JP2020062899A - 軌道走行車両の障害物検知システムおよび障害物検知方法 - Google Patents

軌道走行車両の障害物検知システムおよび障害物検知方法 Download PDF

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Abstract

【課題】軌道上を横切る物体を障害物と適切に判断することができる軌道走行車両の障害物検知システムおよび障害物検知方法を提供する。【解決手段】軌道上を走行する車両102に搭載され、右側から軌道に侵入する物体を検知する第一の側方境界検知領域を作る第一の検出器201からの信号と、車両に搭載され、左側から軌道に侵入する物体を検知する第二の側方境界検知領域を作る第二の検出器202からの信号から、軌道上の障害物を検知する。または軌道上を走行する車両の前方に、右側から軌道に侵入する物体を検知する第一の側方境界検知領域155aと左側から軌道に侵入する物体を検知する第二の側方境界検知領域155bとを形成し、第一の側方境界検知領域と第二の側方境界検知領域のどちらかで物体を検知すると軌道に障害物が侵入したと判断する。【選択図】図4

Description

本発明は、軌道上の障害物を検知する障害物検知システムおよび障害物検知方法に関する。
軌道上を走行する軌道輸送システムでは軌道上に障害物があった場合、操舵による回避が出来ないため、障害物を検知することは列車の安全性や運用性を向上させるために重要である。従来は運転士が目視によって軌道上および経路上に障害物が無いことを確認して列車を運転していたが、走行路面内の領域全てを常に監視することは難しく、障害物の発見が遅れ、軌道輸送システムと障害物が衝突してしまう恐れがあった。鉄道における障害物検知技術では、車両の走行開始前に走行し、レールの異常の有無を自動走行にて確認し、建築限界内に障害物があった場合には車両を自動停止させる障害物検知システムが知られている。例えば、特許文献1に記載された障害物検知システムでは、車両を自走させつつ、車両に設けた近距離を撮影する近距離撮影部と、遠距離を撮影する遠距離撮影部、更に近距離内を照射するLIDARとから、障害物を検知する技術が開示されている。
また、車両の前方障害物検知システムは自動車の自動運転向けに研究が進められている。それらの研究では、一般的にカメラ、ミリ波レーダー、LIDARなどが用いられており、これらのセンサーの検知距離は様々なメディアで開示されている。例えば、検知距離が長いセンサーであるミリ波レーダーやカメラでは、検知距離200m程度の長距離検知が可能である。
特許文献1には、車両前方の複数の距離に判断ラインを設定し、物体が判断ラインを交差した場合にその物体を支障物と判断する技術が開示されている。
特開2016−88183
しかしながら特許文献1の技術では、軌道上を横切る物体を障害物と判断することが難しい場合がある。
本発明はこの点を考慮してなされたもので、軌道上を横切る物体を障害物と適切に判断することができる軌道走行車両の障害物検知システムおよび障害物検知方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために,例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが,その一例を挙げるならば,軌道上を走行する車両に搭載され、右側から前記軌道に侵入する物体を検知する第一の側方境界検知領域を作る第一の検出器からの信号と、前記車両に搭載され、左側から前記軌道に侵入する物体を検知する第二の側方境界検知領域を作る第二の検出器からの信号から、前記軌道上の障害物を検知する軌道走行車両の障害物検知システムである。
本発明により、軌道上を横切る物体を障害物と適切に判断することができる軌道走行車両の障害物検知システムおよび障害物検知方法を提供できる。
本発明の障害物検知装置および軌道輸送システムのシステム構成の一例 本発明の障害物検知装置および軌道輸送システムにおける輸送用車両運転制御手段の処理フローの一例 本発明の障害物検知装置および軌道輸送システムにおける障害物検知装置の処理フローの一例 本発明の障害物検知装置および軌道輸送システムの障害物センサー設置の一例 本発明の障害物検知装置および軌道輸送システムの旋回軌道走行時の障害物センサー設置の一例 本発明の障害物検知装置および軌道輸送システムの旋回軌道走行時の側方境界検出領域検知の一例
