一种城铁障碍物及脱轨检测系统的制作方法

1.本发明涉及自动驾驶领域，具体涉及一种集成视觉检测、雷达检测的多功能集成的城铁障碍物及脱轨检测系统。


背景技术：

2.随着科技的不断发展，我国的铁路建设同样发展迅速，并且近年来经过多次提速，大量的特快列车、直达列车开始运行。在2007年第六次提速后，铁道部开行“和谐号”动车组，时速可高达200公里以上。尤其是高速铁路陆续建成，如京广高铁、京沪高铁、沪昆高铁，运行最高时速达到350公里。除轮轨外，磁悬浮列车也作为城际轨道交通的一部分。在列车的运行速度越来越快的情况下，列车的行驶安全问题也越来越被重视，基于自动驾驶技术的飞速发展，列车行驶过程中的障碍物和脱轨检测显得尤为重要。
3.现有技术中的障碍物和脱轨检测存在的缺陷是，在列车高速行驶过程中，对于采集的数据信息的处理方式不够完善，因而导致系统运行过程中无法稳定判断列车脱轨情况以及前方障碍物情况，以及及时对列车控制系统反馈信号并输出控制。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种城铁障碍物及脱轨检测系统，通过激光雷达、毫米波雷达以及摄像机和脱轨检测模块分别对障碍物信息以及脱轨信息进行判定，并经过车载主机进行精密分析和计算，综合评估列车当前所处情况，并技术输出到列车控制系统进行制动或其他控制。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种城铁障碍物及脱轨检测系统，包括脱轨检测模块和障碍物检测模块，所述脱轨检测模块和障碍物检测模块分别用于对列车与轨道之间的位置关系和列车前方障碍物信息进行检测；
6.还包括车载主机、列车控制系统和若干数据采集传感器，所述脱轨检测模块和障碍物检测模块以及数据采集传感器分别与所述车载主机通信连接，所述障碍物检测模块包括毫米波雷达、激光雷达和摄像机，所述毫米波雷达用于采集列车前方的3d点云数据；毫米波雷达用于采集列车前方的2d点云数据，摄像机用于采集列车前方的图像信息；所述毫米波雷达、激光雷达和摄像机分别与车载主机通信连接，所述车载主机与所述列车控制系统通信连接；
7.所述车载主机用于对毫米波雷达、激光雷达、摄像机以及数据采集传感器所采集的数据信息进行分析处理，并结合脱轨检测模块的检测数据对车辆当前风险状态进行判定，并输出控制或报警信号到列车控制系统。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
9.可选的，所述车载主机包括：
10.图像目标分割单元，所述图像目标分割单元用于分离图像中的物体轮廓、背景轮廓和轨道线轮廓；
11.轨道线分割单元，所述轨道线分割单元用于确定轨道的位置和前进方向，并通过轨道前进方向以及列车轮廓数据判定车体在空间中的位置和大小；
12.传感器特征融合单元，所述传感器特征融合单元用于将摄像机采集的图像信息和毫米波雷达与激光雷达获取的坐标信息进行坐标统一，并确定图像中物体的坐标以及相对于列车的速度；
13.障碍物判定单元，所述障碍物判定单元用于判定物体运动轨迹是否会和列车轮廓相交；
14.碰撞风险/脱轨风险判定单元，所述碰撞风险/脱轨风险判定单元用于根据脱轨检测模块、障碍物判定单元、轨道线分割单元的数据信息进行综合判断当前列车所处环境和状态是否存在碰撞风险和脱轨风险，并将该信息发送至列车控制系统；
15.所述图像目标分割单元的信号输出端分别与所述轨道线分割单元和传感器特征融合单元的信号输入端连接，所述传感器特征融合单元和轨道线分割单元的信号输出端分别与障碍物判定单元的信号输入端连接，所述障碍物判定单元、轨道线分割单元和脱轨检测单元的信号输出端分别与碰撞风险/脱轨风险判定单元的信号输入端连接。
16.可选的，所述脱轨检测模块包括脱轨检测传感器单元和脱轨检测控制单元，所述脱轨检测传感器单元包括加速度传感器和位移传感器，通过对列车加速度和列车速度进行采集并发送到脱轨检测控制单元进行分析并输出控制。
17.可选的，所述加速度传感器有多个，分别用于采集多个轴向上的加速度信号。
