应用于隧道智能照明的分布式、自供电车辆检测装置

1.本发明属于交通监测与隧道照明的技术领域，具体涉及一种应用于隧道智能照明的分布式、自供电车辆检测装置。


背景技术：

2.随着我国基础建设的进一步发展，高速公路建设进入了山区修筑时代，公路隧道占比越来越大。隧道照明系统作为高速公路隧道营运必不可少的一部分，其能耗严重并且运营成本高，在车流量少的情况下，传统粗放式照明管理造成了大量能源浪费，为公路交通运营部门带来了重大负荷，开展隧道节能技术是降低公路隧道运营成本的必由之路，具有重要的社会经济意义。
3.目前隧道照明控制主要分为人工控制、时序控制以及自动控制，在一定程度上能起到节能效果，但是其控制方式仍然较为粗放，智能化程度较低。根据隧道内实时车辆位置信息进行照明控制，可以有效提供隧道内照明利用率，降低能耗。但是，由于隧道内部复杂的光照以及环境，常规车辆监测技术，如视频、超声波、红外、gps等容易受环境影响，造成精度下降，而地磁式传感器虽具有较高的精度，但是其造价高昂，难以在隧道中完成大面积铺设。因此，迫切需要提出低成本、高精度、无线传输、低功耗的隧道车流量监测系统。
4.纳米发电机作为一种高效的能量转换装置，其具有转换效率高、成本低、结构简单、环境友好等特点，近年来在环境能量收集以及自驱动传感领域取得了重大突破，有望实现低成本、高精度、低功耗的隧道车辆监测，但是其输出电流较低且耐久性差，提高纳米发电机的输出电流与耐久性，对其实际应用具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种应用于隧道智能照明的分布式、自供电车辆检测装置，以解决或改善上述的问题。
6.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
7.第一方面，一种应用于隧道智能照明的分布式、自供电车辆检测装置，其包括摩擦-电磁复合纳米发电机、自适应电源管理电路、无线发射与接收装置；所述摩擦-电磁复合纳米发电机与自适应电源管理电路相连，自适应电源管理电路分别与无线发射装置相连。
8.进一步地，摩擦-电磁复合纳米发电机包括机械触发装置、机械运动整流器、机械运动加速器、摩擦纳米发电机和电磁发电机；
9.机械触发装置设置于路面之上，并被车辆挤压后进行上下往复运动；
10.机械运动整流器与机械触发装置相连，以将机械触发装置的线性往复运动转化为单一方向的旋转运动；
11.机械运动加速器与机械运动整流器相连，以将单一方向的低速旋转运动转化为连续单向高速旋转运动；
12.摩擦纳米发电机和电磁发电机通过机械运动加速器的旋转运动，输出交流电，该
交流电通过自适应电源管理电路转化为直流电，并为后端无线发射装置进行供电，将数据传输至无线接收装置。
13.进一步地，机械触发装置包括挤压板；挤压板的下表面上设有两根挤压柱和两根齿条；挤压柱和齿条的自由端均穿过底座上开设的孔，并位于底座内；挤压柱上均套设有一根弹簧，弹簧的一端固定于挤压柱上，其另一端固定于底座内；两根齿条的齿牙相向设置。
14.进一步地，机械运动整流器包括第一连杆；第一连杆的两端分别设有轴承，且在第一连杆的两端上设有两个齿轮；两个齿轮分别与相向设置的两根齿条啮合连接。
15.进一步地，机械运动加速器包括行星齿轮加速器和飞轮；星齿轮加速器包括第一行星齿轮、第二行星齿轮和第三行星齿轮；第一行星齿轮、第二行星齿轮和第三行星齿轮与连接器的一端相连，连接器的另一端与第一连杆的另一端连接。
16.进一步地，第一行星齿轮、第二行星齿轮和第三行星齿轮均与太阳轮啮合相连；太阳轮与飞轮之间通过第二连杆与单向轴承连接。
17.进一步地，摩擦纳米发电机包括绒毛状正性摩擦层、第一高分子负性摩擦层和第二高分子负性摩擦层；所述绒毛状正性摩擦层安装于飞轮上，第一高分子负性摩擦层和第二高分子负性摩擦层安装于壳体上；第一飞轮转动，绒毛状正性摩擦层与第一高分子负性摩擦层和第二高分子负性摩擦层发生相对位移，并在第一电极和第二电极上感应出交流电。
