一种用于公路步行作业人员安全保护的辅助装置及方法

技术领域

本发明属于公路安全设备技术领域，具体涉及一种用于公路步行作业人员安全保护的辅助装置及方法。

背景技术

随着全国路网的基本形成，城市化进程的不断加快，城市规模在迅速扩大，作为城市框架的城市道路显得日益重要，其路况的好坏，直接影响了整个城市的形象。如何加快我国公路养护行业发展、提高公路养护质量已经成为公路养护部门面临的首要问题。而道路养护人员步行巡视、维修、卫生打扫是道路养护的重要手段。目前，为了保证道路作业人员的作业安全，一般会在车辆来流方向、距离作业一定安全距离的位置布置交通锥、警示旗等警示装置。然而在道路养护和巡视过程中，作业人员由于巡视和作业位置的移动，需要反复往返人工挪动这些警示装置，这大大增加了作业人员的劳动强度，也极大地降低了作业效率，同时也由于在公路上作业时长增加，增大了作业人员发生事故的概率，严重威胁到作业人员的安全。

现有技术中，对于道路养护工作的保障措施为人工摆放及移动锥桶。在专利CN113293716A中，智能锥桶具有定位模块可以对锥桶当前的位置进行定位并将信息传递给周围车辆及施工人员，可以进行车辆的主动避障。虽然将锥桶智能化并可以传递信息但是无法进行实质性的保护预警作用，仅仅是一个信息交互而缺失动作模块，真正意义上的移动保护还需要人为干涉；在专利CN109457635A中，一种停车用智能锥桶可以实现运动测距和停车指导，也同时具有警报和录像功能。此智能锥桶是为了实现便捷停车而设计，在专利CN211849038U中，着重于解决锥桶防撞预警系统的电池容量小工作时间短的问题，通过对电池和雷达转接机构的分开安装提升了电池容量，增加了预警时间，但是不具有保护及信息交互等功能，相对于该产品为了提升锥桶的工作时间，本产品的着重点在于对养护工作效率的提高和安全的考虑；在专利CN214704947U中，智能系统具有信息交互，预警信息传递到人的功能，但是锥桶并不具有移动功能，无法实现保护道路养护者的功能，同时也无法随着养护工作的进行而实时移动的功能。

为了保障道路养护人员的安全、推进道路养护工作效率，本发明设计开发了一款具有自动跟随、实时测距、作业现场情况记录等功能的智能保护装置。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于公路步行作业人员安全保护的辅助装置及方法，具有自动跟随、实时测距、作业现场情况记录等功能，保障道路养护人员的安全、推进道路养护工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于公路步行作业人员安全保护的辅助装置，包括智能底座及上部警示部分，所述警示部分采用交通警示装置；智能底座包括智能底座基体、电源模块、控制板、行走驱动装置、转接装置、测距装置、视频记录装置、报警装置、遥控信息接收装置、数据存储模块、遥控器以及行走轮；电源模块、控制板、测距装置、视频记录装置、报警装置以及遥控信息接收装置、数据存储模块设置在智能底座基体中；测距装置、视频记录装置以及遥控信息接收装置与连接控制板通过I/O接口连接，报警装置连接控制板的输出端；行走驱动装置与智能底座基体连接，行走轮设置在智能底座基体的底部，行走驱动装置的输出部连接行走轮；转接装置分为上部和下部，转接装置的上部连接交通警示装置，转接装置的下部连接智能底座；电源模块为整个装置供电；数据存储模块用于对测量、记录以及控制数据进行本地存储。

交通警示装置包括锥形桶、警示旗、警报灯或防护桶。

控制板通过I/O接口连接有通信模块，通信模块采用4G/5G通讯网络模块、无线WIFI模块或蓝牙模块。

智能底座基体中设置一个用于容纳电源模块、控制板、行走驱动装置、测距装置、视频记录装置、报警装置以及遥控信息接收装置的空间，智能底座基体的横截面为圆形或多边形；电源模块与智能底座基体可拆卸连接；视频记录装置包括一个或多个摄像头，测距装置设置有至少两个。

控制板的处理器采用单片机。

行走轮采用轮式、履带式或万向轮。

控制板还连接有定位模块。

一种用于公路步行作业人员安全保护的方法，基于本发明所述的智能装置，所述智能装置保持设定距离实时跟随维护人员，同时保持智能底座与道路边缘的安全距离；测距装置在设定角度范围内进行扫描测量，视频记录装置用于确定跟随对象并记录影像；监测距离超过设定距离时所述智能装置自动跟随维护人员；