18.可选的，还包括加速度校准单元，所述加速度校准单元与加速度传感器分别连接，用于将所述加速度传感器采集的各个轴向上的加速度信息经过加速度校准单元进行校准。
19.可选的，所述所述脱轨检测控制单元连接有驱动脱轨继电器，当判定列车脱轨时触发所述驱动脱轨继电器动作。
20.可选的，所述驱动脱轨继电器连接有列车紧急制动系统，当判定列车脱轨时触发所述驱动脱轨继电器动作，进一步触发所述列车紧急制动系统动作。
21.可选的，当列车紧急制动系统动作时，通过列车控制系统向轨道上的对向列车和后向列车发出紧急制动提示信号。
22.本发明的有益效果是：本发明提供的一种城铁障碍物及脱轨检测系统，集成了激光雷达、毫米波雷达、摄像机以及脱轨检测模块共同进行数据采集，并通过车载主机对以上采集的数据信息进行分析和处理，提升了系统判定的准确性，同时，提升了系统的稳定性，能够满足高速行驶过程中的快速、准确判断。
附图说明
23.图1为本发明提供的一种城铁障碍物及脱轨检测系统的系统运行流程图；
24.图2为本发明的脱轨检测逻辑示意图；
25.图3为本发明的障碍物检测逻辑示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
27.图1为本发明提供的一种城铁障碍物及脱轨检测系统的系统运行流程图，如图1所示，系统包括：
28.脱轨检测模块和障碍物检测模块，所述脱轨检测模块和障碍物检测模块分别用于对列车与轨道之间的位置关系和列车前方障碍物信息进行检测；
29.还包括车载主机、列车控制系统和若干数据采集传感器，所述脱轨检测模块和障碍物检测模块以及数据采集传感器分别与所述车载主机通信连接，所述障碍物检测模块包括毫米波雷达、激光雷达和摄像机，所述毫米波雷达用于采集列车前方的3d点云数据；毫米波雷达用于采集列车前方的2d点云数据，摄像机用于采集列车前方的图像信息；所述毫米波雷达、激光雷达和摄像机分别与车载主机通信连接，所述车载主机与所述列车控制系统通信连接；
30.所述车载主机用于对毫米波雷达、激光雷达、摄像机以及数据采集传感器所采集的数据信息进行分析处理，并结合脱轨检测模块的检测数据对车辆当前风险状态进行判定，并输出控制或报警信号到列车控制系统。
31.可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明实施例提出了城铁障碍物及脱轨检测系统，系统分为脱轨检测模块和障碍物检测模块，且所述脱轨检测模块和障碍物检测模块分别用于对列车与轨道之间的位置关系和列车前方障碍物信息进行检测；其中，将所述脱轨检测模块和障碍物检测模块所采集的数据信息，与设置的若干数据采集传感器所采集的数据信息经过车载主机进行综合处理、分析和比对，最终判断列车是否存在脱轨或者碰撞的风险，以及根据所采集的数据信息与设定的参数进行对比，判定当前的碰撞或脱轨的风险等级，并将该信息发送至列车控制系统进行相应的控制动作。
32.在一种可能的实施例方式中，所述车载主机包括：
33.图像目标分割单元，所述图像目标分割单元用于分离图像中的物体轮廓、背景轮廓和轨道线轮廓；
34.轨道线分割单元，所述轨道线分割单元用于确定轨道的位置和前进方向，并通过轨道前进方向以及列车轮廓数据判定车体在空间中的位置和大小；
35.传感器特征融合单元，所述传感器特征融合单元用于将摄像机采集的图像信息和毫米波雷达与激光雷达获取的坐标信息进行坐标统一，并确定图像中物体的坐标以及相对于列车的速度；
36.障碍物判定单元，所述障碍物判定单元用于判定物体运动轨迹是否会和列车轮廓相交；
37.碰撞风险/脱轨风险判定单元，所述碰撞风险/脱轨风险判定单元用于根据脱轨检测模块、障碍物判定单元、轨道线分割单元的数据信息进行综合判断当前列车所处环境和状态是否存在碰撞风险和脱轨风险，并将该信息发送至列车控制系统；
38.所述图像目标分割单元的信号输出端分别与所述轨道线分割单元和传感器特征融合单元的信号输入端连接，所述传感器特征融合单元和轨道线分割单元的信号输出端分别与障碍物判定单元的信号输入端连接，所述障碍物判定单元、轨道线分割单元和脱轨检测单元的信号输出端分别与碰撞风险/脱轨风险判定单元的信号输入端连接。
