避免车辆碰撞的系统和方法与流程

本发明涉及用于铁路车辆(有轨电车)的自动碰撞检测系统。

背景技术：

汽车行业已经提供了对象检测。例如,US 2009/0002222 A1披露了一种碰撞避免系统，以减少由超高对象如立交桥、和次高附属物例如铁轨引起的虚假警报的数量。US 2009/0002222 A1描述了一种利用传统的一维雷达技术来估计至少一个目标的高度的系统。该系统包括短程扫描雷达传感器和远程扫描雷达传感器、以及数字处理器，该短程扫描雷达传感器和远程扫描雷达传感器具有不同范围和倾斜波束角，该数字处理器用于根据基于第一和第二返回信号的相对信号值来估计所述至少一个目标中的每个目标的高度。

不过，该系统仅仅警告了车辆的司机，因此，它不能确保避免车辆与在车辆的前面或车辆侧面移动的人/任何对象的碰撞。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种为车辆检测无碰撞路径的改进的安全系统。该目的通过权利要求1所要求的安全系统来实现。

为此，本发明涉及一种避免车辆碰撞的安全系统，该系统包括：

-一个或多个传感器，所述一个或多个传感器适于检测对象与车辆的相对位置，其特征在于，所述系统进一步包括：

-计算单元，所述计算单元适于计算多个区段的范围并获得车辆的速度；

-确定单元，所述确定单元适于根据由一个或多个传感器检测到的相对位置来确定对象所在的区段；和

-安全单元，所述安全单元适于根据车辆的速度和由确定单元确定的区段来采取行动以避免车辆和对象之间的碰撞。

通过本发明，该系统允许进行自动搜寻，从而避免车辆例如有轨电车的碰撞。也就是说，该系统能够根据障碍物与车辆的相对位置来执行动作而不会妨碍车辆的司机，以避免碰撞。

根据本发明的另一有利方面，所述系统包括以下特征中的一个或多个，所述特征可被单独地或根据所有技术上地可能组合进行考虑：

-传感器是下组中的一个：雷达、摄像机、激光雷达；

-计算单元适于根据车辆的速度来计算区段的范围；

-计算单元适于根据外部状况和/或车辆的特征来计算区段的范围；

-计算单元适于计算三个区段的范围，该三个区段按照接更接近车辆的顺序包括第一区段、第二区段和第三区段；

-雷达传感器是位于车辆的前面的两个传感器和位于车辆的前侧面的两个传感器；

-位于车辆的前侧面的雷达传感器的检测角度短于位于车辆的前面的雷达传感器的检测角度。

-安全单元适于当通过一个或多个传感器和确定单元在第三区段内检测到对象时发出警报；

-当车辆不是正在移动并且通过一个或多个传感器和确定单元在任意一个区段内检测到对象时，安全单元从不释放车辆的刹车；

-安全单元适于当通过一个或多个传感器和确定单元在第一区段内检测到对象时执行紧急刹车；

-安全单元适于当通过一个或多个传感器和确定单元在第二区段内检测到对象时降低车辆的速度；

-计算单元适于将每个区段划分为沿着车辆的前面的直线的直线区域和在直线区域外侧的侧面区域，使得侧面区域比直线区域更接近车辆；

-计算单元适于根据车辆与对象的相对速度来计算区段的范围；

-确定单元适于估计车辆和对象之间的未来的相对位置关系，并根据车辆和对象之间的未来的相对位置关系来确定对象将会位于的未来的区段；

-安全系统进一步包括：

-成像单元，所述成像单元适于捕捉车辆的前面的图像；和

-图像处理单元，所述图像处理单元适于通过处理由成像单元捕捉到的图像来获得轨道定位信息；其中

-确定单元适于根据由图像处理单元获得的轨道定位信息进一步确定对象是否是危险的，和

-安全单元适于只有当通过确定单元确定对象是危险的时才采取行动以避免碰撞；

-图像处理单元适于通过处理由成像单元捕捉到的图像来获得对象定位信息，和

-确定单元适于根据由图像处理单元获得的对象定位信息来进一步确定对象是否是危险的。

附图说明

通过阅读仅以示例并且参考附图给出的以下描述，将会更好地理解本发明，在附图中：

-图1是表示安全系统10的功能配置示例的框图；

-图2是表示雷达传感器与区段的位置关系的图；

-图3是表示安全系统10的另一功能配置示例的框图；

-图4是对象/碍物检测的概念图；

-图5是固定的对象/障碍物检测的流程图；

-图6是移动的对象/障碍物检测的流程图。

具体实施方式

在下文中，会利用图1和图2披露关于本发明的一种为有轨电车12检测无碰撞路径的安全系统10的第一实施例。

在图1中，用于避免有轨电车12碰撞的安全系统10包括计算单元14，四个传感器16a、16b、16c和16d(例如雷达型或激光雷达型传感器)，确定单元18和安全单元20。有轨电车12的车载系统中包括计算单元14、确定单元18和安全单元20。

