CN109677458B - 一种齿轨机车行驶辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轨机车行驶辅助系统，该系统包括监控平台、行驶辅助控制子系统、测距传感器和图像采集模块；其中，测距传感器将其检测机车前端与机车行驶方向上障碍物的距离信号传输给行驶辅助控制子系统，行驶辅助控制子系统根据机车前端与障碍物的距离与设定的距离阈值的大小关系，控制机车的行驶速度；图像采集模块将其采集的齿轨的图像信息上传至监控平台，行驶辅助控制子系统通过与监控平台通信，获取机车行驶方向前方的齿轨的图像信息，确定机车行驶方向前方的齿轨上是否有障碍物。因此，本发明能够准确及时地判断出齿轨上是否有障碍物，当发现齿轨上有障碍物，机车及时制动，从而避免引发脱轨、倾覆等事故。

Description

一种齿轨机车行驶辅助系统

技术领域

本发明涉及轨道交通运行检测与控制技术领域，尤其涉及一种齿轨机车行驶辅助系统。

背景技术

随着社会与经济的快速发展，轨道交通安全问题也日益严重，机车在预定轨道行驶，而经常会有落石、人员、动物等出现在机车行驶轨道内，上述情况会造成机车行驶安全隐患，而机车的行驶速度较快，单靠人眼睛识别机车行驶前方轨道是否存在安全隐患，则机车难以及时制动，容易造成机车出现事故，因此，机车行驶过程中的障碍物检测成为解决机车行驶安全迫切需要解决的问题。

对齿轨铁路而言，其运行主要通过列车上的齿轮与轨道上的齿条相互作用，从而牵引列车运行。一旦齿条中卡有石头、金属等不明障碍物，将在轨道上顶起列车，引发脱轨、倾覆等事故，为此，需要在机车行驶过程中，对齿轨上是否有障碍物进行判断，从而确保列车运营安全。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够准确及时地判断出齿轨上是否有障碍物的齿轨机车行驶辅助系统，当发现齿轨上有障碍物，机车及时制动，从而避免引发脱轨、倾覆等事故。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种齿轨机车行驶辅助系统，其包括监控平台、行驶辅助控制子系统、测距传感器和图像采集模块；其中，所述测距传感器设置于机车前端，用于检测机车前端与机车行驶方向上障碍物的距离；所述图像采集模块安装在齿轨附近，用于采集其安装位置的齿轨的图像信息，并将其采集的图像信息上传至所述监控平台；

所述行驶辅助控制子系统包括中央处理器、信号处理电路、图像处理模块和无线通信模块；其中，所述测距传感器将其检测到的距离信号传输给所述信号处理电路，所述信号处理电路用于对距离信号进行放大和滤波处理；所述信号处理电路将其处理后的距离信号输出给所述中央处理器，所述中央处理器通过对距离进行AD转换后得到距离数据，并根据该距离数据与设定的距离阈值的大小关系，控制机车的行驶速度；所述中央处理器通过所述无线通信模块与所述监控平台进行通信，以获取所述监控平台发送的机车行驶方向前方的齿轨的图像信息和将距离数据上传至所述监控平台；所述图像处理模块用于对图像信息进行图像处理，且所述图像处理至少包括降噪、增强、锐化和平滑之中的一项，并将其处理后的图像信息传输给所述中央处理器；

所述中央处理器能够将其得到的距离和图像信息通过其数据端口传输给与其连接的设备。

根据一种具体的实施方式，本发明的齿轨机车行驶辅助系统中，所述信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元；其中，信号放大单元对振动信号进行放大处理，信号滤波单元对经放大处理后的振动信号进行滤波处理。

根据一种具体的实施方式，本发明的齿轨机车行驶辅助系统中，所述图像处理模块包括图像平滑单元、图像增强单元和图像锐化单元；其中，所述图像平滑单元用于对经所述锐化处理的图像信息进行平滑处理；所述图像增强单元用于对经所述降噪处理后的图像信息进行清晰度增强处理和亮度增强处理；所述图像锐化单元用于对经所述清晰度增强处理后的图像信息进行锐化处理。

根据一种具体的实施方式，本发明的齿轨机车行驶辅助系统还包括连接至所述中央处理器的电流传感器和电压传感器；其中，所述电流传感器和所述电压传感器用于采集车载设备的电流信号与电压信号；而且，所述中央处理器通过对电流信号和电压信号进行AD转换后分别得到相应的电流数据和电压数据速度数据。