39.可以理解的是，如图1所示，将所述激光雷达采集的3d点云信息，毫米波雷达采集的2d点云信息，高速摄像机采集的图像信息经过图像目标分割单元对图像中的物体轮廓、
背景轮廓和轨道线轮廓进行分离，同时发送至传感器特征融合单元进行处理，然后通过轨道线分割单元确定轨道的位置和前进方向，且通过对到前进方向以及列车轮廓数据判定车体在空间中的位置以及大小；传感器特征融合单元将图像与雷达获取的坐标信息进行坐标统一处理，确定图像中的物体的坐标以及图像中物体相对列车的速度并发送至障碍物判定单元，障碍物判定单元主要判定物体的运动轨迹是否在未来某时刻与列车轮廓相交，若相交，则说明会存在碰撞风险，脱轨检测模块主要根据车辆加速度判断是否存在脱轨风险，若存在碰撞风险或脱轨风险，则发送报警信息至列车控制系统。
40.在一种可能的实施例方式中，所述脱轨检测模块包括脱轨检测传感器单元和脱轨检测控制单元，所述脱轨检测传感器单元包括加速度传感器和位移传感器，通过对列车加速度和列车速度进行采集并发送到脱轨检测控制单元进行分析并输出控制。
41.可以理解的是，通过加速度传感器和位移传感器检测出列车加速度数据，车载主机获取脱轨检测模块提供的列车加速度信息和位移信息，并与系统设定阙值的比较判断车体是否有脱轨的风险。脱轨检测控制单元输出控制命令至下一级设备。
42.可选的，所述加速度传感器有多个，分别用于采集多个轴向的加速度信号。
43.可以理解的是，所述加速度传感器至少为2轴加速度传感器，同时对多个轴向的加速度信息进行采集，以x轴和z轴为例，采集后对加速度进行进一步分析确定。
44.可选的，还包括加速度校准单元，所述加速度校准单元与加速度传感器分别连接，用于将所述加速度传感器采集的各个轴向的加速度信息经过加速度校准单元进行校准。
45.可以理解的是，所述加速度校准单元用于接收加速度传感器的数据信息，并根据不同轮轴轴向上的加速度信息，对加速度信号进行校准，并结合当前列车的行驶速度综合分析，判断是否需要旁路此信号，若需要则停止脱轨检测模块的检测动作，否则当检测到脱轨时，报警输出至列车控制系统进行制动。
46.可选的，所述所述脱轨检测控制单元连接有驱动脱轨继电器，当判定列车脱轨时触发所述驱动脱轨继电器动作。
47.可以理解的是，通过驱动脱轨继电器的状态控制驱动脱轨的相应的设备动作，能够不影响系统其他设备的正常运行，同时提升脱轨时的安全控制效果。
48.可选的，所述驱动脱轨继电器连接有列车紧急制动系统，当判定列车脱轨时触发所述驱动脱轨继电器动作，进一步触发所述列车紧急制动系统动作。
49.可以理解的是，通过驱动脱轨继电器接通所述列车紧急制动系统，从而输出制动信号。
50.可选的，当列车紧急制动系统动作时，通过列车控制系统向轨道上的对向列车和后向列车发出紧急制动提示信号。
51.可以理解的是，当列车处于紧急制动时，需要告知附近列车注意避让，或者在另一实施例中，当附近列车距离足够近时，直接触发该附近列车的紧急制动系统以快速响应。
52.需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
53.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
54.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
55.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
56.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
57.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
58.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。