CN116946214A - 基于视觉识别的列车定位测速系统、方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于视觉识别的列车定位测速系统、方法、设备及介质，该系统包括：带二维码的里程标牌，按照设定距离布设在轨道旁；摄像头，用于采集里程标牌上的二维码图像；安全主机，与摄像头连接，用于将摄像头采集的二维码图像进行解析，识别前方的里程标牌，并利用二维码上的定位用图案，经过测距算法计算，得到车辆到达前方里程标牌的距离。与现有技术相比，本发明具有能实现更经济、更高效、更高精度的测速定位等优点。

Description

基于视觉识别的列车定位测速系统、方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及列车信号控制系统，尤其是涉及一种基于视觉识别的列车定位测速系统、方法、设备及介质。

背景技术

在轨道交通信号行业，对列车位置和速度的测定是实现对列车控制的基础。目前常用的方法有速度传感器和信标定位法，雷达测距法等。

基于速度传感器的定位，通过对与车轮同步的齿轮齿数的计数来实现速度的测定，从而得到列车的速度，再推算出列车的位置。但是在列车车轮存在空转打滑等影响，并不能完全等同于列车的行驶速度，从而导致误差。并且这个误差会累积，所以需要通过固定在地面的信标来修正。信标是一种非接触式的信号收发装置，负责传输固定的信息(无源信标)或者可变的信息(有源信标)。在列车头的底部安装有信标天线，在经过信标上方的时候，信标被激活，车辆和信标进行了信息交互。因信标是安装在轨道中的固定位置，因此在线路地图上是固定的节点，车辆可以通过信息交互，确定自己此时到达了该位置，从而实现了在线路上定位。但是如果要实现精确定位，信标的布设要很密集，信标的价格高，导致这个方案的整体成本很高。

雷达测距法使用毫米波雷达。在列车头安装雷达，行驶中对前方的固定物体发射雷达波，检测雷达回波的频率变化，基于多普勒原理，可以推算出列车的运行速度，进而推算列车的位置。但是列车行驶区中，能在前进方向产生回波的固定物体比较少，杂波比较多，对速度的推算产生干扰，速度计算不稳定。而且如果没有辅助修正的功能，在轨道上特定位置对计算得到的位置进行矫正的话，很容易对定位产生累积误差。

经过检索中国专利公开号CN111114593A公开了一种基于多元信息融合的地铁列车自主定位装置、系统及方法，具体公开了包括惯导设备，用于对地铁列车进行自主导航定位，计算惯导定位信息；视觉设备，用于监测设置在地铁线路轨旁固定位置的图像信标，计算视觉定位信息；数据处理设备，用于接收惯导设备和视觉设备的上报信息，进行信息融合，得到融合定位信息；虽然该现有专利也公开了采用视觉设备来实现定位，但是其采用双目摄像头实现成本高，同时对于具体的测距过程并未涉及，对于二维码信息也未进行编码防护，存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于视觉识别的列车定位测速系统、方法、设备及介质，能实现更经济、更高效、更高精度的测速定位。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种基于视觉识别的列车定位测速系统，该系统包括：

带二维码的里程标牌，按照设定距离布设在轨道旁；

摄像头，用于采集里程标牌上的二维码图像；

安全主机，与摄像头连接，用于将摄像头采集的二维码图像进行解析，识别前方的里程标牌，并利用二维码上的定位用图案，经过测距算法计算，得到车辆到达前方里程标牌的距离。

作为优选的技术方案，所述的二维码中包括以下信息：对应里程标牌信息以及用于里程标牌信息完整性校验的校验信息。

作为优选的技术方案，所述的二维码中信息通过加密算法加密后印制在里程标牌上。

作为优选的技术方案，所述的二维码的大小全线固定，统一为M厘米×M厘米，其中M的取值综合考虑线路中标牌之间最大间隔、使用的镜头焦距、镜头光学分辨率和车辆最大速度。

作为优选的技术方案，所述系统还包括与安全主机连接的配置文件存储盘，该配置文件存储盘储存有供安全主机使用的电子地图，该电子地图中录入有每个里程标牌在整条线路中的位置信息。

作为优选的技术方案，所述摄像头、安全主机和配置文件存储盘均设有两套，用于实现两个通道独立采集、运算和输出，最后对输出的结果继续进行比较，只有两个通道得到的结果一致，才认为该结果是安全运算的结果。

作为优选的技术方案，所述两个通道的供电电源独立。

作为优选的技术方案，两个所述摄像头的使用不同品牌且不同焦距的镜头，以并排或者上下堆叠安装。

作为优选的技术方案，所述摄像头安装在驾驶室里靠近公里标的一边，朝向车前进方向安装，并与列车前方脱钩的相对位置为固定的。

根据本发明的第二方面，提供了一种采用所述基于视觉识别的列车定位测速系统的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，摄像头拍摄前方图像，并从图像中识别出二维码信息发送给安全主机；

