CN108018797A - 一种基于摄像头避障的潮汐车道变更系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摄像头避障的潮汐车道变更系统及方法，包括远程控制中心、交通信号灯后台数据服务器、路段控制基站和车道变更机器人，在需要进行潮汐车道的变更时远程控制中心将潮汐车道变更信号发送至路段控制基站，路段控制基站通过无线数据传输的方式将行走命令控制信号实时发送至对应潮汐车道路段上所有的车道变更机器人上，各车道变更机器人在接收到各自的行走命令时执行相应的移动，并实时将位置信息反馈给路段控制基站；本发明能够根据需求实现潮汐车道的自动变更，结合交通信号灯后台数据服务器，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、车流量变化等因素对道路需求的变化，实现潮汐车道的自动控制。

Description

一种基于摄像头避障的潮汐车道变更系统及方法

技术领域

本发明涉及潮汐车道技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于摄像头避障的潮汐车道变更系统及方法。

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足，提出了一种基于摄像头避障的潮汐车道变更系统及方法，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：一种基于摄像头避障的潮汐车道变更系统，包括远程控制中心、交通信号灯后台数据服务器、路段控制基站和墩子，同一条潮汐车道上的所有的墩子构成一个墩子群组，远程控制中心的数据传输端口与交通信号灯后台数据服务器的数据传输端口通过光纤传输或者无线数据传输的方式进行实时数据传输，远程控制中心的数据传输端口与路段控制基站的数据传输端口通过光纤传输或者无线数据传输的方式进行实时数据传输；远程控制中心从交通信号灯后台数据服务器获得潮汐车道所在车道的车流量信息分析是否需要进行潮汐车道的变更，在需要进行潮汐车道的变更时远程控制中心将潮汐车道变更信号以及当前时段潮汐车道出入口处的红绿灯信息实时发送至路段控制基站，路段控制基站通过无线数据传输的方式将行走命令控制信号实时发送至对应潮汐车道路段上所有的墩子上，各墩子在接收到各自的行走命令时执行相应的移动，并实时将位置信息反馈给路段控制基站；

每条潮汐车道上的墩子群组均包括沿潮汐车道一侧分布的多个墩子，相邻的墩子之间间隔2～6米；所述墩子包括壳体、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、移动模块、避障模块、角度判断模块和底盘，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，底盘固定在外壳底部；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，所述北斗模块和避障模块均设置在外壳内部，移动模块、角度判断模块和锁定机构均设置在底盘上；

所述角度判断模块包括设置在底盘上的电子罗盘和驱动所述电子罗盘转动的罗盘驱动电机，所述罗盘驱动电机固定在底盘上，所述移动模块包括设置在底盘上的驱动轮、两个从动轮和驱动所述驱动轮转动的运动驱动电机，所述锁定机构连接移动模块并用于对驱动轮进行锁紧和放开；所述墩子在出厂时，电子罗盘的指向、墩子的朝向和驱动轮的朝向都相同，都是朝向正北方向；所述避障模块包括设置在壳体内部并与壳体固定连接的摄像头驱动电机和水平设置摄像头，摄像头驱动电机连接摄像头并带动摄像头90度范围内转动；所述壳体的正面开设有100度的开口槽，摄像头拍摄开口槽范围内条形的图像；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；所述驱动轮上还安装有增量式编码器，所述增量式编码器设置在驱动轮与底盘之间，墩子出厂时驱动轮朝向与电子罗盘的转向相同，此时增量式编码器处于零位位置。

进一步的，所述远程控制中心连接交通信号灯后台数据服务器并在潮汐车道变更时利用交通信号灯后台数据服务器控制未变更前潮汐车道的入口处始终保持红灯状态而出口处始终保持绿灯状态。

进一步的，所述底盘驱动电机通过滚珠丝杠带动底盘在外壳的底部上下运动时底盘的移动距离大于外壳底部与地面之间的高度。

进一步的，所述驱动轮和两个从动轮都是万向轮。

进一步的，所述北斗模块安装在所述外壳的顶部。

一种基于摄像头避障的潮汐车道变更方法，包括如下步骤：

1)远程控制中心接收交通信号灯后台数据服务器发来的当前潮汐车道车流量信息和潮汐车道入口和出口处的红绿灯信息，由此判断是否需要进行潮汐车道的变更；若需要进行潮汐车道的变更，则将需要进行潮汐车道变更和潮汐车道入口和出口处的红绿灯的信息实时发送给路段控制基站；

