CN110284437B - 基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置及方法 - Google Patents

基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置及方法，涉及输电线路在线状态监测领域，包括包括设在杆塔上的电动云台和设在电动云台上的检测装置，检测装置包括控制模块、车辆检测模块、报警模块和电源模块，车辆检测模块、报警模块和电源模块均与控制模块电连接，车辆检测模块用于检测车辆的行动状态并传递给控制模块，电源模块用于给装置提供电能，电动云台由控制模块控制转动。本发明运用红外探测技术对侵入检测范围的车辆进行识别，结合路面、气象条件和车辆大小计算出预警距离，及时警示驾驶员减慢速度和注意与杆塔保持相应的安全距离。由于红外线是不可见光，人视觉不可见，探测时不会对驾驶员造成影响，夜间也不会妨碍到红外传感器的工作。

Description

基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置及方法
技术领域
本发明涉及输电线路在线状态监测领域，特别是一种基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置及方法。
背景技术
电力系统的发展离不开输电线路的运营，因此对输电线路的保护必不可少，其中杆塔为核心保护对象。输电杆塔运行环境复杂，常常会遭受外力破坏，除了环境因素导致的杆塔损坏外，绝大多数杆塔损坏是交通事故所致。杆塔被车辆撞击损坏往往是因为当体积过于庞大的车辆以较快速度行驶时，由于车辆本身原因或天气及光线原因，驾驶员无法注意到路线附近的输电杆塔或者注意到的时候已经没有足够的减速距离，最终导致杆塔的损坏甚至人员和货物的损毁。若为杆塔装上杆塔防撞报警装置，能够在极大程度上地避免这种交通事故的发生和保护电力设施，避免造成长时间的停电事故。
红外线的波长比可见光光线长，有明显的热效应和较强的穿透雨雾能力。红外传感器的热感功能具有较高的精确性和较大的感应范围。安装在杆塔上的红外传感器通过接收道路侧侵入物体反射回的红外线，依据信号强弱及波长的不同，经分析时间差，便可得出前方物体的性质及其与杆塔的距离和速度。由于红外线是不可见光，隐蔽性强，因此即使夜间外界环境恶劣也不会妨碍到红外传感器的工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置及方法，能够减少驾驶人员因天气或光线等原因的影响看不清楚路况从而造成的交通事故，能够实现在达到预警距离时及时提醒驾驶员减速或转向，最大程度的避免造成交通事故的技术效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，包括设在杆塔上的电动云台和设在电动云台上的检测装置，检测装置包括控制模块、车辆检测模块、报警模块和电源模块，车辆检测模块、报警模块和电源模块均与控制模块电连接，车辆检测模块用于检测车辆的行动状态并传递给控制模块，电源模块用于给装置提供电能，电动云台由控制模块控制转动。
优选的方案中，所述车辆检测模块包括红外线探测器，红外线探测器将探测到的信号传递给控制模块。
优选的方案中，所述控制模块为单片机。
优选的方案中，所述报警模块包括蜂鸣器和指示灯。
优选的方案中，所述电源模块为锂电池。
优选的方案中，所述电动云台与地面的距离为2m-4m。
优选的方案中，还包括数据采集模块，数据采集模块用于检测现场的环境信号并传递给控制模块。
优选的方案中，所述数据采集模块为风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器中的一种或多种。
一种适用于上述杆塔防撞警报装置的杆塔防撞报警方法，包括以下步骤：
s1、电动云台旋转的同时车辆检测模块检测对应方向的车辆状态，判断车辆是否会对杆塔造成威胁，当判断有威胁时，控制模块控制检测装置停在该方向；
s2、控制模块利用制动安全距离逻辑算法计算出该车辆的预警距离，同时检测车辆与杆塔间的距离；
s3、当预警距离等于或小于车辆与杆塔间距时，控制模块控制报警模块发出警报；
s4、车辆及时刹车或转向后，预警距离大于车辆与杆塔间距，报警模块停止报警，检测装置继续旋转检测各方向的车辆状态。
