CN109001743A - 有轨电车防撞系统 - Google Patents

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易志刚
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
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Abstract

本公开提供一种有轨电车防撞系统，包括：雷达探测装置、雷达处理装置、摄像装置、图像采集装置、雷达数据接口装置和车载控制系统；所述雷达探测装置和所述摄像装置构成探测系统；所述雷达探测装置探测电车周围的障碍物，并将雷达数据传输给所述雷达处理装置；所述雷达处理装置与所述雷达数据接口装置通信连接；所述雷达数据接口装置将所述雷达数据传输给所述车载控制系统；所述摄像传感器采集所述障碍物的图像以及电车轨道界限的图像，并将所述障碍物的图像以及电车轨道界限的图像传输给所述图像采集装置，所述图像采集装置将所述图像传输给所述车载控制系统；所述车载控制系统对所述雷达数据和所述图像进行分析处理。

Description

有轨电车防撞系统
技术领域
本公开涉及车辆防撞系统，尤其涉及一种有轨电车防撞系统。
背景技术
目前，由于我国有轨电车的发展刚刚开始，在发展初期，由于设计理念是完全依赖于司机驾驶，因此并未提出防撞系统的研究。目前国内外均未提出一种成熟有效的有轨电车的防撞系统。
现代有轨电车运行环境复杂，部分路段与公路交通混行，且完全由司机目视驾驶。但视觉疲劳或雨雾视线受限也使司机可能不能及时发现突发事件。基于上述情况，急需采取一种有效的监控探测系统，使有轨电车能够在各种恶劣环境(雨、雪、雾霾、扬尘沙、尘雾)条件下，实现有轨电车的正面和侧面的防撞预警，提高其运行的安全性。
发明内容
本公开以现代有轨电车信号系统为研究目标，提供一种采用雷达、视频等非接触的综合检测方式的现代有轨电车防撞系统。在司机视觉盲区或驾驶疲劳，各种恶劣环境(雨、雪、雾霾、扬尘沙、尘雾)条件下，通过本系统实现有轨电车的正面和侧面的防撞预警，提高有轨电车的运行安全性。
本公开的有轨电车防撞系统通过以下技术方案实现。
有轨电车防撞系统，包括：雷达探测装置、雷达处理装置、摄像装置、图像采集装置、雷达数据接口装置和车载控制系统；所述雷达探测装置和所述摄像装置构成探测系统；所述雷达探测装置探测电车周围的障碍物，并将雷达数据传输给所述雷达处理装置；所述雷达处理装置与所述雷达数据接口装置通信连接；所述雷达数据接口装置将所述雷达数据传输给所述车载控制系统；所述摄像传感器采集所述障碍物的图像以及电车轨道界限的图像，并将所述障碍物的图像以及电车轨道界限的图像传输给所述图像采集装置，所述图像采集装置将所述图像传输给所述车载控制系统；所述车载控制系统对所述雷达数据和所述图像进行分析处理。
进一步地，所述防撞系统还包括报警装置，所述报警装置接收所述车载控制系统发送的报警信息。
进一步地，所述雷达探测装置包括雷达发射天线和雷达接收天线，所述雷达发射天线和雷达接收天线用于测量障碍物在电车前方的距离和相对电车前进轴线的方位角；当所述障碍物在电车前方的距离小于电车制动距离时，所述雷达处理装置生成报警信息，并将报警信息发送至车载控制系统。
进一步地，所述车载控制系统通过运行计算机程序对所述雷达数据和所述图像进行分析处理，所述计算机程序包括以下模块：
雷达数据接收模块，用于接收所述雷达数据；
视频数据接收模块，用于接收所述图像；
雷达数据处理模块，用于处理雷达数据接收模块发送的雷达数据；
