本发明涉及铁路障碍物检测技术领域，具体为一种二维激光雷达铁路障碍物检测系统及其检测方法。
背景技术：
危险山区铁路沿线经常发生落石或行人丢下较大物品在轨面上，严重影响火车行车安全，现有的视频监控受环境影响大、防区型振动光缆施工成本高及容易被破坏，为此，我们提出了一种二维激光雷达铁路障碍物检测系统及其检测方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种二维激光雷达铁路障碍物检测系统及其检测方法，以解决上述背景技术中提出的现有的视频监控受环境影响大、防区型振动光缆施工成本高及容易被破坏的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种二维激光雷达铁路障碍物检测系统，包括调整平台，所述调整平台的顶部左侧安装有控制运算器和报警装置，所述控制运算器位于报警装置的左侧，所述调整平台的顶部中心处通过螺钉连接有二维激光雷达。
优选的，所述调整平台包括安装台和四组可调节支腿，且四组可调节支腿通过螺钉安装在安装台的底部四角。
一种二维激光雷达铁路障碍物检测系统的检测方法，该二维激光雷达铁路障碍物检测系统的检测方法具体步骤如下：
s1：二维激光雷达调整于平行于轨面：
二维激光雷达的扫描线不可见，在进行调整时，无法通过人眼对二维激光雷达的扫描线进行观测，很难获取到二维激光雷达对扫描点的高度，但是，激光扫描的光路为一个光平面，所以，如果一个平面平行穿过三个同样大小的三角体，正对二维激光雷达的面互相平行，且不同线摆放时，切出的面的长度应该大小相等；
本系统采用标准三角体调整法，相同大小的三角体放到铁轨，正对二维激光雷达的面保持平行；
提取二维激光雷达扫描到三角面的的边缘点，忽略掉二维激光雷达角度分辨率引起的误差，则可以计算出每个三角面的长度大小，如果左边缘点坐标为(xl，yl)，右边缘点坐标为(xr，yr)则长度l为：
调整二维激光雷达的过程中，实时计算三个三角面的长度，当误差小于阈值时，则雷达调整为与铁轨面水平；
s2：标定雷达二维平面坐标系：
在铁路沿线，最好的参照物为两根平行的铁轨，所以把雷达坐标系旋转到x轴平行于铁轨方向，而y轴垂直于铁轨，坐标原点为雷达中心，坐标系命名为轨道坐标系，而已雷达坐标为中心，雷达发射0°光线方向为x轴，90为y轴的坐标系为雷达坐标系；
以原点为中心，绕z轴旋转角度θ的公式为：
其中，x′和y′为雷达坐标系坐标，x和y为轨道坐标系坐标，方程中有三个未知数，而一个点有两个方程，所以只要有两个点就能计算出选择角度θ，进一步计算出每一个点的轨道坐标系坐标值；
标定的时候，在靠近二维激光雷达的轨道上面摆放两个物体，计算扫描到物体的中心点作为标定点，计算出旋转角度；
s3：设定保护区：
s31：保护区设置方案：一般的保护区为在两根轨道向外的一定距离内；
其中，外侧的两组双线条以内为保护区，而铁轨为平行直线，在距离二维激光雷达近处的轨道上摆放个参照物，如果参照物离在轨道坐标系中的坐标为(x，y)，则在保护区上的位置为x＝x，y1＝y-offest(内测)和y2＝y+d+offset(外侧)；
s32：保护区计算：由于激光雷达测量的为距离值ρ，从开始角度start＝0度，到接收角度end＝180度，以角分辨率α递增，则总共的测量值总是为：
某一点的角度为θi＝start+i*α；
为了减少计算量，不用去计算每个点的直角坐标，而用极坐标(ρi，θi)表示，计算每个光线与保护区边界线的交点值(ρi1，ρi2)，ρi1为与近边交点，ρi2为与远边的交点，如果在θi处，ρi大于ρi1而小于ρi2则该点在保护区内，否则在保护区外，这样计算出n个边界值，则测量数据每个值和对应保护区2个距离值比对，则可以判断出每个点是否在保护区内，与保护区边界的计算公式为：
ρij＝y/sin(θi)其中j为1和2，为内测和外侧距离；
s4：点的聚类：
二维激光雷达平行于轨道平面扫描，不同的障碍物之间只有扫描距离差，假设相邻2个点的距离为ρi和ρj，|ρi–ρj|<ε，其中ε为距离差阈值，则2个点分别归为2类；
每个扫描的单次聚类的点云数据称为点云帧frame，frame的属性为：
points：聚类中的点云；
leftpos：frame左边边缘位置,由左边的距离ρl和θl组成；
rigthpos：frame右边边缘位置,由左边的距离ρr和θr组成；
middle：frame中心点云位置；由中间距离ρm＝(ρl+ρr)/2和θm＝(θl+θr)/2组成；
length：frame的长度由左右2点位置计算，公式为：
s5：障碍物判断确认：
s51：由点云聚类出frame如果判断为在保护区内部，则为待确认的障碍物block，如果为同一物体，则序列点云frame加入到block中，同一物体的判断由后面给出，下面给出属性：
frames：同一物体加入的帧序列；
leftpos：物体左边边缘位置，由最新加入的frame的leftpos计算平均值；
rigthpos：物体右边边缘位置，由最新加入的frame的rigthpos计算平均值；
