CN110161526A - 一种基于三维成像的线路障碍物识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三维成像的线路障碍物识别方法，包括以下步骤：通过角度调整机构定时调节平面激光雷达仪的扫描倾角，获得N个相应的静态二维扫描平面图；根据静态二维扫描平面图，计算每个正方形单元格对应的原始高度Sh，获得地表静态三维点云图；根据当前二维扫描平面图，计算每个正方形单元格对应的当前高度Dh，获得当前地表动态三维点云图；对比地表静态三维点云图和当前地表动态三维点云图，获得当前扫描周期内的障碍物特征信息；比较当前扫描周期内的障碍物特征信息与上一个扫描周期内的障碍物特征信息，进行障碍物识别；提示工作人员及时对该路段的铁路线路进行查看，确保铁路行车安全和人身安全，减少铁路内外人身伤亡事故。

Description

一种基于三维成像的线路障碍物识别方法

技术领域

本发明涉及一种障碍物识别方法，具体的说，涉及了一种基于三维成像的线路障碍物识别方法。

背景技术

铁道线路的安全是铁路运输永恒的主题，为加强铁道线路的防护管理，确保铁路行车安全和人身安全，减少铁路内外人身伤亡事故，通过一定的监测设备来对铁道线路上障碍物的监测是铁路运营安全中必不可少的手段。

现中国专利申请号为201710269081.9公开了“铁道线路障碍物自动监测识别方法”，其包括沿铁道线路上方一平面按设定角度范围发出激光，进行扫动搜索；接收返回的激光信号，自动判断是否存在有害障碍物。该方法能够在各种天气和气候条件下，对铁路线路上可能威胁到列车正常行驶的有害障碍物进行快速，准确地判别，并对告警目标进行定位。但是这种方法存在着以下缺陷：该方法采用激光对一平面进行扫描得到的只是障碍物的二维平面图形图像，而二维不能够真实反映出障碍物的实际性质，不能对障碍物进行准确的识别。

另中国专利申请号为201811347231.4公开了“一种基于三维成像的线路障碍物监测报警系统及方法”，该方法通过三维激光雷达的三维成像技术对障碍物进行整体扫描，形成三维点云图像，能够对障碍物的性质以及停留时间进行精准的判断；并通过障碍物分析判断结果设定三个报警等级区分出报警情况的轻重缓急；在网络传输受影响时通过报警的优先级传输保证报警信息的及时长传；通过将三维激光雷面向轨道吊装在轨道的一侧避免了杂草等外部因素对障碍物判断的影响。但是这种方法存在着以下缺陷：该方法公开了利用三维点云图像对障碍物进行识别，但是并未具体公开如何对障碍物进行识别和计算。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种基于三维成像的线路障碍物识别方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于三维成像的线路障碍物识别方法，包括以下步骤：

建立地表静态三维点云图

布设平面激光雷达仪和角度调整机构，设置所述平面激光雷达仪的扫描周期和所述角度调整机构的转动周期；所述平面激光雷达仪在一个扫描周期内，完成一个二维平面图的扫描；通过所述角度调整机构定时调节所述平面激光雷达仪的扫描倾角，获得N个相应的静态二维扫描平面图；

将需要扫描的地表平面进行正方形网格化处理，划分为若干个正方形单元格，每个正方形单元格均有对应的平面坐标；

根据所述静态二维扫描平面图，计算每个正方形单元格对应的原始高度Sh，获得地表静态三维点云图；

获取地表动态三维点云图

在当前扫描周期内，所述平面激光雷达仪进行动态扫描，获得N个相应的当前二维扫描平面图；

根据所述当前二维扫描平面图，计算每个正方形单元格对应的当前高度Dh，获得当前地表动态三维点云图；

获取障碍物特征信息

对比所述地表静态三维点云图和所述当前地表动态三维点云图，获得当前扫描周期内的障碍物特征信息；

障碍物识别

比较当前扫描周期内的障碍物特征信息与上一个扫描周期内的障碍物特征信息，进行障碍物识别。

基于上述，建立地表静态三维点云图时，还包括对地表静态三维点云图进行容错处理和扩展处理，获得完整的地表静态三维点云图的步骤。

基于上述，在获取地表动态三维点云图时，还包括对当前地表动态三维点云图进行容错处理和扩展处理，获得完整的当前地表动态三维点云图的步骤。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：