对于距离的控制，采用两阶段策略，首先对智能装置与路沿的距离进行调整，使其满足预设的安全距离，然后再对智能底座与人员的距离进行调整；

基于智能底座与遥控器之间无线射频信号的强度，采用RSSI方法，能估算智能小车与作业人员之间的距离，将测距装置扫描得到的数据以及RSSI得到的数据进行融合的方法，得到更高的测量精度。

在人员和智能底座之间无障碍物的情况下，在t时刻沿着小车和作业人员方向取扫描得到的最短距离

在t时刻前后小车朝向路基的方向及小车朝向人员的方向连续测量得到的距离值为

Step1：对距离值序列按照从小到大的次序进行重新排序，排序后的距离序列为：

Step2：t时刻的扫描测量值y

Step3：经过上述两个步骤的处理，对于用于控制的最终距离值，采用t时刻附近的n个距离值y

y

其中，

Step4：同理，对于RSSI获得的距离值，采用t时刻附近的n个距离值

y

Step5：采用卡尔曼滤波方法进行两个距离的融合，计算公式如下：

A

其中，A

上按照测试精度要求及现场实际情况，采用其中一种进行距离计算，如采用扫描的距离作为控制，则取：A

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明的智能锥桶是为了维护道路养护人员的安全和提升道路养化效率设计，能用于实现自动跟随、实时测距、作业现场情况记录等功能，还能用于保障道路养护人员的安全，提高道路养护工作效率，通过测距装置实时监测装置与养护人员的距离，控制板、行走驱动装置配合行走轮，按照设定距离自动跟随作业人员的功能，从而带动安全警示用的锥形桶、警示旗等按照需要自动移动，解决传统安全保护装置需要人工挪动的问题；基于视频记录装置、控制板以及存储装置可以实现实时监测行驶车辆距离、车辆闯入设定安全区域报警、实时录像记录等功能，为作业质量和事故追溯提供有价值的信息。

附图说明

图1为智能底座的构成示意图。

图2为智能底座内部的功能模块结构拓扑图。

图3为智能底座自动跟随控制逻辑示意图。

图4为智能底座距离控制逻辑示意图。

图5为智能底座测距原理示意图。

图6为控制扫描角度的方式示意图。

具体实施方式

本发明设计开发了一款具有自动跟随、实时测距、作业现场情况记录等功能的智能保护装置，该装置包括智能底座及上部警示部分，所述警示部分包括锥形桶、警示旗或防护桶等交通警示装置。智能底座可以实时测量其到作业人员的距离以及其到道路边缘的距离，并具备按照设定距离自动跟随作业人员的功能，从而带动安全警示用的锥形桶、警示旗等按照需要自动移动，解决传统安全保护装置需要人工挪动的问题。同时，该装置具备对周边环境感知及记录的功能，可以实现实时监测行驶车辆距离、车辆闯入设定安全区域报警、实时录像记录等功能，为作业质量、事故追溯提供必要的信息。

智能底座具备测距和自动跟随功能，可带动安全警示装置实现随作业人员的自动跟随和按照指令移动，解决传统保护装置需要人为移动的问题。

智能底座构成如图1所示，包括智能底座基体1、电源模块2、用于测量和控制等功能的控制板3、行走驱动装置4、转接装置5、测距装置6、视频记录装置7、报警装置8、遥控信息接收装置9以及行走轮10。其中控制板上运行有控制软件，控制板3可接收外部指令或由程序设定，控制行走装置完成智能底座的移动，控制测距装置完成一个多个距离测量，控制记录装置实现视频的按需记录，控制报警装置按照设定的条件发出报警信息，同时该模块具备联网功能，可将所记录的信息按需上传到云平台。

智能底座基体1可以在满足对内容纳电源模块2、用于测量和控制等功能的控制板3、行走驱动装置4、转接装置5、测距装置6、视频记录装置7以及报警装置8，对外可连接转接装置5及行走轮10的前提下，设计为任何需要的形状，可以按照需要采用各种材料进行制作。

基体内部设计有电源模块2，该电源模块为控制板3、行走驱动装置4、测距装置6、视频记录装置7、报警装置8以及行走轮10的工作提供电力，该电源模块可拆卸，同时具有对外的充电接口，以便于更换或利用外部电源进行充电。如图2所示，电源模块中包括但不限于：1)电压转换电路：用于将电源所提供的单一电压转换为智能底座各个功能模块所需要的不同电压、不同电流的供电；2)电池充电电路：实现对可充电电池的充电功能；3)电源保护电路：防止电池过充、过放功能以及其他的必要保护功能，电源模块优先采用市售电源。