middle：物体最新点中心点云位置；等于最新加入的frame的middle；
length：物体的长度；由最新加入的frame的length计算平均值；
speed：物体的速度；由于雷达数据干扰的影响，采用移动平均速度计算；
direction：物体的运动方向，以角度表示；
s52：同一物体的帧序列判断，当聚类的frame在保护区内，如果已经存在block，则判断这个frame是否属于这些block中的一个，属于则加入到该block中，否则生成一个新的block，判断逻辑为；
由于block有一定速度，考虑匀速运动，用block的speed乘以间隔时间，得到期望行走位置，用这个位置和当前帧的位置做比较，则可以判断当前帧是否属于该block，步骤为：
(1)计算期望行走位置，先把当前位置转换到直角坐标，即(x，y)＝(ρmcosθm，ρmsinθm)(其中ρm和θm为中间点极坐标位置)，假设当前帧和block最后加入帧时间差为t，则运行距离为：s＝speed*t；最后根据运动方向，得到最后的运动位置(xc,yc)＝(x+s*cos(direction)，y+s*sin(direction))，转换到极坐标系
(2)计算当前帧和block运动到达位置的距离差ddiff，采用欧式距离；
(3)关系密切度，考虑当前帧和block的长度因素，综合距离差得到一个关系密切度评分score，公式为：
score＝(1-0.8*(ddiff/dc))(1–0.2*abs(lf-lb)/lb)
其中：dc为归一化常数，可以根据经验取值。lf为当前帧长度，lb为物体长度,abs(.)为取绝对值；
(4)判断当前帧是否属于block标准：score>0.8则当前帧可以归并到该物体，如果有多个物体超过0.8，则加入到最大分数block；
s53：障碍物确定报警，当block速度大于0.1km/h的时候，block可以运动出防区，所有不报警，而当block停下来，超过一定时间(本方案为15s，可以修改)，则确认为障碍物，然后通过报警装置报警；
s54：障碍物报警解除判断，当一个障碍物超过一定的雷达数据序列没有加入新的frame(这里设置为1000帧)，则认为这个障碍物已经移除，报警解除。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该二维激光雷达铁路障碍物检测系统能过滤掉干扰，实现全天候，各种条件下进行检测，提高铁路的安全性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明二维激光雷达的调节原理图；
图3为本发明保护区的设置图。
图中：1调整平台、2控制运算器、3报警装置、4二维激光雷达。
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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种二维激光雷达铁路障碍物检测系统，包括调整平台1，所述调整平台1的顶部左侧安装有控制运算器2和报警装置3，所述控制运算器2位于报警装置3的左侧，所述调整平台1的顶部中心处通过螺钉连接有二维激光雷达4，所述调整平台1包括安装台和四组可调节支腿，且四组可调节支腿通过螺钉安装在安装台的底部四角。
激光雷达采用飞行时间测距原理来检测前方障碍物、并计算障碍物的大小和距离，测量发射光束与从障碍物表面反射光束的时间差δt，与光速c相乘，取乘积的一半，就得到雷达到障碍物的距离，其中，光速：c＝3×108m/s，则障碍物到激光雷达的距离d为：d＝c×δt/2。
一种二维激光雷达铁路障碍物检测系统的检测方法，该二维激光雷达铁路障碍物检测系统的检测方法具体步骤如下：
s1：二维激光雷达4调整于平行于轨面：
二维激光雷达4的扫描线不可见，在进行调整时，无法通过人眼对二维激光雷达4的扫描线进行观测，很难获取到二维激光雷达4对扫描点的高度，但是，激光扫描的光路为一个光平面，所以，如果一个平面平行穿过三个同样大小的三角体，正对二维激光雷达4的面互相平行，且不同线摆放时，切出的面的长度应该大小相等；
本系统采用标准三角体调整法，相同大小的三角体放到铁轨，正对二维激光雷达4的面保持平行(如图2所示)；
提取二维激光雷达4扫描到三角面的的边缘点，忽略掉二维激光雷达4角度分辨率引起的误差，则可以计算出每个三角面的长度大小，如果左边缘点坐标为(xl，yl)，右边缘点坐标为(xr，yr)则长度l为：
调整二维激光雷达4的过程中，实时计算三个三角面的长度，当误差小于阈值时，则雷达调整为与铁轨面水平；
s2：标定雷达二维平面坐标系：
在铁路沿线，最好的参照物为两根平行的铁轨，所以把雷达坐标系旋转到x轴平行于铁轨方向，而y轴垂直于铁轨，坐标原点为雷达中心，坐标系命名为轨道坐标系，而已雷达坐标为中心，雷达发射0°光线方向为x轴，90为y轴的坐标系为雷达坐标系；
以原点为中心，绕z轴旋转角度θ的公式为：