18.进一步地，电磁发电机包括若干个磁铁和线圈；若干个磁铁安装在第一飞轮上，线圈安装于底座和挡板之间；第一飞轮转动，磁铁和线圈之间发生相对位移，并在线圈中产生交流电。
19.第二方面，一种应用于隧道智能照明的分布式、自供电车辆检测装置的隧道智能照明系统：将分布式、自供电车辆检测装置作为车辆信息采集单元的传感器；若干个传感器均匀分布于隧道过渡段和中间段，相邻两个传感器之间的间距为100m；
20.车辆信息采集单元依次与信号处理单元、无线发射单元、数据处理单元、灯光控制单元和隧道内的多个led灯相连。
21.第三方面，一种隧道智能照明系统的隧道照明方法，包括以下步骤：
22.步骤s1、车辆信息采集单元监测隧道区域内车辆信息，有来车时采集车辆类型、速度和位置信息，将所述车辆类型、速度和位置信息经过信号处理单元处理后，通过无线发射单元发射至数据处理单元；
23.步骤s2、数据处理单元根据所述车辆信息制定针对该车的位置以及位置前后方的照明策略，同时检测不同车辆的照明策略是否存在冲突，若存在冲突则以满足最高级别亮度需求为原则对照明策略进行调整并形成可执行的照明方案，否则直接形成照明方案，将方案转换成调光指令；
24.步骤s3、灯光控制单元接受调光指令并下达具体的调光等级和回路信息；
25.步骤s4、调光控制器接收调光指令并转换成对应的脉冲信号，以调整对应led灯具的亮度等级，实现对照明的控制。
26.本发明提供的应用于隧道智能照明的分布式、自供电车辆检测装置，具有以下有益效果：
27.本发明采用最新的摩擦纳米发电技术以及电磁感应技术，并利用3d打印进行制
造，相对于常规车辆监测技术，如视频、超声波、红外、gps、地磁等，本发明制备简单，检测精度高，成本低廉。
28.本发明可将行驶中车辆的机械能转化为电能，为后端信号处理以及无线发射电路供电，无需外部电源供电，可将车辆信息发送于数据中心，与常规车辆检测技术相比，安装简单且维护成本低。
29.本发明将摩擦纳米发电机和电磁发电机的电信号输出进行高效整合。
30.本发明采用分布式、自供电车辆信息采集单元准确监测车辆在隧道内的位置，根据车辆位置精确调控车辆前后一定位置范围内的灯具亮度，在保证隧道行车安全的前提下，提高照明的针对性和精确性，实现充分节能的目的。与传统照明方式相比，当车流量为20辆/小时时，使用本智能照明控制系统，理论上隧道照明能耗可降低72％。
附图说明
31.图1为应用于隧道智能照明的分布式、自供电车辆检测装置的工作示意图。
32.图2为摩擦-电磁复合纳米发电机结构的爆炸图。
33.图3和图4为摩擦-电磁复合纳米发电机结构的示意图。
34.图5为自适应电源管理电路示意图。
35.图6为基于分布式、自供电车辆检测的隧道智能照明系统示意图。
36.图7为隧道智能照明系统车辆检测装置安装示意图。
37.图8为隧道智能照明系统灯光控制示意图。
38.图9为单次激励下摩擦纳米发电机输出电压波形。
39.图10为单次激励下摩擦纳米发电机输出电流波形。
40.图11为单次激励下电磁发电机输出电压波形。
41.图12为单次激励下电磁发电机输出电流波形。
42.图13为经过电源管理后摩擦纳米发电机输出电流波形。
43.图14为经过电源管理后电磁发电机输出电流波形。
44.图15为摩擦-电磁复合纳米发电机不同负载下输出电流与功率曲线。
45.其中，101、底座；102、壳体；103、机械触发装置；104、弹簧；105、机械运动整流器；106、连接器；107、第一行星齿轮；108、第二行星齿轮；109、第三行星齿轮；110、太阳轮；111、第二连杆；112、单向轴承；113、飞轮；114、飞轮盖板；115、第一电极；116、第一高分子负性摩擦层；117、绒毛状正性摩擦层；118、第二高分子负性摩擦层；119、第二电极；120、磁铁；121、线圈；122、挡板；123、第一轴承；124、第二轴承；125、第三轴承；126、第四轴承；127、第五轴承；128、第六轴承；129、第七轴承。
具体实施方式
