CN108089202A - 地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置和方法 - Google Patents

地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置，设置激光发射模块、成像检测模块和分析处理器，利用机器视觉实现对限界区的检测，没有机械旋转部件，提高系统稳定性；每次列车停车开门之前对限界区进行标定，更新预设距离，自动纠正列车运行时震动造成距离偏移造成的距离偏移影响，精度更高；利用窄带滤光片过滤背景光影响，对车厢内乘客和行李的杂散光自动排除在告警区域之外，虚警率低；本发明结构简单，价格低廉，采用算法完成检测报警，减少人为的维护和检测硬件设备，具有检测精度高，虚警率低的优点，对于极小的障碍目标也能实现检测告警，对直线站台和月牙形站台都能使用。

Description

地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置和方法
技术领域
本发明涉及地铁安全技术领域，尤其涉及一种地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置和方法。
背景技术
地铁屏蔽门是一项集建筑、机械、材料、电子和信息等学科于一体的高科技产品，使用于地铁站台。屏蔽门将站台和列车运行区域隔开，通过控制系统控制其自动开启，主要保障列车、乘客进出站时的安全。地铁屏蔽门和列车门之间的狭缝称为限界区，这种限界区是保证地铁列车安全运行所必须的。一旦屏蔽门和列车门之间的限界区内发生夹人夹物，若此时列车行车会造成重大的安全事故，因此十分必要寻找一种能够检测地铁屏蔽门和列车门之间限界区内发生夹人夹物的方法。
目前地铁系统主要采用的有三种方案，红外电子围栏、灯带观测和加装防夹挡板。其中红外电子围栏主要采用红外对射管对来检测是否有人或物挡住红外光线，该方法主要受限于其检测分辨率与安装的红外对射管方式有关，并且该方案不适用于月牙形站台，随着地铁列车运行时的震动造成红外对射管的偏离会导致很高的虚警率。灯带观测法主要是在屏蔽门下边沿安装一条直的led灯带，通过列车驾驶员对灯带的观测来判断是否有夹人夹物情况，该方法主要是通过驾驶员的主观判断，增加了驾驶员的思想负担，而且该方法不适用于月牙形站台。加装防夹挡板的方法，只能检测限界区底部空间的检测，对于背包带这种高于挡板高度的夹人夹物情形无法检测，而且挡板会造成一定的侵界，给列车的安全运行留下隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种检测精度高、虚警率低、对直线站台和月牙形站台都能使用的地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置和方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置，其包括激光发射模块、成像检测模块和分析处理器，激光发射模块包括激光器、准直透镜和线形光学发生器，成像检测模块包括定焦镜头、窄带滤光片和光学成像设备，其中，
激光器，落在准直透镜主光轴的焦点上，发出激光脉冲；
准直透镜，将入射激光脉冲转化为点状光斑出射；
线形光学发生器，将入射点状光斑转化为线状光斑并投射在限界区；
成像镜头，聚焦经限界区内障碍物反射的线状光斑；
光学成像设备，设置于定焦镜头的中心线上，且光学成像设备的感光平面与线形光学发生器中心和成像镜头中心的连线平行；
窄带滤光片，设置于成像镜头和光学成像设备之间的光路上；
分析处理器，与光学成像设备信号连接，对光学成像设备采集的图像进行分析，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块的实时距离，并计算实时距离与预设距离的差值，当所述差值超出设定的阈值时发出报警信号，否则给出行车安全信号。
在以上技术方案的基础上，优选的，激光器为半导体激光器；准直透镜为非球面准直透镜或球面透镜；线形光学发生器为鲍威尔透镜、柱面透镜或波浪透镜。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述激光发射模块固定在屏蔽门系统顶端的列车门中间位置，线形光学发生器投射的线状光斑落在限界区地面的中心线上。
另一方面，本发明提供了一种地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警方法，包括以下步骤，
S1，将权利要求1所述的地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置的激光发射模块、成像检测模块固定在屏蔽门顶端，使激光发射模块发射的线形光斑投射在限界区的中心线上；
S2，在列车开门之前，根据成像检测模块采集的图像，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块的距离，得到预设距离；
S3，在地铁列车和屏蔽门开始关门时，根据成像检测模块采集的图像，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块的距离，得到实时距离；
S4，计算实时距离与预设距离的差值，当所述差值超出设定的阈值时发出报警信号，否则给出行车安全信号。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S2和S3中计算线形光斑中心点在限界区的反射点P1与激光发射模块的距离公式如下，
