一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统及其检测方法与流程

本发明涉及一种列车在城市轨道交通地铁、单轨等线路上对运行前方的障碍物进行检测及报警的方法，属于障碍物检测领域。

背景技术：

随着经济和科技的快速发展，私家车越来越普遍，交通拥挤成为一种正常现象。为了缓解这一现象，很多城市采取限号的措施，但是人们的出行离不开交通，于是出现了城市轨道交通地铁、单轨等线路，这种交通不但减轻了城市交通拥堵的压力，而且极大的方便了人们的出行。我们都知道高铁、地铁有着风驰电掣的速度，但是它们的高速不仅依靠列车本身，轨道也有很重要的作用。在列车高速运行中，如果轨道出了问题，那么列车也会有很大的影响。譬如，在轨道上有障碍物，由于列车运行速度很快，列车司机不可能轻易地发现障碍物，如果影响比较小，可能会对列车的零部件造成影响，长期下去便会对列车造成不可逆转的影响，影响列车使用寿命。如果影响比较大，会导致列车的车轮和轨道发生剧烈的摩擦，使列车停止运行，对人们的出行带来极大的不便。如果影响过于严重，则会造成列车翻车，这样的后果是最严重的一种情况，列车的运行速度很快，如果列车在行驶过程中翻车，列车上很大一部分的乘客都会受伤，甚至会有死亡的情况出现。

而目前我国大多的线路普遍采用的是视频监控的方式，以人工的方式观测摄像机获取障碍物的视频或者图片，这种方式自动化水平比较低，而且既耗费人力又不能保证观测结果的可靠性。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有对轨道内障碍物的检测大多是通过视频监控，以人工的方式观测监控中的图像或是视频，自动化水平低，观测结果可靠性差的问题。现提供一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统及其检测方法。

一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统，所述系统包括激光传感器阵列1、6轴陀螺仪2、列车车载主机3和列车控制装置4，

6轴陀螺仪2设置在列车上，

6轴陀螺仪2，用于检测列车的加速度和行驶角度；

激光传感器阵列1由多个激光传感器组成，多个激光传感器沿着轨道的延伸方向均匀铺设在轨道内，每个激光传感器均用于发出激光，并接收被障碍物或者轨道反射回来的光信号，将光信号进行放大并转化为电信号；

列车车载主机3，用于根据每个激光传感器输出的电信号，得到每个激光传感器从发射激光到接收光信号所用的时间，根据该时间得到每个激光传感器到障碍物或者轨道的距离，根据该距离及每个激光传感器铺设在轨道内的位置，得到障碍物的三维坐标信息，同时根据6轴陀螺仪2采集的信息和内部存储的列车行驶在每个位置的方向信息确定列车当前的位置，将障碍物的三维坐标信息和列车当前的位置信息进行融合，从而确定列车与障碍物的相对距离。

优选的，所述系统还包括列车控制装置4，

列车控制装置4，用于实时采集列车与障碍物的相对距离，若列车与障碍物的相对距离小于设定的安全距离，则进行报警。

优选的，所述系统还包括带有夜视功能的工业摄像机5，

带有夜视功能的工业摄像机5设置在列车前端，用于拍摄轨道图像，

列车车载主机3，还用于采集带有夜视功能的工业摄像机5的信息，将该工业摄像机5拍摄的图像与内部存储的轨道图像进行比较，判断拍摄的图像中是否有障碍物。

优选的，带有夜视功能的工业摄像机5还用于拍摄轨道两旁的信号机灯位颜色和限速标志牌，

列车车载主机3，还用于接收轨道两旁的信号机灯位颜色的拍摄图像，显示停车指令，并接收轨道两旁的限速标志牌的拍摄图像，显示限速指令。

优选的，带有夜视功能的工业摄像机5采用视觉传感器实现。

优选的，激光传感器阵列1中的每个激光传感器均由激光器、激光检测器和测量电路组成，

激光器，用于发射出激光，

激光检测器，用于接收被障碍物或者轨道反射回来的光信号，并将该光信号进行放大，

测量电路，用于将放大后的光信号转化为电信号。

基于一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统实现的故障物检测方法，所述方法包括以下内容：

启动多个激光传感器发出激光、并将其接收到的光信号转换为电信号，

利用列车车载主机3实时接收每个激光传感器输出的电信号获得到每个激光传感器从发射激光到接收光信号所用的时间、从而获得每个激光传感器与障碍物或者轨道之间的距离，根据该距离及每个激光传感器铺设在轨道内的位置得到障碍物的三维坐标信息，