根据一种具体的实施方式，本发明的齿轨机车行驶辅助系统还包括连接至所述中央处理器的显示模块；而且，所述显示模块用于显示所述中央处理器所传输的数据。

根据一种具体的实施方式，本发明的齿轨机车行驶辅助系统还包括连接至所述中央处理器的报警模块；其中，所述中央处理器通过所述无线通信模块获取所述监控平台发送的报警信号，并根据该报警信号，控制所述报警模块进行报警。

基于同一发明构思，本发明还提供一种齿轨机车行驶辅助监控方法，其包括以下步骤：

利用本申请的齿轨机车行驶辅助系统，获取机车前端与机车行驶方向上障碍物的距离数据和齿轨的图像信息；

根据获取的距离数据与设定的距离阈值的大小关系，控制机车的行驶速度；以及根据获取的图像信息，确定机车行驶方向前方的齿轨上是否有障碍物。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的齿轨机车行驶辅助系统包括监控平台、行驶辅助控制子系统、测距传感器和图像采集模块；其中，测距传感器将其检测机车前端与机车行驶方向上障碍物的距离信号传输给行驶辅助控制子系统，行驶辅助控制子系统根据机车前端与障碍物的距离与设定的距离阈值的大小关系，控制机车的行驶速度；图像采集模块将其采集的齿轨的图像信息上传至监控平台，行驶辅助控制子系统通过与监控平台通信，获取机车行驶方向前方的齿轨的图像信息，确定机车行驶方向前方的齿轨上是否有障碍物。因此，本发明能够准确及时地判断出齿轨上是否有障碍物，当发现齿轨上有障碍物，机车及时制动，从而避免引发脱轨、倾覆等事故。

附图说明：

图1为本发明的齿轨机车行驶辅助系统的结构示意图；

图2为本发明的齿轨机车行驶辅助系统的模块连接示意图；

图3为本发明的行驶辅助控制子系统的一种实施例的结构示意图；

图4为本发明的信号处理电路的结构示意图；

图5为本发明的图像处理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1和图2所示，本发明齿轨机车行驶辅助系统包括：监控平台1、行驶辅助控制子系统2、测距传感器3和图像采集模块4。

其中，测距传感器3设置于机车100的前端，用于检测机车前端与机车行驶方向上障碍物的距离。图像采集模块4安装在齿轨附近，用于采集其安装位置的齿轨的图像信息，而且，图像采集模块4能够通过无线传输的方式将其采集的图像信息上传至监控平台1。具体的，测距传感器3采用激光测距传感器，图像采集模块4采用CCD图像传感器来实现图像采集，通过无线数据传输模块传输至中继设备，然后由中继设备将多个图像采集模块采集的图像信息上传至监控平台。一般为了保证图像监控的有效性，图像采集模块之间安装位置的距离尽量保持在采用的激光测距传感器的最大量程内，避免出现监控盲区，减少安全隐患。

行驶辅助控制子系统2包括中央处理器、信号处理电路、图像处理模块和无线通信模块。在工作时，测距传感器3将其检测到的距离信号传输给信号处理电路，信号处理电路用于对距离信号进行放大和滤波处理；信号处理电路将其处理后的距离信号输出给中央处理器，中央处理器通过对距离进行AD转换后得到距离数据，并根据该距离数据与设定的距离阈值的大小关系，控制机车 100的行驶速度。

中央处理器通过无线通信模块与监控平台进行通信，以获取监控平台发送的机车行驶方向前方的齿轨的图像信息和将其得到的距离数据上传至监控平台。而且，图像处理模块用于对中央处理器获取的图像信息进行图像处理，且图像处理至少包括降噪、增强、锐化和平滑之中的一项，并将其处理后的图像信息传输给中央处理器。