视频数据处理模块，用于处理视频数据接收模块发送的图像；
数据融合模块，用于将雷达数据处理模块处理后的雷达数据与视频数据处理模块处理后的图像进行融合处理。
进一步地，所述计算机程序还包括雷达目标显示模块和图像显示模块；所述雷达数据处理模块将处理后的雷达数据发送给所述雷达目标显示模块，所述数据融合模块将融合处理后得到的图像信息发送给所述图像显示模块。
进一步地，所述雷达处理装置包括弯道场景处理程序模块，所述弯道场景处理程序模块包括以下程序步骤：
将雷达波束的最远探测距离缩短为弯道半径的一定比例，该比例例如1/2,2/3等合理数值，使雷达探测装置的探测匹配弯道场景。优选的，将雷达波束缩短为弯道半径的1/2。
进一步地，所述雷达处理装置包括交叉路口场景处理程序模块，所述交叉路口场景处理程序模块包括以下程序步骤：
1)选定目标，匹配电子地图，根据所述目标的位置，判定所述目标为动态目标、静止目标或无效目标；
2)如果所述目标为动态目标，则对其运动轨迹进行跟踪，当动态目标的位置到达电车周围预警区域时，生成报警信息并发送至车载控制系统；
3)如果所述目标为静止目标，则对其位置进行实时监控，如果静止目标转化为动态目标，则按照步骤2)进行处理；
4)如果所述选定目标为无效目标，则放弃选定目标。
进一步地，所述数据融合模块将雷达数据处理模块处理后的雷达数据与视频数据处理模块处理后的图像进行融合处理的具体步骤为：
1)创建雷达数据接收线程和视频数据接收线程，当每次采集当前帧图像时获取当前时刻的雷达数据；
2)将雷达探测装置和摄像装置统一到电车车体坐标系；
3)将雷达探测装置的扫描点投影到摄像装置采集的图像上，在电车车体坐标系上形成动态的兴趣区域；
4)对所述兴趣区域进行实时监测。
进一步地，所述车载控制系统包括第一车载控制系统和第二车载控制系统；所述探测系统包括第一探测系统和第二探测系统；所述第一探测系统和所述第一车载控制系统安装在电车的一端，所述第二探测系统和所述第二车载控制系统安装在电车的另一端。
进一步地，所述第一探测系统与第一车载控制系统和第二车载控制系统通信连接；所述第二探测系统与第一车载控制系统和第二车载控制系统通信连接。
本公开的有益效果
1)有轨电车运营复杂场景下的雷达跟踪技术：有轨电车在直道时，需要探测较长距离(例如200米)内的有危险倾向的障碍物目标，而有轨电车在拐弯时，雷达视线与弯道成切线关系，这时雷达把限界以外的目标都收集进来(有些对有轨电车行驶没有危害)，本公开进行了有效处理；另外，在交叉路口常发生电车与社会车辆相撞的案例，本公开也进行了关键技术处理。
2)基于视频的障碍物的快速检测技术：利用雷达数据，缩小视频图像的搜索范围，在雷达数据的基础上，本公开的有轨电车防撞系统能够快速校验障碍物的存在。空间匹配与时间同步技术：雷达和视频传感器所获得的信息差别很大，本公开的有轨电车防撞系统进行了准确匹配。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开具体实施方式的有轨电车防撞系统的结构示意图；
图2是本公开具体实施方式的有轨电车防撞系统的软件模块结构示意图；
图3是本公开具体实施方式的有轨电车防撞系统的雷达探测装置的探测流程图；
图4是本公开具体实施方式的有轨电车防撞系统的车载控制系统和探测系统的通信示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