利用列车车载主机3实时接收6轴陀螺仪2的输出信息，利用该输出信息和列车车载主机3内部存储的列车行驶在每个位置的方向信息确定列车当前的位置，

将障碍物的三维坐标信息和列车当前的位置信息进行融合，从而确定列车与障碍物的相对距离。

优选的，所述方法还包括以下内容：

列车控制装置4将列车与障碍物的相对距离与安全距离进行比较，当列车与障碍物的相对距离小于安全距离时进行报警。

本发明的有益效果为：

沿着轨道的延伸方向铺设激光(被动探测)传感器阵列，从而使激光传感器阵列发出的激光光束均匀覆盖于整个轨道区域内，如果轨道内有障碍物，障碍物的出现将立即触发激光传感器阵列，得到被触发的激光传感器阵列的位置从而解算出障碍物的三维坐标信息；再结合6轴陀螺仪采集到的列车当前位置，能够准确获得障碍物与列车的距离，提前做出预警。克服了现有仅用超声波测距缺点，超声波测距有效距离最大数十米，不满足测距要求。本申请采用激光传感器阵列能够预先对轨道内的障碍物进行检测，避免对列车在行驶过程中造成危险，无论是静态障碍物还是动态障碍物，激光传感器阵列都能实时检测出障碍物的位置。因此，本申请采用6轴陀螺仪与激光传感器阵列相结合，通过列车车载主机进行信息融合能够有效的得到列车与障碍物的距离，通过列车控制装置有效的对列车进行控制，整个系统自动化程度高，可靠性高，能够有效避免列车行驶中的危险。本申请还采用带有夜视功能的工业摄像机作为障碍识别的辅助性传感器，与激光传感器阵列共同实现对轨道内障碍物的全部探测。本申请设备小型化、功耗低、易于安装。

本申请的优点：

1、基于激光传感器阵列和6轴陀螺仪数据融合的分布式控制系统，降低了列车车载主机的设计复杂度、提高可靠性。个别激光传感器的损毁对整个激光传感器阵列的影响微乎其微，且各独立模块(6轴陀螺仪和每个激光传感器)可随时更换，成本较低，便于维护。

2、通过激光传感器阵列、列车车载主机和列车控制装置提高了对障碍物检测和预警的精度，降低了漏报率和误报率。

3、实现在轨道车辆的全天候，全工况的障碍物测试，如有障碍物则通过列车控制装置进行报警。

附图说明

图1为带有夜视功能的工业摄像机在列车上的位置图，附图标记6表示障碍物；

图2为具体实施方式一所述的一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统，所述系统包括激光传感器阵列1、6轴陀螺仪2、列车车载主机3和列车控制装置4，

6轴陀螺仪2设置在列车上，

6轴陀螺仪2，用于检测列车的加速度和行驶角度；

激光传感器阵列1由多个激光传感器组成，多个激光传感器沿着轨道的延伸方向均匀铺设在轨道内，每个激光传感器均用于发出激光，并接收被障碍物或者轨道反射回来的光信号，将光信号进行放大并转化为电信号；

列车车载主机3，用于根据每个激光传感器输出的电信号，得到每个激光传感器从发射激光到接收光信号所用的时间，根据该时间得到每个激光传感器到障碍物或者轨道的距离，根据该距离及每个激光传感器铺设在轨道内的位置，得到障碍物的三维坐标信息，同时根据6轴陀螺仪2采集的信息和内部存储的列车行驶在每个位置的方向信息确定列车当前的位置，将障碍物的三维坐标信息和列车当前的位置信息进行融合，从而确定列车与障碍物的相对距离。

本实施方式中，激光传感器阵列与列车车载主机通过无线网络实时通讯，全部计算过程在列车车载主机内完成，可实现轨行区内列车与障碍间的相对距离显示，实现预警及减速提醒等功能。

6轴陀螺仪是采用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。在本申请中，采用6轴陀螺仪可实现对线路上的坡道及弯道进行识别，其中坡度数据用6轴陀螺仪的俯仰角表征，最大坡度在30-40‰，分为上坡、下坡两种场景。弯道数据用6轴陀螺仪的角速度、角加速度表征，弯道曲线半径为300-500米。将以上测试的数据输入到列车车载主机进行数据融合，将检测到的障碍物数据显示在人机界面，在界面上显示距离，并给出声光报警，这时司机便能对列车采取减速等措施。带有夜视功能的工业摄像机还可以对信号机灯位颜色进行识别，以及对线路旁边的限速标志牌进行识别。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统作进一步说明，本实施方式中，其特征在于，所述系统还包括列车控制装置4，