本发明提供了一种基于三维成像的线路障碍物识别方法，根据所述地表静态三维点云图和所述当前地表动态三维点云图，进行障碍物识别，获得当前扫描周期内的障碍物特征信息；比较当前扫描周期内的障碍物特征信息与相邻扫描周期内的障碍物特征信息，进行障碍物识别，提示工作人员及时对该路段的铁路线路进行查看，为铁路线路障碍物报警提供参考依据，确保铁路行车安全和人身安全，减少铁路内外人身伤亡事故。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的平面激光雷达的扫描示意图。

图3是本发明的网格化处理的地表示意图。

图4是垂直地表平面上的目标测量点示意图。

图5是地表平面上的目标测量点示意图。

图6是基础地表静态三维点云图。

图7是容错处理后的基础地表静态三维点云图。

图8是地表静态三维点云图。

图9是高度标记后的当前地表动态三维点云图。

其中，1.平面激光雷达仪；2.角度调整机构；3.雷达吊装杆。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如附图1和附图2所示，一种基于三维成像的线路障碍物识别方法，包括以下步骤：

建立地表静态三维点云图

布设平面激光雷达仪1和角度调整机构2，设置所述平面激光雷达仪1的扫描周期和所述角度调整机构2的转动周期；所述平面激光雷达仪1在一个扫描周期内，完成一个二维平面图的扫描；通过所述角度调整机构2定时调节所述平面激光雷达仪1的扫描倾角，获得N个相应的静态二维扫描平面图；

将需要扫描的地表平面进行正方形网格化处理，划分为若干个正方形单元格，每个正方形单元格均有对应的平面坐标；

根据所述静态二维扫描平面图，计算每个正方形单元格对应的原始高度Sh，获得地表静态三维点云图；

获取地表动态三维点云图

在当前扫描周期内，所述平面激光雷达仪1进行动态扫描，获得N个相应的当前二维扫描平面图；根据所述当前二维扫描平面图，计算每个正方形单元格对应的当前高度Dh，获得当前地表动态三维点云图；

获取障碍物特征信息

对比所述地表静态三维点云图和所述当前地表动态三维点云图，获得当前扫描周期内的障碍物特征信息；

障碍物识别

比较当前扫描周期内的障碍物特征信息与上一个扫描周期内的障碍物特征信息，进行障碍物识别。

本实施例中，一个扫描周期指的是：所述平面激光雷达仪1处于初始扫描倾角时，扫描第一个平面，到达扫描最大角度后，再转回起点。每扫描完一个平面，通过所述角度调整机构转动角度α，再扫描下一个平面；直至所述平面激光雷达仪1到达最大扫描角度，即所述角度调整机构2到达最大调整范围。

本实施例中，所述平面激光雷达仪1的扫描角度δ的取值范围为0~180度，扫描频率为25Hz，扫描角度分辨率β的取值范围为0.1~1度；其中，扫描角度δ和扫描角度分辨率β可以根据实际需求进行设置。所述角度调整机构2可以采用步进电机，步进电机的转动角度θ的取值范围为0~75度，角度分辨率α的取值范围为0.1~1度；其中，转动角度θ和角度分辨率α可以根据实际需求进行设置。因此，步进电机的转动角度θ除以角度α得到N的取值。