中央处理器能够将其得到的振动数据和图像信息通过其数据端口传输给与其连接的设备。具体的，中央处理器选用低功耗8位微处理器Atmega128，该芯片硬件资源丰富，具有低功耗、功能多、价格便宜和性能强大等优点，而且 Atmega128自身带有128K字节Flash存储器，同时带有4K字节的EEPROM存储器，可将振动数据直接存放在EEPROM存储器中，Atmega128内部的ADC 端口具有8个通道，每通道的分辨率为10bit，输入电压范围为0～5V，能够满足监测数据巡回采集的需要，无需另加AD转换器件，既简化了外围电路设计，又降低了成本。因此，信号处理电路的输出端直接与中央处理器的ADC端口连接。此外，Atmega128还具有丰富的外设数据通道和通信接口，能够满足与多种设备之间的数据交互。

本发明的行驶辅助控制子系统中，无线通信模块为移动通信模块，如4G通信模块。监控平台1设置有访问接入口，只需要通过验证身份权限，即可通过联网的PC和移动终端访问，从而获取机车100的相关运行状态信息。

为了实现机车运行状态的全面监控记录，行驶辅助控制子系统还包括存储器模块，用于存储中央处理器获取到的数据或者需要中央处理器处理的数据。

如图3所示的实施例中，本发明的齿轨机车行驶辅助系统的行驶辅助控制子系统在图2所示的基础上，还包括电流传感器、电压传感器、显示模块、报警模块和定位模块。

其中，电流传感器和电压传感器用于采集车载设备的电流信号与电压信号，如车载设备LKJ、TAX以及LAIS。电流传感器和电压传感器均与中央处理器连接，并将其采集的相应车载设备的电流信号和电压信号传输给中央处理器，中央处理器通过对电流信号和电压信号进行AD转换后分别得到相应的电流数据和电压数据。

显示模块连接至中央处理器，并显示中央处理器所传输的数据。具体的，中央处理器采用串行接口与显示模块进行通信，实现将显示数据传输给显示模块显示，中央处理器传输的显示数据包括距离数据、电压数据、电流数据、定位数据和图像数据等。

为了提醒机车驾驶员机车行驶方向前方的齿轨上有障碍物，一方面，中央处理器根据距离数据与设定的距离阈值的大小关系，而判断是否需要报警，若需要报警，则控制报警模块进行报警。另一发明，中央处理器通过无线通信模块接收监控平台发送的报警信号，并根据该报警信号，控制报警模块进行报警。具体的，报警模块采用声光报警器，能够根据控制信号发出声光报警。

为了使监控平台实时监控机车的位置，定位模块采用GPS/北斗模块，定位模块将实时计算生成的定位数据输出给中央处理器，中央处理器再通过无线通信模块将实时的定位数据发送至监控平台，从而使监控平台获取机车的实时位置。同时，由于在整个的齿轨轨道附近都设置了一定数量的图像采集模块，监控平台获取的图像的信息量非常大，通常只需要提前获知行驶方向前方一定范围内的图像信息，即可满足障碍物预警的需求，因此，为了降低监控平台与行驶辅助控制子系统的无线通信模块的通信压力，监控平台根据机车的实时位置，将该实时位置前方一定范围内的齿轨附近设置的图像采集模块所采集的图像传输发送给行驶辅助控制子系统。比如根据机车的最大制动距离，确定具体需要多大范围的齿轨图像。

如图4所示，本发明的信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元。其中，信号放大单元包括集成运放A1-A2、电阻R1-R10、电容C1-C3以及三极管T1-T4。而且，电阻R1的一端作为信号放大单元的输入端，其另一端通过电容C1与集成运放A2的反相输入端连接，集成运放A2的反相输入端通过电阻 R7与第一直流电源连接，其正相输入端通过电阻R4接地，其输出端作为所述信号放大单元的输出端；三极管T1的发射极通过电阻R3与第二直流电源连接，其源极与集成运放A2的反相输入端连接，其基极与三极管T3的源极连接；三极管T2的基极通过电阻R10与集成运放A2的输出端连接，其源极与第二直流电源连接，其发射极通过电阻R6与第一直流电源连接；三极管T3其基极通过电容C2接地，其源极通过电阻R2与第二直流电源连接，其发射极通过电阻R5 与第一直流电源连接；三极管T4的源极与第二直流电源连接，其基极与三极管 T2的发射极连接，其发射极通过电阻R5与第一直流电源连接；集成运放A1的反相输入端通过电容C3与其输出端连接以及通过电阻R9与三极管T2的基极连接，其正向端接地，其输出端通过电阻R8与三极管T3连接。