步骤S2，安全主机对二维码信息进行解析，识别前方的里程标牌，并利用二维码上的三个定位点，经过测距算法计算，得到车辆到达前方里程标牌的距离。

作为优选的技术方案，所述测距算法具体为：

带二维码的里程标牌与摄像机成像面的距离l通过以下公式计算得到：

a＝16

b＝-16(2d₂ ²+d₁ ²)

c＝16d₂ ²(d₂ ²+2d₁ ²)

d＝-16d₁ ²d₂ ⁴-d₁ ²(d₃ ²-d₁ ²-d₂ ²)²

其中d为二维码定位点顶点像长，d₁,d₂和d₃分别为三个二维码定位点顶点之间的像长，f为镜头焦距，u为物距，v为像距，M为二维码定位点顶点距离，a、b、c、d、p、q、Δ、x、y均为以上方程的中间变量。

根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明将列车测速定位通过车辆上的传感器来实现，相比于传统的速度传感器引入的空转打滑误差，本发明能实现更高精度的测速定位。

2)本发明将列车测速定位通过轨旁公里标换成二维码来实现，相比于传统的信标，本发明更加经济，部署、运营及维护成本更低。

3)本发明通过轨旁的公里标进行定位，实时修正，避免误差的累积。

4)本发明公里标换成二维码，可以通过编码加入更多丰富的信息。

5)本发明二维码中加入校验信息，防止信息识别中的错误，满足功能安全标准的要求。

6)本发明公里标二维码的固定尺寸可以用于摄像头三点定位的标定基准。

7)本发明使用摄像头进行视觉定位，成本低，实现难度小。

8)本发明图像处理二维码算法简单，识别容易，无需使用人工智能算法，算法具有确定性和可解释性，可以应用于功能安全领域。

9)本发明通过相异的相机和镜头，规避两个摄像头的共因失效，实现安全功能。

附图说明

图1为本发明列车运行的示意图；

图2为本发明二维码的示意图；

图3为本发明定位测速系统的结构示意图；

图4为本发明测距算法的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明基于视觉识别的列车定位测速系统，该系统包括：

带二维码的里程标牌，按照设定距离布设在轨道旁；

摄像头，用于采集里程标牌上的二维码图像；

安全主机，与摄像头连接，用于将摄像头采集的二维码图像进行解析，识别前方的里程标牌，并利用二维码上的定位用图案(以下称二维码定位点)，经过测距算法计算，得到车辆到达前方里程标牌的距离。这样就能得到列车在线路中的位置。

具体的，在铁路轨道旁的既有的里程标牌(每隔100米安装一个)上加入特定的二维码图像。在列车车头上安装朝向前进方向的摄像头、安全主机、配置文件存储盘，如图1所示。

目前铁路轨道旁边每隔一定距离都会布设有里程标牌，上面写出数字，用来标称该点位在整条线路中的位置。这些点位在铁道线路布设初期通过测绘布设好的，都是准确的位置。本发明在这些标牌中加入二维码，二维码中包含以下信息：

该里程标牌在全线线路中的唯一ID(可以通过编码方式，增加临近标牌编码的汉明码距)

前面信息的校验信息(用于校验前面信息的完整性)

以上信息通过加密算法加密后得到的数据，以二维码的形式印制在里程标牌上。二维码的大小全线固定，统一为M厘米*M厘米，即二维码定位点顶点距离为M厘米，如图2所示。M的取值影响了在多远能识别出该二维码，应综合考虑线路中标牌之间最大间隔，使用的镜头焦距，镜头光学分辨率，车辆最大速度等因素。

在轨道旁边布设好里程标牌二维码后，将每个里程标牌的信息(ID号)录入到列车使用的电子地图中。使得扫描一个二维码，能得到它在地图中对应的位置。电子地图作为一个配置文件，被列车上的车载安全主机使用。

为了实现功能安全，该系统由两个通道独立采集、运算、输出，最后对输出的结果继续进行比较，只有两个通道得到的结果一致，才认为该结果是安全运算的结果。该系统由两个摄像头，两台运算主机和两个配置数据存储盘组成，如图3所示。

为了实现两个通道的独立和差异，保证系统的安全性，应注意以下几点：

两个通道的供电电源独立。

两个摄像头使用不同品牌且不同焦距的镜头(比如一个是35mm焦距，一个是50mm焦距)，使用不同品牌的相机(像素尺寸不一样)。大的像素尺寸相机配焦距长的镜头，小的像素尺寸的相机配焦距短的镜头。

摄像头应安装在驾驶室里靠近公里标的一边，朝向车前进方向安装。两台摄像头可以并排或者上下堆叠安装。它们和列车前方脱钩的相对位置是固定的，可以用于距离的计算。

两个运算主机使用的配置数据A和B是一致的，都是经过审核校对的电子地图。数据带有校验域，可以校验出存储数据是否被修改。

以上是关于系统实施例的介绍，以下通过方法实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。

本发明方法包括以下步骤：

步骤S1，摄像头拍摄前方图像，并从图像中识别出二维码信息发送给安全主机；

步骤S2，安全主机对二维码信息进行解析，识别前方的里程标牌，并利用二维码上的三个定位点，经过测距算法计算，得到车辆到达前方里程标牌的距离。

具体的，当列车往前运行时，摄像头可以拍摄前方图像。从图像中识别出二维码。同时可以识别出扫码得到二维码提供的里程标牌信息，之后以此从电子地图中获取前方该标牌在线路中的准确位置。

