交通事故现场隔离路锥车的总体设计与研究

吕能超,李 泽,罗齐汉,黄 珍,吴超仲

(1.武汉理工大学智能交通系统研究中心 湖北 武汉 430063;2.水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心 湖北 武汉 430063;3.武汉理工大学物流工程学院 湖北 武汉 430063; 4.武汉理工大学自动化学院 湖北 武汉 430070)



交通事故现场隔离路锥车的总体设计与研究

吕能超1,2,李 泽1,2,罗齐汉3,黄 珍4,吴超仲1,2

(1.武汉理工大学智能交通系统研究中心 湖北 武汉 430063;2.水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心 湖北 武汉 430063;3.武汉理工大学物流工程学院 湖北 武汉 430063; 4.武汉理工大学自动化学院 湖北 武汉 430070)

随着高速公路、城市快速路重大交通事故的频发及以人为本的交通施工理念的提出,需要对高速公路、城市快速路突发性事故做出快速反应,进行事故现场快速隔离.因此,交通路锥的快速收放成为亟待解决的难题.对此,进行了交通事故现场隔离路锥车的总体设计研究,利用皮卡作为车载平台,设计可移动的车载设备加装在车辆货箱进行作业,创造性地利用电磁铁完成路锥的运送,并采用SolidWorks三维软件进行模拟仿真.该路锥车结构设计简单、工作效率及可靠性高,能够快速隔离事故现场,避免交通堵塞,对减少交通伤亡及防止事态恶化起到关键作用.

交通安全; 路锥车; 自动收放; SolidWorks仿真; 人机交互

目前我国道路交通事故死亡人数居世界第一,交通事故总量居高不下,全国道路交通安全形势严峻.2012年,我国道路交通事故致死率为21.10%(其中高速公路交通事故致死率更是高达33.32%),而同期美国为1.45%,日本仅为0.54%[1].由于高速公路是高指标线形的全封闭道路,发生突发性交通事故时,“二次事故”时有发生,而交通事故应急救援不及时,是导致致死率高居不下的重要原因之一.在发生重大交通事故后,需要将事故现场进行必要的隔离,一方面可以防止二次事故的发生,降低损失,防止事态恶化,保护现场; 另一方面可保障正常车辆安全通过事故路段,避免交通堵塞[2-3].

目前国内高速公路大多已进入维修保养期,在进行养护作业时,必须保证作业区行车的安全，因此需要在作业区外摆放交通路锥以引导车辆行驶.目前主要采用人工的方式进行道路安全隔离设施的布设,其质量较大且需布设的路段距离较长,人工布设路锥的工作量大,致使工作效率低; 同时人工布设时,工作人员直接暴露在高速公路车道上,面临安全风险很大[4-5].设计一种能够在交通事故现场自动快速布设隔离设施的设备具有显著的实用价值.

近年来国内已研发出若干交通路锥自动、半自动收放车，及相关的投放、回收装置等,如上海电控研究所于2012年研发的SY-100型交通路锥自动收放车,但目前还没有进入大规模应用阶段.现有相关路锥车大多数都是以轻、中型货车作为车载平台,存在着体积庞大、结构复杂、机动性不强的问题; 而且在路锥的投放及回收过程中,大多以机械传动为主,存在着摩擦阻力大、路锥磨损严重、机械结构复杂等的问题.在面对突发性交通事故时无法做到快速、机动、精确地投放路锥,因此设计研发更加实用、轻便、智能的路锥车迫在眉睫.国外类似产品市场化应用相对成熟,但也存在上述问题.对此,进行了交通事故现场隔离路锥车的总体设计研究,利用普通皮卡作为车载平台,创造性地利用电磁铁完成了路锥的运送,并采用独特的路锥存储方式,简化机械结构,提高工作可靠性.先进的电气控制及人机交互界面确保了工作的可靠性、便捷性.

1 系统总体设计

考虑到使用便捷性、通用性及处理重大突发事故的快速可靠性等,本设计利用普通皮卡作为车载平台,对车辆自身改装较小,设计可移动的车载设备加装在车辆货箱即可进行作业,并采用先进的电气控制及人性化的人机交互界面实现交通路锥的快速收放.

1.1 系统组成

交通路锥车主要由车载平台(皮卡车)及车载装置组成.如图1所示.车载装置主要包括:转盘机构、起升机构、转臂机构、回收机构、人机交互显示屏及电气控制柜等.其中转盘机构安装在车厢内部,起升机构安装在车辆右侧,转臂机构安装在起升机构上方,回收机构车辆右侧下方位置.人机交互显示屏位于驾驶室,电气控制柜位于车厢内部.

