用于障礙物識別和避開的系統和方法
【專利說明】用于障礙物識別和避開的系統和方法
【背景技術】
[0001] 世界上許多火車事故發生是由于鐵路上或鐵路旁的障礙物的存在，該障礙物以機 車司機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，機車司機的典型決定時間，正在運行的火車的總質量以及火車典 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，機車司機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。需要一種系統和方法來幫助并支持機車司機獲取沿鐵路的物 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。
【發明內容】
[0003] 公開了根據本發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;基于預先準備的規則和參數確 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] 根據本發明的實施方式，所述方法進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] 根據又進一步的實施方式，在火車行駛之前儲存振動概況。
[0006] 根據又進一步的實施方式，所述方法進一步包括火車機車的振動概況的動態研 究。
[0007] 根據又另外的實施方式，所述方法進一步包括在被檢測鐵軌的周圍界定感興趣區 域并且在所述感興趣區域內檢測物體。
[0008] 根據又另外的實施方式，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的IR圖像的所述獲取之間已通過的距離，比較連續的 IR圖像中的所述移動物體的位置;將所述移動物體在連續的IR圖像之間已經移動的所述距 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成威脅。
[0009] 根據本發明的實施方式的用于鐵路障礙物識別的方法進一步包括從全球定位系 統(GPS)單元獲取位置數據;基于所述位置數據追蹤火車的行駛；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] 所述方法進一步包括，將火車前方的鐵軌路段的預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域中的變化，并且基于所述比較檢測障礙物，。
[0011] 根據本發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，所述系統包括: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，被配置為執行前述任意一項權利要求所述 的方法的所述步驟;以及機車司機操作單元，被配置為向使用者呈現所述警報信號。
[0013] -種用于鐵路障礙物識別的系統，其中，所述IR傳感器在范圍為8-12微米的范圍 內可操作。
【附圖說明】
[0014] 在說明書的總結部分具體指出并明顯地要求保護被認為是本發明的本主題。但 是，在結合附圖閱讀時，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 言的本發明及其物體、特征和優點，在附圖中：
[0015] 圖IA和圖IB圖示地描繪了根據本發明的實施方式的配備有用于鐵路障礙物識別 和避開的系統的火車；
[0016] 圖2A為根據本發明的實施方式的用于鐵路障礙物識別和避開的系統的示意方框 圖；
[0017] 圖2B為根據本發明的實施方式的處理和通信單元的示意方框圖；
[0018]圖3為描繪了根據本發明的實施方式的SNR、P0D和FAR的大小之間的關系的示例性 曲線圖；
[0019] 圖4示意性地圖示了根據本發明的實施方式的Mff和LW波長范圍內的IR波長的可轉 移性作為紊動系數；
[0020] 圖5A為根據本發明的實施方式的由IR成像器拍攝的圖像，該圖像呈現了陰影區的 鐵軌部分的可見度；
[0021] 圖5B為根據本發明的實施方式的圖5A中示出的同一場景的過濾之后的鐵軌的圖 像；
[0022] 圖5C為示出了根據本發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為呈現了根據本發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為呈現了根據本發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為呈現了根據本發明的實施方式的用于鐵路障礙物識別和避開的系統操作的 示意流程圖；
[0026] 圖7為呈現了根據本發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。進一步地，在認為適合的地方，可在附圖 中重復參考編號以表明對應的或類似的元件。
【具體實施方式】
[0028]在下面的具體描述中，為了提供對本發明的完全理解，陳述了很多具體細節。但 是，本領域的技術人員將理解本發明可沒有這些具體細節而被實施。在其他例子中，沒有詳 細描述眾所周知的方法、程序和組件，以避免使本發明晦澀。
[0029]雖然就這一點而言本發明的實施方式不受限制，討論使用術語諸如，例如"處理"、 "計算"、"估算"、"確定"、"建立"、"分析"、"檢查"等可指計算機、計算平臺、計算系統或其他 電子計算設備的操作和/或處理，這些設備操縱代表為計算機寄存器和/或存儲器內的物理 (例如電子)量的數據或將該數據轉化為同樣代表為計算機寄存器和/或存儲器或其他信息 存儲介質內的物理量的其他數據，所述存儲介質可儲存指令以執行操作和/或過程。
[0030] 雖然就這一點而言本發明的實施方式不受限制，本文使用的術語"多個"可包括， 例如"多個"或"兩個或兩個以上"。術語"多個"或"多數個"可貫穿整個說明書使用以描述兩 個或兩個以上的組件、設備、元件、單元、參數等。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 間點發生或被執行。
[0031] 根據本發明的實施方式，得到作為益處的事實:使用熱成像方法，鐵路軌道具有可 相對容易地區別于其鄰近的熱足跡。本發明的發明者已經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率的其他材料制成。結果，由于鐵軌 的高熱導率，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上均有區別。
[0032] 如發明者所測量的，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和方法建立具體的 基礎。如在圖5C中可見的（在下文中詳細描述），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] 現參照圖IA和圖1B，圖IA和圖IB圖示地描述了根據本發明的實施方式的配備有系 統100的火車10,系統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車IOA并 且可選擇地包括一個或多個鐵路車廂10B。系統100可安裝在火車機車IOA上并且可包括處 理和通信單元102、機車司機操作單元104、至少一個可選擇地通過相機對準基座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可安裝在機車IOA的前端，也就是火車機車的面對火車行駛方向的一 端，為更好地執行前視，優選地安裝在高的位置，正如圖IA中的火車10的側視圖圖示地描繪 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通常沿著機車IO