极大的降低生产成本，降低智能化潮汐车道的整体功耗，提高智能化潮汐车道的普及率。

定位系统在潮汐车道自动运行的使用中有着极为重要的作用，目前的定位系统主要包括美国的GPS卫星导航系统、俄罗斯的格洛纳斯GLONASS卫星导航系统和我国的北斗卫星导航系统。

美国GPS卫星导航系统是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。该系统由空间运行的卫星星座、地面控制部分、用户部分等三部分组成。GPS卫星导航系统起始于I958年美国军方的一个项目，l964年投入使用，20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS，主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，到l994年，全球覆盖率高达98％的24颗GPS卫星星座己布设完成。在GPS卫星导航系统使用的过程中，全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科，取得了好的经济效益和社会效益。GPS卫星导航系统的工作卫星位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾角为55°。此外，还有3颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低，目前达到的精度约为10米。

格洛纳斯(GLONASS)，是俄语"全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITESYSTEM"的缩写。格洛纳斯卫星导航系统最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划，俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统，该系统于2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。格洛纳斯卫星导航系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。GLONASS星座共由30颗卫星组成，27颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度，轨道高度2.36万公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8度，目前精度达到10米左右。

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航定位系统，是继美国GPS卫星导航系统和俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统之后第三个全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统提供全球范围、全天候、高精度的卫星导航定位和授时服务，并具有特有的短报文通信能力。2012年12月27日，北斗卫星导航系统启动区域性正式服务，具备覆盖亚太地区，是我国航天科技和卫星通信向产业化、市场化发展的里程碑。在底面设施的配合下，北斗卫星导航系统的实时定位精度已经远远高于GPS卫星导航系统，现在已经达到了80公里/小时情况下的2厘米的精度。

随着交通运输各领域北斗卫星导航系统普及程度的显著提高，应用环境的进一步完善，服务能力的明显增强，北斗卫星导航系统的应用取得了极为显著的成果，为此，基于北斗卫星导航系统，提出非定时段潮汐车道可控隔离墩方式的变道导向方法，通过设计基于北斗卫星导航系统的车道变更机器人实现车道变更，结合现有的监控及车牌识别技术能够在变更车道时实现全自动无人操作，再利用大数据系统，最终可以实现全天候车道的自动调节，解决由潮汐现象、交通事故、天气异常等问题导致的道路拥堵问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的不知，提出了一种基于红外避障的车道变更装置及方法，能够自动进行潮汐车道的变换，且能够实现自动避障，降低了生产和使用成本，降低人力因素对智能化潮汐车道的影响。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于红外避障的车道变更装置，包括A墩、B墩和连接护栏，连接护栏的两端分别铰接在A墩的中心轴和B墩的中心轴上；所述A墩和B墩与连接护栏之间均安装有角度传感器；

所述A墩和B墩上均设置有北斗模块、嵌入式控制模块、报警灯、太阳能电池板、铅酸蓄电池、LoRa模块、底盘和外壳，嵌入式控制模块通过LoRa模块连接路段控制基站，铅酸蓄电池固定在底盘上，底盘套装在外壳底部，底盘上设置有凸块，外壳底部设置有与底盘上的凸块相配合的凹槽，外壳上还固定有底盘驱动电机，底盘驱动电机连接滚珠丝杠，底盘上设置有与所述滚珠丝杠相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套装在所述滚珠丝杠上，底盘驱动电机带动滚珠丝杠转动时驱动底盘在外壳的底部上下运动；所述外壳上端设置有报警灯，外壳的外表面设置有太阳能电池板，太阳能电池板通过太阳能充电电路连接铅酸蓄电池，所述北斗模块均设置在外壳内部，移动机构和锁定机构均设置在底盘上；

所述A墩和B墩的底盘上均还安装有三个定向轮、一个定向电机、红外线测距仪和测距仪驱动电机，三个定向轮包括一个主动轮和两个从动轮，定向电机连接主动轮被驱动所述主动轮转动，通过主动轮运动带动A墩或B墩的运动，所述主动轮上安装有绝对编码器，出厂时使绝对编码器的零位、隔离墩的运动方向和主动轮的朝向这三个方向保持一致；测距仪驱动电机固定在外壳上，测距仪驱动电机连接红外线测距仪并带动所述红外线测距仪的转动，外壳上开设有水平槽口，连接护栏穿过水平槽口连接中心轴且红外线测距仪透过水平槽口照射到隔离墩外部。

