用于障礙物識別和避開的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于障礙物識別和避開的系統(tǒng)和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 世界上許多火車事故發(fā)生是由于鐵路上或鐵路旁的障礙物的存在，該障礙物以機(jī) 車司機(jī)看不見的形式存在或在不允許避免撞上該障礙物的距離范圍內(nèi)可見。避免這樣的障 礙物的沖擊取決于各種因素，包括例如，取決于環(huán)境和天氣的可見度;取決于鐵軌軌道形式 (彎曲、隧道等)和地形(遮擋視線的小山、巖石等）的可見度;在意識到障礙物存在的時刻火 車的速度和質(zhì)量(總動能）；以及障礙物的尺寸、位置和顏色(物體具體可見度）。這些因素中 的每一個對于為避免障礙物事故而停止正在運(yùn)行的火車所要求的距離和時間都有直接影 響。一些直接影響完全停止距離，一些影響注意到物體并將該物體界定為障礙物的能力。
[0002] 在很多情況下，機(jī)車司機(jī)的典型決定時間，正在運(yùn)行的火車的總質(zhì)量以及火車典 型的行駛速度表明檢測到障礙物、確定緊急剎車并使火車停止的距離超過1-2千米。這樣的 距離表明為了避免障礙物事故，機(jī)車司機(jī)需要能夠看見距離兩千米或類似距離的物體，并 且能夠確定觀察到的物體是否確實是必須避開的障礙物，之后能夠操作剎車工具一一所有 都要在剎車距離用盡之前。需要一種系統(tǒng)和方法來幫助并支持機(jī)車司機(jī)獲取沿鐵路的物 體、評估其存在的危險并且采取操作決定，確定是否需要火車剎車一一所有這些都要足夠 快以允許火車在撞上障礙物之前安全剎車。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 公開了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的火車障礙物識別的方法，所述方法包括:從安裝 在火車機(jī)車上的紅外（IR)傳感器接收紅外圖像，所述IR傳感器面對行駛的方向；獲取振動 概況;基于所述振動概況從所述IR圖像過濾掉振動的影響;基于預(yù)先準(zhǔn)備的規(guī)則和參數(shù)確 定所述IR圖像是否包含障礙物圖像以及該障礙物是否對所述火車的行駛形成威脅;以及如 果所述IR圖像包含障礙物的圖像，提供警報信號。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式，所述方法進(jìn)一步包括基于鐵軌和它們的背景之間的溫度 差檢測所述IR圖像中的鐵軌。
[0005] 根據(jù)又進(jìn)一步的實施方式，在火車行駛之前儲存振動概況。
[0006] 根據(jù)又進(jìn)一步的實施方式，所述方法進(jìn)一步包括火車機(jī)車的振動概況的動態(tài)研 究。
[0007] 根據(jù)又另外的實施方式，所述方法進(jìn)一步包括在被檢測鐵軌的周圍界定感興趣區(qū) 域并且在所述感興趣區(qū)域內(nèi)檢測物體。
[0008] 根據(jù)又另外的實施方式，所述方法包括:在所述接收到的IR幀中估計移動物體的 移動方向；考慮所述火車在所述連續(xù)的IR圖像的所述獲取之間已通過的距離，比較連續(xù)的 IR圖像中的所述移動物體的位置;將所述移動物體在連續(xù)的IR圖像之間已經(jīng)移動的所述距 離除以所述IR圖像的所述獲取之間的時間段；以及基于所述移動物體的移動的速度和方 向，確定該移動物體是否對所述火車構(gòu)成威脅。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于鐵路障礙物識別的方法進(jìn)一步包括從全球定位系 統(tǒng)(GPS)單元獲取位置數(shù)據(jù);基于所述位置數(shù)據(jù)追蹤火車的行駛；以及在所述火車靠近具有 有限可見度的鐵軌路段時提供信息。
[0010] 所述方法進(jìn)一步包括，將火車前方的鐵軌路段的預(yù)存圖像與在火車行駛中獲取的 幀比較以便核實所述鐵軌和所述鐵軌鄰近區(qū)域中的變化，并且基于所述比較檢測障礙物，。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于鐵路障礙物識別的方法，其中，評估鐵路條件進(jìn)一 步包括，通過觀察在獲取的鐵路圖像中的鐵軌的兩條軌道之間的距離，檢測軌道彎曲。
