CN110929662A - 一种有轨机车轨道曲率获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有轨机车轨道曲率获取方法，属于电动汽车领域。具体为，首先，针对某前方安装相机的有轨机车，尝试获取机车当前GPS信号，并判断当前通讯信号是否通畅；如果是，应用轨道曲率查找法确定当前机车轨道曲率；否则，应用轨道曲率图像处理法确定当前机车轨道曲率，包括：对相机实时拍摄轨道的每张图像进行预处理，并进行坐标变换，利用标定好的相机像素点坐标，结合轨道曲率估计算法计算该段轨道的曲率。若当前机车控制器运算量较大，导致轨道图像不能被及时处理，或者相机采集的图像上出现障碍物，则控制左右轮扭矩一样；否则，获得机车当前位置的轨道曲率。本发明两种方案互相配合，得到实时的准确的轨道曲率，方便快捷。

Description

一种有轨机车轨道曲率获取方法

技术领域

本发明涉及一种有轨机车轨道曲率获取方法，属于电动汽车领域。

背景技术

传统机动有轨车无转向系统，依靠机车强大的动力与转向架在轨道限制下的形变，实现跟随轨道变化的转向，但是依靠摩擦形变转向会损失大量的能量。分布式机动有轨车利用两个电机取代传统机车的一个转向架，通过电机的扭矩分配技术实现转向功能，将大大的减少机车转向的摩擦损失。分布式机车的扭矩分配技术依赖于机车轨道曲率的获得；如果轨道曲率获取错误，控制策略分配的扭矩将造成机车与轨道之间更大的磨擦，导致能量损失和机械损失。于是在不同环境下准确的获得机车轨道曲率也十分的重要。

轨道道路曲率获得方式一般分为两种：一种是向总控制室发送GPS信号并从设计图纸中获得曲率信息，一种是通过实时处理轨道图像信息获得。

但是这两种方法都有着各自的缺点：第一种方法需要已知当前GPS信息，同时需要与总控制室进行无线信息交流。但是在地下铁路，无线通讯讯号中断，GPS信号中断的情况下，第一种方法将不能实时获得当前机车轨道曲率。第二种方法是在线实时对轨道图像处理，对控制器计算性能要求较高，且图像处理过程中将始终占用一定的计算资源，同时如果在轨道存在障碍物的情况下不能计算出当前轨道曲率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种有轨机车轨道曲率获取方法；提高了机车轨道曲率的正确率，从而减小了机车与轨道之间的摩擦。

具体步骤如下：

步骤一、针对某前方安装相机的有轨机车，获取机车当前GPS信号，并判断通讯信号是否通畅；如果是，进入步骤二，否则，进入步骤五；

步骤二、机车沿轨道行驶，实时向卫星发送某位置请求信息；

步骤三、卫星直接给机车反馈信号或者卫星向总控制室发送机车的反馈信号；

反馈信号为：表征地理位置的GPS信号；

步骤四、机车控制器或总控制室查询该轨道路段在设计图纸上对应的道路曲率，与机车实时通讯发送当前轨道曲率。

步骤五、相机实时拍摄机车前方的某段轨道，对相机拍摄的图像进行预处理。

预处理包括：图像去噪、边缘检测与轨道识别等。

步骤六、对预处理后的每张图像分别进行坐标变换，将每段轨道的实际坐标转换到相机像素点坐标，并进行标定；

坐标变换公式如下：

P_C＝P_b*TR

P_C为相机像素点坐标；P_b为实际轨道坐标；TR为坐标变换矩阵，不同的相机对应的变换矩阵不同；

(x,y,z)表示相机在列车坐标系下的位置坐标；(γ,β,α)表示相机在列车坐标系下的姿态角参数，分别为相机先后绕列车坐标系的x轴、y轴和Z轴旋转γ度、β度和α度。

步骤七、利用标定好的相机像素点坐标，结合轨道曲率估计算法计算该段轨道的曲率。

具体步骤为：

步骤701、从相机拍摄的轨道底端开始到2米范围之内的轨道，当做直线；并转换成每张图像的标准线；

标准线为直线；

步骤702、针对该段轨道的每张图像，从轨道的像素点中，等间距依次选择四个像素点坐标(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)；

