高速鐵路車載自動避障系統及避障方法
2023-06-09 17:48:11
專利名稱：高速鐵路車載自動避障系統及避障方法
技術領域：
本發明涉及高速鐵路機車的自動控制技術，具體是指一種高速鐵路車載自 動避障系統及避障方法，它用於高速鐵路機車的自動避障。
背景技術：
隨著中國鐵路連續六次提速，使中國的鐵路運輸發生了深刻變化。目前中 國正在加緊建設高速鐵路，高速列車的運行將大大方便人們的外出旅行和貨物 運輸，但速度的提高也意味著更多的安全隱患和安全風險。為確保鐵路運輸安 全，鐵路主管部門相應採取了許多措施，已使我國的鐵路安全得到了比較好的 保障，但由於自然災害和人為破壞等因素，鐵路事故的發生是無法絕對避免的。 減小鐵路事故發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。
列車避障行為的發生來源於避障系統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，它是避障系統分析判斷的基礎，它 直接決定了避障行為的正確與否。考慮到列車的反應時間和剎車時間，避障系 統獲取的路況信息必須來源於列車行駛前方一定距離之外，所以只能採取遙測 的手段。遙測主要分為被動遙測和主動遙測兩種情況；根據目前遙測技術發展 的實際情況來看，在列車自動控制系統中，被動遙測主要基於光學成像，主動 遙測主要基於雷射測距和雷射成像；被動式光學成像受時間、天氣的影響比較 明顯，而且數據量龐大，處理算法複雜，處理速度難以適應於高速列車的預警 需求；雷射測距和雷射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，數據量小，處理算法簡單，處理速度快，非常適合高速列車的預 警需求。
雷射測距和雷射成像的原理在其他領域的應用已經相對成熟，雷射測距利 用雷射脈衝在雷射源和目標之間飛行的時間與光的速度相乘得到距離信息；激 光成像利用雷射照射到目標物上反射回來的光強度信息進行目標物的表面形態 探測。鐵路事故的主要誘發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。過去有人根據微波雷達的思想，提出對列車前方一定範圍進行兩維雷射 掃描，通過探測反射回來的雷射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，具體表現在1、由於列車髙速行駛，雷射兩維掃描系 統必須在儘可能短的時間內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 素點之間就會產生較大的距離差，從而使得獲取的圖像不能真實反映障礙物信 息，而另一方面，高幀頻的雷射束兩維掃描對光機掃描系統的機電設計提出了 相當高的要求，設計難度太大，以至於難以實現；2、由於雷射束是面向列車前 方兩維掃描，導致列車前方的背景目標(比如樹木、建築物等)對雷射回波的 波形造成較大的幹擾，從而使得避障系統的測距精度和準確度降低，障礙物"輪 廓像"扭曲。總之，兩維雷射掃描方法的固有缺點導致了避障系統的有效性和 可靠性大大降低。
發明內容
本發明的目的是要建立一種基於雷射測距原理的適於高速鐵路的車載自動 避障系統和方法，能有效避免過去提出的兩維雷射掃描方法所具有的掃描系統 設計難度大、雷射回波背景幹擾大的缺點，能夠實現列車前方特定距離之外的
路況預警，從而達到列車避障的目的。
如圖1所示，其特徵在於它包括雷射器(1)、光束整形系統(2)、光學 接收器(3)、光探測器(4)、電子學信號採集系統(5)、計算機信號處理系統 (6)。雷射器(1)發射出的雷射束首先通過由光束準直鏡和指向鏡構成的光束
整形系統(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，雷射 回波被光學接收器(3)接收，會聚於光探測器(4)上轉化為電信號，進而被 電子學信號採集系統(5)採集轉化為數位訊號輸送給計算機信號處理系統(6)， 根據數據處理結果對列車前方的路障情況進行實時評估。 本發明高速鐵路車載自動避障方法包括下列步驟-
A. 雷射器(1)以一定重複頻率發射雷射脈衝，雷射束經過兩種可能的整
形方式處理以後，以一定傾斜角度斜向下對前方一定距離外的路基進行掃描
第一種整形方式雷射束被準直為一條平行光線，以一定傾斜角度斜向下 照射到前方一定距離外的路基上，為了使雷射束覆蓋一定寬度的路基，雷射束 採用左右一維掃描技術；第二種整形方式雷射束被整形為"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. 雷射回波被光學接收器(3)接收，會聚到光探測器(4)上轉化為電信 號；根據A中所描述的兩種可能的整形方式，不同的整形方式對應的光探測器 也不同；第一種整形方式對應的探測器是單元探測器，在一維掃描周期內，激 光器的脈衝頻率決定了單元探測器輸出信號的採樣點數；第二種整形方式對應 的探測器是線列器件，針對每一次雷射發射，線列器件中的每個像元都能夠感 應到雷射回波信息。
C. 光探測器(4)輸出的光電信號被電子學信號採集系統(5)採集轉化為