图1 车载平台、车载装置总体结构

(1) 转盘机构 该机构主要实现路锥的存储功能.采用转盘形式进行堆叠存储,极大地简化了路锥的排列、运输及整理工序,有效地提高了空间利用率.转盘机构由固定盘与转动盘组成.固定盘与车箱底板刚性连接,转动盘通过推力轴承可在固定盘上自由转动.转动盘正中央安装有转盘电机,通过齿轮内啮合驱动转动盘旋转.转动盘上方均匀布置4个路锥定位支撑机构,每个定位支撑机构最多可以堆叠10个路锥,即转动盘最多可存储40个路锥.

(2) 起升机构 该机构主要用于辅助转臂机构运送路锥,实现转臂的上升、下降,在最小的空间内完成路锥的投放和回收,并避免转臂拾取路锥时与车厢体发生干涉.该机构主要由起升电机、齿轮、齿条及滑块组成.起升电机通过齿轮驱动滑块在齿条上进行上下直线运动,进而实现转臂的上下运动,完成路锥的运送.

(3) 转臂机构 该机构主要用于运送路锥.在投放和回收过程中,通过利用转臂的往复旋转运动将路锥从车厢运送至地面,或将路锥从地面运送至车厢.

该机构主要由转臂电机、传动带、电磁铁及配重等组成.转臂电机通过传动带驱动转臂绕电机输出轴作回转运动,转臂一端通过悬臂杆连接电磁铁,另一端安装有配重,起平衡作用.电磁铁得电产生吸引力进而拾取路锥,整个转臂机构在起升机构的配合下,完成路锥投放和回收过程中的运送功能.

(4) 回收机构 该机构主要用于路锥回收，由路锥打倒装置和翻转装置组成[6].其中,路锥打倒装置主要由导向杆、横杆及护栏组成; 翻转装置主要由翻转电机、底座及插杆组成.路锥回收过程中,车辆倒行,路锥进入打倒装置时被弧形的横杆打倒,两边的护栏确保路锥倒伏时处于竖直状态.

1.2 路锥投放流程

1.2.1 路锥投放工作原理

电磁铁拾取路锥,起升电机正向转动,路锥上升至最高点,使其全部脱离下方的路锥,起升电机停止工作; 转臂电机开始正向转动,使路锥运动至投放位置的正上方; 同时,起升电机反向转动,使路锥下降至最低点,即投放点,电磁铁失电,路锥落到地面,实现路锥投放.在此期间,转盘电机驱动转盘逆时针旋转90°.完成路锥投放后,起升电机正向转动,转臂机构上升,转臂机构同时反向转动,使电磁铁运动至路锥吸取点的正上方; 转臂机构停止工作,起升电机反向转动,使电磁铁向下运动,直到接触路锥顶部时停止工作.至此,完成一个路锥投放的全过程.采用SolidWorks三维软件进行模拟仿真,如图2所示.

图2 路锥投放流程

1.2.2 路锥投放时序制定

根据SolidWorks三维软件模拟仿真及考虑路锥车投放的可靠性,设定路锥投放周期为7.5 s,并制定路锥投放时序表.路锥投放阶段时序见表1.

(1) 将电磁铁所处的最低点作为起始位置,即拾取点.在该位置时,电磁铁正好与路锥顶部保持接触,将此状态作为计时零点.

(2)t1=0时刻,电磁铁得电,起升电机开始正向转动,拾取路锥并上升,上升高度至少为一个路锥的高度,确保被拾取的路锥能完全脱离转盘上存储的路锥而不发生干涉,起升时间约为2 s.

(3)t2=2 s时刻,路锥到达最高点,触碰行程开关,起升电机停止上升,此时转臂电机开始正向转动,直到转臂转动至投放位置的正上方时,转臂电机停止,转臂电机工作历时约2 s.为了缩短整个投放过程的周期,当路锥在水平方向上离开转盘上存储的路锥后,整个转臂机构即可开始下降,转臂电机开始运动约0.5 s后,即t3=2.5 s时刻,起升电机开始反向转动.

(4)t4=4 s时刻,转臂机构转动至极限位置,即投放点正上方,转臂电机停止工作,起升电机保持反向转动,处于下降状态,在t2～t4时间段内转盘转动90°,进入等待下次拾取路锥状态.