46.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
47.实施例1，参考图1、图2、图3和图4，本方案的应用于隧道智能照明的分布式、自供
电车辆检测装置，包括摩擦-电磁复合纳米发电机、自适应电源管理电路、无线发射与接收装置；摩擦-电磁复合纳米发电机与自适应电源管理电路相连，自适应电源管理电路与无线发射装置相连。
48.以下将对上述各个组成部分进行详细描述；
49.摩擦-电磁复合纳米发电机；
50.其包括机械触发装置103、机械运动整流器105、机械运动加速器、摩擦纳米发电机和电磁发电机；
51.其中，机械触发装置103设置于路面之上，并与车辆挤压后进行上下往复运动；其具体包括挤压板，挤压板的下表面上设有两根挤压柱和两根齿条，挤压柱和齿条的自由端均穿过底座101上开设的孔，并位于底座101内；挤压柱上均套设有一根弹簧104，弹簧104的一端固定于挤压柱上，其另一端固定于底座101内；两根齿条的齿牙相向设置，用于与机械运动整流器105中的两个齿轮啮合相连。
52.车辆经过机械触发装置103时，车辆挤压挤压板，挤压柱上的弹簧104提供向上的回复力，两根齿条与机械运动整流器105相连，并进行上下往复运动，以将机械触发装置103的线性往复运动转化为单一方向的旋转运动。
53.机械运动整流器105，其包括第一连杆，第一连杆的两端分别设有轴承，且在第一连杆的一端上设有两个齿轮；两个齿轮分别与相向设置的两根齿条啮合连接，以配合机械触发装置103将往复运动转化为单一方向的旋转运动，同时，将该单一方向的旋转运动转送至机械运动加速器上。
54.机械运动加速器，其包括行星齿轮加速器和飞轮，星齿轮加速器包括第一行星齿轮107、第二行星齿轮108和第三行星齿轮109；第一行星齿轮107、第二行星齿轮108和第三行星齿轮109与连接器106的一端相连，连接器106的另一端与第一连杆的另一端连接。
55.飞轮包括第一飞轮113和第二飞轮114，第一行星齿轮107、第二行星齿轮108和第三行星齿轮109呈三角分布，并均与太阳轮110啮合相连；太阳轮110与第一飞轮113、第二飞轮114之间通过第二连杆111与单向轴承112连接。当机械触发装置103受到车辆挤压时，其单向往复运动将通过机械运动整流器105和机械运动加速器转化为飞轮113的连续单向旋转运动，飞轮113上设有飞轮盖板114。
56.摩擦纳米发电机包括绒毛状正性摩擦层117、第一高分子负性摩擦层116和第二高分子负性摩擦层118；绒毛状正性摩擦层117安装于第一飞轮113上，第一高分子负性摩擦层116和第二高分子负性摩擦层118安装于壳体102上；第一飞轮113转动，并带动绒毛状正性摩擦层117与第一高分子负性摩擦层116和第二高分子负性摩擦层118发生相对位移，并在第一电极115和第二电极119上感应出交流电。
57.电磁发电机包括若干个磁铁120和线圈121；若干个磁铁120安装在第一飞轮113上，线圈121安装于底座101和挡板122之间；第一飞轮113转动，磁铁120和线圈121之间发生相对位移，并在线圈121中产生交流电。
58.本实施例所有机械转动部件均安装轴承来降低阻力，具体为图2、图3和图4中的第一轴承123、第二轴承124、第三轴承125、第四轴承126、第五轴承127、第六轴承128及第七轴承129。
59.且本实施例摩擦-电磁复合纳米发电机的壳体102和底座101均采用3d打印制成，
3d打印材料为类abs塑料光敏树脂。
60.参考图5，自适应电源管理电路；
61.摩擦纳米发电机和电磁发电机的输出通过自适应电源管理转化为直流电，为后端无线发射和接收装置进行供电。
62.无线发射与接收装置，用于实现信号的发射以及信号的接收。
63.本实施例的工作原理为：
