CN111489562B - 一种全车体作用式智能避险车道系统及车辆避险方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全车体作用式智能避险车道系统及车辆避险方法，属于交通安全技术领域，解决失控车辆在制动过程中容易发生二次伤害的问题。本发明所述系统包括信息采集模块、控制器、消能与制动保持装置和电源模块，所述信息采集模块安装于距离引道入口前50～100m处，所述信息采集模块用于采集车辆的车速、总重和外轮廓，并将这些参数传递给所述控制器，所述控制器用于控制所述消能与制动保持装置，所述消能与制动保持装置安装于制动车道的入口处。本是发明可以确保最大制动距离的有效利用，以实现最大制动时间，从而在冲量一定的前提下尽可能减少车体作用力，降低减速过程中二次伤害的风险程度。

Description

一种全车体作用式智能避险车道系统及车辆避险方法

技术领域

本发明涉及交通安全技术领域，尤其涉及一种全车作用式智能避险车道系统及车辆避险方法。

背景技术

受复杂地形、工程投资等因素的影响，高速公路或山区道路存在长大下坡或连续转弯等不良路段。车辆尤其是大货车在该不良路段行驶时，由于长时间的行车制动，可能容易使刹车系统温度升高导致刹车失灵，进而引发交通事故，这对失控车辆驾驶员及在该路行驶的其他驾驶员的人身财产安全构成了严重威胁。因此需要设置避险车道来降低交通事故的事故率。

避险车道是指在长陡下坡路段行车道外侧增设的供速度失控车辆驶离正线安全减速的专用车道。避险车道主要由引道、制动车道、服务车道及辅助设施(路侧护栏、防撞设施、施救锚栓、呼救电话、照明)等组成。避险车道主要布置在长下坡路段，以主要应对连续刹车导致过热失灵的车辆被动减速。避险车道通常采用上坡道形式，制动床通常填充厚度较大的豆砾石材料，在重力和粒料阻力对车轮的综合作用下，实现车辆制动，但是车辆在制动过程中存在受力不均匀的现象。

现有的避险车道普遍存在以下问题：

1、由于制动床粒料较厚，导致车辆制动受力不均而发生制动过程中的方向偏离，甚至侧翻。

2、制动时间过短，导致单位时间内外部受力相差较大而发生车体损坏。

3、失控车辆速度过高时可能导致冲出避险车道的危险。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种全车体作用式智能避险车道系统，解决失控车辆在制动过程中由于受力不均匀，内外受力相差较大，而造成车辆二次伤害的问题。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种全车体作用式智能避险车道系统，包括信息采集模块、控制器、消能与制动保持装置和电源模块，信息采集模块和效能与制动保持装置分别于控制器连接，电源模块与控制器连接。通过信息采集模块预先采集车辆的失控信息，控制器根据这些信息计算出最佳的制动力，以确保失控车辆在安全制动距离内所受外部制动力最小，避免传统的制动减少制动过程中对车辆照成的二次伤害。

本设计基于冲量定理而设计：冲量定理的描述为物体的增量等于它所受合外力的冲量，即所有外力的冲量的矢量和，即

Ft＝m(v₀-v)

式中，

F——合外力：

t——合外力作用时间：

m——物体的质量；

v₀——物体的初始速度；

v——物体在经过t时段后的末速度。

对于失控车辆而言，其速度变化量即为进入避险车道前的初速度值v₀，因车辆总质量m为定值，为实现外力对车辆合力F最小，需要尽量增大合外力作用时间t。根据位移公式，

式中，

L——有效制动距离；

a——制动减速度；

F——合外力：

t——合外力作用时间：

m——物体的质量；

v₀——物体的初始速度；

v——物体在经过t时段后的末速度

由于v₀确定，故应尽可能延长有效制动距离L，实现t值的增大。

鉴于此，本设计通过针对具体车辆设计的作用力，使失控车辆在提供一定冗余量确保安全的前提下最大化利用避险车道的既有减速距离完成制动，减少外力作用，进而降低制动对车辆及人员的伤害程度。