(5)t5=4.5 s时刻,路锥运动至最低点,即投放点.触碰行程开关,起升电机停止工作,等待路锥投放.根据检测车速和设定路锥间距,确定投放时间,电磁铁失电,路锥投放至地面,实现路锥的投放.此时,起升电机立即正向转动,电磁铁上升,转臂电机反转,转臂机构回程运动历时约1.5 s.

(6)t6=6 s时刻,转臂机构上升至最高点,触碰行程开关,转臂开始反向转动至极限位置,该点位于路锥的最上方,即拾取点.此时转臂电机停止工作,起升电机反向转动,电磁铁下降.

(7)t7=7.5 s时刻,电磁铁拾取下一个路锥时,触发电磁铁上的压力传感器,起升电机停止下降,电磁铁得电,吸取路锥,进入下一个路锥投放周期.

1.3 路锥回收流程

1.3.1 路锥投放工作原理

为确保道路行车安全性,回收路锥过程中,路锥车处于倒车行驶状态.回收路锥4,路锥车倒车行驶,路锥首先通过导向杆进入护栏中,护栏上方的弧形打倒杆将路锥打倒,路锥处于倒伏状态.翻板装置的插杆全部插进路锥中后,翻板电机工作,翻板逆时针旋转90°,路锥离开地面,并保持直立状态.此时,起升机构向下移动,电磁铁得电,拾取路锥,路锥上升至一定高度后,转臂转动至转盘路锥定位支撑装置正上方,同时,起升机构向下移动一定距离,电磁铁失电,路锥准确落到转盘预定位置.转臂反向转动至合适位置,等待下一个路锥的回收.同时,转盘逆时针旋转90°,等待下一个路锥的存储.在此,完成一个路锥回收全过程.采用SolidWorks三维软件进行模拟仿真,如图3所示.

表1 路锥投放阶段时序

图3 路锥回收流程

1.3.2 路锥回收时序制定

综合考虑交通路锥车回收时的行车安全性及工作可靠性,制定路锥回收时序表.路锥回收阶段时序见表2.

(1) 当路锥在翻转装置底板上处于直立状态,且电磁铁已运动至最低点,与路锥顶部保持吸合时,将该位置作为回收点及计时零点,即t1=0.此时,起升电机开始正向转动,路锥开始上升,历时约2 s.

(2)t2=1.5 s时刻,路锥上升至最高点,触碰行程开关,起升电机停止工作,转臂电机开始反向转动约1.5 s,路锥运动至转盘路锥定位支撑机构的正上方.

(3)t3=3 s时刻,转臂电机停止转动,起升电机开始反向转动,路锥开始下降约1.5 s.同时,在t2～t3时间段内翻板电机反向转动,底板及插杆顺时针翻转90°,等待回收下一路锥.

(4)t4=4.5 s时刻,路锥下降至最低点,触碰行程开关,起升电机停止工作,电磁铁失电,路锥准确落入转盘预定位置,完成路锥回收存储及存储.完成路锥回收后,转臂电机正向转动,历经约1.5 s后,电磁铁运动至回收点正上方.t4～t5时间段内,转盘逆时针转动90°,为回收下一路锥做准备.

(5)t5=6 s时刻,下一个路锥被打倒,翻板装置的插杆全部插进路锥中后,翻板电机工作,翻板逆时针旋转90度,路锥离开地面,并保持直立状态.

(6)t6=7 s时刻,起升电机反向转动,向下运动约1.5 s,当电磁铁与路锥顶部接触时,触发电磁铁上面的压力传感器,起升电机停止工作.同时,电磁铁得电,拾取路锥,进入下一路锥回收周期.

表2 路锥回收阶段时序

2 电气控制系统设计

2.1 系统总体设计

电气控制系统主要由主控单元、信息检测单元、驱动控制单元、人机交互显示单元及电气控制柜组成,如图4所示.其中人机交互显示单元放置于驾驶室,便于驾驶员工作过程中实时监控各机构的工作状态,并进行相关的操作动作; 主控单元、信息检测单元、驱动控制单元和电源管理单元放置于车厢内定制的电气控制柜,用于接地实现各机构的协调控制[7].

图4 电气控制系统组成结构

(1) 主控单元:基于嵌入式技术开发专用控制器,基于现场检测数据、操作人员命令,及路锥收放工作流程规范,进行系统协调控制决策.

(2) 信息检测单元:利用轮速传感器、接近开关、限位开关、压力传感器及微动开关等传感器,用于实时检测各类信号,如车速、路锥转盘位置、转臂旋转角度等.同时检测单元负责对各类信号进行数据处理,供各机构协调控制决策所用.