[0012] 公開了一種用于鐵路障礙物識別的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:紅外（IR)傳感器，面對行 駛方向安裝，以便獲取IR圖像;處理和通信單元，被配置為執(zhí)行前述任意一項權(quán)利要求所述 的方法的所述步驟;以及機(jī)車司機(jī)操作單元，被配置為向使用者呈現(xiàn)所述警報信號。
[0013] -種用于鐵路障礙物識別的系統(tǒng)，其中，所述IR傳感器在范圍為8-12微米的范圍 內(nèi)可操作。
【附圖說明】
[0014] 在說明書的總結(jié)部分具體指出并明顯地要求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的本主題。但 是，在結(jié)合附圖閱讀時，參照下文的【具體實施方式】可最好地理解就組織和操作方法兩者而 言的本發(fā)明及其物體、特征和優(yōu)點，在附圖中：
[0015] 圖IA和圖IB圖示地描繪了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的配備有用于鐵路障礙物識別 和避開的系統(tǒng)的火車；
[0016] 圖2A為根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于鐵路障礙物識別和避開的系統(tǒng)的示意方框 圖；
[0017] 圖2B為根據(jù)本發(fā)明的實施方式的處理和通信單元的示意方框圖；
[0018]圖3為描繪了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的SNR、P0D和FAR的大小之間的關(guān)系的示例性 曲線圖；
[0019] 圖4示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的Mff和LW波長范圍內(nèi)的IR波長的可轉(zhuǎn) 移性作為紊動系數(shù)；
[0020] 圖5A為根據(jù)本發(fā)明的實施方式的由IR成像器拍攝的圖像，該圖像呈現(xiàn)了陰影區(qū)的 鐵軌部分的可見度；
[0021] 圖5B為根據(jù)本發(fā)明的實施方式的圖5A中示出的同一場景的過濾之后的鐵軌的圖 像；
[0022] 圖5C為示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在沿著鐵軌的兩個不同點上的鐵軌的溫 度變化并示出了鐵軌與它們的背景之間的溫度差異的圖像；
[0023]圖5D為呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的距離成像器0.5km的位于鐵軌之間的障礙 物、鐵軌之間的背景與鐵軌之間的溫度差異的圖像；
[0024]圖5E為呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的兩個不同的障礙物的高可見度和鐵軌及 背景的高可見度的圖像；
[0025] 圖6為呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于鐵路障礙物識別和避開的系統(tǒng)操作的 示意流程圖；
[0026] 圖7為呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于駕駛安全性評估的示意流程圖；
[0027] 將理解，出于說明的簡化和清楚，在附圖中示出的元件不一定按比例繪出。例如， 出于清楚一些元件的尺寸可相對于其他元件夸大。進(jìn)一步地，在認(rèn)為適合的地方，可在附圖 中重復(fù)參考編號以表明對應(yīng)的或類似的元件。
【具體實施方式】
[0028]在下面的具體描述中，為了提供對本發(fā)明的完全理解，陳述了很多具體細(xì)節(jié)。但 是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解本發(fā)明可沒有這些具體細(xì)節(jié)而被實施。在其他例子中，沒有詳 細(xì)描述眾所周知的方法、程序和組件，以避免使本發(fā)明晦澀。
