基于陀螺仪路径记录计的高速公路自动警示牌安放系统

技术领域

本发明涉及警示牌放置装置技术领域，特别是涉及一种基于陀螺仪路径记录计的高速公路自动警示牌安放系统。

背景技术

机动车在高速公路上发生故障时,应当在故障来车方向150米以外设置安全警示标示,即三角警示牌。在实际情况中高速公路车流密集，车速高，放置警示牌容易诱发二次事故。故需要用到一种能够安放警示牌的产品，目前国内市场上面向高速公路安放警示牌的产品较少，且功能单一，寿命短容易发生故障，不够智能化。在车辆发生事故后不能自动放置，仅能通过人工遥控实现警示牌放置。这类遥控产品在高速公路事故发生第一时间段无法达到预期目的，且遥控放置往往会占用当事人自救时间，不切实际。综上所属，在高速公路警示牌放置方面还仍存在安装难度高、智能化低、稳定性差且使用寿命得不到保证等问题。

发明内容

本发明的目的是提供基于陀螺仪路径记录计的高速公路自动警示牌安放系统，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供基于陀螺仪路径记录计的高速公路自动警示牌安放系统，包括固定安装在汽车车体底部的负压式储存箱，所述负压式储存箱内放置有运动车体，所述负压式储存箱底部为封盖，所述封盖与所述负压式储存箱侧壁可拆卸连接，所述封盖上安装有抽气阀，所述运动车体包括固定连接的壳体和里程计悬挂底盘，所述壳体与所述负压式储存箱之间安装有用于连接两者的挂载机构，所述壳体顶面安装有折叠预警牌，所述壳体一侧安装有警示灯，所述里程计悬挂底盘位于所述壳体内，所述里程计悬挂底盘内安装有陀螺仪组件。

优选的，所述挂载机构包括固定安装于所述负压式储存箱内壁顶侧的三个挂载柱，所述壳体顶面与所述挂载柱对应固定连接有两个固定钩和一个固定块，所述固定钩与所述挂载柱相适配，所述壳体顶面位于所述固定块边侧开设有通孔，所述通孔内滑动设置有叠氮化钠爆炸栓，所述叠氮化钠爆炸栓顶部与所述固定块配合，所述叠氮化钠爆炸栓与所述固定块配合的整体与所述挂载柱相适配，所述壳体内壁固定连接有两个支撑块，所述叠氮化钠爆炸栓底部与两个所述支撑块相配合。

优选的，所述叠氮化钠爆炸栓包括与所述通孔滑动连接的滑动柱，所述滑动柱开设有滑槽，所述固定块一侧位于所述滑槽内且与所述滑槽滑动连接，所述滑槽顶部固定连接有活动锁扣，所述活动锁扣与所述固定块上均开设有圆弧槽，两个所述圆弧槽组成与所述挂载柱相适配的半圆槽，所述滑动柱底部和两个所述支撑块上均开设有相适配的半圆卡槽，所述滑动柱上的半圆卡槽与所述支撑块上的半圆卡槽组成圆形卡槽，所述滑动柱底部设置有叠氮化钠药仓，所述叠氮化钠药仓内填充有叠氮化钠，所述叠氮化钠药仓两侧分别插接有爆炸滑栓，所述爆炸滑栓位于所述圆形卡槽内，所述叠氮化钠药仓一侧插接有复合陶瓷加热头。

优选的，所述壳体顶面开设有容纳孔，所述壳体内壁固定连接有两个固定板，两个所述固定板位于所述容纳孔两侧，两个所述固定板之间转动连接有旗杆，所述旗杆远离所述固定板的一端贯穿所述容纳孔位于所述壳体顶部，所述壳体内侧壁上转动连接有油封式弹簧拉杆的一端，所述油封式弹簧拉杆另一端与所述旗杆转动连接，所述折叠预警牌与所述旗杆转动连接。

优选的，所述里程计悬挂底盘包括车体主梁，所述车体主梁一端固定连接有固定前桥，所述车体主梁另一端固定连接有共轴悬挂组件，所述壳体内壁固定连接有两个安装座，两个所述安装座分别与固定前桥、共轴悬挂组件对应设置，所述固定前桥与所述共轴悬挂组件两侧均固定连接有轮子总成，所述车体主梁上固定连接有电路固定板和电池固定板，所述电路固定板上安装有电路板。