步骤703、分别连接(x1,y1)，(x2,y2)两个像素点和(x3,y3)，(x4,y4)两个像素点，得到两条弦；

步骤704、分别做两条弦的中垂线，联立中垂线方程得到该段轨道的曲率中心坐标(x0,y0)；

中垂线方程如下：

步骤705、利用曲率中心坐标(x0,y0)和像素点(x1,y1)，计算该段轨道的半径R；

步骤706、利用该段轨道的半径R取倒数，得到该段轨道的曲率；

步骤八、判断轨道曲率估计算法能否实时输出轨道曲率，如果是，将计算的机车当前位置的轨道曲率输出；否则，控制左右轮扭矩一样，输出轨道曲率ρ＝0。

不能实时输出的情况包括：

1)、当前机车控制器运算量较大，导致轨道图像不能被及时处理，控制器不能实时获得当前轨道曲率信息；

2)、相机采集的图像上或铁轨上存在障碍物，当前轨道信息无法实时输出轨道曲率。

本发明的优点在于：

一种有轨机车轨道曲率获取方法，结合了两种机车轨道曲率识别方法的优点，查找法不用花费过多的计算资源，图像处理法可以处理在没有GPS信号情况下的机车曲率；并且设计了两种实时的准确的轨道曲率时的处理方案。

附图说明

图1为本发明应用轨道曲率图像处理法确定当前机车轨道曲率的流程图。

图2为本发明应用轨道曲率查找法确定当前机车轨道曲率的流程图。

图3为本发明一种有轨机车轨道曲率获取方法的流程图。

图4为本发明轨道曲率估计算法计算该段轨道的曲率的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明一种有轨机动车轨道曲率获取方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤一、针对某前方安装相机的有轨机车，尝试获取机车当前GPS信号，并判断当前GPS信号以及通讯信号是否通畅；如果是，进入步骤二，否则，进入步骤三；

步骤二、应用轨道曲率查找法确定当前机车轨道曲率。

如图2所示，曲率查找法包括如下两种：

第一种为：首先，机车沿轨道行驶，实时向卫星发送位置请求信息；

然后，卫星向上述机车发送其位置信号。

位置信号包括可以表征地理位置信息的GPS信号。

最后、机车控制器利用上述位置信号，查询该轨道路段设计图纸上对应的道路曲率。

第二种为：首先，机车向卫星发送位置请求信息；

然后，卫星向总控制室发送上述机车位置信号。

位置信号包括可以表征地理位置信息的GPS信号。

最后、总控制室查询该轨道路段的曲率信息，与机车实时通讯发送当前轨道曲率信息。

步骤三、应用轨道曲率图像处理法确定当前机车轨道曲率。

如图1所示，具体步骤为：

首先，相机实时拍摄机车前方的某段轨道，对相机拍摄的图像进行预处理。

预处理包括：图像去噪、边缘检测与轨道识别等。

然后、对预处理后的每张图像分别进行坐标变换，根据轨道、列车、相机之间的关系对机车前方的相机进行坐标标定，将每段轨道的实际坐标转换到相机像素点坐标；

通过了解轨道不同曲率对应相机图像上曲率的位置之间的关系、列车与相机相对位置之间的关系，得到相机图像像素点坐标P_C到实际轨道坐标P_b之间的坐标变换矩阵TR。上述三个参数与相机内部参数，相机安装参数有关。

坐标变换公式如下：

P_C＝P_b*TR

不同的相机对应的变换矩阵不同；

(x,y,z)表示相机在列车坐标系下的位置坐标；(γ,β,α)表示相机在列车坐标系下的姿态角参数，分别为相机先后绕列车坐标系的x轴、y轴和Z轴旋转γ度、β度和α度。

最后、利用标定好的相机像素点坐标，结合轨道曲率估计算法计算该段轨道的曲率。

轨道曲率估计算法有且不局限于将近距离轨道当作直线，提取一段轨道曲线并进行Hough坐标变换，将近处轨道的直线作为标准线，轨道像素点第N行到该直线之间的宽度与该轨道像素点的梯度信息之间建立映射关系。遍历该段轨道曲线，即可得到该段曲线的曲率信息。具体步骤为：

首先、从相机拍摄的轨道底端开始到2米范围之内的轨道，当做直线；并转换成每张图像的标准线；

标准线为直线；

然后、针对该段轨道的每张图像，从轨道的像素点中，间隔100个像素点依次选择四个像素点坐标(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)；分别连接(x1,y1)，(x2,y2)两个像素点和(x3,y3)，(x4,y4)两个像素点，得到两条弦；分别做两条弦的中垂线，联立中垂线方程得到该段轨道的曲率中心坐标(x0,y0)；