本实施例给出了一种地表平面正方形网格化处理的具体实施方式，把需要扫描的地表平面范围进行网格化处理，获得地表网格。如附图3所示，例如，以所述平面激光雷达仪1投影位置为原点（0,0），设置所述平面激光雷达仪1左侧最大背景范围为-10000cm，右侧最大背景范围为10000cm，纵深最大背景范围为1000cm。设定每个单元格的边长为C，配置边长C的取值范围为2~10cm，对背景范围进行正方形网格化处理。以边长C为10cm为例，即得到2000*100=20万个正方形单元格，每个正方形单元格均有对应的平面坐标。正方形单元格的二维数组记为G[i，j]，其中，i取值范围为[0,99]的整数，j取值范围为[0,1999]的整数。

在其他实施例中，可以根据用户实际需求设置所述平面激光雷达仪左侧最大背景范围、右侧最大背景范围、纵深最大背景范围和每个单元格的边长C。

本实施例中，本发明进行障碍物识别时，执行以下操作：

根据每个正方形单元格对应的原始高度Sh和每个正方形单元格对应的当前高度Dh，计算出每个正方形单元格对应的高度差Wh=Dh-Sh；设置高度差Wh为障碍物的高度；地表网格中每个正方形单元表格的高度用颜色表示，如附图9所示。

为了提高障碍物识别的准确率，本实施例中，设置障碍物的高度低于H，则不予识别；识别出高度差Wh大于等于H的正方形单元格；若识别出的正方形单元格是相邻的，则将相邻的单元格标记为同一个障碍物，进而画出该障碍物的轮廓；得到所述障碍物特征信息：障碍物的左边界、障碍物的右边界、障碍物的上边界、障碍物的下边界和障碍物的体积。例如，设置障碍物高度低于5cm不予识别，则对于Wh大于等于5的正方形单元格进行识别。

每一个动态扫描周期结束后，根据当前扫描周期内的障碍物特征信息与相邻扫描周期内的障碍物特征信息，获得障碍物的出现时间、停留时长、运动轨迹和运动速度；根据障碍物的出现时间、停留时长、运动轨迹和运动速度，确定障碍物的类型；根据障碍物的类型，判断报警类型。

例如，体积小于1立方米且运动速度大于2m/s的为动物，体积小于1立方米且速度小于0.1m/s的为落石等；若障碍物为动物，则发出铁道线路上出现动物的报警信息；若障碍物为落石，则发出铁道线路上出现落石的报警信息；提示工作人员及时对该路段的铁路线路进行查看，确保铁路行车安全和人身安全，减少铁路内外人身伤亡事故。

实施例2

本实施例给出了一种获得地表静态三维点云图的具体实施方式，包括设置基础地表静态三维点云图、容错处理和扩展处理三个步骤。

1）设置基础地表静态三维点云图，基础地表静态三维点云图即为实施例中的地表静态三维点云图；

以其中一个静态二维扫描平面图进行分析，如附图1和附图2所示，所述平面激光雷达仪1安装在雷达吊装杆3上，将所述平面激光雷达仪的安装高度记为H，安装高度H可以通过测量获得；当前静态二维扫描平面图和垂直地表面的夹角为θ，即步进电机的转动角度θ；每一个激光扫描点的测距长度为L，当前激光扫描点和雷达起始扫描点夹角为δ，即所述平面激光雷达仪的扫描角度δ。

如附图4所示，在当前静态二维扫描平面图上，目标测量点A距离所述平面激光雷达仪的垂直距离M=L*Sinδ，目标测量点A在地表平面上距离雷达的水平距离X=L*Cosδ。

如附图5所示，目标测量点A在垂直地表平面上距离所述平面激光雷达仪的垂直距离Q=M*Cosθ= L*Sinδ*Cosθ，目标测量点在地表平面距离激光雷达的垂直距离Y= M*Sinθ=L*Sinδ*Sinθ。

因此，对于一个激光扫描点而言，目标测量点A在地表平面上，距离所述平面激光雷达仪的水平距离X、距离所述平面激光雷达仪的垂直距离Y，以及距离所述平面激光雷达仪的高度Q的计算公式为：