优选的，所述共轴悬挂组件包括与所述车体主梁固定连接的固定内衬，所述固定内衬上转动连接有旋转后桥，所述旋转后桥与所述固定内衬之间安装有轴承，所述固定内衬上安装有对所述旋转后前进行限位的固定环。

优选的，所述折叠预警牌包括两个与所述旗杆转动连接的活动旗页，两个所述活动旗页重叠设置，所述活动旗页为直角三角形，所述旗杆内安装有将两个所述活动旗页打开的扭矩弹簧。

优选的，所述油封式弹簧拉杆包括第一拉杆和第二拉杆，所述第一拉杆一端与所述旗杆转动连接，所述第一拉杆另一端位于所述第二拉杆内且与所述第二拉杆滑动连接，所述第二拉杆远离所述第一拉杆的一端与所述壳体内壁转动连接，所述第一拉杆与所述第二拉杆之间设置有拉力弹簧，所述拉力弹簧两端分别固定安装于第一拉杆内和第二拉杆内，所述第一拉杆与所述第二拉杆内填充有黄油。

优选的，所述陀螺仪组件包括陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器安装在所述电路板上，所述陀螺仪传感器型号为MPU6050陀螺仪传感器。

本发明公开了以下技术效果：本发明的挂载机构成功实现了无人化悬挂底盘的落地与警示牌的开启，脱离了传统的人工放置，响应迅速，机构稳定可靠；陀螺仪组件为生成行驶路径提供了可靠的数据，得以实现自动行驶功能，摆脱了传统人工控制行驶，更加贴合高速公路突发事故这一应用场景；本发明结构合理使用便捷，真正做到了高速公路事故发生时警示牌的自动放置，自动落地，自动行驶，无需人为操作，不占用车主自救时间。放置及时，做到了在落地的第一瞬间件就展开警示牌，尽早的提醒了后方来车事故的发生，最大限度地避免了后方车辆撞击。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明安放系统与汽车车体位置示意图；

图2为本发明负压式储存箱与运动车体配合示意图；

图3为本发明负压式储存箱外部结构示意图；

图4为本发明负压式储存箱内部结构示意图；

图5为本发明运动车体结构示意图；

图6为本发明运动车体底部结构示意图；

图7为本发明叠氮化钠爆炸栓结构示意图；

图8为本发明叠氮化钠爆炸栓背侧结构示意图；

图9为本发明壳体结构示意图；

图10为本发明叠氮化钠爆炸栓与壳体配合示意图；

图11为本发明壳体内部结构示意图；

图12为本发明里程计悬挂底盘结构示意图；

图13为本发明油封式弹簧拉杆爆炸示意图；

图14为本发明实施例路径拟合图；

其中：1、汽车车体；2、负压式储存箱；3、运动车体；301、壳体；302、里程计悬挂底盘；3021、车体主梁；3022、固定前桥；3023、轮子总成；3024、电路固定板；3025、电池固定板；3026、旋转后桥；3027、固定内衬；4、折叠预警牌；5、警示灯；6、挂载柱；7、固定钩；8、固定块；9、叠氮化钠爆炸栓；901、滑动柱；902、滑槽；903、活动锁扣；904、圆弧槽；905、叠氮化钠药仓；906、爆炸滑栓；907、符合陶瓷加热头；10、支撑块；11、支撑板；12、旗杆；13、油封式弹簧拉杆；1301、第一拉杆；1302、第二拉杆；1303、拉力弹簧；14、安装座；15、容纳孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-14，本发明提供基于陀螺仪路径记录计的高速公路自动警示牌安放系统，包括固定安装在汽车车体1底部的负压式储存箱2，负压式储存箱2内放置有运动车体3，负压式储存箱2底部为封盖，封盖与负压式储存箱2侧壁可拆卸连接，封盖上安装有抽气阀，运动车体3包括固定连接的壳体301和里程计悬挂底盘302，壳体301与负压式储存箱2之间安装有用于连接两者的挂载机构，壳体301顶面安装有折叠预警牌4，壳体301一侧安装有警示灯5，里程计悬挂底盘302位于壳体301内，里程计悬挂底盘302内安装有陀螺仪组件。