數位訊號輸送給計算機信號處理系統(6)，處理系統根據雷射脈衝發射的初始 時間信息和雷射回波的飛行時間計算出雷射脈衝的飛行距離；由於雷射束以一 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，那麼雷射回波給出的距離信息是相對穩定的，而這個距離可以作為列車 避障的預警距離，換句話說，在這個距離範圍內列車有足夠的時間做出報警、 剎車等反應。如果路基上有障礙物出現，雷射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，計算機信號處理系統(6)
給出的距離值越來越小，表徵著障礙物距離列車機車越來越近，列車必須適時
的做出相應的處理措施，比如報警和剎車；另外，由於雷射束是以一定傾斜角 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，雷射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措施提供更有效、更準確的 判據。
本發明的優點是
(1)雷射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 目標是列車前方固定距離處的障礙物，相應的雷射束掃描方式是一維掃描或者 扇形推掃，避免了掃描系統設計難度大、雷射回波背景幹擾大的缺點。
(2)雷射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 目標是列車前方固定距離處的障礙物，藉助列車自身的前進可以很容易的獲取 障礙物的兩維輪廓像，增加了判據因子，能夠有效降低虛警率。
圖1為本發明的自動避障系統結構示意圖；其中 1——雷射器；2——光束整形系統；
3——光學接收器；
4——光探測器；
5——電子學信號採集系統；
6——計算機信號處理系統；
7——被測障礙物。
圖2為本發明的自動避障系統所採用兩種可能整形方式。
具體實施例方式
下面根據圖1和圖2給出本發明一個較好實施例。 用於高速列車自動避障的系統包括如下幾個部分
1) 雷射器l
雷射器1發射出的光束用於得到雷射回波，從而反演目標的距離信息和輪 廓信息。選用Nd:YAG調Q脈衝雷射器，工作波長1064nm，脈寬3-5ns，最大 脈衝能量lmJ，脈衝能量穩定度±2%，最大脈衝重複頻率20KHz，雷射束髮散 角小於lmrad。
2) 光束整形系統2
光束整形系統2使得雷射束以一定傾斜角度斜向下對前方一定距離外的路 基進行掃描，掃描方式採用一維掃描或者"扇形"推掃。
3) 光學接收器3
光學接收器3用來接收雷射回波，把光能量會聚到光探測器4。
4) 光探測器4
光探測器4用來對雷射回波信號進行光電轉換。
5) 電子學信號採集系統5
電子學信號採集系統5用來對光探測器4輸出的雷射回波的電信號進行採 集、處理和保存。
6)計算機信號處理系統6
計算機信號處理系統6用來對電子學信號採集系統5輸出的數位訊號進行 處理和保存。
權利要求
1.一種高速鐵路的車載自動避障系統，其特徵在於它包括雷射器(1)、光束整形系統(2)、光學接收器(3)、光探測器(4)、電子學信號採集系統(5)、計算機信號處理系統(6)；雷射器(1)採用Nd:YAG調Q脈衝雷射器，光束整形系統(2)可產生平行線形掃描光線，還可以產生扇形光線，光探測器(4)在採用平行線形掃描光線探測時為單元探測器，在採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，其特徵在於它包括如下步驟A. 雷射器(1)以一定重複頻率發射雷射脈衝，雷射束經過整形處理以後， 以一定傾斜角度斜向下對前方一定距離外的路基進行掃描；B. 雷射回波被光學接收器(3)接收，會聚到光探測器(4)上轉化為電信 號，在採用平行線形掃描光線探測時，對應的探測器是單元探測器，在一維掃 描周期內，雷射器的脈衝頻率決定了單元探測器輸出信號的採樣點數；在採用 平行線形掃描光線探測時對應的探測器是線列器件，針對每一次雷射發射，線 列器件中的每個像元都能夠感應到雷射回波信息；C. 光探測器(4)輸出的光電信號被電子學信號採集系統(5)採集轉化為 數位訊號輸送給計算機信號處理系統(6)，處理系統根據雷射脈衝發射的初始 時間信息和雷射回波的飛行時間計算出雷射脈衝的飛行距離，當雷射回波給出 的距離信息是相對穩定時，表明路基上沒有障礙物，這個距離可以作為列車避 障的預警距離，即在這個距離範圍內列車有足夠的時間做出報警、剎車等反應； 當計算機信號處理系統(6)給出的距離值越來越小，表徵著障礙物距離列車機 車越來越近，系統會做出相應的處理措施，比如報警和剎車。
全文摘要
本發明公開了一種高速鐵路的車載自動避障系統及避障方法，它用於高速行駛列車的自動避障。本發明的自動避障系統包括雷射器、光束整形器、光學接收器、光探測器、電子學信號採集系統、計算機信號處理系統。本發明的自動避障方法基於雷射測距原理，特徵在於使得雷射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警距離；如果路基上沒有障礙物，那麼雷射回波給出的距離信息是相對穩定的，如果路基上有障礙物出現，隨著列車的前行，雷射回波給出障礙物的距離信息和輪廓信息，為列車採取報警、剎車等措施提供判斷依據。
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 優先權日2008年9月3日
發明者亓洪興, 李正文, 俊 楊, 潘明忠, 嶸 舒 申請人:中國科學院上海技術物理研究所