專利名稱：高速鐵路車載自動避障系統(tǒng)及避障方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速鐵路機(jī)車的自動控制技術(shù)，具體是指一種高速鐵路車載自 動避障系統(tǒng)及避障方法，它用于高速鐵路機(jī)車的自動避障。
背景技術(shù)：
隨著中國鐵路連續(xù)六次提速，使中國的鐵路運(yùn)輸發(fā)生了深刻變化。目前中 國正在加緊建設(shè)高速鐵路，高速列車的運(yùn)行將大大方便人們的外出旅行和貨物 運(yùn)輸，但速度的提高也意味著更多的安全隱患和安全風(fēng)險。為確保鐵路運(yùn)輸安 全，鐵路主管部門相應(yīng)采取了許多措施，已使我國的鐵路安全得到了比較好的 保障，但由于自然災(zāi)害和人為破壞等因素，鐵路事故的發(fā)生是無法絕對避免的。 減小鐵路事故發(fā)生率的一條重要途徑是提高列車的自動化控制水平，其中一個 很重要的方面就是提高列車在行駛過程中的自動避障能力。
列車避障行為的發(fā)生來源于避障系統(tǒng)對列車前方路況信息的獲取、分析和 判斷，其中，路況信息的獲取是最重要的，它是避障系統(tǒng)分析判斷的基礎(chǔ)，它 直接決定了避障行為的正確與否?？紤]到列車的反應(yīng)時間和剎車時間，避障系 統(tǒng)獲取的路況信息必須來源于列車行駛前方一定距離之外，所以只能采取遙測 的手段。遙測主要分為被動遙測和主動遙測兩種情況；根據(jù)目前遙測技術(shù)發(fā)展 的實(shí)際情況來看，在列車自動控制系統(tǒng)中，被動遙測主要基于光學(xué)成像，主動 遙測主要基于激光測距和激光成像；被動式光學(xué)成像受時間、天氣的影響比較 明顯，而且數(shù)據(jù)量龐大，處理算法復(fù)雜，處理速度難以適應(yīng)于高速列車的預(yù)警 需求；激光測距和激光成像受時間和天氣的影響較小，基本上可以做到全天候、
全天時工作，數(shù)據(jù)量小，處理算法簡單，處理速度快，非常適合高速列車的預(yù) 警需求。
激光測距和激光成像的原理在其他領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，激光測距利 用激光脈沖在激光源和目標(biāo)之間飛行的時間與光的速度相乘得到距離信息；激 光成像利用激光照射到目標(biāo)物上反射回來的光強(qiáng)度信息進(jìn)行目標(biāo)物的表面形態(tài) 探測。鐵路事故的主要誘發(fā)因素是某種原因引起的鐵路軌道的劇烈形變或者路 基上大體積障礙物的阻隔，比如地震引起的鐵軌變形，洪水引起的塌方，泥石 流等。過去有人根據(jù)微波雷達(dá)的思想，提出對列車前方一定范圍進(jìn)行兩維激光 掃描，通過探測反射回來的激光回波提取可能障礙物的距離信息和輪廓信息； 這種思想存在顯著缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在1、由于列車髙速行駛，激光兩維掃描系 統(tǒng)必須在盡可能短的時間內(nèi)獲取列車前方的兩維"距離像"和"輪廓像"，也就 是要獲取高幀頻的兩維"距離像"和"輪廓像"，否則，同一幅"像面"上的像 素點(diǎn)之間就會產(chǎn)生較大的距離差，從而使得獲取的圖像不能真實(shí)反映障礙物信 息，而另一方面，高幀頻的激光束兩維掃描對光機(jī)掃描系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)計提出了 相當(dāng)高的要求，設(shè)計難度太大，以至于難以實(shí)現(xiàn)；2、由于激光束是面向列車前 方兩維掃描，導(dǎo)致列車前方的背景目標(biāo)(比如樹木、建筑物等)對激光回波的 波形造成較大的干擾，從而使得避障系統(tǒng)的測距精度和準(zhǔn)確度降低，障礙物"輪 廓像"扭曲?？傊?，兩維激光掃描方法的固有缺點(diǎn)導(dǎo)致了避障系統(tǒng)的有效性和 可靠性大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要建立一種基于激光測距原理的適于高速鐵路的車載自動 避障系統(tǒng)和方法，能有效避免過去提出的兩維激光掃描方法所具有的掃描系統(tǒng) 設(shè)計難度大、激光回波背景干擾大的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)列車前方特定距離之外的
路況預(yù)警，從而達(dá)到列車避障的目的。