进一步优化方案，挂载机构包括固定安装于负压式储存箱2内壁顶侧的三个挂载柱6，壳体301顶面与挂载柱6对应固定连接有两个固定钩7和一个固定块8，固定钩7与挂载柱6相适配，壳体301顶面位于固定块8边侧开设有通孔，通孔内滑动设置有叠氮化钠爆炸栓9，叠氮化钠爆炸栓9顶部与固定块8配合，叠氮化钠爆炸栓9与固定块8配合的整体与挂载柱6相适配，壳体301内壁固定连接有两个支撑块10，叠氮化钠爆炸栓9底部与两个支撑块10相配合。挂载机构成功实现了无人化悬挂底盘的落地与警示牌的开启，脱离了传统的人工放置，响应迅速，机构稳定可靠。控制程序与电路主板搭配构成的陀螺仪路径记录计为生成行驶路径提供了可靠的数据，得以实现自动行驶功能，摆脱了传统人工控制行驶，更加贴合高速公路突发事故这一应用场景。

进一步优化方案，叠氮化钠爆炸栓9包括与通孔滑动连接的滑动柱901，滑动柱901开设有滑槽902，固定块8一侧位于滑槽902内且与滑槽902滑动连接，滑槽902顶部固定连接有活动锁扣903，活动锁扣903与固定块8上均开设有圆弧槽904，两个圆弧槽904组成与挂载柱6相适配的半圆槽，滑动柱901底部和两个支撑块10上均开设有相适配的半圆卡槽，滑动柱901上的半圆卡槽与支撑块10上的半圆卡槽组成圆形卡槽，滑动柱901底部设置有叠氮化钠药仓905，叠氮化钠药仓905内填充有叠氮化钠，叠氮化钠药仓905两侧分别插接有爆炸滑栓906，爆炸滑栓906位于圆形卡槽内，叠氮化钠药仓905一侧插接有复合陶瓷加热头。当检测到车辆加速度不正常时，加热符合陶瓷加热头，使叠氮化钠药仓内部爆炸，产生大量高压气体，将爆炸滑栓推出，同时气体会破坏负压式存储箱内部的负压情况，导致封盖弹出，小车落下。活动锁扣用于与固定块合并成一个完整的半圆，将挂载柱6钳住，挂载车体。爆炸滑栓嵌合与药仓中，启动时从药仓中弹射出来，从而使活动锁扣不再受到叠氮化钠爆炸栓支撑块的限制。

挂载机构可以通过螺丝固定在车辆后方，在车辆发生事导致系统检测到加速度剧变或者人为触发的情况下，挂载机构将会解锁，将悬挂底盘抛下。

进一步优化方案，滑动柱901上插接有固定栓，用于将活动锁扣和固定块装配到一起。

进一步优化方案，壳体301顶面开设有容纳孔15，壳体301内壁固定连接有两个固定板，两个固定板位于容纳孔15两侧，两个固定板之间转动连接有旗杆12，旗杆12远离固定板的一端贯穿容纳孔15位于壳体301顶部，壳体301内侧壁上转动连接有油封式弹簧拉杆13的一端，油封式弹簧拉杆13另一端与旗杆12转动连接，折叠预警牌4与旗杆12转动连接。

进一步优化方案，里程计悬挂底盘302包括车体主梁3021，车体主梁3021一端固定连接有固定前桥3022，车体主梁3021另一端固定连接有共轴悬挂组件，壳体301内壁固定连接有两个安装座14，两个安装座14分别与固定前桥3022、共轴悬挂组件对应设置，固定前桥3022与共轴悬挂组件两侧均固定连接有轮子总成3023，车体主梁3021上固定连接有电路固定板3024和电池固定板3025，电路固定板3024上安装有电路板。

轮子总成3023包括霍尔编码器减速电机，为车子行驶提供动力，顶部装载的霍尔感应器与环形磁铁检测行驶里程，霍尔编码器减速电机一侧安装有弹性联轴器，连接车轮与减速电机，内部螺旋式掏空，提供一定的减震能力，弹性联轴器远离所述霍尔编码器减速电机的一侧安装有橡胶轮。