智能底座的核心控制与测距功能由控制板3、测距装置6、视频记录装置7、报警装置8、遥控信息接收装置9实现。其中控制板3的基本组成模块如图2所示,其包括但不限于：

①转换电路，用于将外部传感器的输入，如测距装置、视频记录装置、遥控信息接收装置所产生的信号进行转化，形成数字信号，然后送入到控制板上进行进一步的分析、处理、存储和发送；②MCU模块：核心计算与控制模块，用于运行算法以及控制指令，完成智能底座各种数据的分析、计算，以及所有行为的控制；③外围电路：协助MCU完成相应功能的控制板的其他组成部分；④软件系统：配有和外界用户有交互功能的软件界面，利用编程语言实现能够配合MCU进行数据采集、数据处理、数据存储、数据发送、警报触发、行走控制等功能的软件；⑤行走控制模块：将MCU控制指令转换为行走装置能够接收的电信号；⑥数据发送模块：实现将需要发动到云平台的信息进行无线发送的无线模块，优选方案包括但不限于4G/5G通讯网络模块、无线WIFI模块、蓝牙模块等；同时还包含将报警信息通过有线或无线方式发送给报警模块的通讯模块；⑦数据存储模块：为避免网络不通导致的数据丢失，本发明在控制板上设计有本地数据存储模块，可以完成对测量、记录以及控制数据的本地存储。

智能底座具有移动功能，可以按照程序设定的距离阈值，控制智能底座按照控制系统发出的指令，实现各个方向的自由移动，从而保证智能底座与道路边缘(路基)以及维护人员保持既定的距离实现跟随。移动功能实现的典型结构包括但不限于轮式、履带式和万向轮，其控制的逻辑如图3所示。行走轮与行走驱动装置4配套优选采用市售产品。(是否可以)

如图3所示，在距离的控制方面，采用两阶段策略，首先对智能小车与路沿的距离进行调整，使其满足预设的目标值，然后再对智能底座与人员的距离进行调整。

基于激光测距传感器的智能底座测距方法：为实现对智能小车对人员或路基的测距功能，可选择的技术手段有雷达测距、超声测距、激光雷达扫描等。这些手段或者成本高昂，或者适用于大面积目标的扫描，定位距离不准确。本发明采用一种利用激光测距传感器旋转进行测距的方法，激光测距仪是一种低成本的距离测量装置，广泛应用于家庭装修、常规的距离测量等领域，精度可达mm级别，满足本申请测距的精度和成本要求。然而，它只能实现点对点的测距，为实现对路基及人员的距离测量，本发明设计回转扫描装置，在其上安装激光测距传感器，通过扫描逐点扫描的方法，并配合特殊设计的算法，实现距离的测量。其结构示意如下图所示。可回转的扫描轴14安装在回转底座15上，由电机及传统系统带动按照设定的扫描速度做周向回转运动，一个或多个激光测距传感器被安装在回转轴14上，跟随回转轴做360度整周回转或设定扫描角度的往复回转运动，实现对距离的测量，其中激光测距传感器至少包括第一激光测距传感器11、第二激光测距传感器12和第三激光测距传感器；激光测距仪与控制板3通过I/O接口连接。

为避免周边环境及过往车辆对测量的干扰，扫描测量只在一定角度范围内进行，如图5所示，屏蔽扫描区域为不产生扫描数据的区域。对扫描区域的控制可以采用如下方式：1)控制扫描角度的方式：通过对扫描轴14回转方向的控制，实现扫描轴14仅在指定的角度范围(大于90°小于270°)内往复扫描，如图6(a)所示；2)通过增加遮挡罩16的方式，屏蔽扫描区域外的扫描，如图6(b)所示；3)通过在扫描区域边界增加市售开关传感器或回转角度监测的传感器17控制采样的方法，用感器监测回转扫描轴进入和离开扫描区间的时间，当回转扫描轴14进入扫描区域时开始数据采样，离开扫描区域时停止采样，如图6(c)所示；4)采用计算机算法，即利用3)所述的方法采集扫描轴的回转位置信息的同时，对距离数据在整个回转周期都进行采样和记录，然后利用位置信息只选用扫描区域内的距离数据进行距离的计算。测距装置6优选采用市售设定有扫描角度的测距装置。

本系统配置有具备蓝牙、WiFi或其他无线通讯能力的遥控器，该遥控器可以通过上述的射频信号与智能底座进行通讯，可以手动控制小车的移动或者设定智能小车的参数。

该遥控器为作业人员随身携带，基于智能底座与遥控器之间无线射频信号的强度，采用RSSI技术，可以估算智能小车与作业人员之间的距离，RSSI技术是通过接收到的数据信号强弱来测定信号发送点与接收点之间的距离。