优选的方案中，制动安全距离逻辑算法对于不同路面状况设有不同路面附着系数。
本发明运用红外探测技术对侵入检测范围的车辆进行识别，结合路面、气象等条件和车辆的体积大小计算出车辆对应的预警距离，当车辆与杆塔间距达到预警距离时报警模块触发，提示驾驶员减慢速度和注意与杆塔保持相应的安全距离。由于红外线是不可见光，隐蔽性强，人视觉不可见，在探测时不会对驾驶员造成额外影响，即使夜间也不会妨碍到红外传感器的工作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的工作状态俯视示意图；
图2为本发明的装置电路原理图；
图3为本发明的制动安全距离逻辑算法流程图；
图4为本发明的系统框图；
图5为本发明的蜂鸣器报警回路示意图；
图6为本发明的指示灯光电转换电路示意图。
图中：电动云台1，检测装置2，控制模块3，车辆检测模块4，报警模块5，电源模块6，数据采集模块7。
具体实施方式
如图1～6所示，一种基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，包括设在杆塔上的电动云台1和设在电动云台上的检测装置2，检测装置2包括控制模块3、车辆检测模块4、报警模块5和电源模块6，车辆检测模块4、报警模块5和电源模块6均与控制模块3电连接，车辆检测模块4用于检测车辆的行动状态并传递给控制模块3，电源模块6用于给装置提供电能，电动云台1由控制模块3控制转动。
为确保监测范围的全面性，本装置采用360°电动云台来支撑红外探测器，可以满足各种杆塔，并且可以根据道路的实时情况进行调整角度，做到杆塔周边探测的全面性。如图1所示，未检测到靠近车辆时装置一直转动扫描杆塔四周；若检测到靠近车辆，探测器会锁定在目标方向进行后续检测。安装在杆塔上的红外传感器通过接收道路侧侵入物体反射回的红外线，依据信号强弱及波长的不同，经分析时间差，便可得出前方物体的性质及其与杆塔的距离和速度。红外波段的射束具有强穿透性与热效应，可以在不同气象情况下进行使用；而且由于红外线人视觉不可见，在进行探测时不会对驾驶员造成影响，探测过程中也不会对监测环境造成破坏。
优选的方案中，所述车辆检测模块4包括红外线探测器，红外线探测器将探测到的信号传递给控制模块3。红外线探测器由控制模块控制发射红外线装置检测范围内车辆的车型大小，当检测到的信号达到大型车辆的标准，控制模块控制电动云台停止转动，检测模块检测对应方向上的目标车辆状态信息并传递给控制模块。
优选的方案中，所述控制模块3为单片机。单片机可采用arm处理器为核心，将多种外围电路集成在一块硅片上，例如时钟电路、看门狗电路、无线通信模块和GPS模块等。arm系列单片机在指令系统、总线结构、调试技术、功耗以及性价比等方面都超过了传统的51系列单片机。
优选的方案中，所述报警模块5包括蜂鸣器和指示灯。一旦装置认定车辆为威胁车辆，就会一直对车速和车塔间距进行检测，当装置测得车与杆塔间距小于等于预警距离时，D1的正管脚输入低电平，导致预警电路的输出电压Vout为低电平，此时输出端连接的蜂鸣器发出警报，报警模块5的声光警报系统电路如图5和图6所示。
优选的方案中，所述电源模块6为锂电池。
优选的方案中，所述电动云台1与地面的距离为2m-4m。考虑到车辆最大高度对装置检测效果的影响，国内最大货车高度不高于5.0m，因此该装置安装在杆塔上的位置与地面相距的距离[2m，4m]间效果最好。
优选的方案中，还包括数据采集模块7，数据采集模块7用于检测现场的环境信号并传递给控制模块3。控制模块根据接收到的信号判断周围环境，及时调整电动云台的位置和角度，以达到最佳的探测位置与示警位置。
优选的方案中，所述数据采集模块7为风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器中的一种或多种。将图2中信号调理电路用于将各个传感器检测到的信号转换为电信号传递给控制模块，控制模块基于大数据的统计，分析出最合适的探测方位，得到相对较准确的预警距离判断结果。
一种适用于上述杆塔防撞警报装置的杆塔防撞报警方法，包括以下步骤：
s1、电动云台1旋转的同时车辆检测模块4检测对应方向的车辆状态，判断车辆是否会对杆塔造成威胁，当判断有威胁时，控制模块3控制检测装置2停在该方向；