一种基于红外避障的车道变更方法，包括如下步骤：

S1：控制潮汐车道的信号灯，使潮汐车道入口处的信号灯转换为红灯，并启动第一组车道变更机器人；

S2：A墩和B墩分别进行上电初始化，并判断自身是否存在故障，故障判断包括蓄电池电量是否够用的判断、北斗模块是否能够定位的判断、无线传输模块是否能正常传递信息以及隔离墩内所有的电机是否能够正常工作；若A墩或B墩存在故障，则对存在故障的A墩或B墩进行重启后再对该隔离墩进行故障判断，若A墩或B墩仍存在故障，则将存在故障的A墩或B墩的故障信息传递给路段控制基站，并点亮该隔离墩的警报灯，不对该隔离墩进行移动；若A墩和B墩均不存在故障，则判断A墩和B墩可以进行移动，并进入S3步骤；

S3：A墩和B墩分别获取目标位置信息，并将当前位置与目标位置的连接划分成若干份，每份的长度为10cm，获取划分后的分段目标位置信息；A墩和B墩以轮流运动每次运动10cm的方式向目标位置移动；

S4：A墩和连接护栏的连接处安装角度传感器，并且A墩和B墩的顶部安装有北斗模块，通过北斗模块确定A墩和B墩的绝对位置，由此可以得知连接护栏相对于地面的绝对位置和绝对角度，通过角度传感器得知连接护栏和A墩的相对角度，再将其与连接护栏的绝对角度结合得出A墩相对于地面的相对角度和A墩相对于地面的绝对角度，根据S3步骤中的A墩当前位置和目标位置确定A墩的运动方向，A墩和主动轮之间装有绝对编码器，可以直接获取A墩和主动轮之间的夹角，通过定向电机转动主动轮，使其朝向目标位置进行运动；

S5：A墩首先打开自身的报警灯并进行障碍判断，障碍判断的方式为激光测距法，在A墩每次运动前，B墩上的红外线测距仪沿连接护栏的方向直射到A墩上，检测时向潮汐车道方向转动B墩上的测距仪驱动电机，使B墩上的红外线测距仪的朝向与连接护栏呈5度，在B墩上的红外线测距仪发射出红外光线后进行障碍判断，连接护栏的长度为S，若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪测得的距离始终大于则判断红外线测距仪发出的红外光线并未被遮挡，即A墩的运动路径上有一段10cm长的行程并无障碍，进入S6步骤中；若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪测得的距离出现过小于的情况，则判断红外线测距仪发出的红外光线被阻挡过，则延时3s后再次对A墩进行障碍判断；

S6：松开A墩和B墩的锁定装置，转动A墩上的定向电机带动主动轮转动，使A墩直接朝向目标位置运动；A墩在定向电机的驱动下向分段目标位置方向进行直线运动，A墩的运动距离为10cm，控制电机使A墩直线运动10cm，在A墩运动时，B墩保持自由的跟随状态，在A墩移动完10cm后，A墩通过北斗模块确定当前自身的当前位置信息，并将当前位置信息与步骤S5中获得的第一个分段位置信息进行对比，若A墩的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合，则A墩运动到分段位置后关闭报警灯并锁紧锁定装置，若A墩的当前位置信息与第一个分段位置信息不重合，则A墩继续运动直至A墩的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合；

S7：B墩和连接护栏的连接处安装角度传感器，并且A墩和B墩的顶部安装有北斗模块，通过北斗模块确定A墩和B墩的绝对位置，由此可以得知连接护栏相对于地面的绝对位置和绝对角度，通过角度传感器得知连接护栏和B墩的相对角度，再将其与连接护栏的绝对角度结合得出B墩相对于地面的相对角度和B墩相对于地面的绝对角度，根据S3步骤中的B墩当前位置和目标位置确定B墩的运动方向，B墩和主动轮之间装有绝对编码器，可以直接获取B墩和主动轮之间的夹角，通过定向电机转动主动轮，使其朝向目标位置进行运动；