如图1-4所示，有轨电车防撞系统包括：雷达探测装置、雷达处理装置、摄像装置、图像采集装置、雷达数据接口装置和车载控制系统；所述雷达探测装置和所述摄像装置构成探测系统；雷达探测装置探测电车周围的障碍物，并将雷达数据传输给雷达处理装置；雷达处理装置与雷达数据接口装置通信连接；雷达数据接口装置将雷达数据传输给车载控制系统；摄像传感器采集障碍物的图像以及电车轨道界限的图像，并将障碍物的图像以及电车轨道界限的图像传输给图像采集装置，图像采集装置将图像传输给车载控制系统；车载控制系统对雷达数据和图像进行分析处理。
防撞系统还包括报警装置，报警装置接收车载控制系统发送的报警信息。
雷达探测装置包括雷达发射天线和雷达接收天线，雷达发射天线和雷达接收天线用于测量障碍物在电车前方的距离和相对电车前进轴线的方位角；当障碍物在电车前方的距离小于电车制动距离时，雷达处理装置生成报警信息，并将报警信息发送至车载控制系统。
车载控制系统通过运行计算机程序对雷达数据和图像进行分析处理，计算机程序包括以下模块：
雷达数据接收模块，用于接收雷达数据；
视频数据接收模块，用于接收图像；
雷达数据处理模块，用于处理雷达数据接收模块发送的雷达数据；
视频数据处理模块，用于处理视频数据接收模块发送的图像；
数据融合模块，用于将雷达数据处理模块处理后的雷达数据与视频数据处理模块处理后的图像进行融合处理。
计算机程序还包括雷达目标显示模块和图像显示模块；雷达数据处理模块将处理后的雷达数据发送给雷达目标显示模块，数据融合模块将融合处理后得到的图像信息发送给图像显示模块。
雷达处理装置包括弯道场景处理程序模块，弯道场景处理程序模块包括以下程序步骤：
将雷达波束缩短为弯道半径的1/2。
雷达处理装置包括交叉路口场景处理程序模块，交叉路口场景处理程序模块包括以下程序步骤：
1)选定目标，匹配电子地图，根据目标的位置，判定目标为动态目标、静止目标或无效目标；
2)如果目标为动态目标，则对其运动轨迹进行跟踪，当动态目标的位置到达电车周围预警区域时，生成报警信息并发送至车载控制系统；
3)如果目标为静止目标，则对其位置进行实时监控，如果静止目标转化为动态目标，则按照步骤2)进行处理；
4)如果选定目标为无效目标，则放弃选定目标。
数据融合模块将雷达数据处理模块处理后的雷达数据与视频数据处理模块处理后的图像进行融合处理的具体步骤为：
1)创建雷达数据接收线程和视频数据接收线程，当每次采集当前帧图像时获取当前时刻的雷达数据；
2)将雷达探测装置和摄像装置统一到电车车体坐标系；
3)将雷达探测装置的扫描点投影到摄像装置采集的图像上，在电车车体坐标系上形成动态的兴趣区域；
4)对兴趣区域进行实时监测。
车载控制系统包括第一车载控制系统和第二车载控制系统；探测系统包括第一探测系统和第二探测系统；第一探测系统和第一车载控制系统安装在电车的一端，第二探测系统和第二车载控制系统安装在电车的另一端。
第一探测系统与第一车载控制系统和第二车载控制系统通信连接；第二探测系统与第一车载控制系统和第二车载控制系统通信连接。
更详细的，如图1所示，有轨电车防撞系统的硬件连接方式：雷达探测装置与雷达处理装置通信连接，雷达处理装置与雷达数据接口装置通信连接，雷达数据接口装置与车载控制系统通信连接，摄像装置与图像采集装置通信连接，图像采集装置与车载控制系统通信连接，车载控制系统与报警装置通信连接，车载控制系统还与显示器通信连接。