以下、軌道上を横切る物体を障害物と適切に判断することができる実施例について説明する。
なお従来の障害物検知システムでは、システムを構成するカメラやミリ波レーダー、LIDARの検知可能距離が、検知対象物の色や形状、ミリ波やレーザーの反射率に依存するため、安定して障害物を検知することが難しかった。以下説明する実施例の輸送システムでは、検知対象物の色や形状、反射率に依存せずに障害物を検知し制動する、障害物検知装置および軌道輸送システムも提供できる。
以下、実施の形態について図面を参照して説明する
本実施例では、輸送用車両102と障害物検知装置103とから構成され、障害物検知装置の障害物検知の信頼性を大きく向上させる軌道輸送システム101を説明する。
まず、図1を用いて、軌道輸送システム101の構成と各構成要素の役割を説明する。
輸送用車両102は一定の軌道に沿って走行する旅客や貨物を輸送する車両である。
障害物検知装置103は、輸送用車両102の前方に設置され、障害物の検知を行う装置である。
障害物検知装置103が、輸送用車両102の走行を支障する障害物を検知した場合、障害物検知装置103から輸送用車両102に障害物の存在に関する情報が送られ、輸送用車両102は緊急停止する。輸送用車両102は、輸送用車両発着管理手段104と輸送用車両運転制御手段105と輸送用車両制駆動手段106とから構成される。
障害物検知装置103は、軌道情報データベース107と自己位置推定手段108と監視エリア設定手段109と検知対象情報データベース110と側方監視手段111と前方監視手段112と障害物検知手段113から構成される。
輸送用車両発着管理手段104は、輸送用車両102の駅発着時刻を管理する手段である。専用の箱や基板を輸送用車両に設置するほか、既存の車両情報制御システムの一機能として実現してもよい。輸送用車両発着管理手段104は、輸送用車両102が駅に停止している間に、当該駅の輸送用車両発車予定時刻151を輸送用車両運転制御手段105に伝える。また、輸送用車両発着管理手段104は、輸送用車両運転制御手段105から、次駅への輸送用車両到着予定時刻150を取得する。
輸送用車両運転制御手段105は、輸送用車両102の制駆動指令を生成する手段であり、ATO装置(自動列車運転装置)が例として挙げられる。生成した輸送用車両制駆動指令152は輸送用車両制駆動手段106に伝えられる。
輸送用車両運転制御手段105は、輸送用車両発着管理手段104から取得した輸送用車両発車予定時刻151に基づいて輸送用車両102を発車させる。また、駅間では位置と速度で定義される目標走行パターンに沿って、輸送用車両102が走行するように、制駆動指令を生成する。図1に図示しないが、目標走行パターンに沿って走行するために、輸送用車両102の位置と速度を検知する機能を内部に有する。
目標走行パターンの生成にあたっては、予め分かっている輸送用車両102の加減速度と走行区間の制限速度に基づくパターンを基本とする。そのうえで、輸送用車両102の位置と、輸送用車両102の最大減速度とから、輸送用車両102の許容最高速度を算出し、輸送用車両102の目標走行パターンに反映させる。
輸送用車両制駆動手段106は、輸送用車両運転制御手段105から取得する輸送用車両制駆動指令152に基づき、輸送用車両102を制駆動させる。輸送用車両制駆動手段106の具体的装置の例としては、インバータ、モータ、摩擦ブレーキが挙げられる。
また、輸送用車両制駆動手段106には障害物検知手段113から障害物情報161が入力されている。輸送用車両102が駅停止中で、障害物情報161の内容が「障害物:あり」となった場合には、制動状態とし、発進できないようにする。輸送用車両102が駅間走行中で、障害物情報161の内容が「障害物:あり」となった場合には、最大減速度で制動し、輸送用車両102を停止させる。