x＝PixelSize*P1x+offset
其中，q为点P1到线形光学发生器中心点和成像镜头中心点连线的距离，f为成像镜头的焦距，s为线形光学发生器中心点和成像镜头中心点的距离，d为点P1与激光发射模块的距离，β为点状激光脉冲发射方向与光学成像设备的感光平面的夹角，x为点P1在成像检测模块采集的图像上的坐标，P1x是点P1在成像检测模块采集的图像上的像素坐标，PixelSize是光学成像设备上单个像素感光单元的尺寸，offset是通过像素点计算的图像坐标和实际图像坐标的偏差量。
进一步优选的，步骤S2和S3中计算线形光斑非中心点在限界区的反射点P2与激光发射模块的距离公式如下，
d'＝f'*L/x
其中，L为线形光学发生器中心点和成像镜头中心点连线的距离，d’为线形光斑非中心点在限界区的反射点P2到线形光学发生器中心点和成像镜头中心点连线的距离，P2'y以及P1'y分别是点P2、P1在成像检测模块采集的图像上的坐标。
在以上技术方案的基础上，优选的，每次列车开门之前，均执行步骤S2，更新预设距离，步骤S4中计算实时距离与最新更新的预设距离的差值。
本发明的地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置和方法不光适用于地铁屏蔽门，也适用于电梯门的安全检测。
本发明的地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置和方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)设置激光发射模块、成像检测模块和分析处理器，利用机器视觉实现对限界区的检测，没有机械旋转部件，提高系统稳定性；
(2)每次列车停车开门之前对限界区进行标定，更新预设距离，自动纠正列车运行时震动造成距离偏移造成的距离偏移影响，精度更高；
(3)利用窄带滤光片过滤背景光影响，对车厢内乘客和行李的杂散光自动排除在告警区域之外，虚警率低；
(4)本发明结构简单，价格低廉，采用算法完成检测报警，减少人为的维护和检测硬件设备，具有检测精度高，虚警率低的优点，对于极小的障碍目标也能实现检测告警，对直线站台和月牙形站台都能使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置的结构示意图；
图2为本发明地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置检测线形光斑中心点在限界区的反射点P1与激光发射模块的距离的原理示意图；
图3为本发明地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置检测线形光斑中心点在限界区的反射点P1与激光发射模块的距离的原理示意图；
图4为本发明地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置检测线形光斑非中心点在限界区的反射点P2与激光发射模块的距离的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
本发明的地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置，如图1所示，激光发射模块1、成像检测模块2和分析处理器3。
激光发射模块1，发出线状光斑并投射在限界区。具体的，其包括激光器11、准直透镜12和线形光学发生器13。
激光器11，落在准直透镜12主光轴的焦点上，发出激光脉冲。具体的，激光器11可采用半导体激光器，优选采用人眼安全的红外半导体激光器。
准直透镜12，将激光器11的激光脉冲准直成点状光斑出射，激光器11落在准直透镜12主光轴的焦点上。具体的，准直透镜12为非球面准直透镜或球面透镜。
线形光学发生器13，将入射点状光斑转化为线状光斑并投射在限界区。具体的，经过准直透镜12出射的点状光斑落在线形光学发生器13的中心位置上。线形光学发生器13为鲍威尔透镜、柱面透镜或波浪透镜。
通过设置激光器11、准直透镜12和线形光学发生器13，激光器11发射出一个激光脉冲，经过准直透镜12和线形光学发生器13后扩束成一条狭窄的光带照射在限界区。具体的，所述激光发射模块1固定在屏蔽门系统顶端的列车门中间位置，线形光学发生器13投射的线状光斑落在限界区地面的中心线上。
激光检测模块2，包括定焦镜头21、窄带滤光片22和光学成像设备23，其中，
成像镜头21，聚焦经限界区内障碍物反射的线状光斑。
窄带滤光片22，设置于会聚透镜21和光电探测器23之间的光路上窄带滤光片22主要过滤掉背景光的干扰。
分析处理器3，与光学成像设备23信号连接，对光学成像设备采集的图像进行分析，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块1的实时距离，并计算实时距离与预设距离的差值，当所述差值超出设定的阈值时发出报警信号，否则给出行车安全信号。如此，在限界区内的障碍物对点状光斑经过成像镜头21汇聚后，通过窄带滤光片22后消除背景光干扰，进入光学成像设备23中，光学成像设备23采集图像进行分析，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块1的实时距离，并计算实时距离与预设距离的差值，当所述差值超出设定的阈值时发出报警信号，否则给出行车安全信号。