其中，x′和y′为雷达坐标系坐标，x和y为轨道坐标系坐标，方程中有三个未知数，而一个点有两个方程，所以只要有两个点就能计算出选择角度θ，进一步计算出每一个点的轨道坐标系坐标值；
标定的时候，在靠近二维激光雷达4的轨道上面摆放两个物体，计算扫描到物体的中心点作为标定点，计算出旋转角度；
s3：设定保护区：
s31：保护区设置方案：一般的保护区为在两根轨道向外的一定距离内(如图3所示)；
其中，外侧的两组双线条以内为保护区，而铁轨为平行直线，在距离二维激光雷达4近处的轨道上摆放个参照物，如果参照物离在轨道坐标系中的坐标为(x，y)，则在保护区上的位置为x＝x，y1＝y-offest(内测)和y2＝y+d+offset(外侧)；
s32：保护区计算：由于激光雷达测量的为距离值ρ，从开始角度start＝0度，到接收角度end＝180度，以角分辨率α递增，则总共的测量值总是为：
某一点的角度为θi＝start+i*α；
为了减少计算量，不用去计算每个点的直角坐标，而用极坐标(ρi，θi)表示，计算每个光线与保护区边界线的交点值(ρi1，ρi2)，ρi1为与近边交点，ρi2为与远边的交点，如果在θi处，ρi大于ρi1而小于ρi2则该点在保护区内，否则在保护区外，这样计算出n个边界值，则测量数据每个值和对应保护区2个距离值比对，则可以判断出每个点是否在保护区内，与保护区边界的计算公式为：
ρij＝y/sin(θi)其中j为1和2，为内测和外侧距离；
s4：点的聚类：
二维激光雷达4平行于轨道平面扫描，不同的障碍物之间只有扫描距离差，假设相邻2个点的距离为ρi和ρj，|ρi–ρj|<ε，其中ε为距离差阈值，则2个点分别归为2类；
每个扫描的单次聚类的点云数据称为点云帧frame，frame的属性为：
points：聚类中的点云；
leftpos：frame左边边缘位置,由左边的距离ρl和θl组成；
rigthpos：frame右边边缘位置,由左边的距离ρr和θr组成；
middle：frame中心点云位置；由中间距离ρm＝(ρl+ρr)/2和θm＝(θl+θr)/2组成；
length：frame的长度由左右2点位置计算，公式为：
s5：障碍物判断确认：
s51：由点云聚类出frame如果判断为在保护区内部，则为待确认的障碍物block，如果为同一物体，则序列点云frame加入到block中，同一物体的判断由后面给出，下面给出属性：
frames：同一物体加入的帧序列；
leftpos：物体左边边缘位置，由最新加入的frame的leftpos计算平均值；
rigthpos：物体右边边缘位置，由最新加入的frame的rigthpos计算平均值；
middle：物体最新点中心点云位置；等于最新加入的frame的middle；
length：物体的长度；由最新加入的frame的length计算平均值；
speed：物体的速度；由于雷达数据干扰的影响，采用移动平均速度计算；
direction：物体的运动方向，以角度表示；
s52：同一物体的帧序列判断，当聚类的frame在保护区内，如果已经存在block，则判断这个frame是否属于这些block中的一个，属于则加入到该block中，否则生成一个新的block，判断逻辑为；
由于block有一定速度，考虑匀速运动，用block的speed乘以间隔时间，得到期望行走位置，用这个位置和当前帧的位置做比较，则可以判断当前帧是否属于该block，步骤为：
(1)计算期望行走位置，先把当前位置转换到直角坐标，即(x，y)＝(ρmcosθm，ρmsinθm)(其中ρm和θm为中间点极坐标位置)，假设当前帧和block最后加入帧时间差为t，则运行距离为：s＝speed*t；最后根据运动方向，得到最后的运动位置(xc,yc)＝(x+s*cos(direction)，y+s*sin(direction))，转换到极坐标系
(2)计算当前帧和block运动到达位置的距离差ddiff，采用欧式距离；
(3)关系密切度，考虑当前帧和block的长度因素，综合距离差得到一个关系密切度评分score，公式为：
score＝(1-0.8*(ddiff/dc))(1–0.2*abs(lf-lb)/lb)
其中：dc为归一化常数，可以根据经验取值。lf为当前帧长度，lb为物体长度,abs(.)为取绝对值；
(4)判断当前帧是否属于block标准：score>0.8则当前帧可以归并到该物体，如果有多个物体超过0.8，则加入到最大分数block；
s53：障碍物确定报警，当block速度大于0.1km/h的时候，block可以运动出防区，所有不报警，而当block停下来，超过一定时间(本方案为15s，可以修改)，则确认为障碍物，然后通过报警装置3报警；
s54：障碍物报警解除判断，当一个障碍物超过一定的雷达数据序列没有加入新的frame(这里设置为1000帧)，则认为这个障碍物已经移除，报警解除。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。