s2、控制模块3利用制动安全距离逻辑算法计算出该车辆的预警距离，同时检测车辆与杆塔间的距离；
s3、当预警距离等于或小于车辆与杆塔间距时，控制模块3控制报警模块5发出警报；
s4、车辆及时刹车或转向后，预警距离大于车辆与杆塔间距，报警模块5停止报警，检测装置2继续旋转检测各方向的车辆状态。
当车辆驶入杆塔上红外探测的扇形探测区域时，电动平台停止转动，红外线探测器对车辆驶入方向进行扫描，发射的红外脉冲光束接触到车辆的后反射回红外线探测器，探测器将反射回的脉冲光束信号转化成电信号，ARM通过分析电流信号的强弱来判断车辆体积的大小。ARM分析判断原理为：红外探测器发出的红外线脉冲计数转化为电信号中的电流量为I0，某时刻反射回的光信号转化为电流量为It，则当I0/It小于某个定值时，判定该车辆为大型车，对杆塔的撞击会对杆塔产生威胁。
当装置判断靠近的车辆为威胁车辆时，立即对车辆速度和其与杆塔间距进行检测。红外发射器每隔0.5s对车辆进行一次扫描，并且单片机对每次发出的红外信号通过将其从发出到接收所经历的时间进行计时，当完成两次信号的发收后，控制模块运用两次信号的传播时间计算两次扫描得出的车与杆塔的间距，将两次测得的间距求差，然后除去时间即是该车当前的平均车速v。
利用制动安全距离逻辑算法，在装置测得车的行驶速度后，自动计算出该车辆的预警距离。该算法基于车辆制动距离模型，是在车辆防抱死控制系统的条件下建立的，根据路面附着系数推导制动距离模型，该算法的流程图如图3所示。模型具体思想如下：若在行驶过程中，汽车前方遇到紧急状况，在驾驶员从反应到刹车停止的整个过程，从时间角度上分析，可将车辆整个制动过程的所需时间分为驾驶员反应时间、制动反应时间、持续制动时间、制动停止时间四个部分，这四个部分中前三个部分车辆制动的距离之和即为车辆的总制动距离。在本方案中将该模型的思想转化为制动安全距离逻辑算法加入到控制模块中。算法的具体内容如下：
驾驶员反应时间t1和t2：当驾驶员做出刹车反应到开始刹车时的动作过程，t1表示为驾驶员听到装置发出的警报声时其反应所需的一段时间，t2表示指驾驶员收到警报信号后，其脚踩到踏板上的过程中所花费的时间，在此设置驾驶员反应这段时间内自车行驶距离为S1；机械反应时间t3和t4：t3表示司机从踏下刹车踏板到制动片与制动鼓之间完全接触时这段过程所需时间；从开始产生制动力或车辆开始减速直到最大时，耗时为t4，并设机械反应时间内车辆行驶的距离为S2；持续制动时间t5为从汽车减速度达到最大且维持不变，直到汽车停止所用的时间，此阶段汽车行驶距离设为S3；制动停止时间t6为车辆已经停止，驾驶员松动踏板的时段，该段时间车辆保持静止，没有产生位移。
t1～t6均由人为设定，考虑到不同气候条件下驾驶员的反应速度不同，在此以上6个反应时间的设置考虑为最坏情况下驾驶员的反应时间，即人遇紧急事件最慢的反应时间。因此车行驶的总距离可表示为：
S＝S1+S2+S3 (1)
设本车初始车速为v，为了得到S与v之间的关系，设定路面附着系数为
Figure BDA0002084201150000055
重力加速度为g和汽车最大减速度为a，则
Figure BDA0002084201150000051
在驾驶员反应时间内，汽车保持匀速行驶，在该阶段汽车行驶的距离为：
S1＝v(t1+t2) (3)
制动机械反应时间可分两部分计算，t3时段匀速行驶，在t4时间内车辆减速度大小由0到
Figure BDA0002084201150000052
则t3时段行驶距离表示为：
Figure BDA0002084201150000053
对t4时段，在此该段时间内，车的减速度大小是线性递增趋势，根据微分可得关系式为：
Figure BDA0002084201150000054
因为
Figure BDA0002084201150000061
且∫du＝∫λtdt，从车辆速度开始到加速度最大的过程中，车辆的速度变为vi，那么可得：
Figure BDA0002084201150000062
即
Figure BDA0002084201150000063
化简并将λ代入其中，再代入到
Figure BDA0002084201150000064
中，得
Figure BDA0002084201150000065
在持续制动时间内，因为车辆是维持作匀减速运动，当其减速度达到最大时，此时车速变为
