CN106199570A - 一种轨道列车位移和速度检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道列车位移和速度检测系统，包括设置在列车上的背景检测相机、目标检测相机、主动光源和车载处理器，所述主动光源的光场覆盖所述背景检测相机正对钢轨的视场以及所述目标检测相机正对钢轨的视场；所述车载处理器比较所述背景检测相机采集的相邻两帧背景图像的移动偏移量以及所述目标检测相机采集的相邻两帧目标图像的移动偏移量，结合成像平面和轨道平面高度值，计算列车一个图像采集内的第一位移量和第二位移量；所述车载处理器对所述第一位移量与所述第二位移量进行加权计算，得到列车的实时位移和速度。本发明具有可靠性高、检测精度高、成本低廉、安装维护简便和应用范围广的特点。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及轨道列车的位移和速度检测系统。
背景技术
现有的列车位移和速度测量系统主要有以下几种：
1)通过测量列车车轮转动结合车轮轮径来换算列车位移及速度的方法。这类方法中的测量系统传感器需要使用转动机械结构，安装要求高、低速范围精度差，车辆的空转打滑会导致测量的失败。
车轮轮径参数也是一个导致换算误差的重要因素，轮径通常需要周期性人工校准输入或通过自动校准的方式获得。人工输入的问题是在一个校准周期内轮径值是固定的，这一校准周期同时也是车轮的磨耗周期，车轮在这一周期内的变化给列车位移和速度测量系统带来计算误差。自动校准能够解决人工输入的人为错误的问题，但其校准精度依赖于列车绝对位置测量系统的精度，需要通过列车绝对位置检测系统检测轨道上预先布置的电子标签来获取轮径校准的基准点。
2)通过卫星定位系统获取列车位移和速度的系统。此类系统需要在列车上安装车载卫星信号接收系统与定位卫星进行通信以获取自身位置信息，并进一步计算获得列车速度。但是卫星定位系统的水平定位精度只能达到1米到10米的等级，无法满足越来越多的需要精确站台停车的城市轨道交通应用要求。而且在隧道及一些无法接收到足够卫星信号的区域，卫星定位系统也不适用。
3)多普勒雷达测速的方法。该类系统利用主动发射的电磁波多普勒效应进行测速，由于电磁波传播速度受到路径物理特性的影响，因此云雾雨雪等恶劣天气会使传播特性变化，对复杂地形的适应性也不强。另外，多普勒雷达测速装置价格昂贵、设备复杂、维护成本高，不利于大规模应用。
现有技术中，有人提出基于图像处理技术的系统，采用图像处理算法对地面图像进行处理，获取车辆的运动状态估计，其不需要依赖于运动机械结构或电磁波等定位信号，检测精度高且适用性强。但是，当沿线运行环境和地理环境复杂、光照强度和地面纹理变化时，轨道图像的变化也较大，无法获得稳定的位移和速度测量结果。虽然可以通过增加非可见光光源补光的方式在一定程度上避免环境光的干扰，但是也增加了系统稳定性、使用维护成本及难度。另外由于震动及机械安装原因导致的相机距离地面高度也造成了轨道图像动态变化，影响测量精度，需要有单独的高度测量及补偿的设备及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于轨道地面图像的轨道列车位移和速度检测系统，具有可靠性高、检测精度高、成本低廉、安装维护简便和应用范围广的特点。
实现上述目的的技术方案是：
一种轨道列车位移和速度检测系统，包括设置在列车上的背景检测相机、目标检测相机、主动光源和车载处理器，其中，
所述主动光源的光场覆盖所述背景检测相机正对钢轨的视场以及所述目标检测相机正对钢轨的视场；
所述车载处理器分别连接所述背景检测相机、所述目标检测相机和所述主动光源；
所述车载处理器比较所述背景检测相机采集的相邻两帧背景图像的移动偏移量，同时对成像平面和轨道平面高度值依据匹配特征点间的间距变化进行实时修正，然后结合偏移量与高度修正系数计算列车一个图像采集周期内的第一位移量d1；