X= L*Cosδ

Y= L*Sinδ*Sinθ

Q= L*Sinδ*Cosθ

根据所述平面激光雷达仪安装高度H，可以获得目标测量点A距离地面的高度h=H-Q=H-L*Sinδ*Cosθ。

根据目标测量点A在地表平面上，距离所述平面激光雷达仪的水平距离X、距离所述平面激光雷达仪的垂直距离Y，获得目标测量点A在地表网格中对应的正方形单元格的位置为G[Y/C，(Y+10000)/C]，该正方形单元格对应的高度为h=H-Q=H- L*Sinδ*Cosθ。依次进行，便可获得地表网格中每个正方形单元格对应的高度。至此，通过一个完整周期的扫描，便可获得基础地表静态三维点云图。

本实施例中，在所述平面激光雷达仪进行扫描过程中，由于静态二维扫描平面的角度分辨率α、扫描点角度分辨率β以及正方形单元网格边长C的取值情况；若出现多个扫描点投影定位到地表网格中的一个正方形单元网格中，则对应正方形单元网格的高度取最大的高度，即，计算每个扫描点投影定位的正方形单元网格的高度，最终选取最大值作为该正方形单元网格的高度。

2）对基础地表静态三维点云图进行容错处理

如附图6所示，对于已经获得高度的正方形单元网格用颜色填充，颜色的值代表单元格的高度。

由于轻微的振动等环境因素，在设置基础地表静态三维点云图的一个完整扫描周期过程中，可能会出现个别正方形单元网格中没有对应的扫描点投影与之匹配的情况。

为了保证地表静态三维点云图数据完整，如附图7所示，对于没有对应的扫描点投影与之匹配的正方形单元网格，本实施例中，容错处理时，执行以下操作：

若某个正方形单元格没有匹配的对应扫描点投影，且该正方形单元格的左侧正方形单元格和右侧正方形单元格均有高度，则将左侧正方形单元格和右侧正方形单元格的高度平均值设置为该正方形单元格的高度。

3）对容错处理后的基础地表静态三维点云图进行扩展处理

由于轻微的振动等环境因素，在后续一个完整扫描周期过程中，可能会出现，动态扫描周期中某些扫描点的投影范围超出已设置的地表网格的情况。

为了保证后续的动态扫描周期均不会超过静态三维点云图的范围，需要扩充静态三维点云图数据。本实施例中，对容错处理后的基础地表静态三维点云图进行扩展处理时，执行以下操作：

如附图8所示，在容错处理后的基础地表静态三维点云图的上边界和下边界各扩充R行，左边界和右边界各扩充R列，扩充后的正方形单元格的高度设置为相邻正方形单元格的高度。例如，在容错处理后的地表网格基础上，左右边界各扩充10列，上下边界各扩充10行。

综上所述，本发明经过基础地表静态三维点云图设置、地表静态三维点云图容错处理、扩展地表静态三维点云图三个步骤的处理，即形成了完整的地表静态三维点云图。完整的地表静态三维点云图数据保存在本地存储介质上，系统重启后动态加载这些数据。如果重新设置地表静态三维点云图，则以前的这些数据被覆盖。

实施例3

本实施例给出了一种获得当前地表动态三维点云图的具体实施方式，包括设置当前地表动态三维点云图、容错处理和扩展处理三个步骤。

在实施例2的基础上，所述平面激光雷达仪进行重复的动态扫描。再一个完整的动态扫描周期结束后，即可获得当前地表动态三维点云图。

对当前地表动态三维点云图进行容错处理，补充完整相应的动态地表网格的高度，以保证当前地表动态三维点云图的数据完整。

为了保证后续的动态扫描周期不会超过当前地表动态三维点云图的范围，对容错处理后的当前地表动态三维点云图进行扩展处理，执行以下操作：在容错处理后的当前地表动态三维点云图的上边界和下边界各扩充R行，左边界和右边界各扩充R列，扩充后的正方形单元格的高度设置为相邻正方形单元格的高度；以扩充相应的动态地表网格的高度。例如，在容错处理后的地表网格基础上，左右边界各扩充10列，上下边界各扩充10行。