S8：在B墩每次运动前，A墩上的红外线测距仪沿连接护栏的方向直射到B墩上，检测时向潮汐车道方向转动A墩上的测距仪驱动电机，使A墩上的红外线测距仪的朝向与连接护栏呈5度，在A墩上的红外线测距仪发射出红外光线后进行障碍判断，若测距仪驱动电机转动的过程中红外线测距仪测得的距离始终大于则判断红外线测距仪发出的红外光线并未被遮挡，即B墩的运动路径上有一段行程并无障碍，进入S8步骤中；若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪测得的距离出现过小于的情况，则判断红外线测距仪发出的红外光线被阻挡过，则延时3s后再次对B墩进行障碍判断；

S9：转动B墩上的定向电机带动主动轮转动，使B墩直接朝向目标位置运动；B墩在定向电机的驱动下向分段目标位置方向进行直线运动，B墩的运动距离为10cm，控制电机使B墩直线运动10cm，在B墩运动时，B墩保持自由的跟随状态，在B墩移动完10cm后，B墩通过北斗模块确定当前自身的当前位置信息，并将当前位置信息与步骤S5中获得的第一个分段位置信息进行对比，若B墩的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合，则B墩运动到分段位置后关闭报警灯并锁紧锁定装置，若B墩的当前位置信息与第一个分段位置信息不重合，则B墩继续运动直至B墩的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合；

S10：路段控制基站向A墩和B墩依次发送剩下的分段位置信息，并重复上述S5～S9步骤，直至A墩和B墩均达到目标位置，完成一组车道变更机器人的移动；

S11：第一组隔离墩组的移动完成后，剩下的隔离墩组依次重复上述S3～S10步骤，直至所有的隔离墩组均移动到潮汐车道的另一侧；

S12：控制潮汐车道的信号灯，使其新的入口方向为绿灯，完成整个潮汐车道的变换过程。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用在潮汐车道的一侧移动式隔离墩，需要变换车道时直接将移动时隔离墩移动到另一侧车道的方式实现潮汐车道的变换，灵活机动，成本低。

2、本发明利用北斗系统进行隔离墩实时定位，控制精度高、安全性高。

3、本发明利用北斗系统精确定位实现多车道变更，同时利用大数据实现城市交通道路网络实时变更，随时应对由于交通事故、车流量变化、恶劣天气等因素对道路需求的变化，实现自动控制。

4、本发明采用A隔离墩带动B隔离墩一起移动的方式，减少了B墩上的万向轮驱动电机的使用，减少了整体的成本。

5、本发明的刹车定位不仅依靠墩子内部的刹车机构，还可以直接将A墩或B墩的外壳整体下降放置到地面上，实现墩子的外壳侧面直接与地面接触，避免仅A墩和B墩的车轮与地面接触导致的隔离墩滑动，更好地实现了定位，而且外壳下降的定位方式能够有效的防止A墩或B墩内部进入杂物，从而影响隔离墩的正常使用。

6、本发明通过在隔离墩的外壳上设置太阳能发电板和内部设置的铅酸蓄电池实现隔离墩的随时充电以及无电缆状态下的使用，因为一天中变更车道的次数一般仅一到两次，所以铅酸蓄电池完全可以实现每天变更车道的更能，同时太阳能发电板能够保证隔离墩更长时间的续航。

7、本发明通过报警灯的设置可以是隔离墩不仅在使用时起到警示作用，还能在隔离墩内部出现故障时进行故障报警，防止因隔离墩故障导致的车道无法变更状况。

附图说明

图1是本发明一种基于红外避障的车道变更装置的主视结构示意图。

图2是本发明A墩或B墩的三维结构示意图。

图3是本发明A墩或B墩的内部剖视结构示意图。

图4是本发明一种基于红外避障的车道变更方法的流程示意图。

图中，1-A墩、2-B墩、3-连接护栏、4-中心轴、5-角度传感器、6-滚珠丝杠、7-外壳、8-红外线测距仪、9-测距仪驱动电机、10-北斗模块、11-报警灯、12-底盘驱动电机、13-联轴器、14-铅酸蓄电池、15-从动轮、16-底盘、17-绝对编码器、18-主动轮、19-太阳能电池板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～3所示，一种基于红外避障的车道变更装置，包括A墩1、B墩2和连接护栏3，连接护栏3的两端分别铰接在A墩1的中心轴和B墩2的中心轴上，所述A墩1和B墩2与连接护栏3之间均安装有角度传感器5。