所述车载处理器比较所述目标检测相机采集的相邻两帧目标图像的移动偏移量，同时对成像平面和轨道平面高度值依据匹配特征点间的间距变化进行实时修正，然后结合偏移量与高度修正系数计算列车一个图像采集周期内的第二位移量d2；
所述车载处理器对所述第一位移量与所述第二位移量进行加权计算，得到列车的实时位移d和速度v。
在上述的轨道列车位移和速度检测系统中，
所述的第一位移量的计算公式：d1＝dn1x c1x s1；
其中，dn1为背景检测图像中的位移像素个数；H1为标定成像平面和轨道平面高度；c1为高度修正系数；s1为高度H1单个像素表示的地面物理范围；
所述的第二位移量的计算公式：d2＝dn2x c2x s2；
其中，dn2为目标检测图像中的位移像素个数；H2为标定成像平面和轨道平面高度；c2为高度修正系数；s2为高度H2单个像素表示的地面物理范围；
所述的列车的实时位移d和速度v的计算公式分别为：
d＝w1x d1+w2x d2，v＝d x f；
其中，w1、w2为图像通道的权重；f为图像采样帧率。
在上述的轨道列车位移和速度检测系统中，所述的图像通道的权重w1、w2的计算公式为：w1＝con1x cof1x W1，w2＝con2x cof2x W2；
其中，W1、W2分别为w1、w2的初始权重，并且W2＞W1；
cof1，cof2分别为当前帧特征点相似度依据特征点匹配算法计算结果；
con1＝(‖v1-vn‖≤Vth)？1:0，con2＝(‖v2-vn‖≤Vth)？1:0；
vn表示上一帧的列车速度，v1，v2表示当前帧的两幅图像获得速度；Vth表示速度惯性阈值。
在上述的轨道列车位移和速度检测系统中，所述车载处理器对本帧目标图像与上一帧背景图像进行匹配，获得特征点相对距离变化比例，从而得到距离轨道平面高度的变化值。
在上述的轨道列车位移和速度检测系统中，所述车载处理器利用所述背景检测相机的当前帧背景图像与所述目标检测相机的当前帧目标图像进行相对位置对齐，根据当前的列车运行方向和速度，用以对下一帧目标图像进行预测；
所述车载处理器利用所述背景检测相机的背景图像，依据列车运行和速度，预测下一帧目标图像的光照条件，用来调整所述主动光源照度。
在上述的轨道列车位移和速度检测系统中，在站台区域的轨道平面粘贴停车位置距离标识，所述车载处理器通过所述背景检测相机和目标检测相机识别标识上的图形或数字在图像中的位置判断列车的停车精度。
在上述的轨道列车位移和速度检测系统中，所述目标检测相机的视场大于1个轨枕间距并小于1.5个轨枕间距；
所述背景检测相机的视场为3个轨枕间距。
在上述的轨道列车位移和速度检测系统中，图像的采集帧率确保每帧目标图像位移不大于1个轨枕间距。
在上述的轨道列车位移和速度检测系统中，所述背景检测相机的安装高度高于所述目标检测相机的安装高度。
本发明的有益效果是：本发明通过获取轨道地面图像，针对相对运动特性实时采集地面运动图像进行位移计算，再依据相对运动理论以及射影变换原理得到列车的速度及位移，检测精度高。同时，通过双套视觉系统巧妙的解决了环境光照变化导致单一成像系统的易受环境干扰的问题，也解决了由于地理环境以及地面纹理的变化导致的判决稳定性的问题。另外，本发明允许使用普通的可见光进行光照补充，而且能够基于环境光条件进行自动调整，简化了使用要求，调试安装方便，维护简单。而且，本发明能够自动对列车车体高度变化导致成像平面与轨道平面距离的变化进行自动判断，并进行相应的补偿，无需增加额外的高度检测装置，系统灵活性更好，可靠性高。本发明还能够利用系统设备，简单实现停车精度判断。
附图说明
图1是本发明的轨道列车位移和速度检测系统的示意图；
图2是本发明中停车位置距离标识的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明的轨道列车位移和速度检测系统，包括设置在列车上的背景检测相机1、目标检测相机2、主动光源3和车载处理器4。
车载处理器4分别连接背景检测相机1、目标检测相机2和主动光源3。背景检测相机1的安装高度高于目标检测相机2的安装高度，主动光源3的光场FOL覆盖背景检测相机1正对钢轨5的视场FOV1以及目标检测相机2正对钢轨5的视场FOV2。