安全系统10适于包括一个或多个雷达传感器，以检测至少一个对象与有轨电车12的相对位置。在该实施例中，安全系统10具有四个置于有轨电车12前面的雷达传感器16a、16b、16c和16d，以检测对象与有轨电车12的相对位置。这两个雷达传感器16a和16b被置于有轨电车12的前面并且笔直监测。这两个雷达传感器16c和16d可被置于有轨电车12的前侧面，并且监测侧面。这两个雷达传感器16c和16d适于只短角度监测，而角的侧面将取决于有轨电车的尺寸，以便有轨电车12可通过无碰撞路径。雷达传感器16c和16d具有锐角视场，该锐角视场在30和60度之间，并且优选地为约45度。位于中心的其他两个雷达传感器16a和16b具有钝角视场，该钝角视场在120和180度之间，优选地为约150度。也就是说，位于有轨电车12的前侧面的雷达传感器16c和16d的检测角度短于位于有轨电车12的前面的雷达传感器16a和16b的检测角度。

确定单元18包括一装置，该装置用于基于由一个或多个雷达传感器即该实施例中的雷达传感器16a、16b、16c和16d检测到的相对位置来确定对象所在的区段。

图2示出了雷达传感器16a到16d与区段的位置关系。系统监测被分为三个区段EBZ(紧急刹车区段)，SDZ(减速区段)和AZ(报警区段)，通过包括直线和侧面的不同的角度来监测每个区段。

计算单元14适于根据有轨电车12的速度来计算三个区段的范围。此外，在本实施例中，计算单元14将每个区段划分为沿着有轨电车12的正前方的线的直线区域和在直线区域外侧的侧面区域，使得侧面区域比直线区域更接近有轨电车12。如图2中所示的，EBZ被划分为表示“紧急刹车区段-直线”的EBZR和表示“紧急刹车区段-侧面”的EBZS。SDZ被划分为表示“减速区段-直线”的SDZR和表示“减速区段-侧面”的SDZS。AZ被划分为表示“警报区段-直线”的AZR和表示“警报区段-侧面”的AZS。换句话说，AZ(警报区段区域)是由AZS和AZR两者覆盖的区域。SDZ(减速区段区域)是由SDZS和SDZR两者覆盖的区域。EBZ(紧急刹车区段区域)是由EBZS和EBZR两者覆盖的区域。

因此，EBZR、SDZR和AZR是在有轨电车12前面标识的前区。EBZS、SDZS和AZS是沿着侧面标识的侧前区。EBZS的半径实际上小于EBZR的半径。根据侧面上的所需要的检测区域，应减小EBZS的感测范围。SDZS的半径实际上小于SDZR的半径。根据侧面上的所需要的检测区域，应减小SDZS的感测范围。AZS的半径实际上小于AZR的半径。根据侧面上的所需要的检测区域，应减小AZS的感测范围。

安全系统10包括一装置，该装置用于接收与有轨电车12的当前动力特征以及轨道车辆的环境状况(例如，干和湿轨道)和特征有关的信息。

计算单元14被连接至有轨电车控制系统或者连接至单独的测程或定位系统20a，以接收有轨电车12的位置、速度和加速度。

它也被连接至用于确定外部状况的水分传感器20b，并且被连接至包含有轨电车12的特征(例如重量和制动能力)的内部数据库20c。

计算单元14包括控制装置，控制装置用于根据与区段区域之一中的对象的位置有关的信息来控制有轨电车。有轨电车移动(速度)可由有轨电车控制系统或通过单独的测程或定位系统20a提供。例如，计算单元14适于计算三个区段的范围，该三个区段按照接更接近有轨电车12的顺序而包括第一区段、第二区段和第三区段。在本示例中，第一区段是紧急刹车区段区域，第二区段是减速区段区域，而第三区段是警报区段区域。