进一步，信息采集模块包括高清雷达测速仪、RFID标签、RFID采集器和激光车型识别设备，高清雷达测试仪安装于引道入口前50～100m处，RFID标签安装于车辆的挡风玻璃上，RFID采集器安装于引道入口前50～100m处，激光车型识别设备安装于引道入口前50～100m处。高清雷达测速仪、RFID采集器和激光车型识别设备分别用于采集失控车辆的车速、总重和外轮廓，能够及时精确的提供失控车辆的信息，以便于控制器计算出最佳的制动力。

进一步，消能与制动保持装置包括挡板墙、电动推杆、钢索和凸轮恒力机构，电动推杆对称设置于制动车道的两侧，电动推杆一端与制动车道滑动连接，电动推杆的另一端与挡板墙固定连接，挡板墙为L直角型，挡板墙的前端部分可以阻挡车头的正面冲击，凸轮恒力机构安装于制动车道的前端，钢索用于连接电动推杆和凸轮恒力机构。凸轮恒力机构能够给予车辆一个恒定的阻力，防止车辆受力不均匀而造成损害，两块L型挡板墙能够从失控车辆的前端和左右两端抵住车辆，防止车辆偏移，侧翻。

凸轮恒力机构设计原理如下：

为保证车辆在不冲出避险车道前提下对制动距离的有效利用，设车道利用系数为η，η取值范围80％-90％。

首先要算出制动车床的助力系数，最小阻力系数应为小客车在L型挡板自重(此时后向拉力为0)、车辆总重、制动床综合作用力下，制动距离为η与避险车道长度的乘机，计算此时的阻力系数。其次，在制动阻力床阻力系数的前提下计算可变拉力。

1)碰撞前(v₀→v₁)：

所受阻力：

坡度阻力F_g1＝mgsinα；

滚动阻力F_Γ1＝mgD_f；

空气阻力

车与护栏摩擦力记为f₁；

车与挡板墙摩擦力记为f₂；

功能关系:

式中，

m——失控车辆的总重；

α——制动坡道斜角；

g——重力加速度，取9.8m/s²；

D_f——滚动阻力系数；

K——空气阻力系数，与车型有关；

A₁——车辆迎风面积；

ρ——空气密度，一般取ρ＝1.2558N·s²/m²；

v₀——失控车辆进入制动坡床的初速度；

v₁——失控车辆即将进入坡床的初速度；

δ——惯性力系数，一般取δ＝1.04；

l——挡板墙的长度；

W_f1——车与护栏摩擦力做的功；

W_f2——车与挡板墙摩擦力做的总功；

2)碰撞过程中(v₁→v₂，视为完全非弹性碰撞)：

mv₁＝(m+M)v₂

式中，

v₂——失控车辆与挡板墙碰撞后一起运动的速度；

M——挡板墙及液压杆总重；

3)碰撞后(v₂→0，对车与墙体整体分析)：

所受阻力：

碰撞后坡度阻力F_g2＝(m+M)gsinα；

碰撞后滚动阻力F_Γ2＝(m+M)gD_f；

碰撞后空气阻力

挡板墙受到的拉力T；

液压杆与轨道摩擦力为f₃；

功能关系：

求得拉力：

全过程功能关系：

式中，L——车辆有效制动的距离；

W_f3——液压杆与轨道摩擦力做的总功；

W_撞——发生碰撞损失的能量；

其中δ为惯性力系数，一般取为δ＝1+δ₁＝1.04，δ₁为惯性阻力系数。由于惯性阻力项比较小，在不做精确计算的条件下可以忽略不计。

进一步，挡板墙与失控车辆的接触面设有吸能层。吸能层为橡胶、海绵等软体材料制作的物体，吸能层与车辆接触时能够避免车辆与其他硬质物体接触，避免车辆的外轮廓被破坏。

进一步，还包括安装于制动车道停车线位置上的防后溜固定模块，防后溜固定模块包括挡柱、轮挡和弹簧，轮挡的前端与挡柱连接，轮挡的后端与弹簧连接，挡柱用于压住轮挡，弹簧用于顶起轮挡，轮挡可以压入地面，轮挡与失控车辆轮胎的接触面为圆形曲面。失控车辆碾压轮档时将轮档压入地里面，失控车辆驶过后，轮档在弹簧的作用下弹出，防后溜固定模块的圆形曲面与车胎接触，给予车辆一个沿着避险车道向上的反力，防止车辆后溜。