2)路段控制基站接收到远程控制中心发来的信息，并根据潮汐车道入口和出口处的红绿灯信息的状况，在当前潮汐车道入口处的红绿灯是红灯的情况下将需要进行车道变更的信息以及将每个墩子需要移动的最终位置的坐标信息发送到每个墩子上；

3)整条潮汐车道上的墩子按照未变更前潮汐车道当前方向依次进行移动，具体的移动方式如下：

3.1)墩子进行上电初始化，并判断自身是否存在故障，故障判断包括铅酸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、LoRa模块是否能正常传递信息和墩子内部所有的电机是否能够正常工作；若墩子存在故障，则对存在故障的墩子进行重启后再对该墩子进行故障判断，若墩子仍存在故障，则将存在故障的墩子的故障信息传递给路段控制基站，并点亮该墩子的警报灯，不对该墩子进行移动；若墩子，则判断墩子可以进行移动，进入3.2步骤；

3.2)墩子的罗盘驱动电机启动，带动电子罗盘转动一圈，实现电子罗盘的校准定位，得到电子罗盘当前的输出方向；

3.3)墩子上的北斗模块获取当前墩子的当前位置信息，结合从路段控制器处获得的需要移动的最终位置的坐标信息得出墩子的运动方向；

3.4)由于墩子的移动机构采用的驱动轮为万向轮，驱动轮的初始位置是未知的，转动驱动轮使增量式编码器回归零位，即将驱动轮恢复到初始的位置；再结合步骤3.2中获得的电子罗盘当前的输出方向和步骤3.3中获得的墩子的运动方向，转动驱动轮使其正对需要进行移动的方向；

3.5)墩子打开自身的报警灯并进行障碍判断，障碍判断的方式为漫反射摄像头测距法，打开摄像头，转动墩子上的摄像头驱动电机，使墩子上的摄像头在开口槽的范围内左右转动90度，在该过程中判断保持拍摄状态,获得的图片利用图像识别技术障碍判断；若摄像头拍摄的过程中获得的图片利用图像识别技术始终无法发现障碍物，则表示扫描过程中未碰到障碍物，即墩子即将运动的路径上不存在障碍物，墩子可以进行下一步的运动步骤；若摄像头拍摄的过程中获得的图片利用图像识别技术发现了障碍物，则表示扫描过程中碰到了障碍物，即墩子即将运动的路径上可能障碍物，则需要延时3s再次进行障碍判断；

3.6)确定无障碍后，墩子开始沿着步骤3.4中确定的运动方向进行运动，直至到达目的地，完成墩子的移动；

3.7)墩子移动到最终位置时，锁定机构开始工作，将驱动轮锁紧，实现墩子的锁定；

4)在墩子驱动轮锁紧后，底盘驱动电机开始运动，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向上运动，即外壳向下运动，直至外壳的底部与地面接触，再关闭底盘驱动电机和报警灯，完成单个墩子的移动；

5)在整条路段上的墩子均完成移动后，实现整条潮汐车道的变更。

进一步的，所述远程控制中心连接交通信号灯后台数据服务器并在潮汐车道变更时利用交通信号灯后台数据服务器控制未变更前潮汐车道的入口处始终保持红灯状态而出口处始终保持绿灯状态。

进一步的，步骤3.6中墩子的移动方式为分段式移动，即将整个运动路径分为若干段，每段的终点坐标均发送到墩子上，墩子按照步骤3.2～步骤3.6的过程依次移动到每段的终点坐标处，并在每段的重点坐标处时根据自身的位置信息再次进行方向确定，继续执行步骤3.2～步骤3.6的过程，直至墩子移动到最终位置。

进一步的，所述摄像头驱动电机的电机头上还连接有绝对角度编码盘，通过绝对角度编码盘实现摄像头驱动电机在指定角度的范围内来回运动。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的基于摄像头避障的潮汐车道变更系统能够根据需求实现潮汐车道的自动变更，同时结合交通信号灯后台数据服务器，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，实现潮汐车道的自动控制。

(2)本发明的远程控制中心仅需发出潮汐车道的变更信号，路段控制基站和墩子即可自动实现潮汐车道的变更，自动化程度高，无需人工监管和操作，有利于整个城市的潮汐车道的集中管控。