所述A墩1和B墩2上均设置有北斗模块10、嵌入式控制模块、报警灯11、太阳能电池板19、铅酸蓄电池14、LoRa模块、底盘16和外壳7，嵌入式控制模块通过LoRa模块连接路段控制基站，铅酸蓄电池14固定在底盘16上，底盘16套装在外壳7底部，底盘16上设置有凸块，外壳7底部设置有与底盘16上的凸块相配合的凹槽，外壳7上还固定有底盘驱动电机12，底盘驱动电机12连接滚珠丝杠6，底盘16上设置有与所述滚珠丝杠6相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套装在所述滚珠丝杠6上，底盘驱动电机12带动滚珠丝杠6转动时驱动底盘16在外壳7的底部上下运动，底盘驱动电机12通过联轴器13连接滚珠丝杠6；所述外壳7上端设置有报警灯11，外壳7的外表面设置有太阳能电池板19，太阳能电池板19通过太阳能充电电路连接铅酸蓄电池14，所述北斗模块10均设置在外壳7内部，移动机构和锁定机构均设置在底盘16上。

所述A墩1和B墩2的底盘16上均还安装有三个定向轮、一个定向电机、红外线测距仪8和测距仪驱动电机9，三个定向轮包括一个主动轮18和两个从动轮15，定向电机连接主动轮18被驱动所述主动轮18转动，通过主动轮18运动带动A墩1或B墩2的运动，所述主动轮18上安装有绝对编码器17，出厂时使绝对编码器17的零位、隔离墩的运动方向和主动轮18的朝向这三个方向保持一致；测距仪驱动电机9固定在外壳7上，测距仪驱动电机9连接红外线测距仪8并带动所述红外线测距仪8的转动，外壳7上开设有水平槽口，连接护栏3穿过水平槽口连接中心轴且红外线测距仪8透过水平槽口照射到隔离墩外部。

如图4所示，一种基于红外避障的车道变更方法，包括如下步骤：

S1：控制潮汐车道的信号灯，使潮汐车道入口处的信号灯转换为红灯，并启动第一组车道变更机器人；

S2：A墩1和B墩2分别进行上电初始化，并判断自身是否存在故障，故障判断包括蓄电池电量是否够用的判断、北斗模块10是否能够定位的判断、无线传输模块是否能正常传递信息以及隔离墩内所有的电机是否能够正常工作；若A墩1或B墩2存在故障，则对存在故障的A墩1或B墩2进行重启后再对该隔离墩进行故障判断，若A墩1或B墩2仍存在故障，则将存在故障的A墩1或B墩2的故障信息传递给路段控制基站，并点亮该隔离墩的警报灯，不对该隔离墩进行移动；若A墩1和B墩2均不存在故障，则判断A墩1和B墩2可以进行移动，并进入S3步骤；

S3：A墩1和B墩2分别获取目标位置信息，并将当前位置与目标位置的连接划分成若干份，每份的长度为10cm，获取划分后的分段目标位置信息；A墩1和B墩2以轮流运动每次运动10cm的方式向目标位置移动；

S4：A墩1和连接护栏3的连接处安装角度传感器，并且A墩1和B墩2的顶部安装有北斗模块10，通过北斗模块10确定A墩1和B墩2的绝对位置，由此可以得知连接护栏3相对于地面的绝对位置和绝对角度，通过角度传感器得知连接护栏3和A墩1的相对角度，再将其与连接护栏3的绝对角度结合得出A墩1相对于地面的相对角度和A墩1相对于地面的绝对角度，根据S3步骤中的A墩1当前位置和目标位置确定A墩1的运动方向，A墩1和主动轮18之间装有绝对编码器17，可以直接获取A墩1和主动轮18之间的夹角，通过定向电机转动主动轮18，使其朝向目标位置进行运动；

S5：A墩1首先打开自身的报警灯11并进行障碍判断，障碍判断的方式为激光测距法，在A墩1每次运动前，B墩2上的红外线测距仪8沿连接护栏3的方向直射到A墩1上，检测时向潮汐车道方向转动B墩2上的测距仪驱动电机9，使B墩2上的红外线测距仪8的朝向与连接护栏3呈5度，在B墩2上的红外线测距仪8发射出红外光线后进行障碍判断，连接护栏3的长度为S，若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪8测得的距离始终大于则判断红外线测距仪8发出的红外光线并未被遮挡，即A墩1的运动路径上有一段10cm长的行程并无障碍，进入S6步骤中；若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪8测得的距离出现过小于的情况，则判断红外线测距仪8发出的红外光线被阻挡过，则延时3s后再次对A墩1进行障碍判断；