利用背景检测相机1和目标检测相机2双套视觉系统巧妙的解决了环境光照变化导致单一成像系统的易受环境干扰的问题。同时也解决了由于地理环境以及地面纹理的变化导致的判决稳定性的问题。
车载处理器4比较背景检测相机1采集的相邻两帧背景图像的移动偏移量，同时对成像平面和轨道平面高度值依据匹配特征点间的间距变化进行实时修正，然后结合偏移量与高度修正系数计算列车一个图像采集周期内的第一位移量d1＝dn1x c1x s1。其中，dn1为背景检测图像中的位移像素个数；H1为标定成像平面和轨道平面高度；c1为高度修正系数；s1为高度H1单个像素表示的地面物理范围。
车载处理器4比较目标检测相机2采集的相邻两帧背景图像的移动偏移量，同时对成像平面和轨道平面高度值依据匹配特征点间的间距变化进行实时修正，然后结合偏移量与高度修正系数计算列车一个图像采集周期内的第二位移量d2＝dn2x c2x s2。其中，dn2为目标检测图像中的位移像素个数；H2为标定成像平面和轨道平面高度；c2为高度修正系数；s2为高度H2单个像素表示的地面物理范围。
然后，车载处理器4再对第一位移量d1与第二位移量d2进行加权计算，得到列车的实时位移d和速度v，计算公式分别为：d＝w1x d1+w2x d2，v＝d x f。其中，w1、w2为图像通道的权重；f为图像采样帧率。
加权的权重w1、w2应考虑初始权重W1、W2，当前帧特征点相似度即匹配置信度，列车速度惯性。初始权重W2＞W1，当前帧特征点相似度依据特征点匹配算法计算结果得出cof1，cof2，列车速度惯性即衡量计算结果的一致性检查，检查的是上一帧的列车速度vn与当前帧的两幅图像获得速度v1，v2的一致性，采信‖v1-vn‖≤Vth和‖v2-vn‖≤Vth的数据，con1＝(‖v1-vn‖≤Vth)？1:0，con2＝(‖v2-vn‖≤Vth)？1:0，因此本计算周期的权重w1＝con1x cof1x W1，w2＝con2x cof2x W2。其中，()？1:0为C语言中简化的逻辑表达式：如果括号里的表达式为真，则赋予变量1，如果表达式为假，则赋予0。
利用图像尺度不变特征变换SIFT算子，车载处理器4对本帧目标图像与上一帧背景图像进行匹配，获得特征点相对距离变化比例，从而得到距离轨道平面高度的变化估计。从而自动对列车车体高度变化导致成像平面与轨道平面距离的变化进行自动判断，并进行相应的补偿，无需增加额外的高度检测装置，系统灵活性更好，可靠性高。
运用图像匹配技术，车载处理器4利用背景检测相机1的当前帧背景图像与目标检测相机2的当前帧目标图像进行相对位置对齐，根据当前的列车运行方向和速度，用以对下一帧目标图像进行预测。同时，车载处理器4利用背景检测相机1的背景图像，依据列车运行和速度，预测下一帧目标图像的光照条件，用来调整主动光源3的照度。
另外，在站台区域的轨道平面粘贴停车位置距离标识7，如图2所示，利用二维码标识2站台。车载处理器4通过背景检测相机1和目标检测相机2识别停车位置距离标识7上的图形或数字在图像中的位置判断列车的停车精度。
目标检测相机2的视场FOV2大于1个轨枕间距并小于1.5个轨枕间距，背景检测相机的视场FOV1为3个轨枕间距。
图像的采集帧率确保每帧目标图像位移不大于1个轨枕间距，若平均轨枕间距为600mm，则200Km/h列车运行速度下，图像采集帧率f＝s/Ds＝93帧。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
Claims (9)
1.一种轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，包括设置在列车上的背景检测相机、目标检测相机、主动光源和车载处理器，其中，
所述主动光源的光场覆盖所述背景检测相机正对钢轨的视场以及所述目标检测相机正对钢轨的视场；
所述车载处理器分别连接所述背景检测相机、所述目标检测相机和所述主动光源；