本发明的目的之二是提供一种应用全车体作用式智能避险车道系统的车辆避险方法，解决现有避险方法中容易对车辆带来二次伤害的问题。

一种应用全车体作用式智能避险车道系统的车辆避险方法，在失控车辆进入制动车道前通过信息采集模块采集其车速、总重和外轮廓参数，并将这些参数传递给控制器，消能装置避险控制系统自动计算出制动失控车辆所需要的数据，车辆驶入避险车道前，两块L型挡板墙之间预留出失控车辆的1.5倍距离，当失控车辆触碰到L型挡板墙短端的瞬间，电动推杆推动L型挡板夹住失控车辆，通过效能与制动保持装置进行制动失控车辆。实现一车一参数制动。

本发明的有益效果：

1.能够根据预先采集的车辆信息，计算出最佳的制动力，以确保失控车辆在安全制动距离内所受制动力最小，减少制动过程中对车辆照成的二次伤害。

2.能够将车辆限制在挡板墙内，避免车辆偏移，侧翻。

3.能够防止车辆后溜，避免车辆滑出避险车道造成其他二次伤害。

附图说明

图1是本发明的设计结构图；

图2是本发明的主要装置布置平面图；

图3是本发明激光车型识别设备的结构示意图；

图4是本发明消能与制动保持装置的结构示意图；

图5是本发明防后溜固定模块的结构示意图；

其中，1-信息采集模块、11-高清雷达测速仪、12-RFID标签、13-RFID采集器、14-激光车型识别设备、141-龙门型支架、142-激光扫描器、2-控制器、3-消能与制动保持装置、31-挡板墙、32-电动推杆、33-钢索、34-凸轮恒力机构、35-吸能层、4-电源模块、5-防后溜固定模块、51-挡柱、52-轮挡、53-弹簧。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1至图5所示

实施例二

一种全车体作用式智能避险车道系统，包括信息采集模块1、控制器2、消能与制动保持装置3和电源模块4，所述信息采集模块1和所述消能与制动保持装置分别与所述控制器2连接，所述电源模块4与所述控制器2连接，所述信息采集模块1安装于引道入口前50～100m处，所述信息采集模块1用于提前采集车辆的车速、总重和外轮廓，并将这些参数传递给所述控制器2，所述控制器2基于冲量定理原则自动计算出制动失控车辆所需要的输出力，所述控制器2用于控制所述消能与制动保持装置，所述消能与制动保持装置3安装于制动车道的最前方，所述消能与制动保持装置根据所述控制器2计算出来的数据进行制动工作。每辆失控车辆的车速、总重和外形等都不一样，所以制动时所需要的力量大小也不一样。传统的避险车道是用较厚的制动床粒料，车辆在上面移动时，比较颠簸，受力不均匀，受力方向容易偏移。本发明不采用传统的制动方式，通过预先采集失控车辆运行特征的参数，系统自适应调节所述消能与制动保持装置3的输出力。可以确保最大制动距离的有效利用，从而在冲量一定的前提下尽可能减少车体作用力，降低内外受力差。车辆在平滑的避险车道上移动不颠簸，受力比较均匀，便于控制方向，避免车辆偏移侧翻，造成二次伤害。

所述信息采集模块1包括高清雷达测速仪11、RFID标签12、RFID采集器13和激光车型识别设备14，所述高清雷达测速仪11安装于距离引道入口前50～100m处，所述RFID标签12安装于车辆的挡风玻璃上，所述RFID采集器13安装于引道入口前50～100m处，所述激光车型识别设备14安装于引道入口前50～100m处。

其中，所述高清雷达测速仪11与地面的距离为5～8m，仰视安装角为20°～25°。所述高清雷达测速仪11采用窄波平板雷达，雷达频率为24.125GHz，雷达测量角度为水平25°，测速周期不大于40ms，测速范围为20～250km/h。所述高清雷达测速仪11可以采集引道入口前50～100m处的失控车辆的速度，把采集到的失控车辆数据传递给控制器2。