S6：松开A墩1和B墩2的锁定装置，转动A墩1上的定向电机带动主动轮18转动，使A墩1直接朝向目标位置运动；A墩1在定向电机的驱动下向分段目标位置方向进行直线运动，A墩1的运动距离为10cm，控制电机使A墩1直线运动10cm，在A墩1运动时，B墩2保持自由的跟随状态，在A墩1移动完10cm后，A墩1通过北斗模块10确定当前自身的当前位置信息，并将当前位置信息与步骤S5中获得的第一个分段位置信息进行对比，若A墩1的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合，则A墩1运动到分段位置后关闭报警灯11并锁紧锁定装置，若A墩1的当前位置信息与第一个分段位置信息不重合，则A墩1继续运动直至A墩1的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合；

S7：B墩2和连接护栏的连接处安装角度传感器5，并且A墩1和B墩2的顶部安装有北斗模块18，通过北斗模块18确定A墩1和B墩2的绝对位置，由此可以得知连接护栏3相对于地面的绝对位置和绝对角度，通过角度传感器得知连接护栏和B墩2的相对角度，再将其与连接护栏的绝对角度结合得出B墩2相对于地面的相对角度和B墩2相对于地面的绝对角度，根据S3步骤中的B墩2当前位置和目标位置确定B墩2的运动方向，B墩2和主动轮18之间装有绝对编码器17，可以直接获取B墩2和主动轮18之间的夹角，通过定向电机转动主动轮18，使其朝向目标位置进行运动；

S8：在B墩2每次运动前，A墩1上的红外线测距仪8沿连接护栏3的方向直射到B墩2上，检测时向潮汐车道方向转动A墩1上的测距仪驱动电机9，使A墩1上的红外线测距仪8的朝向与连接护栏3呈5度，在A墩1上的红外线测距仪8发射出红外光线后进行障碍判断，若测距仪驱动电机9转动的过程中红外线测距仪8测得的距离始终大于则判断红外线测距仪8发出的红外光线并未被遮挡，即B墩2的运动路径上有一段行程并无障碍，进入S8步骤中；若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪8测得的距离出现过小于的情况，则判断红外线测距仪8发出的红外光线被阻挡过，则延时3s后再次对B墩2进行障碍判断；

S9：转动B墩2上的定向电机带动主动轮18转动，使B墩2直接朝向目标位置运动；B墩2在定向电机的驱动下向分段目标位置方向进行直线运动，B墩2的运动距离为10cm，控制电机使B墩2直线运动10cm，在B墩2运动时，B墩2保持自由的跟随状态，在B墩2移动完10cm后，B墩2通过北斗模块10确定当前自身的当前位置信息，并将当前位置信息与步骤S5中获得的第一个分段位置信息进行对比，若B墩2的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合，则B墩2运动到分段位置后关闭报警灯11并锁紧锁定装置，若B墩2的当前位置信息与第一个分段位置信息不重合，则B墩2继续运动直至B墩2的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合；

S10：路段控制基站向A墩1和B墩2依次发送剩下的分段位置信息，并重复上述S5～S9步骤，直至A墩1和B墩2均达到目标位置，完成一组车道变更机器人的移动；

S11：第一组隔离墩组的移动完成后，剩下的隔离墩组依次重复上述S3～S10步骤，直至所有的隔离墩组均移动到潮汐车道的另一侧；

S12：控制潮汐车道的信号灯，使其新的入口方向为绿灯，完成整个潮汐车道的变换过程。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于红外避障的车道变更装置，其特征在于：包括A墩(1)、B墩(2)和连接护栏(3)，连接护栏(3)的两端分别铰接在A墩(1)的中心轴和B墩(2)的中心轴(4)上；所述A墩(1)和B墩(2)与连接护栏(3)之间均安装有角度传感器(5)；