64.机械触发装置103和弹簧104位于路面之上，当车辆行驶通过时，车轮对机械触发装置103上的挤压板进行挤压，使其向下运动，通过机械运动整流器105、连接器106以及第一行星齿轮107、第二行星齿轮108、第三行星齿轮109将力传导于太阳轮110上，该机构将机械触发装置103的线性运动先转化为机械运动整流器105的低速转动，并再次转化为太阳轮110的高速转动。太阳轮110与第一飞轮113和第二飞轮114通过第二连杆111与单向轴承112连接，至此，当机械触发装置103受到车辆挤压时，其单向往复运动将通过机械运动整流器105与机械运动加速器转化为飞轮113的连续单向旋转运动。
65.该旋转运动带动绒毛状正性摩擦层117与第一高分子负性摩擦层116和第二高分子负性摩擦层118发生相对位移，并在第一电极115和第二电极119上感应出交流电；
66.该旋转运动同时带动磁铁120和线圈121之间发生相对位移，并在线圈121中产生交流电；
67.摩擦纳米发电机和电磁发电机的输出通过自适应电源管理转化为直流电，为后端无线发射和接收装置进行供电。
68.具体的，当机械触发装置103行程为2.5厘米，频率为0.1hz时，其输出电压为600伏，短路电流为20微安，结果如图9和图10所示。
69.飞轮转动时磁铁120和线圈121发生相对位移，线圈121中产生交流电，当机械触发装置103行程为2.5厘米，频率为0.1hz时，其输出电压为2伏，短路电流为4.2毫安，结果如图11和图12所示。
70.摩擦纳米发电机和电磁发电机的输出通过自适应电源管理转化为直流电，为后端无线发射和接收装置进行供电，电源管理电路如图5所示。
71.当机械触发装置103行程为2.5厘米，运行频率为0.5hz时，经过电源管理后摩擦纳米发电机部分输出电流为8毫安，如图13所示，电磁发电机部分输出电流为17毫安，如图14所示，器件总输出电流为25毫安。利用电阻对摩擦-电磁复合纳米发电机的输出功率进行了测量，如图15所示，在负载为400欧姆的情况下，摩擦-电磁复合纳米发电机的输出功率最大，为108毫瓦，足以为后端无线发射和接收装置进行供电。
72.实施例2，一种隧道智能照明系统，参考图6，其包括车辆信息采集单元、信号处理单元、无线发射单元、数据处理单元、灯光控制单元和若干个led灯，车辆信息采集单元依次与信号处理单元、无线发射单元、数据处理单元、灯光控制单元和隧道内的多个led灯相连。
73.车辆信息采集单元为上述应用于隧道智能照明的分布式、自供电车辆检测装置，并将其作为传感器，该传感器能获取车辆的种类、车辆的速度以及车辆的实时位置。车辆信息采集单元布置情况如图7所示，传感器均匀分布于隧道过渡段和中间段，一般从隧道入口一定距离处开始设置，直至隧道出口一定距离处，两传感器的间距为100米。
74.实施例3，参考图7和图8，一种隧道智能照明系统的隧道照明方法，包括以下步骤：
75.步骤s1、车辆信息采集单元监测隧道区域内车辆信息，有来车时，车轮对采集单元进行挤压，产生电信号，根据对单个采集单元以及多个采集单元的电信号进行综合分析，计算车辆速度和位置信息，将所述车辆类型、速度和位置信息经过信号处理单元处理后，通过无线发射单元发射至数据处理单元；
76.步骤s2、数据处理单元根据车辆信息制定针对该车的位置以及位置前后方的照明策略，同时检测不同车辆的照明策略是否存在冲突，若存在冲突则以满足最高级别亮度需求为原则对照明策略进行调整并形成可执行的照明方案，否则直接形成照明方案，照明方案包括每个独立灯具的开启关闭的时机以及亮度等级，将方案转换成调光指令。
77.本步骤开启车辆所在位置前方200米与后方100米范围内的灯光，隧道其它位置开启1/10的灯光作为辅助照明；
78.步骤s3、灯光控制单元接受调光指令并下达具体的调光等级和回路信息；
79.步骤s4、调光控制器接收调光指令并转换成对应的脉冲信号，以调整对应led灯具的亮度等级，实现对照明的控制。
80.当检测到没有车辆通过时，仅开启隧道中1/10的led灯提供基本照明，实现隧道节能的目的。与传统照明方式相比，当车流量为20辆/小时时，使用本实施例的控制方法，理论上隧道照明能耗可降低72％。
81.虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。