Design of subway train obstacle detection system based on multi-technology integration
黃 濤,呂紅強(qiáng),王 維HUANG tao, LYU Hong-qiang, WANG wei(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,南京 210031)
基于多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
Design of subway train obstacle detection system based on multi-technology integration
黃 濤,呂紅強(qiáng),王 維
HUANG tao, LYU Hong-qiang, WANG wei
(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,南京 210031)
無人駕駛列車是今后城市軌道交通的發(fā)展方向,實(shí)現(xiàn)對(duì)無人駕駛列車軌道前方的障礙物的自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別是實(shí)現(xiàn)列車無人駕駛的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù),基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物識(shí)別系統(tǒng)克服以上單一傳感器檢測(cè)技術(shù)的不足,實(shí)現(xiàn)無人駕駛列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)障礙物的高效檢測(cè)與識(shí)別,可以在不同氣候、不同天氣、不同環(huán)境下都可以正常工作,提高了無人駕駛運(yùn)營(yíng)列車的安全性。
城市軌道交通;無人駕駛;障礙物檢測(cè);激光雷達(dá);紅外攝像機(jī);3D攝像機(jī);無線電雷達(dá);超聲波傳感器
目前國(guó)內(nèi)地鐵列車基本都采用有人駕駛運(yùn)行方式,由司機(jī)操作列車并負(fù)責(zé)瞭望列車運(yùn)行前方軌道確保無障礙物落入軌道區(qū)間,隨著城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)一些大城市提出建設(shè)全自動(dòng)無人駕駛地鐵列車,提高運(yùn)行效率。2014年8月,國(guó)內(nèi)首條全自動(dòng)無人駕駛線路上海10號(hào)線開通運(yùn)營(yíng),其無人駕駛列車車頭下方安裝了一個(gè)基于機(jī)械觸發(fā)原理的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)用于代替司機(jī)對(duì)前方線路瞭望功能,其基本原理是在列車高速運(yùn)行中撞到障礙物后將觸發(fā)列車車頭下方安裝的機(jī)械行程桿運(yùn)動(dòng),進(jìn)而觸發(fā)繼電器開關(guān)電路,使列車緊急停車。該方案存在明顯不足之處,即不能對(duì)列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)的障礙物實(shí)現(xiàn)提前檢測(cè)與預(yù)警,提高行車安全,另一方面通過機(jī)械的碰撞實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測(cè)不可避免地對(duì)車輛設(shè)備造成損傷。本文提出了一種基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的障礙物識(shí)別系統(tǒng)對(duì)軌道中存在的異常物體進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別,該系統(tǒng)安裝在無人駕駛列車車頭前方,列車運(yùn)行中各種傳感器同時(shí)工作,將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到障礙物處理主機(jī)由主機(jī)進(jìn)行智能分析處理判斷是否為障礙物以及障礙物的距離。
圖1 多技術(shù)融合的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
多技術(shù)融合的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)主要由五大模塊組成(如圖1所示),分別為傳感器及傳感器融合模塊、行為分析模塊、用戶接口模塊、列車接口模塊、全局服務(wù)模塊。
圖2 傳感器檢測(cè)效果矩陣
傳感器及傳感器融合模塊主要進(jìn)行列車運(yùn)行前方環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和整合,并將采集的障礙物按照障礙物、參照物、無關(guān)物進(jìn)行分類列表建立數(shù)據(jù)庫。由于地鐵列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜,對(duì)列車運(yùn)營(yíng)安全性要求較高,單一傳感存在不足(如圖2所示),通過多種傳感器技術(shù)相互融合的技術(shù)可以很好的克服單一傳感器技術(shù)的不足,提高系統(tǒng)的檢測(cè)效果。
行為分析模塊主要通過周期性的采集傳感器融合模塊檢測(cè)到的障礙物信息進(jìn)行列車運(yùn)行控制操作,比如列車加速、減速控制等;
用戶接口模塊主要是一臺(tái)觸摸顯示器,該顯示屏提供列車基本的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)信息,以及列車前方障礙物、參照物、無關(guān)物體信息清單,并設(shè)有一個(gè)緊急制動(dòng)停車按鈕,主要在調(diào)試期間使用。
列車接口模塊主要為列車的牽引和制動(dòng)控制單元,其主要為車輛牽引動(dòng)力單元和列車制動(dòng)停車控制單元兩個(gè)部分組成。
全局服務(wù)模塊為障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的上位管理主機(jī)主要用于障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行信息存儲(chǔ)和運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和管理。
多技術(shù)融合的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)基于研華成熟的Mini-ITX工控硬件平臺(tái)設(shè)計(jì),軟件采用Jave語言進(jìn)行開發(fā),每個(gè)傳感器設(shè)一個(gè)獨(dú)立的線程,每個(gè)傳感器數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)據(jù)融合點(diǎn)設(shè)有一個(gè)獨(dú)立的線程,每個(gè)障礙物的觸發(fā)處理設(shè)一個(gè)獨(dú)立的線程,每個(gè)線程通過一個(gè)共享的全局模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳遞,具體的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)
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為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和有效性,對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際路況測(cè)試,檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作效果。多技術(shù)融合的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的顯示器設(shè)有各種傳感器模式下采集的圖形信息,圖4為激光雷達(dá)識(shí)別出軌道旁邊電線桿,并計(jì)算出電線桿的距離。圖5為紅外線傳感器識(shí)別出軌道內(nèi)的異常物體。
圖4 激光雷達(dá)傳感器工作效果圖
本文通過基于激光雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、3D攝像機(jī)、無線電雷達(dá)、超聲波傳感器等多技術(shù)融合的地鐵列車障礙物識(shí)別系統(tǒng),克服單一傳感器技術(shù)檢測(cè)的不足,實(shí)現(xiàn)列車前方障礙物的實(shí)時(shí)檢測(cè),代替了司機(jī)的瞭望值守功能,比目前上海十號(hào)線機(jī)械式的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)在技術(shù)手段上更先進(jìn),有效提高了列車運(yùn)行的安全性,但是目前該障礙物檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)還存在不足,比如在復(fù)雜的光照和雨雪天氣下會(huì)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和檢測(cè)距離產(chǎn)生不良影響,并存在障礙物誤報(bào)問題,因此需要在以后的工作中進(jìn)一步的完善各種傳感器數(shù)據(jù)處理算法,提高系統(tǒng)對(duì)障礙物檢測(cè)的精度和可靠性。
圖5 紅外傳感器工作效果圖
[1] 朱翔,王大慶.城市軌道交通無人駕駛技術(shù)的若干應(yīng)用問題[J].城市軌道交通研究,2006,9(12):36-38.
[2] 柴貴蘭.列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與研究[J].科技信息,2010,(17):79-79,49.
[3] 范立南,韓曉微,張廣淵.圖像處理與模式識(shí)別[M].北京:科學(xué)出版社,2007.
[4] 鄧志紅,劉明陽,付夢(mèng)印.一種改進(jìn)的視覺傳感器與激光測(cè)距雷達(dá)特征匹配點(diǎn)提取算法[J].光學(xué)技術(shù),2010,36(1):43-47.
TP391
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1009-0134(2016)08-0059-03
2016-05-27
黃濤(1981 -),男,江蘇南京人,高級(jí)工程師,本科,主要從事列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研發(fā)工作。