用于障碍物识别和避开的系统和方法
【专利说明】用于障碍物识别和避开的系统和方法
【背景技术】
[0001] 世界上许多火车事故发生是由于铁路上或铁路旁的障碍物的存在，该障碍物以机 车司机看不见的形式存在或在不允许避免撞上该障碍物的距离范围内可见。避免这样的障 碍物的冲击取决于各种因素，包括例如，取决于环境和天气的可见度;取决于铁轨轨道形式 (弯曲、隧道等)和地形(遮挡视线的小山、岩石等）的可见度;在意识到障碍物存在的时刻火 车的速度和质量(总动能）；以及障碍物的尺寸、位置和颜色(物体具体可见度）。这些因素中 的每一个对于为避免障碍物事故而停止正在运行的火车所要求的距离和时间都有直接影 响。一些直接影响完全停止距离，一些影响注意到物体并将该物体界定为障碍物的能力。
[0002] 在很多情况下，机车司机的典型决定时间，正在运行的火车的总质量以及火车典 型的行驶速度表明检测到障碍物、确定紧急刹车并使火车停止的距离超过1-2千米。这样的 距离表明为了避免障碍物事故，机车司机需要能够看见距离两千米或类似距离的物体，并 且能够确定观察到的物体是否确实是必须避开的障碍物，之后能够操作刹车工具一一所有 都要在刹车距离用尽之前。需要一种系统和方法来帮助并支持机车司机获取沿铁路的物 体、评估其存在的危险并且采取操作决定，确定是否需要火车刹车一一所有这些都要足够 快以允许火车在撞上障碍物之前安全刹车。
【发明内容】
[0003] 公开了根据本发明的实施方式的火车障碍物识别的方法，所述方法包括:从安装 在火车机车上的红外（IR)传感器接收红外图像，所述IR传感器面对行驶的方向；获取振动 概况;基于所述振动概况从所述IR图像过滤掉振动的影响;基于预先准备的规则和参数确 定所述IR图像是否包含障碍物图像以及该障碍物是否对所述火车的行驶形成威胁;以及如 果所述IR图像包含障碍物的图像，提供警报信号。
[0004] 根据本发明的实施方式，所述方法进一步包括基于铁轨和它们的背景之间的温度 差检测所述IR图像中的铁轨。
[0005] 根据又进一步的实施方式，在火车行驶之前储存振动概况。
[0006] 根据又进一步的实施方式，所述方法进一步包括火车机车的振动概况的动态研 究。
[0007] 根据又另外的实施方式，所述方法进一步包括在被检测铁轨的周围界定感兴趣区 域并且在所述感兴趣区域内检测物体。
[0008] 根据又另外的实施方式，所述方法包括:在所述接收到的IR帧中估计移动物体的 移动方向；考虑所述火车在所述连续的IR图像的所述获取之间已通过的距离，比较连续的 IR图像中的所述移动物体的位置;将所述移动物体在连续的IR图像之间已经移动的所述距 离除以所述IR图像的所述获取之间的时间段；以及基于所述移动物体的移动的速度和方 向，确定该移动物体是否对所述火车构成威胁。
[0009] 根据本发明的实施方式的用于铁路障碍物识别的方法进一步包括从全球定位系 统(GPS)单元获取位置数据;基于所述位置数据追踪火车的行驶；以及在所述火车靠近具有 有限可见度的铁轨路段时提供信息。
[0010] 所述方法进一步包括，将火车前方的铁轨路段的预存图像与在火车行驶中获取的 帧比较以便核实所述铁轨和所述铁轨邻近区域中的变化，并且基于所述比较检测障碍物，。
[0011] 根据本发明的实施方式的用于铁路障碍物识别的方法，其中，评估铁路条件进一 步包括，通过观察在获取的铁路图像中的铁轨的两条轨道之间的距离，检测轨道弯曲。
[0012] 公开了一种用于铁路障碍物识别的系统，所述系统包括:红外（IR)传感器，面对行 驶方向安装，以便获取IR图像;处理和通信单元，被配置为执行前述任意一项权利要求所述 的方法的所述步骤;以及机车司机操作单元，被配置为向使用者呈现所述警报信号。
[0013] -种用于铁路障碍物识别的系统，其中，所述IR传感器在范围为8-12微米的范围 内可操作。
【附图说明】
[0014] 在说明书的总结部分具体指出并明显地要求保护被认为是本发明的本主题。但 是，在结合附图阅读时，参照下文的【具体实施方式】可最好地理解就组织和操作方法两者而 言的本发明及其物体、特征和优点，在附图中：
[0015] 图IA和图IB图示地描绘了根据本发明的实施方式的配备有用于铁路障碍物识别 和避开的系统的火车；
[0016] 图2A为根据本发明的实施方式的用于铁路障碍物识别和避开的系统的示意方框 图；
[0017] 图2B为根据本发明的实施方式的处理和通信单元的示意方框图；
[0018]图3为描绘了根据本发明的实施方式的SNR、P0D和FAR的大小之间的关系的示例性 曲线图；
[0019] 图4示意性地图示了根据本发明的实施方式的Mff和LW波长范围内的IR波长的可转 移性作为紊动系数；