(3)本发明的墩子在启动时会进行自动故障检测，仅在墩子无故障时才会移动，能够有效的避免墩子自身的故障问题导致对潮汐车道变更的影响。

(4)本发明的墩子在运动前会进行自身角度的判断以及驱动轮角度的判断，从而使墩子在方向不定的情况下也能顺利的自行找到正确的运动方向，实现了墩子的自动换向，避免了因放置时方向不正确导致的车道变更不顺利的问题，即使墩子的起始位置发生偏移时也能准确运动到目标位置。

(5)本发明的墩子在运动前会进行避障判断，若潮汐车道上存在障碍物则不进行运动，避免墩子在运动过程中因障碍物的影响无法顺利工作以及碰到他人的机动车造成影响他人正常行驶的问题，即避免墩子在移动使与车辆发生碰撞。

(6)本发明通过闭环控制墩子的运动，墩子通过北斗模块实时获取自身的位置信息，再利用分段式的移动方法，使移动更加的准确，最终定位的精准度也很高。

(7)本发明通过北斗模块作为定位模块，定位的精度高达厘米级，能够精确实现墩子的移动定位，精度高。

(8)本发明使用万向轮作为运动机构，通过增量式编码器判断驱动轮的位置，而且可实现墩子驱动轮的任意角度转动，且转动角度可知，方便改变墩子快速改变运动方向。

(9)本发明在到达最终位置后可以通过底盘驱动电机带动壳体向底盘方向运动，整个墩子整体固定在地面上，增加了墩子本身的稳定性。

附图说明

图1是本发明一种基于摄像头避障的潮汐车道变更方法的流程示意图。

图2是本发明墩子的三维结构示意图。

图3是本发明墩子的剖视图。

图4是本发明墩子的俯视图。

图中，1-驱动轮、2-端盖、3-顶盖、4-北斗模块、5-壳体、6-报警灯、7-太阳能电池板、8-运动驱动电机、9-底盘、10-铅酸蓄电池、11-从动轮、12-摄像头驱动电机、13-摄像头、14-绝对角度编码盘、15-开口槽、16-底盘驱动电机、17-滚轴丝杠、18-丝杠螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，为了便于表达，在图1中将墩子简述为墩子，将路段控制器简述为基站，将电子罗盘简述为电子罗盘：

如图2～4所示，一种基于摄像头避障的潮汐车道变更系统，包括远程控制中心、交通信号灯后台数据服务器、路段控制基站和墩子，同一条潮汐车道上的所有的墩子构成一个墩子群组，远程控制中心的数据传输端口与交通信号灯后台数据服务器的数据传输端口通过光纤传输或者无线数据传输的方式进行实时数据传输，远程控制中心的数据传输端口与路段控制基站的数据传输端口通过光纤传输或者无线数据传输的方式进行实时数据传输；远程控制中心从交通信号灯后台数据服务器获得潮汐车道所在车道的车流量信息分析是否需要进行潮汐车道的变更，在需要进行潮汐车道的变更时远程控制中心将潮汐车道变更信号以及当前时段潮汐车道出入口处的红绿灯信息实时发送至路段控制基站，路段控制基站通过无线数据传输的方式将行走命令控制信号实时发送至对应潮汐车道路段上所有的墩子上，各墩子在接收到各自的行走命令时执行相应的移动，并实时将位置信息反馈给路段控制基站。

远程控制中心、路段控制器和车道变更机器人自上而下构成三层结构式系统。路段控制器包括基站控制模块、LoRa物联网基站和通信模块，所述LoRa物联网基站和通讯模块均与基站控制模块通过串口连接，所述路段控制器通过LoRa物联网基站与车道变更机器人上的LoRa模块实现LoRa无线通讯连接，所述路段控制器通过通信模块实现与远程控制中心的通讯连接，所述基站控制模块一方面接收远程控制中心发出的运动指令并将运动指令后生成对各个车道变更机器人的控制命令，基站控制模块通过LoRa模块将控制命令发送到对应的车道变更机器人的LoRa模块上；另一方面接收车道变更机器人执行移动指令后通过LoRa模块发送出的新的位置信息，并将该位置信息通过通信模块传输给远程控制中心。