監視エリア設定手段109は、自己位置推定手段108で推定した輸送用車両の現在位置に対応する軌道の曲率半径や勾配等の軌道情報153を軌道情報データベース107から取得し障害物を検知する障害物監視エリアを設定する。現在位置154の算出は車両速度の積分に基づいて行われるのが一般的であるが、他の方法を用いても良い。例えば、全地球測位システム(GPS)等を用いても良い。本発明では、輸送用車両の現在位置が一意に決定できれば良く、その方法は問わない。
側方境界監視手段111と前方境界監視手段112は、カメラやレーザレーダ、あるいはミリ波レーダーなどを用いて、監視エリアの側方境界と前方境界に設定した境界検出領域155、156の障害物を検知する機能を持つ。
障害物検知手段113は、側方境界監視手段111と前方境界監視手段112での監視結果159、160に基づき、監視エリア内にある障害物存在の有無を判断する。
輸送用車両102の運行を支障する障害物を検知した場合、障害物検知手段113は、輸送用車両制駆動手段106に「障害物:あり」の情報を伝達する。
以上が、軌道輸送システム101の構成と各構成要素の説明である。
次に、輸送用車両運転制御手段105の処理の流れを説明する。
まず、輸送用車両運転制御手段105の処理フロー例を、図2を用いて説明する。輸送用車両運転制御手段105では、図2の示す処理が一定周期で実行されている。
ステップ300では、輸送用車両在線位置152を、輸送用車両運転制御手段108から取得する。
ステップ301で、輸送用車両102が駅に停車中か否かを判定する。当該判定は、輸送用車両運転制御手段105が保持する輸送用車両102の位置と速度からなされる。具体的には、位置が駅近傍であり、速度がゼロであれば駅に停車中と判定する。
ステップ301で停車中と判定された場合は、ステップ302において、輸送用車両102が現在停車中の駅を発車する予定の時刻(輸送用車両発車予定時刻152)を輸送用車両発着管理手段104から取得する。
ステップ303で、現在時刻が輸送用車両発車予定時刻152を過ぎているか否か判定する。過ぎていない場合、本処理フローを抜ける。過ぎていた場合ステップ304に進む。
ステップ304では、輸送用車両102が発車準備を完了しているか否か判定する。発車準備の例として、車両ドア閉状態の確認が挙げられる。未完了の場合は、本処理フローを抜ける。発車準備が完了している場合は、ステップ305に進む。
ステップ305では、障害物検知手段113から障害物検知結果161を取得する。
ステップ306では、障害物検知結果161から軌道上に障害物が存在するか否かを判断する。障害物が存在する場合はステップ307に進む。障害物が存在しないと判定された場合はステップ308に進む。
ステップ306では、障害物が存在すると判定された場合は、即座に輸送用車両を停止させる必要があるため、停止指示を生成し、輸送用車両101に対して送信する。
ステップ307では、輸送用車両制駆動指令151を算出し、輸送用車両制駆動手段106に送信する。具体的にはここでは駅を発車するために力行指令を送信する。
続くステップ308では、輸送用車両102が発車したタイミングと、これから走行する駅間の予定走行時分とから、次駅の予定着時刻(輸送用車両到着予定時刻154)を計算し、輸送用車両発着管理手段104に送信する。
次に、ステップ301で輸送用車両102が駅停車中でない場合の処理(ステップ311〜ステップ315)を説明する。
ステップ311で、監視エリア内の障害物検知情報を障害物検知装置103から取得する。
ステップ312で障害物検知情報に基づき輸送用車両102の制動の必要性を判定した結果、制動する必要有と判定された場合はステップ313に進む。障害物が存在しない、あるいは制動する必要がないと判定された場合はステップ314に進む。
ステップ313では、輸送用車両制駆動指令153を算出し、輸送用車両制駆動手段106に送信する。具体的にはここでは、所定の輸送用車両102の速度が所定の目標速度となるように比例制御などで制駆動指令を算出する。目標速度の算出方法は、まず輸送用車両102の位置と、予め定められた目標走行パターンに基づいて目標速度を算出する。
障害物検知装置が障害物を検知したステップ314では、輸送用車両制動指令152を算出し、輸送用車両制駆動手段106に送信する。具体的にはここでは、輸送用車両を最大減速度で減速させ停止させるよう制動指令を算出する。