如图2所示，有轨电车防撞系统的列车控制系统的软件组成：雷达数据接收模块接收经由雷达数据接口装置传送的雷达数据，视频数据接收模块接收图像采集装置传送的图像，雷达数据处理模块处理雷达数据接收模块发送的雷达数据，视频数据处理模块处理视频数据接收模块发送的图像，数据融合模块将雷达数据处理模块处理后的雷达数据与视频数据处理模块处理后的图像进行融合处理，实现了雷达与视频的数据融合技术的空间匹配与时间同步问题。采用线程同步技术，即在程序中创建雷达数据接收线程和视频数据接收线程，每次采集当前帧图像时获取雷达当前时刻的数据，这样雷达数据和视频数据就实现了时间上的同步。空间匹配技术：通过求解视频摄像头外部参数的方程，雷达、视频和车体坐标系的相对关系可以完全确定，从而雷达扫描点可以通过视频模型投影至图像像素坐标系上。建立车体坐标系中物体与图像坐标系统中的像点之间的转换关系。通过数学模型将雷达坐标系、视频坐标系和车体坐标系统一起来，实现对障碍物具体距离和方位的测量。坐标系统一后，可以把雷达扫描点投影至图像上，在坐标系上形成动态的兴趣区域，这样有利于缩小前方车辆、行人以及其他障碍物识别与跟踪的搜索区域，从而减少系统计算的时间，提高系统的实时性。同时结合视频与雷达各自感知特点，可以增强系统的鲁棒性，从而提高检测的准确率、降低识别的虚警率。同时，防撞系统可以对闯入的移动障碍物快速反应，并具有跟踪功能，能适应有轨电车的混合路权的各种场景；具有极强的环境适应性：防撞系统可在大雾、高风沙灰尘、雨雪等气候条件下工作，并可克服隧道多径效应，可用于地铁防撞探测。可以探测电车前方至少200米范围内移动和静止物体，探测目标物可以是车辆、自行车、行人，目标物数量在100以上，能够探测目标物特征比如大小、相对速度并进行目标跟踪，根据物体的位置、特征以及运动特性判断目标物是否能对电车有行车安全危险，提供相应的告警信息，辅助司机安全驾驶。
如图3所示，雷达探测装置的工作流程为：对目标采集雷达信号，进行目标筛选，判断所述目标是静态目标还是动态目标；如果是动态目标则对动态目标进行跟踪轨迹计算，结合电子地图、电车速度等信息判断与电车碰撞的可能性，如果有碰撞的可能性，则进行危险报警，如果没有碰撞的可能性，则忽略该动态目标；如果目标为静态目标，则结合电子地图等信息判断该静态目标相对于轨道限界的位置，如果没有位于轨道限界内或轨道限界上,则忽略该静态目标(例如空中目标)，如果该静态目标位于轨道限界内或轨道限界上，则进行危险报警。
如图4所示，车载控制系统TOD-1和探测系统ODRS-1为安装在有轨电车MC1端设备；车载控制系统TOD-2和探测系统ODRS-2为安装在有轨电车MC2端(列车运行时，MC1端为车头，MC2端为车尾)的设备；当其中一个车载控制系统作为车头被激活后，开始向ODRS-1和ODRS-2发送数据，并在协议中标识和该车载控制系统安装在同一端的探测系统为车头端(因为TOD根据固定的I P地址配置，可以知道和它安装在同一端的ODRS设备，比如：TOD-1为车头端激活后，向ODRS-1发送数据时，标识ODRS-1为车头，向ODRS-2发送数据时，标识ODRS-2为非车头)；没有被激活的TOD则不向ODRS发送数据；ODRS接收到激活端TOD的数据后，开始向TOD-1和TOD-2发送数据，数据内容相同。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.有轨电车防撞系统，其特征在于，包括：雷达探测装置、雷达处理装置、摄像装置、图像采集装置、雷达数据接口装置和车载控制系统；所述雷达探测装置和所述摄像装置构成探测系统；
所述雷达探测装置探测电车周围的障碍物，并将雷达数据传输给所述雷达处理装置；
所述雷达处理装置与所述雷达数据接口装置通信连接；
所述雷达数据接口装置将所述雷达数据传输给所述车载控制系统；
所述摄像传感器采集所述障碍物的图像以及电车轨道界限的图像，并将所述障碍物的图像以及电车轨道界限的图像传输给所述图像采集装置，所述图像采集装置将所述图像传输给所述车载控制系统；