所述基站控制模块采用安卓系统，路段控制器上还设置有触摸显示屏、存储模块、电源模块和报警电路，电源模块用于为整个路段控制器进行供电，触摸显示屏、报警电路和存储模块均与机器人控制模块电连接，所述存储模块用于存储各个车道变更机器人发到路段控制器上和远程控制中心发到基站上的信息，触摸显示屏用于对路段控制器进行现场调试，实时控制命令的输入和车道变更机器人运动信息的实时显示，所述报警电路用于在路段控制器的整个系统出现异常时进行报警。

LoRa无线的通讯距离为5公里以内，基站的控制范围为5公里以内道路上所有的车道变更机器人，基站对这些车道变更机器人进行协同控制。

每条潮汐车道上的墩子群组均包括沿潮汐车道一侧分布的多个墩子，相邻的墩子之间间隔2～6米；所述墩子包括壳体5、北斗模块4、嵌入式控制模块、报警灯6、太阳能电池板7、铅酸蓄电池10、LoRa模块、移动模块、避障模块、角度判断模块和底盘9，隔离墩壳体5上设置有端盖2，端盖2内部中空且上端中心位置固定有顶盖3，北斗模块4固定在端盖2内部的空腔内。

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10固定在底盘9上，底盘9固定在外壳底部；所述外壳上端设置有报警灯6，外壳的外表面设置有太阳能电池板7，太阳能电池板7通过太阳能充电电路连接铅酸蓄电池10，所述北斗模块4和避障模块均设置在外壳内部，移动模块、角度判断模块和锁定机构均设置在底盘9上。

所述北斗模块4包括射频单元、以及与所述射频单元连接并用于接收和处理北斗卫星导航定位系统发送的定位信号的接受处理单元，所述信号接收处理单元的输出端与控制模块通过串口连接。

所述角度判断模块包括设置在底盘9上的电子罗盘和驱动所述电子罗盘转动的罗盘驱动电机，所述罗盘驱动电机固定在底盘上，所述移动模块包括设置在底盘9上的驱动轮、两个从动轮和驱动所述驱动轮转动的运动驱动电机，所述锁定机构连接移动模块并用于对驱动轮进行锁紧和放开；所述墩子在出厂时，电子罗盘的指向和墩子的朝向相同，都是朝向正北方向；所述避障模块包括设置在壳体5内部并与壳体5固定连接的摄像头驱动电机12和水平设置摄像头13，摄像头驱动电机12连接摄像头13并带动摄像头13在90度范围内转动；所述壳体5的正面开设有100度的开口槽15，摄像头13拍摄开口槽15范围内条形的图像。

底盘9套装在外壳底部，底盘9上设置有凸块，外壳底部设置有与底盘9上的凸块相配合的凹槽，外壳上还固定有底盘驱动电机16，底盘驱动电机16连接滚珠丝杠17，底盘9上设置有与所述滚珠丝杠17相配合的丝杠螺母18，所述丝杠螺母18套装在所述滚珠丝杠17上，底盘驱动电机16带动滚珠丝杠17转动时驱动底盘9在外壳的底部上下运动；所述驱动轮上还安装有增量式编码器，所述增量式编码器设置在驱动轮与底盘之间，墩子出厂时驱动轮朝向与电子罗盘的转向相同，此时增量式编码器处于零位位置。

所述远程控制中心连接交通信号灯后台数据服务器并在潮汐车道变更时利用交通信号灯后台数据服务器控制未变更前潮汐车道的入口处始终保持红灯状态而出口处始终保持绿灯状态。

所述底盘驱动电机16通过滚珠丝杠17带动底盘9在外壳的底部上下运动时底盘9的移动距离大于外壳底部与地面之间的高度。

所述驱动轮和两个从动轮都是万向轮。

如图1所示，一种基于摄像头避障的潮汐车道变更方法，包括如下步骤：

1)远程控制中心接收交通信号灯后台数据服务器发来的当前潮汐车道车流量信息和潮汐车道入口和出口处的红绿灯信息，由此判断是否需要进行潮汐车道的变更；若需要进行潮汐车道的变更，则将需要进行潮汐车道变更和潮汐车道入口和出口处的红绿灯的信息实时发送给路段控制基站；

2)路段控制基站接收到远程控制中心发来的信息，并根据潮汐车道入口和出口处的红绿灯信息的状况，在当前潮汐车道入口处的红绿灯是红灯的情况下将需要进行车道变更的信息以及将每个墩子需要移动的最终位置的坐标信息发送到每个墩子上；