列车控制装置4，用于实时采集列车与障碍物的相对距离，若列车与障碍物的相对距离小于设定的安全距离，则进行报警。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统作进一步说明，本实施方式中，其特征在于，所述系统还包括带有夜视功能的工业摄像机5，

带有夜视功能的工业摄像机5设置在列车前端，用于拍摄轨道图像，

列车车载主机3，还用于采集带有夜视功能的工业摄像机5的信息，将该工业摄像机5拍摄的图像与内部存储的轨道图像进行比较，判断拍摄的图像中是否有障碍物。

本实施方式中，带有夜视功能的工业摄像机设置在列车前端，如图1所示，当列车行走至靠近障碍物的位置，拍摄障碍物的图像与内存中存储的基准图像对比，判断障碍物是否对列车轨道行驶造成危险，并最终将障碍物的图像数据加入视觉特征库进行存储。带有夜视功能的工业摄像机与激光传感器共同检测障碍物，避免漏检，误检。另外，带有夜视功能的工业摄像机还会对轨道两旁的信号灯的颜色和线路旁边的限速标志牌进行准确识别，这样会避免了误判，比如在直线、曲线、坡道、相邻线路、道岔区域、折返轨、对向运行等场景下，对列车前方的运行列车进行识别，与内存中存储的基准图像比对，判断是障碍物，而对于邻线列车，带有夜视功能的工业摄像机采集到图像后与其进行对比，判断是非障碍物。对于路边的信号灯，带有夜视功能的工业摄像机对采集到的不同颜色的信号灯会与内存中存储的基准进行对比，对不同的颜色的信号灯做出不同的反应。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统作进一步说明，本实施方式中，带有夜视功能的工业摄像机5还用于拍摄轨道两旁的信号机灯位颜色和限速标志牌，

列车车载主机3，还用于接收轨道两旁的信号机灯位颜色的拍摄图像，显示停车指令，并接收轨道两旁的限速标志牌的拍摄图像，显示限速指令。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统作进一步说明，本实施方式中，带有夜视功能的工业摄像机5采用视觉传感器实现。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统作进一步说明，本实施方式中，激光传感器阵列1中的每个激光传感器均由激光器、激光检测器和测量电路组成，

激光器，用于发射出激光，

激光检测器，用于接收被障碍物或者轨道反射回来的光信号，并将该光信号进行放大，

测量电路，用于将放大后的光信号转化为电信号。

本实施方式中，测量电路，用于将光信号转化为电信号。此时激光传感器的输出电压也会随之发生大小变化，由列车车载主机内的模数转换器采集测量电路发出的模拟信号，将模拟信号转化为数字信号，得到障碍物在轨道内的具体位置，即在轨道中的三位坐标信息。

具体实施方式七：基于具体实施方式一所述的一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统实现的故障检测方法，本实施方式中，所述方法包括以下内容：

启动多个激光传感器发出激光、并将其接收到的光信号转换为电信号，

利用列车车载主机3实时接收每个激光传感器输出的电信号获得到每个激光传感器从发射激光到接收光信号所用的时间、从而获得每个激光传感器与障碍物或者轨道之间的距离，根据该距离及每个激光传感器铺设在轨道内的位置得到障碍物的三维坐标信息，

利用列车车载主机3实时接收6轴陀螺仪2的输出信息，利用该输出信息和列车车载主机3内部存储的列车行驶在每个位置的方向信息确定列车当前的位置，将障碍物的三维坐标信息和列车当前的位置信息进行融合，从而确定列车与障碍物的相对距离。

本实施方式中，本申请通过报警提示列车司机前方有障碍物，列车司机将会停车。从而保证行车安全。列车车载主机3还具备上电自检、周期自检功能和存储功能。列车车载主机3具有现实距离和声光报警的功能。

系统工作的技术指标为：

系统运行周期不大于160ms。

系统初始化时间应不大于50s。

系统应满足24h不间断运营的要求。

自接收到外部信息至完成处理的时间应小于或等于1s。

系统检测到列车与障碍物之间的距离要求：在平直道上不少于300米；在曲线半径300米的弯道上不少于70米；在30‰的上下坡道上不少于100米。

直线测距误差不超过5％。

障碍物最小分辨率为0.5-1m/300m。

检测范围5-300m，盲区0-5m，

系统防护下列车最高运行速度为60km/h。

在常规测试环境下，系统对障碍物检测的准确率不少于90％。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的根据一种基于激光传感器阵列的列车前方障碍物检测系统实现的故障物检测方法作进一步说明，本实施方式中，所述方法还包括以下内容：

列车控制装置4将列车与障碍物的相对距离与安全距离进行比较，当列车与障碍物的相对距离小于安全距离时进行报警。