综上所述，本发明经过上述三个步骤后，即可获得完整的当前地表动态三维点云图。由于之前对地表静态三维点云图数据进行了扩充处理，即使在轻微振动等环境因素影响下，当前地表动态三维点云图的范围不会超过之前获取的地表静态三维点云图数据。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种基于三维成像的线路障碍物识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立地表静态三维点云图

布设平面激光雷达仪和角度调整机构，设置所述平面激光雷达仪的扫描周期和所述角度调整机构的转动周期；所述平面激光雷达仪在一个扫描周期内，完成一个二维平面图的扫描；通过所述角度调整机构定时调节所述平面激光雷达仪的扫描倾角，获得N个相应的静态二维扫描平面图；

将需要扫描的地表平面进行正方形网格化处理，划分为若干个正方形单元格，每个正方形单元格均有对应的平面坐标；

根据所述静态二维扫描平面图，计算每个正方形单元格对应的原始高度Sh，获得地表静态三维点云图；

获取地表动态三维点云图

在当前扫描周期内，所述平面激光雷达仪进行动态扫描，获得N个相应的当前二维扫描平面图；

根据所述当前二维扫描平面图，计算每个正方形单元格对应的当前高度Dh，获得当前地表动态三维点云图；

获取障碍物特征信息

对比所述地表静态三维点云图和所述当前地表动态三维点云图，获得当前扫描周期内的障碍物特征信息；

障碍物识别

比较当前扫描周期内的障碍物特征信息与上一个扫描周期内的障碍物特征信息，进行障碍物识别。

2.根据权利要求1所述的基于三维成像的线路障碍物识别方法，其特征在于：建立地表静态三维点云图时，还包括对地表静态三维点云图进行容错处理和扩展处理，获得完整的地表静态三维点云图的步骤。

3.根据权利要求1所述的基于三维成像的线路障碍物识别方法，其特征在于，在获取地表动态三维点云图时，还包括对当前地表动态三维点云图进行容错处理和扩展处理，获得完整的当前地表动态三维点云图的步骤。

4.根据权利要求2或3所述的基于三维成像的线路障碍物识别方法，其特征在于，所述容错处理为：

若某个正方形单元格没有匹配的对应扫描点投影，且该正方形单元格的左侧正方形单元格和右侧正方形单元格均有高度，则将左侧正方形单元格和右侧正方形单元格的高度平均值设置为该正方形单元格的高度。

5.根据权利要求2所述的基于三维成像的线路障碍物识别方法，其特征在于，所述扩展处理为：

在容错处理后的基础地表静态三维点云图的上边界和下边界各扩充R行，左边界和右边界各扩充R列，扩充后的正方形单元格的高度设置为相邻正方形单元格的高度。

6.根据权利要求3所述的基于三维成像的线路障碍物识别方法，其特征在于，所述扩展处理为：

在容错处理后的当前地表动态三维点云图的上边界和下边界各扩充R行，左边界和右边界各扩充R列，扩充后的正方形单元格的高度设置为相邻正方形单元格的高度。

7.根据权利要求1所述的基于三维成像的线路障碍物识别方法，其特征在于：所述障碍物特征信息包括障碍物的高度、障碍物的左边界、障碍物的右边界、障碍物的上边界、障碍物的下边界和障碍物的体积；

根据每个正方形单元格对应的原始高度Sh和每个正方形单元格对应的当前高度Dh，计算出每个正方形单元格对应的高度差Wh；设置高度差Wh为障碍物的高度。

8.根据权利要求1所述的基于三维成像的线路障碍物识别方法，其特征在于，进行障碍物识别的方法为：

根据当前扫描周期内的障碍物特征信息与相邻扫描周期内的障碍物特征信息，获得障碍物的出现时间、停留时长、运动轨迹和运动速度；

根据障碍物的出现时间、停留时长、运动轨迹和运动速度，确定障碍物的类型；

根据障碍物的类型，判断报警类型。