信号滤波单元包括电阻R 11～R14、电容C4-C6以及集成运放A3；其中，集成运放A3的反相输入端通过电阻R11与所述信号放大单元的输出端连接，其正相输入端通过电阻R13接地，其输出端通过电阻R14与中央处理器连接；而且，集成运放A3的反相输入端通过并联连接的电阻R12和电容C6与其输出端连接，集成运放A3的反相输入端还通过电容C5接地，电阻R11与所述信号放大单元的输出端连接的一端通过电容C4接地。

具体的，测距传感器检测到的距离信号V₀经过信号放大单元和信号滤波单元后，得到信号V₁。因此，本发明通过信号处理电路对距离信号进行放大和滤波处理，提高距离信号的准确度，进而使中央处理器对行驶方向前方齿轨的状态的判断结果更加准确。

如图5所示，本发明的图像处理模块包括图像平滑单元、图像增强单元和图像锐化单元；其中，所述图像平滑单元用于对经所述锐化处理的图像信息进行平滑处理；所述图像增强单元用于对经所述降噪处理后的图像信息进行清晰度增强处理和亮度增强处理；所述图像锐化单元用于对经所述清晰度增强处理后的图像信息进行锐化处理，图像锐化单元将其处理后传输给中央处理器。

所述平滑处理的运算函数为：

其中，f(x,y)为图像信息的二维函数，x，y分别表示像素的横坐标，纵坐标，σ为可调常数；

所述清晰度增强处理的运算函数为：

g(x，y)＝q(x，y)*f(x，y)

其中，g(x,y)为经所述清晰度增强处理后的图像二维函数，*表示卷积运算；

所述亮度增强处理的运算函数为：

其中，h(x,y)为经所述亮度增强处理后的图像二维函数；

所述锐化处理的运算函数为：

其中，d(x,y)为经所述锐化处理后的图像二维函数。

具体的，本发明中的图像处理模块中的各个单元可通过一个或多个计算机程序来实现相应功能，这些计算机程序存储在计算机可读介质上，当这些计算机程序被一个或多个处理器执行时，能够实现其相应的功能。当然也可以采用图像处理专用器件，如数字信号处理器DSP或现场可编程逻辑门阵列FPGA等。

本发明通过图像处理模块对机车行驶方向前方的齿轨的图像进行图像处理，提高图像的辨识精度，进而辅助判断机车行驶方向前方的齿轨的状态，有效地减少误判情况的发生。

本发明的真空磁浮管道监测方法，主要是利用本发明的齿轨机车行驶辅助系统，获取机车前端与机车行驶方向上障碍物的距离数据和齿轨的图像信息；

根据获取的距离数据与设定的距离阈值的大小关系，控制机车的行驶速度；以及根据获取的图像信息，确定机车行驶方向前方的齿轨上是否有障碍物。

因此，本发明能够通过距离检测和图像监控的方式，准确及时地判断出齿轨上是否有障碍物，当发现齿轨上有障碍物，机车及时制动，从而避免引发脱轨、倾覆等事故。

Claims (6)

1.一种齿轨机车行驶辅助系统，其特征在于，包括监控平台、行驶辅助控制子系统、测距传感器和图像采集模块；其中，所述测距传感器设置于机车前端，用于检测机车前端与机车行驶方向上障碍物的距离；所述图像采集模块安装在齿轨附近，用于采集其安装位置的齿轨的图像信息，并将其采集的图像信息上传至所述监控平台；

所述行驶辅助控制子系统包括中央处理器、信号处理电路、图像处理模块和无线通信模块；其中，所述测距传感器将其检测到的距离信号传输给所述信号处理电路，所述信号处理电路用于对距离信号进行放大和滤波处理；所述信号处理电路将其处理后的距离信号输出给所述中央处理器，所述中央处理器通过对距离进行AD转换后得到距离数据，并根据该距离数据与设定的距离阈值的大小关系，控制机车的行驶速度；所述中央处理器通过所述无线通信模块与所述监控平台进行通信，以获取所述监控平台发送的机车行驶方向前方的齿轨的图像信息和将距离数据上传至所述监控平台；所述图像处理模块用于对图像信息进行图像处理，且所述图像处理至少包括降噪、增强、锐化和平滑之中的一项，并将其处理后的图像信息传输给所述中央处理器；