所述车载控制系统对所述雷达数据和所述图像进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的有轨电车防撞系统，其特征在于，所述防撞系统还包括报警装置，所述报警装置接收所述车载控制系统发送的报警信息。
3.根据权利要求1或2所述的有轨电车防撞系统，其特征在于，所述雷达探测装置包括雷达发射天线和雷达接收天线，所述雷达发射天线和雷达接收天线用于测量障碍物在电车前方的距离和相对电车前进轴线的方位角；
当所述障碍物在电车前方的距离小于电车制动距离时，所述雷达处理装置生成报警信息，并将报警信息发送至车载控制系统。
4.根据权利要求1或2所述的有轨电车防撞系统，其特征在于，所述车载控制系统通过运行计算机程序对所述雷达数据和所述图像进行分析处理，所述计算机程序包括以下模块：
雷达数据接收模块，用于接收所述雷达数据；
视频数据接收模块，用于接收所述图像；
雷达数据处理模块，用于处理雷达数据接收模块发送的雷达数据；
视频数据处理模块，用于处理视频数据接收模块发送的图像；数据融合模块，用于将雷达数据处理模块处理后的雷达数据与视频数据处理模块处理后的图像进行融合处理。
5.根据权利要求4所述的有轨电车防撞系统，其特征在于，所述计算机程序还包括雷达目标显示模块和图像显示模块；所述雷达数据处理模块将处理后的雷达数据发送给所述雷达目标显示模块，所述数据融合模块将融合处理后得到的图像信息发送给所述图像显示模块。
6.根据权利要求1-5任一项所述的有轨电车防撞系统，其特征在于，所述雷达处理装置包括弯道场景处理程序模块，所述弯道场景处理程序模块包括以下程序步骤：
将雷达波束缩短为弯道半径的1/2。
7.根据权利要求1-6任一项所述的有轨电车防撞系统，其特征在于，所述雷达处理装置包括交叉路口场景处理程序模块，所述交叉路口场景处理程序模块包括以下程序步骤：
1)选定目标，匹配电子地图，根据所述目标的位置，判定所述目标为动态目标、静止目标或无效目标；
2)如果所述目标为动态目标，则对其运动轨迹进行跟踪，当动态目标的位置到达电车周围预警区域时，生成报警信息并发送至车载控制系统；
3)如果所述目标为静止目标，则对其位置进行实时监控，如果静止目标转化为动态目标，则按照步骤2)进行处理；
4)如果所述选定目标为无效目标，则放弃选定目标。
8.根据权利要求4-7任一项所述的有轨电车防撞系统，
其特征在于，
所述数据融合模块将雷达数据处理模块处理后的雷达数据与视频数据处理模块处理后的图像进行融合处理的具体步骤为：
1)创建雷达数据接收线程和视频数据接收线程，当每次采集当前帧图像时获取当前时刻的雷达数据；
2)将雷达探测装置和摄像装置统一到电车车体坐标系；
3)将雷达探测装置的扫描点投影到摄像装置采集的图像上，在电车车体坐标系上形成动态的兴趣区域；
4)对所述兴趣区域进行实时监测。
9.根据权利要求1-8任一项所述的有轨电车防撞系统，
其特征在于，
所述车载控制系统包括第一车载控制系统和第二车载控制系统；所述探测系统包括第一探测系统和第二探测系统；所述第一探测系统和所述第一车载控制系统安装在电车的一端，所述第二探测系统和所述第二车载控制系统安装在电车的另一端。
10.根据权利要求9所述的有轨电车防撞系统，
其特征在于，所述第一探测系统与第一车载控制系统和第二车载控制系统通信连接；所述第二探测系统与第一车载控制系统和第二车载控制系统通信连接。
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