紧急刹车区段是如下区域，即使有轨电车司机还没有观察到对象是否出现并且必须被视为该区域内的障碍物、以及它是否是有轨电车12向前移动的碰撞路径，有轨电车12仍应当在该区域中自动决定以通过自动应用刹车来减小有轨电车速度而停止。可从有轨电车12的当前速度获得紧急区域距离，这可外推至急刹车距离和x米的缓冲距离。

减速区段是如下区域，如果在区域内检测到对象，并且如果有轨电车12以同一速度移动则它是有轨电车12的碰撞路径，那么有轨电车12将在该区域中自动减速，其中该对象在该情况下被视为障碍物。减速区段距离可通过有轨电车12的当前速度来计算，这可外推至正常刹车距离和y米的缓冲距离。

警报区段是如下区段，如果在该区段中检测到对象并且该对象因此被视为障碍物，那么有轨电车12应当在该区段中自动发出警报(鸣笛)。警报区段应当距离减速区段末端z米，这应当是可设置的。

此外，计算单元14可以动态计算区域距离，不仅根据有轨电车速度，而且根据有轨电车12的加速度、轨道车辆的特征以及环境条件例如干湿轨道来进行该计算。根据速度和加速度来估计有轨车辆12在给定秒数(例如3s)内将到达的位置是可能的。因此，一般，当有轨电车12的速度最快时，区段的每个范围被扩大。

另外，计算单元14能够适于根据有轨电车12与对象的相对速度来计算区段的范围。在该情况下，计算单元14被连接至雷达传感器16a到16d。在此，如果对象正在移动，朝向对象的、有轨电车12所覆盖的距离与有轨电车12的速度是不成正比的。由此，计算单元14可认知到对象正在移动。此外，雷达传感器通常输出相对速度。因此，很容易计算其他对象的速度(如果有其他对象的话)。也就是说，计算单元14能够通过推断出有轨电车12和对象之间的进一步的相对位置关系来动态计算区段的范围。

安全单元20适于根据由确定单元18确定的区段来采取行动以避免有轨电车12和对象之间的碰撞。当在一个区段中检测到对象时，该对象被视为障碍物。

具体地，当通过一个或多个雷达传感器(雷达传感器16a、16b、16c和16d)和确定单元18在第三区段(警报区段区域)内检测到障碍物时，安全单元20发出警报(鸣笛)。该警报(鸣笛)用于警告障碍物(人类)有轨电车12正在靠近。当有轨电车12不是正在移动并且通过一个或多个雷达传感器(雷达传感器16a、16b、16c和16d)和确定单元18在任意一个区段内检测到障碍物时，安全单元20从不释放有轨电车12的刹车。此外，当通过一个或多个雷达传感器(雷达传感器16a、16b、16c和16d)和确定单元18在第一区段(紧急刹车区段区域)内检测到障碍物时，安全单元20适于执行紧急刹车。另外，当通过一个或多个雷达传感器(雷达传感器16a、16b、16c和16d)和确定单元18在第二区段(减速区段区域)内检测到障碍物时，安全单元20适于降低有轨电车12的速度。安全单元20不一定自己直接控制警报和有轨电车12的速度(刹车)。换句话说，安全单元20能够向一装置提供输入，该装置控制系统的一部分或者是系统的一部分，系统的该部分直接控制警报(有轨电车12的鸣笛)和刹车控制单元，刹车控制单元负责机电刹车控制同时还负责有轨电车12的紧急刹车。

接下来，将描述采用自动碰撞检测算法来操作安全系统10。

首先，将描述的是已停止并准备启动的有轨电车12的情况。计算单元14根据有轨电车12的速度计算三个区段(EBZ,SDZ和AZ)的范围。如上文所述的，紧急刹车距离和正常刹车距离被考虑用于分别计算EBZ和SDZ的范围。因此，当有轨电车12停下来时，范围是相对窄的。如果雷达传感器16a、16b、16c和16d之一检测到对象并且确定单元18确定了该对象位于三个区段之一内并被视为障碍物，则安全单元20从不释放有轨电车12的刹车。该功能是非常危险的，因为如果有轨电车12启动并且障碍物没有立刻移动，有轨电车12将会进入紧急区段距离并且必须应用不必要的刹车。因此，幸亏安全单元20这一功能，具有安全系统10的有轨电车12可避免不必要的刹车。此外，在没有有轨电车司机干预的情况下，当通过雷达传感器16a到16b和确定单元18在这些区段中的任一区段内检测到障碍物时，安全单元20可以发出警报(鸣笛)。