[0020] 图5A为根据本发明的实施方式的由IR成像器拍摄的图像，该图像呈现了阴影区的 铁轨部分的可见度；
[0021] 图5B为根据本发明的实施方式的图5A中示出的同一场景的过滤之后的铁轨的图 像；
[0022] 图5C为示出了根据本发明的实施方式的在沿着铁轨的两个不同点上的铁轨的温 度变化并示出了铁轨与它们的背景之间的温度差异的图像；
[0023]图5D为呈现了根据本发明的实施方式的距离成像器0.5km的位于铁轨之间的障碍 物、铁轨之间的背景与铁轨之间的温度差异的图像；
[0024]图5E为呈现了根据本发明的实施方式的两个不同的障碍物的高可见度和铁轨及 背景的高可见度的图像；
[0025] 图6为呈现了根据本发明的实施方式的用于铁路障碍物识别和避开的系统操作的 示意流程图；
[0026] 图7为呈现了根据本发明的实施方式的用于驾驶安全性评估的示意流程图；
[0027] 将理解，出于说明的简化和清楚，在附图中示出的元件不一定按比例绘出。例如， 出于清楚一些元件的尺寸可相对于其他元件夸大。进一步地，在认为适合的地方，可在附图 中重复参考编号以表明对应的或类似的元件。
【具体实施方式】
[0028]在下面的具体描述中，为了提供对本发明的完全理解，陈述了很多具体细节。但 是，本领域的技术人员将理解本发明可没有这些具体细节而被实施。在其他例子中，没有详 细描述众所周知的方法、程序和组件，以避免使本发明晦涩。
[0029]虽然就这一点而言本发明的实施方式不受限制，讨论使用术语诸如，例如"处理"、 "计算"、"估算"、"确定"、"建立"、"分析"、"检查"等可指计算机、计算平台、计算系统或其他 电子计算设备的操作和/或处理，这些设备操纵代表为计算机寄存器和/或存储器内的物理 (例如电子)量的数据或将该数据转化为同样代表为计算机寄存器和/或存储器或其他信息 存储介质内的物理量的其他数据，所述存储介质可储存指令以执行操作和/或过程。
[0030] 虽然就这一点而言本发明的实施方式不受限制，本文使用的术语"多个"可包括， 例如"多个"或"两个或两个以上"。术语"多个"或"多数个"可贯穿整个说明书使用以描述两 个或两个以上的组件、设备、元件、单元、参数等。除非清楚地陈述，本文描述的方法实施方 式不理解为特定的顺序或序列。另外，描述的方法实施方式或其元件中的一些可在同一时 间点发生或被执行。
[0031] 根据本发明的实施方式，得到作为益处的事实:使用热成像方法，铁路轨道具有可 相对容易地区别于其邻近的热足迹。本发明的发明者已经意识到事实是火车铁轨由金属制 成并且基于轨枕，轨枕由混凝土材料或通常具有低热导率的其他材料制成。结果，由于铁轨 的高热导率，金属铁轨沿着铁路的很长路段趋向维持相对相等的温度，而铁轨附近的地面 保持具有比铁轨温度均匀性水平低的均匀性的附近温度。另外，由于火车铁轨和通常包括 在地面的材料之间的热导率和比热的不同，很明显，沿着铁路的温度划分和温度水平与其 附近的地面至少在两个参数上均有区别。
[0032] 如发明者所测量的，铁轨和铁轨背景的地面的典型温度差异为15-20度，而沿着铁 轨的铁轨温度差异显示为沿着Ikm小于2度的差异。这可确保由IR传感器拍摄的图像帧内的 铁轨的好的可检测性，并且为用于铁路障碍物识别和避开的热成像系统和方法建立具体的 基础。如在图5C中可见的（在下文中详细描述），例如，物体之间的差异为20灰度。在典型的 检测器中，单个灰度通常代表全部范围为13比特的50mK度。图5C中的图像由8比特成像装置 拍摄，因此图5C中的每一个灰度是2~5*5〇1111( = 160〇1111( = 1.6°(：(为简化讨论忽略伽玛校正）。
[0033] 现参照图IA和图1B，图IA和图IB图示地描述了根据本发明的实施方式的配备有系 统100的火车10,系统100用于铁路障碍物识别和避开。火车10在其前端包括火车机车IOA并 且可选择地包括一个或多个铁路车厢10B。系统100可安装在火车机车IOA上并且可包括处 理和通信单元102、机车司机操作单元104、至少一个可选择地通过相机对准基座106A安置 的红外（IR)前视传感器106,并且可选择地包括通信天线108。
[0034] IR传感器106可安装在机车IOA的前端，也就是火车机车的面对火车行驶方向的一 端，为更好地执行前视，优选地安装在高的位置，正如图IA中的火车10的侧视图图示地描绘 的。IR传感器106可具有竖直的视野116,该视野具有开视角α ν1，其中央光轴116A以相对于水 平面以角度αν2倾斜。
[0035] 如图IB中的火车10的俯视图可见的，IR传感器106可具有水平视野117,该视野具 有开视角fta，其中央光轴117A通常沿着机车IO