(3) 驱动控制单元:根据主控单元控制决策给对应工作机构输出驱动信号,实现机构可靠动作.

(4) 人机交互单元:设计友好、方便操作的人机交互界面,实现操作人员与控制系统的实时交互.通过与主控单元实时通讯,获取现场各机构工作状态[8].显示屏可实时显示车速、路锥布设间距、布设距离、工作时间、投放/回收个数及剩余个数等基本信息,供操作人员了解系统工作状态和相关信息; 同时操作人员可通过人机界面实现相关工作流程的启停操作.

(5) 电源管理单元:系统采用自带发电机供电方式,工作过程中不对车辆本身的电源系统造成负担和影响.设计电源管理单元,为系统各部分提供所需的稳压电源,且具有系统一键启动和一键关闭功能,实现安全、可靠的系统供电管理.

电气控制系统主控单元是以嵌入操作系统(uCOS-II)为平台,以STM32系列单片机为中央核心处理器,实现对电机等的实时控制[9-10].

2.2 投放控制流程

当上位机按下投放按钮时,系统开始初始化,驱动起升机构下行并控制电磁铁得电,直到检测到压力传感器信号有变化；延时0.1s后驱动起升机构上行,直到触碰到上行限位开关停止,驱动转臂旋转180°；当CPU收到到位信号时,驱动起升机构下行；当下限位开关得电时,起升机构停止运动；当运动距离与设定距离相等时,控制电磁铁失电,驱动起升机构上行；当上限位开关得电时,驱动转臂反转180°并驱动圆盘转动90°；当收到到位信号时,控制电磁铁得电并驱动起升机构下行,完成一个投放周期.

2.3 回收控制流程

当上位机按下回收按钮时,系统开始初始化,驱动起升机构上行,直到触碰到上行限位开关停止,驱动转臂旋转180°；当微动开关得电时,驱动翻板反转90°；当CPU收到转臂到位信号时,驱动起升机构下行控制电磁铁得电,直到检测到压力传感器信号有变化；延时0.1s后驱动起升机构上行,直到触碰到上行限位开关停止,驱动翻板和圆盘正转90°并驱动转臂旋转180°；当CPU收到转臂到位信号时,驱动起升机构下行特定角度控制电磁铁失电,完成一个回收周期.

3 结语

针对高速公路、城市快速路突发性事故现场快速隔离及养护过程中交通路锥快速、可靠、自动投放与回收的问题,进行了一种新型交通路锥车的总体设计与实现研究.通过在轻型皮卡上加装路锥收放车载装置,利用先进的电气控制系统实现了对路锥的快速、精确的投放与回收.最后,采用SolidWorks三维软件进行了路锥投放与回收全过程模拟仿真,取得了较好效果.该新型交通路锥自动收放车机械结构简单,可靠性好、工作效率高,实用性强，为相关路锥自动收放装置的设计与研发提供了理论支撑,对于交通事故的现场的快速隔离及在大规模的道路养护应用中,能起到缓解交通堵塞、减少人员伤亡的关键作用.

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Overall design and research on road-cone vehicle for traffic incident fields

LV Neng-chao,LI Ze,LUO Qi-han,HUANG Zhen,WU Chao-zhong

(1.Intelligent transportation systems research center, Wuhan University of Technology ,Wuhan 430063,China;2.Engineering Research Center of the Ministry of education of highway traffic safety control and equipment,Wuhan 430063,China; 3.School of logistics engineering, Wuhan University of Technology Wuhan 430063,China;3.College of automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

Due to the high frequency of highway and urban expressway traffic incidents and rapid advance of human-centric conceptions, the emergences should be quickly responded.For the purpose of accident filed isolation, the fast layout and recovery of road cones becomes imperative.Accordingly, an overall design on road-cone vehicle is conducted to handle the traffic incident fields.By using the pickup truck as a vehicle platform, the mobile vehicle device is designed and installed in the carriage, whereas an electromagnet is used to deliver road cones.With assistance of SolidWorksTM, the road-cone vehicle is designed in the simple, efficient and reliable manner.Therefore, the quick isolation for incident fields can avoid traffic jams, reduce traffic injuries and prevent situation deteriorations.

traffic safety; road-cone vehicle; automatic layout and recovery; SolidWorks simulation; human-computer interaction

国家科技支撑计划(2014BAG01B0503)；中央高校基本科研业务费专项基金资助(133244003)

吕能超(1982-)，男，博士，副教授.E-mail: lvnengchao@163.com

TH 122

A

1672-5581(2016)03-0233-06