所述中央处理器能够将其得到的距离和图像信息通过其数据端口传输给与其连接的设备；

所述行驶辅助控制子系统还包括连接至所述中央处理器的定位模块；其中，所述中央处理器通过所述无线通信模块将所述定位模块产生的定位数据发送至所述监控平台；

所述图像处理模块包括图像平滑单元、图像增强单元和图像锐化单元；其中，所述图像平滑单元用于对经所述锐化处理的图像信息进行平滑处理；所述图像增强单元用于对经所述降噪处理后的图像信息进行清晰度增强处理和亮度增强处理；所述图像锐化单元用于对经所述清晰度增强处理后的图像信息进行锐化处理；

所述平滑处理的运算函数为：

其中，f(x,y)为图像信息的二维函数，x，y分别表示像素的横坐标，纵坐标，σ为可调常数；

所述清晰度增强处理的运算函数为：

g(x，y)＝q(x，y)*f(x，y)

其中，g(x,y)为经所述清晰度增强处理后的图像二维函数，*表示卷积运算；所述亮度增强处理的运算函数为：

其中，h(x,y)为经所述亮度增强处理后的图像二维函数；

所述锐化处理的运算函数为：

其中，d(x,y)为经所述锐化处理后的图像二维函数。

2.如权利要求1所述的齿轨机车行驶辅助系统，其特征在于，所述信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元；其中，

所述信号放大单元包括集成运放A1-A2、电阻R1-R10、电容C1-C3以及三极管T1-T4；其中，电阻R1的一端作为所述信号放大单元的输入端，其另一端通过电容C1与集成运放A2的反相输入端连接，集成运放A2的反相输入端通过电阻R7与第一直流电源连接，其正相输入端通过电阻R4接地，其输出端作为所述信号放大单元的输出端；三极管T1的发射极通过电阻R3与第二直流电源连接，其源极与集成运放A2的反相输入端连接，其基极与三极管T3的源极连接；三极管T2的基极通过电阻R10与集成运放A2的输出端连接，其源极与第二直流电源连接，其发射极通过电阻R6与第一直流电源连接；三极管T3其基极通过电容C2接地，其源极通过电阻R2与第二直流电源连接，其发射极通过电阻R5与第一直流电源连接；三极管T4的源极与第二直流电源连接，其基极与三极管T2的发射极连接，其发射极通过电阻R5与第一直流电源连接；集成运放A1的反相输入端通过电容C3与其输出端连接以及通过电阻R9与三极管T2的基极连接，其正向端接地，其输出端通过电阻R8与三极管T3连接；

所述信号滤波单元包括电阻R 11～R14、电容C4-C6以及集成运放A3；其中，集成运放A3的反相输入端通过电阻R11与所述信号放大单元的输出端连接，其正相输入端通过电阻R13接地，其输出端通过电阻R14与中央处理器连接；而且，集成运放A3的反相输入端通过并联连接的电阻R12和电容C6与其输出端连接，集成运放A3的反相输入端还通过电容C5接地，电阻R11与所述信号放大单元的输出端连接的一端通过电容C4接地。

3.如权利要求1所述的齿轨机车行驶辅助系统，其特征在于，所述行驶辅助控制子系统还包括连接至所述中央处理器的电流传感器和电压传感器；其中，所述电流传感器和所述电压传感器用于采集车载设备的电流信号与电压信号；而且，所述中央处理器通过对电流信号和电压信号进行AD转换后分别得到相应的电流数据和电压数据。

4.如权利要求1～3任一项所述的齿轨机车行驶辅助系统，其特征在于，还包括连接至所述中央处理器的显示模块；而且，所述显示模块用于显示所述中央处理器所传输的数据。

5.如权利要求1～3任一项所述的齿轨机车行驶辅助系统，其特征在于，所述行驶辅助控制子系统还包括连接至所述中央处理器的报警模块；其中，所述中央处理器通过所述无线通信模块获取所述监控平台发送的报警信号，并根据该报警信号，控制所述报警模块进行报警。

6.一种齿轨机车行驶辅助监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用如权利要求1～3任一项所述的齿轨机车行驶辅助系统，获取机车前端与机车行驶方向上障碍物的距离数据和齿轨的图像信息；

根据获取的距离数据与设定的距离阈值的大小关系，控制机车的行驶速度；以及根据获取的图像信息，确定机车行驶方向前方的齿轨上是否有障碍物。

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