其次，将描述有轨电车12以恒定的速度移动的情况。计算单元14根据有轨电车12的速度来计算三个区段(EBZ,SDZ和AZ)的范围。具体地，应当根据有轨电车速度、轨道车辆的特征和环境条件例如干和湿轨道来动态计算区段距离。紧急刹车区段距离可从有轨电车12的当前速度获得，这可外推至紧急刹车距离和x米(可被设置)的缓冲距离。减速区段距离再次可通过有轨电车12的当前速度来计算，这可外推至正常刹车距离和y米(可被设置)的缓冲距离。减速区段将从紧急刹车区段距离的末端开始。警报区段应当距离减速区段末端z米，这应当是可设置的。

计算单元14根据有轨电车12的速度和有轨电车12需要的制动距离可以计算三个区段的范围。因此，将根据有轨电车12的速度而动态计算区段范围，有轨电车12需要的制动距离与距离x一起会是区段区域，因此区段距离将随着有轨电车速度的增大而增大并且区段距离在有轨电车速度减小时将减小。

在有轨电车12移动期间，雷达传感器16a、16b、16c和16d连续监测三个区段。如果雷达传感器16a到16d检测到对象并且确定单元18确定了对象位于三个区段之一内，则该对象被视为障碍物，而有轨电车状态需要被移动到减速区段、警报区段或紧急刹车区段。

当确定单元18确定了障碍物位于紧急区段区域时，有轨电车12需要自动应用紧急刹车，以便在没有有轨电车司机干预的情况下避免有轨电车12和障碍物之间的碰撞。因此，在该情况下，安全单元20执行紧急刹车。在紧急刹车期间，如果传感器已经检测到无碰撞路径，则需要释放刹车并且允许有轨电车12回到正常速度。因此，即使安全单元20正在执行紧急刹车，如果雷达传感器16a到16d和确定单元18在三个区段中没有检测到任何障碍物，则安全单元20可以释放刹车并回到正常速度。

当确定单元18确定了障碍物位于减速区段区域内时，有轨电车12需要自动降低有轨电车12的速度，而无需有轨电车司机的干预。因此，在该情况下，安全单元20使有轨电车12的速度降低。在使速度降低期间，如果传感器已经检测到无碰撞路径，需要释放刹车并允许有轨电车12回到正常速度。因此，即使安全单元20降低了有轨电车12的速度，如果雷达传感器16a到16d和确定单元18在三个区段中没有检测到任何障碍物，则安全单元20可以释放刹车并回到正常速度。

当确定单元18确定了障碍物位于警报区段区域内时，有轨电车12需要自动发出警报(鸣笛)。因此，在该情况下，安全单元20发出警报。如果同样的障碍物在减速区段区域内部移动，则安全单元20降低有轨电车12的速度。如果同样的障碍物在紧急刹车区段区域内部移动，则安全单元20执行紧急刹车。

确定单元18可以估计有轨电车12和障碍物之间的未来的相对位置关系，并根据有轨电车12和障碍物之间的未来的相对位置关系来确定障碍物将会所在的未来的区段。在本示例中，安全单元20根据由确定单元18确定的未来的区段来采用不同的动作以避免碰撞。因此，安全系统10可立即处理障碍物正在移动的情况。

因此，安全系统10使得可以通过根据有轨电车12和在有轨电车12的前面或有轨电车12的侧面移动的障碍物(人或任何物体)之间的相对位置关系来采取不同的动作以确保避免有轨电车12与障碍物的碰撞。此外，安全系统10具有的优点是，它只要求向传统的有轨电车增加一个或多个雷达传感器。一般，雷达传感器比立体摄像机便宜，另外具有良好的日夜“能见度”。

接下来，将利用图3到图6来描述关于本发明的用于避免有轨电车12的碰撞的安全系统10'的第二实施例。将要指出，相同标号将会给至与在前第一实施例的部件相同的部件，因此将省略那些相同部件的描述。

图3示出了安全系统10'的另一功能配置的实施例。安全系统10'包括图1所述的安全系统10的所有部件，其采用相同的附图标记。

另外，安全系统10'包括成像单元21和可操作地连接至成像单元21和确定单元18的图像处理单元22。成像单元21捕捉有轨电车12的前面的图像。图像处理单元22通过处理由成像单元21捕捉到的图像来获得轨道定位信息。成像单元21可以是前置有轨电车摄影机。在该情况下，图像处理单元22可以通过分析由成像单元21提供的影像来获得轨道定位信息。在未表达的另一实施例中，利用独立的定位装置(例如GPS型定位装置)、和本地数据库或远程数据库中的轨道地图来获得轨道定位信息。