所述A墩(1)和B墩(2)上均设置有北斗模块(10)、嵌入式控制模块、报警灯(11)、太阳能电池板(19)、铅酸蓄电池(14)、LoRa模块、底盘(16)和外壳(7)，嵌入式控制模块通过LoRa模块连接路段控制基站，铅酸蓄电池(14)固定在底盘(16)上，底盘(16)套装在外壳(7)底部，底盘(16)上设置有凸块，外壳(7)底部设置有与底盘(16)上的凸块相配合的凹槽，外壳(7)上还固定有底盘驱动电机(12)，底盘驱动电机(12)连接滚珠丝杠(6)，底盘(16)上设置有与所述滚珠丝杠(6)相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套装在所述滚珠丝杠(6)上，底盘驱动电机(12)带动滚珠丝杠(6)转动时驱动底盘(16)在外壳(7)的底部上下运动；所述外壳(7)上端设置有报警灯(11)，外壳(7)的外表面设置有太阳能电池板(19)，太阳能电池板(19)通过太阳能充电电路连接铅酸蓄电池(14)，所述北斗模块(10)均设置在外壳(7)内部，移动机构和锁定机构均设置在底盘(16)上；

所述A墩(1)和B墩(2)的底盘(16)上均还安装有三个定向轮、一个定向电机、红外线测距仪(8)和测距仪驱动电机(9)，三个定向轮包括一个主动轮(18)和两个从动轮(15)，定向电机连接主动轮(18)被驱动所述主动轮(18)转动，通过主动轮(18)运动带动A墩(1)或B墩(2)的运动，所述主动轮(18)上安装有绝对编码器(17)，出厂时使绝对编码器(17)的零位、隔离墩的运动方向和主动轮(18)的朝向这三个方向保持一致；测距仪驱动电机(9)固定在外壳(7)上，测距仪驱动电机(9)连接红外线测距仪(8)并带动所述红外线测距仪(8)的转动，外壳(7)上开设有水平槽口，连接护栏(3)穿过水平槽口连接中心轴且红外线测距仪(8)透过水平槽口照射到隔离墩外部。

2.一种基于红外避障的车道变更方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：控制潮汐车道的信号灯，使潮汐车道入口处的信号灯转换为红灯，并启动第一组车道变更机器人；

S2：A墩(1)和B墩(2)分别进行上电初始化，并判断自身是否存在故障，故障判断包括蓄电池电量是否够用的判断、北斗模块(10)是否能够定位的判断、无线传输模块是否能正常传递信息以及隔离墩内所有的电机是否能够正常工作；若A墩(1)或B墩(2)存在故障，则对存在故障的A墩(1)或B墩(2)进行重启后再对该隔离墩进行故障判断，若A墩(1)或B墩(2)仍存在故障，则将存在故障的A墩(1)或B墩(2)的故障信息传递给路段控制基站，并点亮该隔离墩的警报灯，不对该隔离墩进行移动；若A墩(1)和B墩(2)均不存在故障，则判断A墩(1)和B墩(2)可以进行移动，并进入S3步骤；

S3：A墩(1)和B墩(2)分别获取目标位置信息，并将当前位置与目标位置的连接划分成若干份，每份的长度为10cm，获取划分后的分段目标位置信息；A墩(1)和B墩(2)以轮流运动每次运动10cm的方式向目标位置移动；

S4：A墩(1)和连接护栏(3)的连接处安装角度传感器，并且A墩(1)和B墩(2)的顶部安装有北斗模块(10)，通过北斗模块(10)确定A墩(1)和B墩(2)的绝对位置，由此可以得知连接护栏(3)相对于地面的绝对位置和绝对角度，通过角度传感器得知连接护栏(3)和A墩(1)的相对角度，再将其与连接护栏(3)的绝对角度结合得出A墩(1)相对于地面的相对角度和A墩(1)相对于地面的绝对角度，根据S3步骤中的A墩(1)当前位置和目标位置确定A墩(1)的运动方向，A墩(1)和主动轮(18)之间装有绝对编码器(17)，可以直接获取A墩(1)和主动轮(18)之间的夹角，通过定向电机转动主动轮(18)，使其朝向目标位置进行运动；

S5：A墩(1)首先打开自身的报警灯(11)并进行障碍判断，障碍判断的方式为激光测距法，在A墩(1)每次运动前，B墩(2)上的红外线测距仪(8)沿连接护栏(3)的方向直射到A墩(1)上，检测时向潮汐车道方向转动B墩(2)上的测距仪驱动电机(9)，使B墩(2)上的红外线测距仪(8)的朝向与连接护栏(3)呈5度，在B墩(2)上的红外线测距仪(8)发射出红外光线后进行障碍判断，连接护栏(3)的长度为S，若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪(8)测得的距离始终大于则判断红外线测距仪(8)发出的红外光线并未被遮挡，即A墩(1)的运动路径上有一段10cm长的行程并无障碍，进入S6步骤中；若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪(8)测得的距离出现过小于的情况，则判断红外线测距仪(8)发出的红外光线被阻挡过，则延时3s后再次对A墩(1)进行障碍判断；