[0029]雖然就這一點而言本發(fā)明的實施方式不受限制，討論使用術(shù)語諸如，例如"處理"、 "計算"、"估算"、"確定"、"建立"、"分析"、"檢查"等可指計算機(jī)、計算平臺、計算系統(tǒng)或其他 電子計算設(shè)備的操作和/或處理，這些設(shè)備操縱代表為計算機(jī)寄存器和/或存儲器內(nèi)的物理 (例如電子)量的數(shù)據(jù)或?qū)⒃摂?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同樣代表為計算機(jī)寄存器和/或存儲器或其他信息 存儲介質(zhì)內(nèi)的物理量的其他數(shù)據(jù)，所述存儲介質(zhì)可儲存指令以執(zhí)行操作和/或過程。
[0030] 雖然就這一點而言本發(fā)明的實施方式不受限制，本文使用的術(shù)語"多個"可包括， 例如"多個"或"兩個或兩個以上"。術(shù)語"多個"或"多數(shù)個"可貫穿整個說明書使用以描述兩 個或兩個以上的組件、設(shè)備、元件、單元、參數(shù)等。除非清楚地陳述，本文描述的方法實施方 式不理解為特定的順序或序列。另外，描述的方法實施方式或其元件中的一些可在同一時 間點發(fā)生或被執(zhí)行。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式，得到作為益處的事實:使用熱成像方法，鐵路軌道具有可 相對容易地區(qū)別于其鄰近的熱足跡。本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)意識到事實是火車鐵軌由金屬制 成并且基于軌枕，軌枕由混凝土材料或通常具有低熱導(dǎo)率的其他材料制成。結(jié)果，由于鐵軌 的高熱導(dǎo)率，金屬鐵軌沿著鐵路的很長路段趨向維持相對相等的溫度，而鐵軌附近的地面 保持具有比鐵軌溫度均勻性水平低的均勻性的附近溫度。另外，由于火車鐵軌和通常包括 在地面的材料之間的熱導(dǎo)率和比熱的不同，很明顯，沿著鐵路的溫度劃分和溫度水平與其 附近的地面至少在兩個參數(shù)上均有區(qū)別。
[0032] 如發(fā)明者所測量的，鐵軌和鐵軌背景的地面的典型溫度差異為15-20度，而沿著鐵 軌的鐵軌溫度差異顯示為沿著Ikm小于2度的差異。這可確保由IR傳感器拍攝的圖像幀內(nèi)的 鐵軌的好的可檢測性，并且為用于鐵路障礙物識別和避開的熱成像系統(tǒng)和方法建立具體的 基礎(chǔ)。如在圖5C中可見的（在下文中詳細(xì)描述），例如，物體之間的差異為20灰度。在典型的 檢測器中，單個灰度通常代表全部范圍為13比特的50mK度。圖5C中的圖像由8比特成像裝置 拍攝，因此圖5C中的每一個灰度是2~5*5〇1111( = 160〇1111( = 1.6°(：(為簡化討論忽略伽瑪校正）。
[0033] 現(xiàn)參照圖IA和圖1B，圖IA和圖IB圖示地描述了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的配備有系 統(tǒng)100的火車10,系統(tǒng)100用于鐵路障礙物識別和避開。火車10在其前端包括火車機(jī)車IOA并 且可選擇地包括一個或多個鐵路車廂10B。系統(tǒng)100可安裝在火車機(jī)車IOA上并且可包括處 理和通信單元102、機(jī)車司機(jī)操作單元104、至少一個可選擇地通過相機(jī)對準(zhǔn)基座106A安置 的紅外（IR)前視傳感器106,并且可選擇地包括通信天線108。
[0034] IR傳感器106可安裝在機(jī)車IOA的前端，也就是火車機(jī)車的面對火車行駛方向的一 端，為更好地執(zhí)行前視，優(yōu)選地安裝在高的位置，正如圖IA中的火車10的側(cè)視圖圖示地描繪 的。IR傳感器106可具有豎直的視野116,該視野具有開視角α ν1，其中央光軸116A以相對于水 平面以角度αν2傾斜。
[0035] 如圖IB中的火車10的俯視圖可見的，IR傳感器106可具有水平視野117,該視野具 有開視角fta，其中央光軸117A通常沿著機(jī)車IO