如圖1所示，其特征在于它包括激光器(1)、光束整形系統(tǒng)(2)、光學(xué) 接收器(3)、光探測器(4)、電子學(xué)信號采集系統(tǒng)(5)、計算機(jī)信號處理系統(tǒng) (6)。激光器(1)發(fā)射出的激光束首先通過由光束準(zhǔn)直鏡和指向鏡構(gòu)成的光束
整形系統(tǒng)(2)，以一定傾斜角度斜向下照射到前方一定距離外的路基上，激光 回波被光學(xué)接收器(3)接收，會聚于光探測器(4)上轉(zhuǎn)化為電信號，進(jìn)而被 電子學(xué)信號采集系統(tǒng)(5)采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸送給計算機(jī)信號處理系統(tǒng)(6)， 根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果對列車前方的路障情況進(jìn)行實(shí)時評估。 本發(fā)明高速鐵路車載自動避障方法包括下列步驟-
A. 激光器(1)以一定重復(fù)頻率發(fā)射激光脈沖，激光束經(jīng)過兩種可能的整
形方式處理以后，以一定傾斜角度斜向下對前方一定距離外的路基進(jìn)行掃描
第一種整形方式激光束被準(zhǔn)直為一條平行光線，以一定傾斜角度斜向下 照射到前方一定距離外的路基上，為了使激光束覆蓋一定寬度的路基，激光束 采用左右一維掃描技術(shù)；第二種整形方式激光束被整形為"扇形"光線，光
線以一定傾斜角度斜向下照射到前方一定距離外的路基上，就像一把掃帚向前
推掃，"扇形"光線無須掃描就能夠覆蓋一定寬度的路基；
B. 激光回波被光學(xué)接收器(3)接收，會聚到光探測器(4)上轉(zhuǎn)化為電信 號；根據(jù)A中所描述的兩種可能的整形方式，不同的整形方式對應(yīng)的光探測器 也不同；第一種整形方式對應(yīng)的探測器是單元探測器，在一維掃描周期內(nèi)，激 光器的脈沖頻率決定了單元探測器輸出信號的采樣點(diǎn)數(shù)；第二種整形方式對應(yīng) 的探測器是線列器件，針對每一次激光發(fā)射，線列器件中的每個像元都能夠感 應(yīng)到激光回波信息。
C. 光探測器(4)輸出的光電信號被電子學(xué)信號采集系統(tǒng)(5)采集轉(zhuǎn)化為
數(shù)字信號輸送給計算機(jī)信號處理系統(tǒng)(6)，處理系統(tǒng)根據(jù)激光脈沖發(fā)射的初始 時間信息和激光回波的飛行時間計算出激光脈沖的飛行距離；由于激光束以一 定傾斜角度斜向下照射到前方一定距離外的路基上，因此，如果路基上沒有障 礙物，那么激光回波給出的距離信息是相對穩(wěn)定的，而這個距離可以作為列車 避障的預(yù)警距離，換句話說，在這個距離范圍內(nèi)列車有足夠的時間做出報警、 剎車等反應(yīng)。如果路基上有障礙物出現(xiàn)，激光束將照射在障礙物上，反射的回
波信號攜帶著障礙物的距離信息，隨著列車的前行，計算機(jī)信號處理系統(tǒng)(6)
給出的距離值越來越小，表征著障礙物距離列車機(jī)車越來越近，列車必須適時
的做出相應(yīng)的處理措施，比如報警和剎車；另外，由于激光束是以一定傾斜角 度斜向下照射，所以，無論哪一種整形方式(一維掃描或者"扇形"推掃)，隨 著障礙物距離車輛越來越近，激光束將形成對障礙物的兩維掃描，能夠給出障 礙物的輪廓信息，從而給列車的報警和剎車等反應(yīng)措施提供更有效、更準(zhǔn)確的 判據(jù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
(1)激光束以一定傾斜角度斜向下照射到前方一定距離外的路基上，探測 目標(biāo)是列車前方固定距離處的障礙物，相應(yīng)的激光束掃描方式是一維掃描或者 扇形推掃，避免了掃描系統(tǒng)設(shè)計難度大、激光回波背景干擾大的缺點(diǎn)。
(2)激光束以一定傾斜角度斜向下照射到前方一定距離外的路基上，探測 目標(biāo)是列車前方固定距離處的障礙物，借助列車自身的前進(jìn)可以很容易的獲取 障礙物的兩維輪廓像，增加了判據(jù)因子，能夠有效降低虛警率。


圖1為本發(fā)明的自動避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；其中 1——激光器；2——光束整形系統(tǒng)；
3——光學(xué)接收器；
4——光探測器；
5——電子學(xué)信號采集系統(tǒng)；
6——計算機(jī)信號處理系統(tǒng)；
7——被測障礙物。
圖2為本發(fā)明的自動避障系統(tǒng)所采用兩種可能整形方式。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)圖1和圖2給出本發(fā)明一個較好實(shí)施例。 用于高速列車自動避障的系統(tǒng)包括如下幾個部分