Figure BDA0002084201150000066
那么汽车在该时段行驶距离为
Figure BDA0002084201150000067
联立S1、S2、S3的表达式得到车辆预警距离为
Figure BDA0002084201150000068
在实际中，因为汽车的最大减速度小于9.8m·s-2，且减速度的增大的时间一般很短，所以
Figure BDA0002084201150000069
很小忽略不计，则
Figure BDA00020842011500000610
因此得到车辆预警距离S，即为车辆离杆塔的最近距离。
优选的方案中，制动安全距离逻辑算法对于不同路面状况设有不同路面附着系数。可以根据不同的路面情况，计算出不同的速度下需要的最短制动距离，使得安全监测装置适用于不同的道路环境。
对于路面附着系数
Figure BDA0002084201150000072
的取值，通过广泛数据的统计得到如下数据表格：
Figure BDA0002084201150000071

Claims (9)

1.一种基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，其特征在于：包括设置在杆塔上的电动云台（1）和设在电动云台上的检测装置（2），检测装置（2）包括控制模块（3）、车辆检测模块（4）、报警模块（5）和电源模块（6），车辆检测模块（4）、报警模块（5）和电源模块（6）均与控制模块（3）电连接，车辆检测模块（4）用于检测车辆的行动状态并传递给控制模块（3），电源模块（6）用于给装置提供电能，电动云台（1）由控制模块（3）控制转动；
杆塔防撞警报装置的杆塔防撞报警方法为：
s1、电动云台（1）旋转的同时车辆检测模块（4）检测对应方向的车辆状态，判断车辆是否会对杆塔造成威胁，当判断有威胁时，控制模块（3）控制检测装置（2）停在该方向；
s2、控制模块（3）利用制动安全距离逻辑算法计算出该车辆的预警距离，同时检测车辆与杆塔间的距离；
s3、当预警距离等于或小于车辆与杆塔间距时，控制模块（3）控制报警模块（5）发出警报；
s4、车辆及时刹车或转向后，预警距离大于车辆与杆塔间距，报警模块（5）停止报警，检测装置（2）继续旋转检测各方向的车辆状态。
2.根据权利要求1所述的基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，其特征在于：所述车辆检测模块（4）包括红外线探测器，红外线探测器将探测到的信号传递给控制模块（3）。
3.根据权利要求1所述的基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，其特征在于：所述控制模块（3）为单片机。
4.根据权利要求1所述的基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，其特征在于：所述报警模块（5）包括蜂鸣器和指示灯。
5.根据权利要求1所述的基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，其特征在于：所述电源模块（6）为锂电池。
6.根据权利要求1所述的基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，其特征在于：所述电动云台（1）与地面的距离为2m-4m。
7.根据权利要求1所述的基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，其特征在于：还包括数据采集模块（7），数据采集模块（7）用于检测现场的环境信号并传递给控制模块（3）。
8.根据权利要求7所述的基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置，其特征在于：所述数据采集模块（7）为风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的基于红外探测技术的杆塔防撞警报装置的杆塔防撞报警方法，其特征在于：制动安全距离逻辑算法对于不同路面状况设有不同路面附着系数。
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