3)整条潮汐车道上的墩子按照未变更前潮汐车道当前方向依次进行移动，具体的移动方式如下：

3.1)墩子进行上电初始化，并判断自身是否存在故障，故障判断包括铅酸蓄电池10电量是否够用的判断、北斗模块4是否能够定位的判断、LoRa模块是否能正常传递信息和墩子内部所有的电机是否能够正常工作；若墩子存在故障，则对存在故障的墩子进行重启后再对该墩子进行故障判断，若墩子仍存在故障，则将存在故障的墩子的故障信息传递给路段控制基站，并点亮该墩子的警报灯，不对该墩子进行移动；若墩子，则判断墩子可以进行移动，进入3.2步骤；

3.2)墩子的罗盘驱动电机启动，带动电子罗盘转动一圈，实现电子罗盘的校准定位，得到电子罗盘当前的输出方向；

3.3)墩子上的北斗模块4获取当前墩子的当前位置信息，结合从路段控制器处获得的需要移动的最终位置的坐标信息得出墩子的运动方向；

3.4)由于墩子的移动机构采用的驱动轮为万向轮，驱动轮的初始位置是未知的，转动驱动轮使增量式编码器回归零位，即将驱动轮恢复到初始的位置；再结合步骤3.2中获得的电子罗盘当前的输出方向和步骤3.3中获得的墩子的运动方向，转动驱动轮使其正对需要进行移动的方向；

3.5)墩子打开自身的报警灯6并进行障碍判断，障碍判断的方式为漫反射光电开关13测距法，打开摄像头13，转动墩子上的摄像头驱动电机12，使墩子上的摄像头13在开口槽15的范围内左右转动90度，在该过程中判断摄像头13保持拍摄状态,获得的图片利用图像识别技术障碍判断；若摄像头拍摄的过程中获得的图片利用图像识别技术始终无法发现障碍物，则表示扫描过程中未碰到障碍物，即墩子即将运动的路径上不存在障碍物，墩子可以进行下一步的运动步骤；若摄像头拍摄的过程中获得的图片利用图像识别技术发现了障碍物，则表示扫描过程中碰到了障碍物，即墩子即将运动的路径上可能障碍物，则需要延时3s再次进行障碍判断；

3.6)确定无障碍后，墩子开始沿着步骤3.4中确定的运动方向进行运动，直至到达目的地，完成墩子的移动；

3.7)墩子移动到最终位置时，锁定机构开始工作，将驱动轮锁紧，实现墩子的锁定；

4)在墩子驱动轮1锁紧后，底盘驱动电机16开始运动，底盘驱动电机16带动滚珠丝杠17转动时驱动底盘9在外壳的底部向上运动，即外壳向下运动，直至外壳的底部与地面接触，再关闭底盘驱动电机16和报警灯6，完成单个墩子的移动；

5)在整条路段上的墩子均完成移动后，实现整条潮汐车道的变更。

所述远程控制中心连接交通信号灯后台数据服务器并在潮汐车道变更时利用交通信号灯后台数据服务器控制未变更前潮汐车道的入口处始终保持红灯状态而出口处始终保持绿灯状态。

步骤3.6中墩子的移动方式为分段式移动，即将整个运动路径分为若干段，每段的终点坐标均发送到墩子上，墩子按照步骤3.2～步骤3.6的过程依次移动到每段的终点坐标处，并在每段的重点坐标处时根据自身的位置信息再次进行方向确定，继续执行步骤3.2～步骤3.6的过程，直至墩子移动到最终位置。

所述摄像头驱动电机12的电机头上还连接有绝对角度编码盘14，通过绝对角度编码盘14实现摄像头驱动电机12在指定角度的范围内来回运动。

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 (9)

1.一种基于摄像头避障的潮汐车道变更系统，其特征在于：包括远程控制中心、交通信号灯后台数据服务器、路段控制基站和墩子，同一条潮汐车道上的所有的墩子构成一个墩子群组，远程控制中心的数据传输端口与交通信号灯后台数据服务器的数据传输端口通过光纤传输或者无线数据传输的方式进行实时数据传输，远程控制中心的数据传输端口与路段控制基站的数据传输端口通过光纤传输或者无线数据传输的方式进行实时数据传输；远程控制中心从交通信号灯后台数据服务器获得潮汐车道所在车道的车流量信息分析是否需要进行潮汐车道的变更，在需要进行潮汐车道的变更时远程控制中心将潮汐车道变更信号以及当前时段潮汐车道出入口处的红绿灯信息实时发送至路段控制基站，路段控制基站通过无线数据传输的方式将行走命令控制信号实时发送至对应潮汐车道路段上所有的墩子上，各墩子在接收到各自的行走命令时执行相应的移动，并实时将位置信息反馈给路段控制基站；

