用于障礙物識(shí)別和避開(kāi)的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】用于障礙物識(shí)別和避開(kāi)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(jiàn)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(jiàn)。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(jiàn)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(jiàn)度;在意識(shí)到障礙物存在的時(shí)刻火 車的速度和質(zhì)量(總動(dòng)能）；以及障礙物的尺寸、位置和顏色(物體具體可見(jiàn)度）。這些因素中 的每一個(gè)對(duì)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(shí)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(shí)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(cè)到障礙物、確定緊急剎車并使火車停止的距離超過(guò)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(jiàn)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(shí)是必須避開(kāi)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(lái)幫助并支持機(jī)車司機(jī)獲取沿鐵路的物 體、評(píng)估其存在的危險(xiǎn)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(kāi)了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的火車障礙物識(shí)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(duì)行駛的方向；獲取振動(dòng) 概況;基于所述振動(dòng)概況從所述IR圖像過(guò)濾掉振動(dòng)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(duì)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(bào)信號(hào)。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(cè)所述IR圖像中的鐵軌。
[0005] 根據(jù)又進(jìn)一步的實(shí)施方式，在火車行駛之前儲(chǔ)存振動(dòng)概況。
[0006] 根據(jù)又進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述方法進(jìn)一步包括火車機(jī)車的振動(dòng)概況的動(dòng)態(tài)研 究。
[0007] 根據(jù)又另外的實(shí)施方式，所述方法進(jìn)一步包括在被檢測(cè)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(cè)物體。
[0008] 根據(jù)又另外的實(shí)施方式，所述方法包括:在所述接收到的IR幀中估計(jì)移動(dòng)物體的 移動(dòng)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(guò)的距離，比較連續(xù)的 IR圖像中的所述移動(dòng)物體的位置;將所述移動(dòng)物體在連續(xù)的IR圖像之間已經(jīng)移動(dòng)的所述距 離除以所述IR圖像的所述獲取之間的時(shí)間段；以及基于所述移動(dòng)物體的移動(dòng)的速度和方 向，確定該移動(dòng)物體是否對(duì)所述火車構(gòu)成威脅。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于鐵路障礙物識(shí)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(jiàn)度的鐵軌路段時(shí)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(shí)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(cè)障礙物，。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于鐵路障礙物識(shí)別的方法，其中，評(píng)估鐵路條件進(jìn)一 步包括，通過(guò)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(cè)軌道彎曲。
[0012] 公開(kāi)了一種用于鐵路障礙物識(shí)別的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:紅外（IR)傳感器，面對(duì)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(xiàng)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(bào)信號(hào)。
[0013] -種用于鐵路障礙物識(shí)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(shuō)明】
[0014] 在說(shuō)明書(shū)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(shí)，參照下文的【具體實(shí)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(diǎn)，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(shí)施方式的配備有用于鐵路障礙物識(shí)別 和避開(kāi)的系統(tǒng)的火車；
[0016] 圖2A為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于鐵路障礙物識(shí)別和避開(kāi)的系統(tǒng)的示意方框 圖；
[0017] 圖2B為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(shí)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(shí)施方式的Mff和LW波長(zhǎng)范圍內(nèi)的IR波長(zhǎng)的可轉(zhuǎn) 移性作為紊動(dòng)系數(shù)；
[0020] 圖5A為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(jiàn)度；
[0021] 圖5B為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的圖5A中示出的同一場(chǎng)景的過(guò)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(shí)施方式的在沿著鐵軌的兩個(gè)不同點(diǎn)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(shí)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(shí)施方式的兩個(gè)不同的障礙物的高可見(jiàn)度和鐵軌及 背景的高可見(jiàn)度的圖像；
[0025] 圖6為呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于鐵路障礙物識(shí)別和避開(kāi)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(shí)施方式的用于駕駛安全性評(píng)估的示意流程圖；
[0027] 將理解，出于說(shuō)明的簡(jiǎn)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(duì)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(hào)以表明對(duì)應(yīng)的或類似的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0028]在下面的具體描述中，為了提供對(duì)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(méi)有這些具體細(xì)節(jié)而被實(shí)施。在其他例子中，沒(méi)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(diǎn)而言本發(fā)明的實(shí)施方式不受限制，討論使用術(shù)語(yǔ)諸如，例如"處理"、 "計(jì)算"、"估算"、"確定"、"建立"、"分析"、"檢查"等可指計(jì)算機(jī)、計(jì)算平臺(tái)、計(jì)算系統(tǒng)或其他 電子計(jì)算設(shè)備的操作和/或處理，這些設(shè)備操縱代表為計(jì)算機(jī)寄存器和/或存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)寄存器和/或存儲(chǔ)器或其他信息 存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)的物理量的其他數(shù)據(jù)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)可儲(chǔ)存指令以執(zhí)行操作和/或過(guò)程。
[0030] 雖然就這一點(diǎn)而言本發(fā)明的實(shí)施方式不受限制，本文使用的術(shù)語(yǔ)"多個(gè)"可包括， 例如"多個(gè)"或"兩個(gè)或兩個(gè)以上"。術(shù)語(yǔ)"多個(gè)"或"多數(shù)個(gè)"可貫穿整個(gè)說(shuō)明書(shū)使用以描述兩 個(gè)或兩個(gè)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(shí)施方 式不理解為特定的順序或序列。另外，描述的方法實(shí)施方式或其元件中的一些可在同一時(shí) 間點(diǎn)發(fā)生或被執(zhí)行。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，得到作為益處的事實(shí):使用熱成像方法，鐵路軌道具有可 相對(duì)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(shí)到事實(shí)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(zhǎng)路段趨向維持相對(duì)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(gè)參數(shù)上均有區(qū)別。
[0032] 如發(fā)明者所測(cè)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(cè)性，并且為用于鐵路障礙物識(shí)別和避開(kāi)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(jiàn)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(cè)器中，單個(gè)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(gè)灰度是2~5*5〇1111( = 160〇1111( = 1.6°(：(為簡(jiǎn)化討論忽略伽瑪校正）。
[0033] 現(xiàn)參照?qǐng)DIA和圖1B，圖IA和圖IB圖示地描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(shí)別和避開(kāi)。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(gè)或多個(gè)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(gè)可選擇地通過(guò)相機(jī)對(duì)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(duì)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(kāi)視角α ν1，其中央光軸116A以相對(duì)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(jiàn)的，IR傳感器106可具有水平視野117,該視野具 有開(kāi)視角fta，其中央光軸117A通常沿著機(jī)車IO