进一步优化方案，共轴悬挂组件包括与车体主梁3021固定连接的固定内衬3027，固定内衬3027上转动连接有旋转后桥3026，旋转后桥3026与固定内衬3027之间安装有轴承，固定内衬3027上安装有对旋转后前进行限位的固定环。旋转后桥内嵌套在轴承上，能够减少旋转摩擦，外圈用于固定电动马达。

进一步的，轴承为3042-7型轴承。

固定环与轴承固定内衬配合安装，防止整体的滑动解体。

进一步优化方案，折叠预警牌4包括两个与旗杆12转动连接的活动旗页，两个活动旗页重叠设置，活动旗页为直角三角形，旗杆12内安装有将两个活动旗页打开的扭矩弹簧。小车落下后两个活动旗叶在扭矩弹簧作用下张开并在油封式弹簧拉杆13作用下竖起，从而实现警示功能。

进一步优化方案，油封式弹簧拉杆13包括第一拉杆1301和第二拉杆1302，第一拉杆1301一端与旗杆12转动连接，第一拉杆1301另一端位于第二拉杆1302内且与第二拉杆1302滑动连接，第二拉杆1302远离第一拉杆1301的一端与壳体301内壁转动连接，第一拉杆1301与第二拉杆1302之间设置有拉力弹簧1303，拉力弹簧1303两端分别固定安装于第一拉杆1301内和第二拉杆1302内，第一拉杆1301与第二拉杆1302内填充有黄油。通过拉力弹簧1303控制第一拉杆1301和第二拉杆1302之间的距离，从而保证旗杆处于正常工作位置。

进一步优化方案，陀螺仪组件包括陀螺仪传感器，陀螺仪传感器安装在电路板上，陀螺仪传感器型号为MPU6050陀螺仪传感器。

进一步优化方案，警示灯包括与壳体固定连接的聚光罩，所述聚光罩中部安装红色光源灯珠，红色光源灯珠电性连接有电池，电池安装在电池固定板上，聚光罩外侧固定连接有透明亚克力灯罩。

陀螺仪路径记录计负责记录汽车行驶方向，平时与汽车一同启动，通过陀螺仪路径记录算法获得车辆每隔一秒的方向数据及加速度，共计10组数据，共计车辆10秒内的行驶轨迹，为警示牌自动放置提供行驶路径。

本设计采用电子陀螺仪型号为MPU6050,可读取空间坐标系中X/Y/Z轴各自的倾斜角计加速度，分别表示为(X,Y,Z)以及向量a

基于汽车在高速公路行驶道路较直的特性，采用了一种将行驶路径拟合为标准圆弧线段的算法进行路径记录，具体数据处理如下。

车体加速度向量a:

a＝a

车速V:

V＝at(t为32位单片机通过晶振震荡分频所得的计时器时间值)

陀螺仪测量行程s:

s＝Vt+att/2

记录路径过程中，每当s累计量为10，记录A

注：stm32rct6性能有限，无法实现大型路径拟合运算，导致拟合路径半径精度远低于采集精度。简化算法如下：

平均向量n

平均向量n

航向变化比N＝d/c-b/a

车辆在高速公路上正常行驶时，航向变化比不会大于1，即75米内车辆行驶方向变化不大于45°。

拟合路径半径R＝200/Nπ

N大于0代表车体需向左差速行驶，小于零时需向右。

当N大于0时，左右车轮转速比例p＝(R-0.065)/(R+0.065))。

当N小于0时，左右车轮转速比例p＝(R+0.065)/(R-0.065))。

数据0.065米取决于底盘轮距，本底盘轮距为0.13米，且为差速转弯设计，故除以2得到0.065。

本发明内置有线连接与蓝牙通讯功能。有线连接方面使用者可将有线连接按钮放在驾驶位等容易操作的位置将控制线与系统连接。蓝牙通讯则通过手机APP与蓝牙连接，进行装置启动及蓝牙遥控。