每条潮汐车道上的墩子群组均包括沿潮汐车道一侧分布的多个墩子，相邻的墩子之间间隔2～6米；所述墩子包括壳体(5)、北斗模块(4)、嵌入式控制模块、报警灯(6)、太阳能电池板(7)、铅酸蓄电池(10)、LoRa模块、移动模块、避障模块、角度判断模块和底盘(9)，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(10)固定在底盘(9)上，底盘(9)固定在外壳底部；所述外壳上端设置有报警灯(6)，外壳的外表面设置有太阳能电池板(7)，太阳能电池板(7)通过太阳能充电电路连接铅酸蓄电池(10)，所述北斗模块(4)和避障模块均设置在外壳内部，移动模块、角度判断模块和锁定机构均设置在底盘(9)上；

所述角度判断模块包括设置在底盘(9)上的电子罗盘和驱动所述电子罗盘转动的罗盘驱动电机，所述罗盘驱动电机固定在底盘上，所述移动模块包括设置在底盘(9)上的驱动轮、两个从动轮和驱动所述驱动轮转动的运动驱动电机，所述锁定机构连接移动模块并用于对驱动轮进行锁紧和放开；所述墩子在出厂时，电子罗盘的指向和墩子的朝向相同，都是朝向正北方向；所述避障模块包括设置在壳体(5)内部并与壳体(5)固定连接的摄像头驱动电机(12)和水平设置摄像头(13)，摄像头驱动电机(12)连接摄像头(13)并带动摄像头(13)90度范围内转动；所述壳体(5)的正面开设有100度的开口槽(15)，摄像头(13)拍摄开口槽(15)范围内条形的图像；底盘(9)套装在外壳底部，底盘(9)上设置有凸块，外壳底部设置有与底盘(9)上的凸块相配合的凹槽，外壳上还固定有底盘驱动电机(16)，底盘驱动电机(16)连接滚珠丝杠(17)，底盘(9)上设置有与所述滚珠丝杠(17)相配合的丝杠螺母(18)，所述丝杠螺母(18)套装在所述滚珠丝杠(17)上，底盘驱动电机(16)带动滚珠丝杠(17)转动时驱动底盘(9)在外壳的底部上下运动；所述驱动轮上还安装有增量式编码器，所述增量式编码器设置在驱动轮与底盘之间，墩子出厂时驱动轮朝向与电子罗盘的转向相同，此时增量式编码器处于零位位置。

2.根据权利要求1所述的基于摄像头避障的潮汐车道变更系统，其特征在于：所述远程控制中心连接交通信号灯后台数据服务器并在潮汐车道变更时利用交通信号灯后台数据服务器控制未变更前潮汐车道的入口处始终保持红灯状态而出口处始终保持绿灯状态。

3.根据权利要求1所述的基于摄像头避障的潮汐车道变更系统，其特征在于：所述底盘驱动电机(16)通过滚珠丝杠(17)带动底盘(9)在外壳的底部上下运动时底盘(9)的移动距离大于外壳底部与地面之间的高度。

4.根据权利要求1所述的基于摄像头避障的潮汐车道变更系统，其特征在于：所述驱动轮和两个从动轮都是万向轮。

5.根据权利要求1所述的基于摄像头避障的潮汐车道变更系统，其特征在于：所述北斗模块安装在所述外壳的顶部。

6.一种基于摄像头避障的潮汐车道变更方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)远程控制中心接收交通信号灯后台数据服务器发来的当前潮汐车道车流量信息和潮汐车道入口和出口处的红绿灯信息，由此判断是否需要进行潮汐车道的变更；若需要进行潮汐车道的变更，则将需要进行潮汐车道变更和潮汐车道入口和出口处的红绿灯的信息实时发送给路段控制基站；