所述车载处理器比较所述背景检测相机采集的相邻两帧背景图像的移动偏移量，同时对成像平面和轨道平面高度值依据匹配特征点间的间距变化进行实时修正，然后结合偏移量与高度修正系数计算列车一个图像采集周期内的第一位移量d1；
所述车载处理器比较所述目标检测相机采集的相邻两帧目标图像的移动偏移量，同时对成像平面和轨道平面高度值依据匹配特征点间的间距变化进行实时修正，然后结合偏移量与高度修正系数计算列车一个图像采集周期内的第二位移量d2；
所述车载处理器对所述第一位移量与所述第二位移量进行加权计算，得到列车的实时位移d和速度v。
2.根据权利要求1所述的轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，
所述第一位移量的计算公式：d1＝dn1 x c1 x s1；
其中，dn1为背景检测图像中的位移像素个数；H1为标定成像平面和轨道平面高度；c1为高度修正系数；s1为高度H1单个像素表示的地面物理范围；
所述的第二位移量的计算公式：d2＝dn2 x c2 x s2；
其中，dn2为目标检测图像中的位移像素个数；H2为标定成像平面和轨道平面高度；c2为高度修正系数；s2为高度H2单个像素表示的地面物理范围；
所述的列车的实时位移d和速度v的计算公式分别为：
d＝w1 x d1+w2 x d2，v＝d x f；
其中，w1、w2为图像通道的权重；f为图像采样帧率。
3.根据权利要求2所述的轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，
所述的图像通道的权重w1、w2的计算公式为：
w1＝con1 x cof1 x W1，w2＝con2 x cof2 x W2；
其中，W1、W2分别为w1、w2的初始权重，并且W2＞W1；
cof1，cof2分别为当前帧特征点相似度依据特征点匹配算法计算结果；
con1＝(||v1-vn||≤Vth)？1:0，con2＝(||v2-vn||≤Vth)？1:0；
vn表示上一帧的列车速度，v1，v2表示当前帧的两幅图像获得速度；Vth表示速度惯性阈值。
4.根据权利要求1所述的轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，所述车载处理器对本帧目标图像与上一帧背景图像进行匹配，获得特征点相对距离变化比例，从而得到距离轨道平面高度的变化值。
5.根据权利要求1所述的轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，所述车载处理器利用所述背景检测相机的当前帧背景图像与所述目标检测相机的当前帧目标图像进行相对位置对齐，根据当前的列车运行方向和速度，用以对下一帧目标图像进行预测；
所述车载处理器利用所述背景检测相机的背景图像，依据列车运行和速度，预测下一帧目标图像的光照条件，用来调整所述主动光源照度。
6.根据权利要求1所述的轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，在站台区域的轨道平面粘贴停车位置距离标识，所述车载处理器通过所述背景检测相机和目标检测相机识别标识上的图形或数字在图像中的位置判断列车的停车精度。
7.根据权利要求1所述的轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，所述目标检测相机的视场大于1个轨枕间距并小于1.5个轨枕间距；
所述背景检测相机的视场为3个轨枕间距。
8.根据权利要求1所述的轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，图像的采集帧率确保每帧目标图像位移不大于1个轨枕间距。
9.根据权利要求1所述的轨道列车位移和速度检测系统，其特征在于，所述背景检测相机的安装高度高于所述目标检测相机的安装高度。
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