其中，所述RFID采集器13与地面的距离为5～8m，与水平面的角度为20°～25°。所述RFID采集器13采用的是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读取相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光化学接触。所述RFID标签12装配与车辆的挡风玻璃上，电子车牌中写入一些车辆的相关信息，包括车辆的唯一识别码、车辆的类型、号牌的种类、车辆的使用性质等，RFID采集器13安置于目标路段的道路支架上。当装配了所述RFID标签12的车辆从所述RFID采集器13下方的路段通过时，所述RFID采集器13就会读取车辆上的RFID标签12识别码以及其它信息并且产生一条过车记录，然后将记录上传到所述消能控制系统，上传的记录中包含：RFID采集点的名称、车辆的RFID标签12、过车时间、车辆的行车方向，RFID采集器13的IP地址、车辆的总量。其中车辆的总重是车辆进入高速公路入口收费站时的称重数据。

其中，所述激光车型识别设备14与地面的距离为5～8m，与水平面的角度为90°。所述激光车型识别设备14包括龙门型支杆和激光扫描器142，所述龙门型支架141安装于引道入口处，所述龙门型支架141的上方和侧方都安装有所述激光扫描器142。所述激光扫描器142包括扫描传感器和数据组成采集器，扫描传感器安装于车道中心上方的所述龙门支架上，扫描方向平行于车辆行驶方向，获取车辆的长、高数据及车辆顶部的轮廓信息，安装于所述龙门支架侧方的扫描传感器方向垂直于车辆行驶的方向，获取车辆的侧身轮廓信息。

所述消能与制动保持装置3包括挡板墙31、电动推杆32、钢索33和凸轮恒力机构34，所述电动推杆32对称设置于制动车道的两侧，避险车道为两侧带有墙壁的斜坡道，所述电动推杆32的一端与制动车道滑动连接，所述电动推杆32的另一端与所述挡板墙31较端的外侧固定连接，所述挡板墙31为L直角型，所述挡板墙31的前端部分可以阻挡车头的正面冲击，所述凸轮恒力机构34安装于制动车道的前端，所述钢索33用于连接所述电动推杆32和所述凸轮恒力机构34。

其中，所述挡板墙31的数量为两个，所述挡板墙31在电动推杆32的作用下整体距离地面高度为制动车道入口处集料厚度的1～1.5倍。所述挡板墙31的前端部分可以挡住车头的正面冲击，侧向部分在液压机的作用下可以对车身具有侧向作用以保证失控车辆制动方向的稳定并防止倾斜。

其中，所述电动推杆32是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。主要由驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母、导套、推杆、滑座、弹簧53、外壳、涡轮和微动控制开关等组成。

其中，所述凸轮恒力机构34是基于力矩恒定原理设计出的一种主要由凸轮机构和转盘组成的凸轮式恒力机构。工作原理是利用凸轮机构中的滚子对凸轮的压力与其力臂乘机保持恒定产生恒力矩，进而通过转盘转化为恒力输出。所述挡板与车辆一起移动后，随之拉动与其连接的钢索33，通过控制所述凸轮恒力机构34，使钢索33产生对所述挡板墙31沿坡面向下的后向拉力。

所述挡板墙31与失控车辆的接触面设有吸能层35。所述吸能层35可以吸能，所述吸能层35为软体层，可以保护车辆的外形不被破坏。

还包括安装于制动车道停车线位置上的防后溜固定模块5，所述防后溜固定模块5包括挡柱51、轮挡52和弹簧53，所述轮挡52的前端与所述挡柱51连接，所述轮挡52的后端与所述弹簧53连接，所述挡柱51用于压住所述轮挡52，所述弹簧53用于顶起所述轮挡52，所述轮挡52可以压入地面，所述轮挡52与失控车辆轮胎的接触面为圆形曲面。

所述轮挡52、挡柱51采用45Mm钢建造而成，所述弹簧53采用65Mm钢建造而成。采用横向贯穿的方式安装所述防后溜固定模块5，及令所述防后溜固定装置的长度与车道的宽度相同，这样可以避免出现车轮接触不到所述防后溜固定模块5的情况。运作过程如下：当失控车辆从左侧驱向右侧时，失控车辆轮胎将所述挡板压入地下，正常驶过地面，当失控车辆从右侧向左侧行驶时轮胎与所述轮挡52接触，其中所述轮挡52的圆形曲面将失控车辆的轮胎托住，此时给所述防后溜固定模块5一个沿斜坡向下的力，所述圆形挡柱51将轮胎压住，防止后溜的车辆被掀起来。