具体的，在列车开门之前，根据成像检测模块2采集的图像，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块1的距离，得到预设距离；在地铁列车和屏蔽门开始关门时，根据成像检测模块2采集的图像，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块1的距离，得到实时距离；计算实时距离与预设距离的差值，当所述差值超出设定的阈值时发出报警信号，否则给出行车安全信号。具体的，计算线形光斑中心点在限界区的反射点P1与激光发射模块1的距离过程如下：
如图2所示，q为点P1到线形光学发生器13中心点和成像镜头21中心点连线的距离，f为成像镜头21的焦距，s为线形光学发生器13中心点和成像镜头21中心点的距离，d为点P1与激光发射模块1的距离，β为点状激光脉冲发射方向与光学成像设备23的感光平面的夹角，x为点P1在成像检测模块2采集的图像上的坐标。线形光斑中心点射向限界区，经限界区内的障碍物反射，形成反射点P1，再进入成像镜头21和光学成像设备23成像。点P1与激光发射模块1的距离可由如下公式求得：
变量x的求解，首先需要将成像点的图像像素坐标变换到成像点的图像坐标。为了计算方便，在安装时，可以令光学成像设备23的感光平面与线形光学发生器13中心和成像镜头21中心的连线平行，这样做的好处是我们只需要通过光点像素坐标中的一个参量来求出成像点的图像坐标。
那么，x＝PixelSize*P1x+offset
其中PixelSize是光学成像设备23上单个像素感光单元的尺寸，offset是通过像素点计算的图像坐标和实际图像坐标的偏差量，可以通过标定矫正算法确定offset。
线形光斑非中心点在限界区的反射点P2与激光发射模块1的距离计算过程如下，如图3和图4所示，远处平面为界限区内障碍物所在平面，近处的平面是光学成像设备23的感光成像平面，经过了翻折后，可以看作是障碍物所在平面到光学成像设备23中心点组成的棱锥的一个截面。
L为线形光学发生器13中心点和成像镜头21中心点连线的距离，d’为线形光斑非中心点在限界区的反射点P2到线形光学发生器13中心点和成像镜头21中心点连线的距离，那么，
d'＝f'*L/x
其中，P2'y以及P1'y分别是点P2、P1在成像检测模块2采集的图像上的坐标，可由各自点像素坐标乘以像素高度求出。
在列车运行时发生的震动会导致预设距离发生偏移，从而导致计算分析出现偏差。因此，本发明的铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警方法，每次列车开门之前，均更新预设距离，计算实时距离时采用与最新更新的预设距离的差值。
实施例1
如图1所示，固定好激光器11，安装准直透镜12，调整准直透镜12对焦位置，使激光器11落在准直透镜12主光轴的焦点上，检测经过准直透镜12出射光斑为点状光斑，安装线形光学发生器13，调整线形光学发生器13位置，使经过准直透镜12出射的点状光斑落在线形光学发生器13的中心位置上。
安装光学成像设备23并固定，在光学成像设备23前方安装窄带滤光片22，安装成像镜头21，调整成像镜头21的对焦位置，使光学成像设备23在检测距离内能够成清晰的图像，调整激光发射模块1、成像检测模块2角度，使光学成像设备23的感光平面与线形光学发生器13中心和成像镜头21中心的连线平行。
在成像镜头21的对焦范围内放置相机棋盘格标定板，控制成像检测模块2对棋盘格标定板进行图像采集。旋转和平移棋盘格标定板，控制成像检测模块2对不同角度标定板进行图像采集，运行标定流程提取出棋盘格标定板的角点，标定出成像检测模块2的外参数矩阵，内参数矩阵，畸变矩阵和结构参数以及光斑点在光学成像设备23上的坐标偏移量。保存好标定出的参数。
激光发射模块1固定在屏蔽门系统顶端的列车门中间位置，线形光学发生器13投射的线状光斑落在限界区地面的中心线上。运行告警检测程序。
当地铁列车到站时，在列车开门之前，列车控制系统给出图像采样信号，此时激光发射模块1发射出线状光斑照射在限界区中心线上，对限界区内照射线状光斑各点与激光发射模块1的距离进行测量，记录下没有障碍物时光斑上各点与激光发射模块1的距离数据，作为预设距离。
在地铁列车和屏蔽门关门开始时，控制系统给出检测开始信号，激光发射模块1发射出线状光斑照射在限界区中心线上，再次对限界区内照射线状光斑各点与激光发射模块1的距离进行测量，作为实时距离。
计算预设距离与实时距离的差值，并比较该差值与系统设定的告警阈值。如果大于系统设定的告警阈值，则输出告警信号给列车控制系统，提示限界区内有障碍物，避免列车门和屏蔽门进行强行关门操作，防止夹伤乘客和禁止列车行车，提高地铁运行安全性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置，其包括激光发射模块(1)、成像检测模块(2)和分析处理器(3)，其特征在于：激光发射模块(1)包括激光器(11)、准直透镜(12)和线形光学发生器(13)，成像检测模块(2)包括定焦镜头(21)、窄带滤光片(22)和光学成像设备(23)，其中，
激光器(11)，落在准直透镜(12)主光轴的焦点上，发出激光脉冲；
准直透镜(12)，将入射激光脉冲转化为点状光斑出射；
线形光学发生器(13)，将入射点状光斑转化为线状光斑并投射在限界区；
成像镜头(21)，聚焦经限界区内障碍物反射的线状光斑；