同时可以在摄像头拍摄的图像中测量出定位点顶点之间的距离(以像素点为单位)。将这个距离乘于像素尺寸，就得到了顶点到顶点之间的像长d。对于不同的顶点像长，分别量出d₁,d₂和d₃。

那么根据成像公式，

f为镜头焦距，u为物距，v为像距，M是二维码定位点顶点距离，d为二维码定位点顶点像长(d₁或者d₂)。

那么我们可以求出从二维码标牌到相机成像的CMOS的距离l＝u+v＝(M+d)²*f/M*d(公式1)。

如果标牌能保持在迎着车辆前进方向竖直方向放置，则我们使用d₁或者d₂代入公式就能得到l。但现实中，标牌会因各种情况会发生一点偏转，无法与车辆前进方向(即相机镜头正对方向竖直)，因此，我们需要通过d₁,d₂和d₃来推算出l，实现三点定位。

已知：f为镜头焦距，M是二维码定位点顶点距离，d为二维码定位点顶点像长(d₁,d₂,d₃)。

求：二维码牌到CMOS平面的距离l(u为物距，v为像距，则l＝u+v)。

算式表达：

a＝16

b＝-16(2d₂ ²+d₁ ²)

c＝16d₂ ²(d₂ ²+2d₁ ²)

d＝-16d₁ ²d₂ ⁴-d₁ ²(d₃ ²-d₁ ²-d₂ ²)²

通过此算式，可以求得标牌到相机成像面的位置，因标牌在车辆线路中位置是固定的，而成像面到车头前端的位置在安装后也是固定的。因此可以很容易确定出车辆在线路中的位置。

而双通道处理数据的时候，通过比对计算后得到的距离的结果，在可接受的误差范围内，双通道计算数据一致的情况下，则认为计算结果正确。从而能通过组合故障安全架构实现安全定位功能。

通过每次定位的变化，除于两次之间时间间隔，能得到列车的即时速度。

本发明电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。

设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如本发明方法。例如，在一些实施例中，本发明方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的本发明方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行本发明方法。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，该系统包括：

带二维码的里程标牌，按照设定距离布设在轨道旁；

摄像头，用于采集里程标牌上的二维码图像；

安全主机，与摄像头连接，用于将摄像头采集的二维码图像进行解析，识别前方的里程标牌，并利用二维码上的定位用图案，经过测距算法计算，得到车辆到达前方里程标牌的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，所述的二维码中包括以下信息：对应里程标牌信息以及用于里程标牌信息完整性校验的校验信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，所述的二维码中信息通过加密算法加密后印制在里程标牌上。

4.根据权利要求2所述的一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，所述的二维码的大小全线固定，统一为M厘米×M厘米，其中M的取值综合考虑线路中标牌之间最大间隔、使用的镜头焦距、镜头光学分辨率和车辆最大速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，所述系统还包括与安全主机连接的配置文件存储盘，该配置文件存储盘储存有供安全主机使用的电子地图，该电子地图中录入有每个里程标牌在整条线路中的位置信息。

6.根据权利要求5所述的一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，所述摄像头、安全主机和配置文件存储盘均设有两套，用于实现两个通道独立采集、运算和输出，最后对输出的结果继续进行比较，只有两个通道得到的结果一致，才认为该结果是安全运算的结果。

7.根据权利要求6所述的一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，所述两个通道的供电电源独立。

8.根据权利要求6所述的一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，两个所述摄像头的使用不同品牌且不同焦距的镜头，以并排或者上下堆叠安装。

9.根据权利要求6所述的一种基于视觉识别的列车定位测速系统，其特征在于，所述摄像头安装在驾驶室里靠近公里标的一边，朝向车前进方向安装，并与列车前方脱钩的相对位置为固定的。

10.一种采用权利要求1所述基于视觉识别的列车定位测速系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，摄像头拍摄前方图像，并从图像中识别出二维码信息发送给安全主机；

步骤S2，安全主机对二维码信息进行解析，识别前方的里程标牌，并利用二维码上的三个定位点，经过测距算法计算，得到车辆到达前方里程标牌的距离。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述测距算法具体为：

带二维码的里程标牌与摄像机成像面的距离l通过以下公式计算得到：

a＝16

b＝-16(2d₂ ²+d₁ ²)

c＝16d₂ ²(d₂ ²+2d₁ ²)

d＝-16d₁ ²d₂ ⁴-d₁ ²(d₃ ²-d₁ ²-d₂ ²)²

其中d为二维码定位点顶点像长，d₁,d₂和d₃分别为三个二维码定位点顶点之间的像长，f为镜头焦距，u为物距，v为像距，M为二维码定位点顶点距离。

12.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求10～11中任一项所述的方法。

13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求10～11中任一项所述的方法。