如图4所示，中垂线方程如下：

最后、利用曲率中心坐标(x0,y0)和像素点(x1,y1)，计算该段轨道的半径R；利用该段轨道的半径R取倒数，得到该段轨道的曲率；

半径R计算公式如下：

步骤四、判断图像处理法能否实时输出轨道曲率，若当前机车控制器运算量较大，导致轨道图像不能被及时处理，控制器不能实时获得当前轨道曲率信息，将导致分布式机车差速转向响应慢，增加车轮与轨道之间的磨损与能耗。或者若相机采集的图像上出现障碍物，将影响曲率的计算。为得到避免错误的曲率信息，将有障碍物的图像识别出的曲率ρ设置为0，即控制左右轮扭矩一样，避免错误曲率信息导致的额外的摩擦损失；获得机车当前位置的轨道曲率ρ＝0。否则，获得机车当前位置ρ≠0的轨道曲率。

Claims (5)

1.一种有轨机车轨道曲率获取方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一、针对某前方安装相机的有轨机车，获取机车当前GPS信号，并判断通讯信号是否通畅；如果是，进入步骤二，否则，进入步骤五；

步骤二、机车沿轨道行驶，实时向卫星发送某位置请求信息；

步骤三、卫星直接给机车反馈信号或者卫星向总控制室发送机车的反馈信号；

步骤四、机车控制器或总控制室查询该轨道路段在设计图纸上对应的道路曲率，与机车实时通讯发送当前轨道曲率；

步骤五、相机实时拍摄机车前方的某段轨道，对相机拍摄的图像进行预处理；

步骤六、对预处理后的每张图像分别进行坐标变换，将每段轨道的实际坐标转换到相机像素点坐标，并进行标定；

步骤七、利用标定好的相机像素点坐标，结合轨道曲率估计算法计算该段轨道的曲率；

具体步骤为：

步骤701、从相机拍摄的轨道底端开始到2米范围之内的轨道，当做直线；并转换成每张图像的标准线；

步骤702、针对该段轨道的每张图像，从轨道的像素点中，等间距依次选择四个像素点坐标(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)；

步骤703、分别连接(x1,y1)，(x2,y2)两个像素点和(x3,y3)，(x4,y4)两个像素点，得到两条弦；

步骤704、分别做两条弦的中垂线，联立中垂线方程得到该段轨道的曲率中心坐标(x0,y0)；

中垂线方程如下：

步骤705、利用曲率中心坐标(x0,y0)和像素点(x1,y1)，计算该段轨道的半径R；

步骤706、利用该段轨道的半径R取倒数，得到该段轨道的曲率；

步骤八、判断轨道曲率估计算法能否实时输出轨道曲率，如果是，将计算的机车当前位置的轨道曲率输出；否则，控制左右轮扭矩一样，输出轨道曲率ρ＝0。

2.如权利要求1所述的一种有轨机车轨道曲率获取方法，其特征在于：步骤三中所述的反馈信号为：表征地理位置的GPS信号。

3.如权利要求1所述的一种有轨机车轨道曲率获取方法，其特征在于：步骤五中所述的预处理包括：图像去噪、边缘检测与轨道识别。

4.如权利要求1所述的一种有轨机车轨道曲率获取方法，其特征在于：步骤六中所述的坐标变换公式如下：

P_C＝P_b*TR

P_C为相机像素点坐标；P_b为实际轨道坐标；TR为坐标变换矩阵，不同的相机对应的变换矩阵不同；

(x,y,z)表示相机在列车坐标系下的位置坐标；(γ,β,α)表示相机在列车坐标系下的姿态角参数，分别为相机先后绕列车坐标系的x轴、y轴和Z轴旋转γ度、β度和α度。

5.如权利要求1所述的一种有轨机车轨道曲率获取方法，其特征在于：步骤八中所述的不能实时输出的情况包括：

1)、当前机车控制器运算量较大，导致轨道图像不能被及时处理，控制器不能实时获得当前轨道曲率信息；

2)、相机采集的图像上或铁轨上存在障碍物，当前轨道信息无法实时输出轨道曲率。

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