在底盘上装载一个吊杆，吊杆上的螺纹孔可以与负压式存储箱外壳上的螺纹孔进行螺纹连接。当系统接受到启动信号后，叠氮化钠爆炸栓触发，封盖弹出，活动锁解锁，原本处于折叠状态的警示牌在扭矩弹簧拉动下展开，悬挂底盘掉落。通过简单的受力分析可知，悬挂底盘在掉落过程中悬挂底盘重心偏下，且上端警示牌风阻较大，悬挂底盘掉落时会以垂直姿态掉落，不会出现倾覆无法正常工作的情况。

进一步优化方案，里程计悬挂底盘采用悬挂底盘采用了减速比为1：48的直流减速电机，电机主轴端装有精度为624即0.14°的编码器，软件上采用了增量式PID驱动程序。实际使用中可通过公式S＝360πdn/(624*48)精确求得悬挂底盘行驶距离，确保了悬挂底盘能准确行驶至150米处。(π为圆周率，程序中取值为3.1415926；d为车轮直径，程序中取值为0.22；n为编码器触发信号次数。)

小车主控板上搭载了MPU6050陀螺仪传感器，主控采用意法半导体生产的STM32F103RCT6。实际使用过程中，主控板随车启动，对车辆进行运动状态采样。当满足以下两个条件之一的情况下陀螺仪累消计会停止数据采样并加热叠氮化钠。一，陀螺仪累消计检测到单轴(X、Y、Z)上有大于1000数值的加速度时，对应车辆在高速公路上发生碰撞事故情景时因碰撞导致的加速度剧增的情形，防止车主因昏迷而无法触发警示牌自动放置引发二次伤害而设置的自动触发；二，有线按钮或者通过蓝牙接收到触发信号，对应非碰撞事故中车辆主人人为触发情形。触发成功且悬挂底盘落地后，悬挂底盘会自动将转向陀螺仪累消计计算所得方向，并向该方向行驶150米。

本发明面向高速公路突发事故应用场景的初衷，设计了两种较为实用的交互方式。一，有线按键触发，出现事故时直接按下按键即可，且安装位置完全可以由车主决定，安装在车主认为最方便的位置，以便及时触发；二，蓝牙遥控。车主可以安装蓝牙串口APP，与系统进行蓝牙连接后，可对系统进行状态查询、系统触发、系统行驶方向遥控等操作。蓝牙APP的存在使得系统的回收同样变得安全，避免了车主走上高速公路回收系统的情况。

本发明的工作过程：

S1、车主通过车辆点火启动或者解锁车内电源系统，本系统检测到车辆供电后即判定车辆处于启动状态，陀螺仪路径记录计开始记录数据，为自动放置警示牌作准备。

S2、在数据采集过程中，通过陀螺仪检测到异常加速度数据产生，或者接收到来自有线按钮、蓝牙的触发信号，系统停止数据采集，通过最后记录的10组数据生成运动车体的行驶路径。否则返回S1，继续记录数据。

S3、主板驱动触发叠氮化钠爆炸栓，封盖弹出，挂载机构解锁，折叠预警牌展开，警示灯闪烁，悬挂底盘掉落。陀螺仪再次开启数据采集工作，检测里程计悬挂底盘是否落地以及是否处于静止状态。

S4、陀螺仪检测到姿态数据(X,Y,Z)三轴空间坐标角度一秒内无变化后认为悬挂底盘落地成功，进入警示牌自动返回S5，否则继续循环S4；

S5、自动放置流程第一步为方向姿态纠正，系统将最后一组姿态数据(X,Y,Z)转化为(Z,-Y,X)。悬挂底盘原地水平转动，直至当前姿态与目标姿态相接近(差值不大于5％)，则判定为方向姿态纠正成功。

S6、悬挂底盘根据生成的路径行驶，同时里程计开始工作，记录已行驶的距离。当记录距离为150米时停止行驶，警示牌自动放置成功，进入遥控状态，等待蓝牙连接与遥控。

S7、根据遥控数据进行行驶。通过测试，系统能及时响应触发信号并进行工作，且通过最后记录的10组数据生成悬挂底盘行驶路径，虽受车辆靠边行驶、运算准确度等因素影响并不能完美还原车辆行驶路径以放置警示牌，存在一定误差，但误差在可接受范围内，悬挂底盘向后方成功行驶了150米并未驶出当前行车道。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。