光学成像设备(23)，设置于定焦镜头的中心线上，且光学成像设备(23)的感光平面与线形光学发生器(13)中心和成像镜头(21)中心的连线平行；
窄带滤光片(22)，设置于成像镜头(21)和光学成像设备(23)之间的光路上；
分析处理器(3)，与光学成像设备(23)信号连接，对光学成像设备采集的图像进行分析，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块(1)的实时距离，并计算实时距离与预设距离的差值，当所述差值超出设定的阈值时发出报警信号，否则给出行车安全信号。
2.如权利要求1所述的地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置，其特征在于：激光器(11)为半导体激光器；准直透镜(12)为非球面准直透镜或球面透镜；线形光学发生器(13)为鲍威尔透镜、柱面透镜或波浪透镜。
3.如权利要求1所述的地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置，其特征在于：所述激光发射模块(1)固定在屏蔽门系统顶端的列车门中间位置，线形光学发生器(13)投射的线状光斑落在限界区地面的中心线上。
4.一种地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，将权利要求1所述的地铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警装置的激光发射模块(1)、成像检测模块(2)固定在屏蔽门顶端，使激光发射模块(1)发射的线形光斑投射在限界区的中心线上；
S2，在列车开门之前，根据成像检测模块(2)采集的图像，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块(1)的距离，得到预设距离；
S3，在地铁列车和屏蔽门开始关门时，根据成像检测模块(2)采集的图像，计算出线形光斑在限界区的各反射点与激光发射模块(1)的距离，得到实时距离；
S4，计算实时距离与预设距离的差值，当所述差值超出设定的阈值时发出报警信号，否则给出行车安全信号。
5.如权利要求4所述的铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警方法，其特征在于：步骤S2和S3中计算线形光斑中心点在限界区的反射点P1与激光发射模块(1)的距离公式如下，
<mrow> <mi>q</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>f</mi> <mo>*</mo> <mi>s</mi> </mrow> <mi>x</mi> </mfrac> </mrow>
<mrow> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>q</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
x＝PixelSize*P1x+offset
其中，q为点P1到线形光学发生器(13)中心点和成像镜头(21)中心点连线的距离，f为成像镜头(21)的焦距，s为线形光学发生器(13)中心点和成像镜头(21)中心点的距离，d为点P1与激光发射模块(1)的距离，β为点状激光脉冲发射方向与光学成像设备(23)的感光平面的夹角，x为点P1在成像检测模块(2)采集的图像上的坐标，P1x是点P1在成像检测模块(2)采集的图像上的像素坐标，PixelSize是光学成像设备(23)上单个像素感光单元的尺寸，offset是通过像素点计算的图像坐标和实际图像坐标的偏差量。
6.如权利要求5所述的铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警方法，其特征在于：步骤S2和S3中计算线形光斑非中心点在限界区的反射点P2与激光发射模块(1)的距离公式如下，
d'＝f'*L/x
<mrow> <msup> <mi>f</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mi>f</mi> <mo>/</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>P</mi> <msup> <mn>2</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mi>P</mi> <msup> <mn>1</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mi>y</mi> </mrow> <mi>f</mi> </mfrac> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，L为线形光学发生器(13)中心点和成像镜头(21)中心点连线的距离，d’为线形光斑非中心点在限界区的反射点P2到线形光学发生器(13)中心点和成像镜头(21)中心点连线的距离，P2'y以及P1'y分别是点P2、P1在成像检测模块(2)采集的图像上的坐标。
7.如权利要求4所述的铁屏蔽门限界区智能防夹检测报警方法，其特征在于：每次列车开门之前，均执行步骤S2，更新预设距离，步骤S4中计算实时距离与最新更新的预设距离的差值。
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