ステップ315では、輸送用車両102のその時点での位置と速度から、輸送用車両102が次駅に到着する時刻を推定し、輸送用車両発着管理手段104に送信する。
以上が、輸送用車両運転制御手段105の制御フローの例の説明である。
次に障害物検知装置の動作を説明する。図3は、障害物検知装置102により実行される処理手順を示すフローチャートである。
ステップ201〜205で輸送用車両に対する停止指示を作成する。本処理は障害物検知装置102の計測周期ごとに実行される。図3のフローチャートに基づく動作は以下のとおりである。
ステップ201では、自己位置推定手段108により障害物検出エリア算出に必要な輸送用車両102の現在位置を算出する。現在位置の算出は車両速度の積分に基づいて行われるのが一般的であるが、他の方法を用いても良い。例えば、全地球測位システム(GPS)等を用いても良い。本発明では、輸送用車両の現在位置が一意に決定できれば良く、その方法は問わない。ステップ202に進む。
ステップ202では、ステップ202で算出した輸送車両の現在位置に対応する軌道情報から、障害物監視エリアを設定する。
例えば、建築限界を障害物監視エリアの側方境界として設定し、輸送用車両の停止可能距離を障害物監視エリアの進行方向境界と設定することが考えられる。
ステップ203では、障害物検知センサーから障害物監視エリアの境界に設定した境界検出領域において障害物に関するセンサー情報を取得し、障害物監視エリアに障害物が侵入したか否かを判断する。ステップ203で障害物が存在するかを判定した結果、障害物が存在する判定された場合はステップ204に進む。障害物が存在しないと判定された場合はステップ205に進む。
境界検出領域の幅は、その領域に侵入すると想定される障害物の最大移動速度と、障害物検知センサーのセンシング周期から、障害物が境界内に入る際に少なくとも1回以上検出できる幅とする。
この境界検出領域の幅は、例えば、駅では、ホームで待つ乗客を想定して数cm〜数十cm(さらに具体的には10cm)に設定し、踏み切り付近では自動車等の横切りを想定して広く(例えば1m)設定するなど、輸送車両の現在位置に応じて変更することが望ましい。
境界検出領域の側方障害物の有無を検出するセンサーとしては、境界検出領域の形状が、幅数十cm、奥行き百mの長方形領域であることを考慮し、図4のように、左右の側方境界検出領域155を検出できるように、輸送用車両の前方左右の高い位置に前方下向きに設置した2台のLIDARである検出器201、202を使用する。ここで、境界検出領域内の検出結果が、障害物がないときと比べて、以下の(条件1)〜(条件3)のいずれかを満たすとき、障害物が侵入したと判断する。
(条件1)境界検出領域の検出点が検出されない。(条件2)境界検出領域の検出点の位置が異なる。(条件3)境界検出領域の検出点の反射強度が異なる。
ここで、輸送用車両の速度が大きくなるにつれて輸送車両の停止距離が延び、障害物監視エリアが拡大するため、障害物がないときの路面や設置物のレーザーの反射率が小さい場合には、条件1によって障害物が侵入したと誤って判断しないように、例えば、許容される走行可能速度を抑えなくてはならなくなる。
そこで、そのようなことを避けるため、次の(対処1)、(対処2)の対処を考える。
(対処1)側方境界検出領域にある、ある値以上の検出率をもつ既存物(レールや標識等)の位置のみを検出対象とする。(対処2)側方境界検出領域に、ある値以上の検出率をもつ物体を検出対象として設置する。
いずれの場合も、事前に検出対象の位置とその反射率を検知対象情報データベース110に記録し、現在の輸送用車両の位置における境界検出領域に検出対象の位置が含まれる場合のみ、その検出対象を障害物侵入の判断に用いる。
ステップ201で実施した障害物検出エリア算出に必要な輸送用車両の現在位置算出は、これらの検出対象物をランドマークとして利用することで、算出した位置精度や信頼性を向上させることが可能である。
また、曲線軌道のように、境界が曲線となる場合には、マルチレイヤ型LIDARを使用し、図5や図6で複数の直線で示したように、複数レイヤにまたがる境界検出領域上の検出点を使用して障害物の侵入を判断する。