实施例二

一种应用全车体作用式智能避险车道系统的车辆避险方法，在失控车辆进入制动车道前通过所述信息采集模块1采集其车速、总重和外轮廓参数，并将这些参数传递给所述控制器2，所述消能装置避险控制系统自动计算出制动失控车辆所需要的数据，当车辆进入制动车道时，所述控制器2智能控制所述消能与制动保持装置3进行车辆制动。

在失控车辆距离引道入口前50～100m时，所述高清雷达测速仪11采集失控车辆的车速，并将信息传递给所述控制器2；失控车辆行驶到引道入口时，所述RFID采集器13采集车辆挡风玻璃上所述RFID标签12记录的信息，并将所述RFID标签12记录的车辆总重、RFID采集点的名称、采集时间和行车方向等信息传递给所述控制器2，所述激光车型识别设备14扫描失控车辆的外轮廓信息，并将这些信息传递给所述所述控制器2；当车辆来到制动车道时，所述控制器2控制自适应调节所述电动推杆32的伸长量和所述凸轮恒力机构34的输出力，实现一车一参数制动车辆。

本发明的有益效果：

根据预先采集失控车辆运行特征的参数，系统自适应调节所述电动推杆32的伸长量和所述凸轮恒力机构34的输出力，实现一车一参数的个性创新，以确保失控车辆在安全制动距离内所受外部制动力最小，减少制动过程中对车辆照成的伤害。

基于RFID和雷达等现代技术预先采集数据，多技术结合的应用创新，实现设备与信息的交互，突破了传统意义上对避险车道的设计。

采用L直角型所述挡板墙31的设计将避险车道内路面对车轮的阻力分配至车体全身，而且利用侧向受力式推杆夹墙确保车辆行进方向，实现全车体作用式的避险车道设计。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (5)

1.一种全车体作用式智能避险车道系统，其特征在于：

包括信息采集模块、控制器、消能与制动保持装置和电源模块，所述信息采集模块和所述消能与制动保持装置分别与所述控制器连接，所述电源模块与所述控制器连接；

所述消能与制动保持装置包括挡板墙、电动推杆、钢索和凸轮恒力机构，所述电动推杆对称设置于制动车道的两侧，所述电动推杆一端与制动车道滑动连接，所述电动推杆的另一端与所述挡板墙固定连接，所述挡板墙为L直角型，所述挡板墙的前端部分可以阻挡车头的正面冲击，所述凸轮恒力机构安装于制动车道的前端，所述钢索用于连接所述电动推杆和所述凸轮恒力机构。

2.根据权利要求1所述的全车体作用式智能避险车道系统，其特征在于：

所述信息采集模块包括高清雷达测速仪、RFID标签、RFID采集器和激光车型识别设备，所述高清雷达测速 仪安装于引道入口前50～100m处，所述RFID标签安装于车辆的挡风玻璃上，所述RFID采集器安装于引道入口前50～100m处，所述激光车型识别设备安装于引道入口前50～100m处。

3.根据权利要求2所述的全车体作用式智能避险车道系统，其特征在于：

所述挡板墙与失控车辆的接触面设有吸能层。

4.根据权利要求1所述的全车体作用式智能避险车道系统，其特征在于：

还包括安装于制动车道停车线位置上的防后溜固定模块，所述防后溜固定模块包括挡柱、轮挡和弹簧，所述轮挡的前端与所述挡柱连接，所述轮挡的后端与所述弹簧连接，所述挡柱用于压住所述轮挡，所述弹簧用于顶起所述轮挡，所述轮挡可以压入地面，所述轮挡与失控车辆轮胎的接触面为圆形曲面。

5.应用如权利要求1～4中任意一项所述 的全车体作用式智能避险车道系统的车辆避险方法，其特征在于：

在失控车辆进入制动车道前通过所述信息采集模块采集其车速、总重和外轮廓参数，并将这些参数传递给所述控制器，所述消能装置避险控制系统自动计算出制动失控车辆所需要的数据，当车辆进入制动车道时，所述控制器智能控制所述消能与制动保持装置进行车辆制动。

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