2)路段控制基站接收到远程控制中心发来的信息，并根据潮汐车道入口和出口处的红绿灯信息的状况，在当前潮汐车道入口处的红绿灯是红灯的情况下将需要进行车道变更的信息以及将每个墩子需要移动的最终位置的坐标信息发送到每个墩子上；

3)整条潮汐车道上的墩子按照未变更前潮汐车道当前方向依次进行移动，具体的移动方式如下：

3.1)墩子进行上电初始化，并判断自身是否存在故障，故障判断包括铅酸蓄电池(10)电量是否够用的判断、北斗模块(4)是否能够定位的判断、LoRa模块是否能正常传递信息和墩子内部所有的电机是否能够正常工作；若墩子存在故障，则对存在故障的墩子进行重启后再对该墩子进行故障判断，若墩子仍存在故障，则将存在故障的墩子的故障信息传递给路段控制基站，并点亮该墩子的警报灯，不对该墩子进行移动；若墩子，则判断墩子可以进行移动，进入3.2步骤；

3.2)墩子的罗盘驱动电机启动，带动电子罗盘转动一圈，实现电子罗盘的校准定位，得到电子罗盘当前的输出方向；

3.3)墩子上的北斗模块(4)获取当前墩子的当前位置信息，结合从路段控制器处获得的需要移动的最终位置的坐标信息得出墩子的运动方向；

3.4)由于墩子的移动机构采用的驱动轮为万向轮，驱动轮的初始位置是未知的，转动驱动轮使增量式编码器回归零位，即将驱动轮恢复到初始的位置；再结合步骤3.2中获得的电子罗盘当前的输出方向和步骤3.3中获得的墩子的运动方向，转动驱动轮使其正对需要进行移动的方向；

3.5)墩子打开自身的报警灯(6)并进行障碍判断，障碍判断的方式为漫反射光电开关(13)测距法，打开摄像头(13)，转动墩子上的摄像头驱动电机(12)，使墩子上的摄像头(13)在开口槽(15)的范围内左右转动90度，在该过程中判断摄像头(13)保持拍摄状态,获得的图片利用图像识别技术障碍判断；若摄像头拍摄的过程中获得的图片利用图像识别技术始终无法发现障碍物，则表示扫描过程中未碰到障碍物，即墩子即将运动的路径上不存在障碍物，墩子可以进行下一步的运动步骤；若摄像头拍摄的过程中获得的图片利用图像识别技术发现了障碍物，则表示扫描过程中碰到了障碍物，即墩子即将运动的路径上可能障碍物，则需要延时3s再次进行障碍判断；

3.6)确定无障碍后，墩子开始沿着步骤3.4中确定的运动方向进行运动，直至到达目的地，完成墩子的移动；

3.7)墩子移动到最终位置时，锁定机构开始工作，将驱动轮锁紧，实现墩子的锁定；

4)在墩子驱动轮(1)锁紧后，底盘驱动电机(16)开始运动，底盘驱动电机(16)带动滚珠丝杠(17)转动时驱动底盘(9)在外壳的底部向上运动，即外壳向下运动，直至外壳的底部与地面接触，再关闭底盘驱动电机(16)和报警灯(6)，完成单个墩子的移动；

5)在整条路段上的墩子均完成移动后，实现整条潮汐车道的变更。

7.根据权利要求6所述的一种基于摄像头避障的潮汐车道变更方法，其特征在于：所述远程控制中心连接交通信号灯后台数据服务器并在潮汐车道变更时利用交通信号灯后台数据服务器控制未变更前潮汐车道的入口处始终保持红灯状态而出口处始终保持绿灯状态。

8.根据权利要求6所述的一种基于摄像头避障的潮汐车道变更方法，其特征在于：步骤3.6中墩子的移动方式为分段式移动，即将整个运动路径分为若干段，每段的终点坐标均发送到墩子上，墩子按照步骤3.2～步骤3.6的过程依次移动到每段的终点坐标处，并在每段的重点坐标处时根据自身的位置信息再次进行方向确定，继续执行步骤3.2～步骤3.6的过程，直至墩子移动到最终位置。

9.根据权利要求6所述的一种基于摄像头避障的潮汐车道变更方法，其特征在于：所述摄像头驱动电机(12)的电机头上还连接有绝对角度编码盘(14)，通过绝对角度编码盘(14)实现摄像头驱动电机(12)在指定角度的范围内来回运动。