図6には、マルチレイヤ型LIDARから照射される各検出レイヤによる路面検出点を点線で示しているが、境界検出領域155a、155b上を通る検出レイヤは車両からの距離によって異なり、障害物の侵入を判断するには、それらの複数レイヤの検出点を監視する。
このとき、LIDARの検出点が境界検出領域上にある場合でも、その検出点とLIDARを結ぶ直線(レーザーの光路)が境界検出領域外を通る場合には、障害物の侵入判断には使用しない。これは、境界検出領域外の物体による誤検知を防ぐためである。
なお、側方境界検出領域155の検出では、ステレオカメラ、ミリ波レーダー、レーザー距離計を複数使用したり、それらセンサーを自動雲台に取り付けて側方境界検出領域157を走査したりしてもよい。
前方境界検出領域156の前方障害物の有無を検出するセンサーとしては、狭角の単眼カメラ(赤外線を含む)やステレオカメラ、ミリ波レーダー、LIDAR,レーザー距離計などが考えられる。
これら種類が異なる複数のセンサーを使用し、前方検出領域が検出できたセンサーの検出結果(色、検知位置や距離、レーザーやミリ波の反射強度)のいずれかが、障害物がないときと異なることをもって、障害物が監視エリアに侵入したと判断する。その結果、種類が異なる複数のセンサーの検知結果を使用することで検知率をあげることができ、さらに、検知できた検出結果のANDを用いることにより、誤検知率を下げることができる。
ここで、側方障害物の侵入判断の場合と同様に、輸送用車両の速度が大きくなるにつれて停止可能距離が延び、障害物監視エリアが遠方に広がるため、障害物がないときの路面や設置物の反射率が小さい場合には、条件1によって障害物が侵入したと誤って判断しないように、次の1、2の対処を考える。
(対処1)側方境界検出領域にある、ある値以上の検出率をもつ既存物(レールや標識等)の位置のみを検出対象とする。(対処2)側方境界検出領域に、ある値以上の検出率をもつ物体を検出対象として設置する。
いずれの場合も、事前に検出対象の位置とその反射率等を検知対象情報データベース110に記録し、現在の輸送用車両の位置における境界検出領域に検出対象の位置が含まれる場合のみ、その検出対象を障害物侵入の判断に用いる。
ステップ203において障害物が存在すると判定された場合は、輸送用車両を停止させる必要があるため、ステップ204で障害物検知情報を作成する。一方、障害物が存在しないと判定された場合はステップ205に進む。
ステップ205では、障害物監視エリアにおける障害物検知情報を輸送用車両101に送信する。
以上が、障害物検知装置102により実行される障害物検知動作のフロー例の説明である。
以上が、障害物検知装置102および軌道輸送システム101の説明である。
以上説明した実施例の障害物検知システムは、軌道上を走行する輸送用車両102に搭載され、進行方向右側から軌道に侵入する物体を検知する第一の側方境界検知領域155aを作る第一の検出器201からの信号と、輸送用車両102に搭載され、進行方向左側から軌道に侵入する物体を検知する第二の側方境界検知領域155bを作る第二の検出器202からの信号から、軌道上の障害物を検知する。このようにすると、軌道の左右の側方境界検知領域155が仮想フェンスのような役割を発揮でき、どちらかの側方境界検知領域で物体を検知した場合、仮想フェンスを物体が横切ったと判定でき、仮想フェンス内、すなわち軌道上に障害物が侵入したかどうかを判断することができる。
さらに軌道の進行方向前方の前方境界検知領域を作る第三の検出器203からの信号から軌道上の障害物を検知するようにすれば、もともと軌道上にあった障害物も検知することができる。すなわち、軌道の進行方向前方の前方境界検知領域156を形成し、前方境界検知領域156と第一の側方境界検知領域155aと第二の側方境界検知領域155bの少なくとも一つで物体を検知することで、これら3種の境界検知領域で囲まれた領域に障害物が侵入したと判断できる。これは輸送用車両102の先頭車両から所定距離だけ前の軌道上の領域が、仮想フェンスで囲まれた状態であるとも解釈できる。仮想フェンスを物体を横切らない限りは、囲まれた領域には障害物がないものとして走行を継続することができる。
上記前方境界領域156と輸送用車両102の距離は、輸送用車両102の速度を変数とした関数として、輸送用車両102の速度に応じて変えることが望ましい。速度が速いほど制動距離が長くなることに対応できるようにするためである。