S6：松开A墩(1)和B墩(2)的锁定装置，转动A墩(1)上的定向电机带动主动轮(18)转动，使A墩(1)直接朝向目标位置运动；A墩(1)在定向电机的驱动下向分段目标位置方向进行直线运动，A墩(1)的运动距离为10cm，控制电机使A墩(1)直线运动10cm，在A墩(1)运动时，B墩(2)保持自由的跟随状态，在A墩(1)移动完10cm后，A墩(1)通过北斗模块(10)确定当前自身的当前位置信息，并将当前位置信息与步骤S5中获得的第一个分段位置信息进行对比，若A墩(1)的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合，则A墩(1)运动到分段位置后关闭报警灯(11)并锁紧锁定装置，若A墩(1)的当前位置信息与第一个分段位置信息不重合，则A墩(1)继续运动直至A墩(1)的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合；

S7：B墩(2)和连接护栏的连接处安装角度传感器(5)，并且A墩(1)和B墩(2)的顶部安装有北斗模块(18)，通过北斗模块(18)确定A墩(1)和B墩(2)的绝对位置，由此可以得知连接护栏(3)相对于地面的绝对位置和绝对角度，通过角度传感器得知连接护栏和B墩(2)的相对角度，再将其与连接护栏的绝对角度结合得出B墩(2)相对于地面的相对角度和B墩(2)相对于地面的绝对角度，根据S3步骤中的B墩(2)当前位置和目标位置确定B墩(2)的运动方向，B墩(2)和主动轮(18)之间装有绝对编码器(17)，可以直接获取B墩(2)和主动轮(18)之间的夹角，通过定向电机转动主动轮(18)，使其朝向目标位置进行运动；

S8：在B墩(2)每次运动前，A墩(1)上的红外线测距仪(8)沿连接护栏(3)的方向直射到B墩(2)上，检测时向潮汐车道方向转动A墩(1)上的测距仪驱动电机(9)，使A墩(1)上的红外线测距仪(8)的朝向与连接护栏(3)呈5度，在A墩(1)上的红外线测距仪(8)发射出红外光线后进行障碍判断，若测距仪驱动电机(9)转动的过程中红外线测距仪(8)测得的距离始终大于则判断红外线测距仪(8)发出的红外光线并未被遮挡，即B墩(2)的运动路径上有一段行程并无障碍，进入S8步骤中；若测距仪转动电机转动的过程中红外线测距仪(8)测得的距离出现过小于的情况，则判断红外线测距仪(8)发出的红外光线被阻挡过，则延时3s后再次对B墩(2)进行障碍判断；

S9：转动B墩(2)上的定向电机带动主动轮(18)转动，使B墩(2)直接朝向目标位置运动；B墩(2)在定向电机的驱动下向分段目标位置方向进行直线运动，B墩(2)的运动距离为10cm，控制电机使B墩(2)直线运动10cm，在B墩(2)运动时，B墩(2)保持自由的跟随状态，在B墩(2)移动完10cm后，B墩(2)通过北斗模块(10)确定当前自身的当前位置信息，并将当前位置信息与步骤S5中获得的第一个分段位置信息进行对比，若B墩(2)的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合，则B墩(2)运动到分段位置后关闭报警灯(11)并锁紧锁定装置，若B墩(2)的当前位置信息与第一个分段位置信息不重合，则B墩(2)继续运动直至B墩(2)的当前位置信息与第一个分段位置信息相重合；

S10：路段控制基站向A墩(1)和B墩(2)依次发送剩下的分段位置信息，并重复上述S5～S9步骤，直至A墩(1)和B墩(2)均达到目标位置，完成一组车道变更机器人的移动；

S11：第一组隔离墩组的移动完成后，剩下的隔离墩组依次重复上述S3～S10步骤，直至所有的隔离墩组均移动到潮汐车道的另一侧；

S12：控制潮汐车道的信号灯，使其新的入口方向为绿灯，完成整个潮汐车道的变换过程。