在距离的计算方法上，采用将扫描得到的数据以及RSSI得到的数据进行融合的方法，得到更高的测量精度并提高测量的鲁棒性。扫描得到目标点的示意如图5中箭头所示。在人员和智能底座之间无障碍物的前提下，在t时刻沿着小车和作业人员方向取扫描得到的最短距离

以对小车与人的距离的处理为例，假设在t时刻前后对某个方向(小车朝向路基的方向及小车朝向人员的方向)连续测量得到的距离值为

Step 1：对距离值序列按照从小到大的次序进行重新排序，排序后的序列为：

Step 2：t时刻的扫描测量值y

Step 3：经过上述两个步骤的处理，可以有效消除扫描测量值中的异常波动值。为了进一步减少数据频繁波动引起的智能小车的动作，对于用于控制的最终距离值，采用t时刻附近的n个距离值y

y

Step 4：同理，对于RSSI获得的距离值，采用t时刻附近的n个距离值

y

Step 5：采用卡尔曼滤波方法进行两个距离的融合，得到更鲁棒的结果，计算公式如下：

A

上述中值滤波算法与融合算法相结合，避免了测量距离不准确或者因为干扰物导致测量数据出现偏差的问题，提高对距离计算的抗干扰和鲁棒性，避免对智能底座位置的频繁调整。

上述的方案在实际应用中，亦可以按照测试精度要求及现场实际情况，采用其中一种进行距离计算。如采用扫描的距离作为控制，则可以取：A

小车与路基之间的距离计算方法采用上述步骤的Step1-Step3，并且最后取B

智能底座具有视频记录功能，可设置一个或多个摄像头及视频存储装置，实现对智能底座周边环境的全方位或指定位置的连续记录或事件触发记录。

智能底座具有报警功能，在结合检测到的车辆距离和速度信息满足危险触发阈值，或者利用图像处理技术获知车辆有进入作业区域的危险时，可触发声音、警示灯等报警信息。

智能底座上可设置或更换不同的接口，从而实现对交通锥、防撞桶或警示旗等不同警示装置的安装，实现在不同环境下的通用化应用。

智能底座可利用4G/5G通信模块或其他无线网络模块，实现远程信息交互功能，将作业距离信息、实时作业的环境信息、报警信息等上传至远程的数据中心，并可增加GPS、北斗星等导航模块，将实时作业位置信息上传。

本发明所述装置的典型应用场景包括：

道路作业人员按照安全保护需求，在控制系统中设置好一个或多个安全保护装置的跟随距离、距离道路边缘的距离，并设定好报警的阈值信息，然后开始作业，则该装置在作业过程中实现对人员的自动跟随；

道路作业人员配置有遥控器，可实现对一个或多个智能装置的远程遥控，在作业到一定距离后，可使用遥控器遥控该装置实现智能装置与作业人员之间距离的改变。在此过程中，智能装置可自动保持其与道路边缘的距离不变或者按照遥控器操作改变。遥控操作包括但不限于手动、语音控制等。

本发明所述装置及方法目的在于使得锥桶智能化，在道路施工的过程中可以随着施工进程的推进自动移动，减少人力物力消耗。在运行的过程中，智能底座为信号发射器，养护人员身上佩戴信号接收器，用于实时测距。其中控制器接收位置检测元件发出的距离信息(与马路维护人员、与公路护肩、与智能装置之间等)，依据设定的距离范围，对距离是否在范围内做出判断，并且给出应该运动的方向、运动的速度等信息，并将这些指令发送给驱动器；驱动器接收到这些信息后，运用传动机构驱动行走轮按照所需的距离进行运动。从而带动支撑结构及安装在其上的各个功能模块运动到所需位置，实现跟随功能。测距装置所运用的技术可以包括但不限于超声波测距，红外测距。分别利用时间差测距法、红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。报警装置在对接收位置检测元件发出的距离信息进行处理后，若有车辆撞倒或者伸向养护区域时将及时传递信息至工作人员同时响起警报；在测距装置检测出有车辆由远及近的状况时提前进行预报警，最大程度上保护公路养护人员的人身安全。具有防护区间自动设置(设置好保护锥和人员之间的间距、防护锥和路边的间距)、自动跟随(测距功能，能够实时监测与防护人员距离、与路边标志物距离，并实现实时跟随)、碰撞及距离过近声光报警及视频录制功能。附加功能为可以在底座上放置警示旗，警报灯等，更具警示作用。