ここで、側方境界検知領域155での検知は、既知の物体の検出有無から物体の侵入有無を判断するようにしても良い。例えば側方境界検知領域155で反射材が塗布された物体を検出し続ける状態を通常状態として、この検出が途切れた場合、それは物体の侵入により検出できなくなったと判断する。
第一の検出器201と第二の検出器202は、複数層の検知領域を作るマルチレイヤLIDARとするのが望ましい。軌道の曲率に応じて、検出器201、202が作り出した複数層の検知領域から左右の側方境界検知領域を適切に選択できるようにすれば、カーブでも検出領域を適切にカバーすることができるようになる。
101・・・軌道輸送システム
102・・・輸送用車両
103・・・障害物検知装置
104・・・輸送用車両発着管理手段
105・・・輸送用車両運転制御手段
106・・・輸送用車両制駆動手段
107・・・軌道情報データベース
108・・・自己位置推定手段
109・・・監視エリア設定手段
110・・・検知対象情報データベース
111・・・側方境界監視手段
112・・・前方境界監視手段
113・・・障害物検知手段
150・・・輸送用車両発車予定時刻
151・・・輸送用車両到着予定時刻
152・・・輸送用車両制駆動指令
153・・・軌道情報
154・・・輸送用車両現在位置
155・・・側方境界検出領域
156・・・前方境界検出領域
157・・・側方検知対象情報
158・・・前方検知対象情報
159・・・側方境界監視結果
160・・・前方境界監視結果

Claims (9)

  1. 軌道上を走行する車両に搭載され、右側から前記軌道に侵入する物体を検知する第一の側方境界検知領域を作る第一の検出器からの信号と、
    前記車両に搭載され、左側から前記軌道に侵入する物体を検知する第二の側方境界検知領域を作る第二の検出器からの信号から、
    前記軌道上の障害物を検知する軌道走行車両の障害物検知システム。
  2. 前記軌道の進行方向前方の前方境界検知領域を作る第三の検出器からの信号から前記軌道上の障害物を検知する請求項1の軌道走行車両の障害物検知システム。
  3. 前記第一の検出器および前記第二の検出器は、前記側方境界検知領域内の既知の物体の検出有無から前記物体の侵入を判断する請求項1の軌道走行車両の障害物検知システム。
  4. 前記既知の物体は、反射材が塗布された物体である請求項3の軌道走行車両の障害物検知システム。
  5. 前記第一の検出器及び前記第二の検出器は複数層の検知領域を作るものであり、
    前記軌道の曲率に応じて、前記第一の検出器が作り出した複数層の検知領域から前記第一の側方境界検知領域が選択され、
    前記軌道の曲率に応じて、前記第二の検出器が作り出した複数層の検知領域から前記第二の側方境界検知領域が選択される
    請求項1の軌道走行車両の障害物検知システム。
  6. 前記第三の検出器から前記前方境界領域までの距離が、前記車両の速度を変数とした関数である、請求項2の軌道走行車両の障害物検知システム。
  7. 前記第一の検出器および前記第二の検出器はマルチレイヤLIDARであり、
    前記第三の検出器はカメラである請求項2の軌道走行車両の障害物検知システム。
  8. 軌道上を走行する車両の前方に、
    右側から軌道に侵入する物体を検知する第一の側方境界検知領域と
    左側から前記軌道に侵入する物体を検知する第二の側方境界検知領域とを形成し、
    前記第一の側方境界検知領域と前記第二の側方境界検知領域のどちらかで物体を検知すると前記軌道に障害物が侵入したと判断する軌道走行車両の障害物検知方法。
  9. 前記軌道の進行方向前方の前方境界領域を形成し、
    前記前方境界領域と前記第一の側方境界検知領域と前記第二の側方境界検知領域の少なくとも一つで物体を検知することで、
    前記前方境界領域と前記第一の側方境界検知領域と前記第二の側方境界検知領域で囲まれた領域に障害物が侵入したと判断する
    請求項8の軌道走行車両の障害物検知方法。
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