接下来，将描述采用自动碰撞检测算法操作安全系统10'。图4示出了障碍物检测的概念图。视频覆盖面30是成像单元21的成像范围。图像处理单元22通过获得轨道定位信息来识别轨道38。雷达覆盖面36是雷达传感器的范围。对象圈42是以对象34为中心的同心圆的范围。如图4中所示的，在该实施例中，计算单元14不会如第一实施例中所述的那样将每个区段划分为直线区域和侧面区域。

基本上，安全系统10'通过采用三条信息来避免碰撞。第一项信息是有轨电车移动，更准确地是有轨电车12的速度和加速度。根据速度和加速度来估计有轨车辆12在给定秒数(例如3s)内将到达的位置是可能的。如上文所述的，计算单元14可从有轨电车控制系统(一种独立的测程或定位系统)获得有轨电车12的速度和加速度。第二项信息是雷达信息，提供给定数量(例如32)的对象位置和/或在有轨电车12前面的对象移动(速度和/或加速度)。该信息可通过雷达传感器16a到16d获得。在图4中，对象34被定位在雷达覆盖面36的区域内。第三项信息是轨道定位信息，其提供关于轨道位置和轨道轮廓的信息，例如关于轨道是否以哪个半径向右转或向左转、或者轨道是否通过转辙机并被分为两个轨道的信息。如图4中所示出，轨道位置结合了轨道38上的危险区段40，即，电车主体将来位于的轨道38上的区段或轨道38周围的区段。

图5示出了固定的障碍物检测的流程图，而图6示出了移动的对象检测的流程图。在移动对象检测的情况下，所述流程图之间的区别在于，由成像单元21捕捉到的前面图像被用于识别对象圈42和危险圈32的交叉区。计算单元14根据有轨电车12的速度来计算区段(危险圈32)的多个范围。在那时，计算单元14可以不仅采用有轨电车12的速度，而且可采用有轨电车12的加速度。

安全系统10'可包括一个或多个雷达传感器或激光雷达传感器，以便检测对象与有轨电车12的相对位置。在该实施例中，为了监测目的，安全系统10'具有四个位于有轨电车12前面的雷达传感器16a、16b、16c和16d。雷达传感器16a、16b、16c和16d在有轨电车12移动期间连续监测区段并且识别对象(或者识别不是对象)。

另一方面，成像单元21捕捉有轨电车12前面的图像。图像处理单元22通过处理由成像单元21捕捉到的图像来获得轨道定位信息。此外，图像处理单元22通过分析捕捉到的图像来获得对象定位信息。换句话说，图像处理单元22在捕捉的图像中识别对象(障碍物)。

确定单元18根据由雷达传感器16a、16b、16c和16d检测到的相对位置来确定对象所位于的区段。换句话说，确定单元18识别危险圈44中的对象。此时，确定单元18也可以通过结合或不结合的方式采用由图像处理单元22获得的对象定位信息。这对于移动的对象检测来说是有益的。例如，雷达传感器16a、16b、16c和16d可以检测到轨道中的、不是障碍物的对象，例如信号对象或斑马线。由于通过摄像机(图像处理单元22)做了分析，因此过滤了这些对象以避免错误的检测。

确定单元18可以跟踪对象的移动并估计对象在不同时段(例如0.5s、1s，1.5s...后)的位置。移动识别可结合对象的速度和加速度。速度和加速度可通过雷达传感器来提供，但是更好的估计可利用与雷达信息相关的图像分析来完成。确定单元18可以估计对象在预定时间例如3s内是否会在危险圈32中。

确定单元18根据轨道定位信息来确定对象是否是危险的和是否必须被视为障碍物。换句话说，轨道定位信息允许确定单元18过滤危险圈32中和“轨道上”的对象。如果对象离开轨道危险区段40，则确定单元18可以确定对象是不危险的。

安全单元20根据由确定单元18确定的区段而采取不同的动作，例如简单的鸣笛或紧急刹车，以避免有轨电车12和障碍物之间的碰撞。在只有当通过确定单元18确定对象是危险的并且被视为障碍物时，安全单元20才可以采取动作以避免碰撞。

因此，安全系统10'使得通过根据有轨电车12和障碍物(人/其他物体)之间的相对位置关系来采取不同的动作以确保避免有轨电车12与障碍物的碰撞成为可能。此外，安全系统10'通过分析由图像单元21捕捉到的图像可做出更加准确的决定。