1) 激光器l
激光器1發(fā)射出的光束用于得到激光回波，從而反演目標(biāo)的距離信息和輪 廓信息。選用Nd:YAG調(diào)Q脈沖激光器，工作波長1064nm，脈寬3-5ns，最大 脈沖能量lmJ，脈沖能量穩(wěn)定度±2%，最大脈沖重復(fù)頻率20KHz，激光束發(fā)散 角小于lmrad。
2) 光束整形系統(tǒng)2
光束整形系統(tǒng)2使得激光束以一定傾斜角度斜向下對前方一定距離外的路 基進(jìn)行掃描，掃描方式采用一維掃描或者"扇形"推掃。
3) 光學(xué)接收器3
光學(xué)接收器3用來接收激光回波，把光能量會聚到光探測器4。
4) 光探測器4
光探測器4用來對激光回波信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
5) 電子學(xué)信號采集系統(tǒng)5
電子學(xué)信號采集系統(tǒng)5用來對光探測器4輸出的激光回波的電信號進(jìn)行采 集、處理和保存。
6)計算機(jī)信號處理系統(tǒng)6
計算機(jī)信號處理系統(tǒng)6用來對電子學(xué)信號采集系統(tǒng)5輸出的數(shù)字信號進(jìn)行 處理和保存。
權(quán)利要求
1.一種高速鐵路的車載自動避障系統(tǒng)，其特征在于它包括激光器(1)、光束整形系統(tǒng)(2)、光學(xué)接收器(3)、光探測器(4)、電子學(xué)信號采集系統(tǒng)(5)、計算機(jī)信號處理系統(tǒng)(6)；激光器(1)采用Nd:YAG調(diào)Q脈沖激光器，光束整形系統(tǒng)(2)可產(chǎn)生平行線形掃描光線，還可以產(chǎn)生扇形光線，光探測器(4)在采用平行線形掃描光線探測時為單元探測器，在采用扇形光線探測時是線列探測器。
2. —種高速鐵路的車載自動避障方法，其特征在于它包括如下步驟A. 激光器(1)以一定重復(fù)頻率發(fā)射激光脈沖，激光束經(jīng)過整形處理以后， 以一定傾斜角度斜向下對前方一定距離外的路基進(jìn)行掃描；B. 激光回波被光學(xué)接收器(3)接收，會聚到光探測器(4)上轉(zhuǎn)化為電信 號，在采用平行線形掃描光線探測時，對應(yīng)的探測器是單元探測器，在一維掃 描周期內(nèi)，激光器的脈沖頻率決定了單元探測器輸出信號的采樣點(diǎn)數(shù)；在采用 平行線形掃描光線探測時對應(yīng)的探測器是線列器件，針對每一次激光發(fā)射，線 列器件中的每個像元都能夠感應(yīng)到激光回波信息；C. 光探測器(4)輸出的光電信號被電子學(xué)信號采集系統(tǒng)(5)采集轉(zhuǎn)化為 數(shù)字信號輸送給計算機(jī)信號處理系統(tǒng)(6)，處理系統(tǒng)根據(jù)激光脈沖發(fā)射的初始 時間信息和激光回波的飛行時間計算出激光脈沖的飛行距離，當(dāng)激光回波給出 的距離信息是相對穩(wěn)定時，表明路基上沒有障礙物，這個距離可以作為列車避 障的預(yù)警距離，即在這個距離范圍內(nèi)列車有足夠的時間做出報警、剎車等反應(yīng)； 當(dāng)計算機(jī)信號處理系統(tǒng)(6)給出的距離值越來越小，表征著障礙物距離列車機(jī) 車越來越近，系統(tǒng)會做出相應(yīng)的處理措施，比如報警和剎車。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速鐵路的車載自動避障系統(tǒng)及避障方法，它用于高速行駛列車的自動避障。本發(fā)明的自動避障系統(tǒng)包括激光器、光束整形器、光學(xué)接收器、光探測器、電子學(xué)信號采集系統(tǒng)、計算機(jī)信號處理系統(tǒng)。本發(fā)明的自動避障方法基于激光測距原理，特征在于使得激光束以一定傾斜角度斜向下照射到前方一定距離外的路基上，而這個距離作為列車避障的預(yù)警距離；如果路基上沒有障礙物，那么激光回波給出的距離信息是相對穩(wěn)定的，如果路基上有障礙物出現(xiàn)，隨著列車的前行，激光回波給出障礙物的距離信息和輪廓信息，為列車采取報警、剎車等措施提供判斷依據(jù)。
文檔編號B61L23/00GK101357642SQ20081004243
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者亓洪興, 李正文, 俊 楊, 潘明忠, 嶸 舒 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所