[發明專利]高速鐵路車載自動避障系統及避障方法

無效

• 申請號: 200810042431.9
• 申請日: 2008-09-03
• 公開（公告）號: CN101357642A
• 公開（公告）日: 2009-02-04
• 發明（設計）人: 舒嶸;亓洪興;潘明忠;李正文;楊俊
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: B61L23/00
• 分類號: B61L23/00;G01S17/08;G01S17/93
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 郭英

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，它用于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于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，被動遙測主要基于光學成像，主動遙測主要基于激光測距和激光成像；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，處理算法復雜，處理速度難以適應于高速列車的預警需求；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。

激光測距和激光成像的原理在其他領域的應用已經相對成熟，激光測距利用激光脈沖在激光源和目標之間飛行的時間與光的速度相乘得到距離信息；激光成像利用激光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范圍進行兩維激光掃描，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，具體表現在：1、由于列車高速行駛，激光兩維掃描系統必須在盡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，高幀頻的激光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，以至于難以實現；2、由于激光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，從而使得避障系統的測距精度和準確度降低，障礙物“輪廓像”扭曲。總之，兩維激光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于激光測距原理的適于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激光掃描方法所具有的掃描系統設計難度大、激光回波背景干擾大的缺點，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，其特征在于：它包括激光器(1)、光束整形系統(2)、光學接收器(3)、光探測器(4)、電子學信號采集系統(5)、計算機信號處理系統(6)。激光器(1)發射出的激光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，激光回波被光學接收器(3)接收，會聚于光探測器(4)上轉化為電信號，進而被電子學信號采集系統(5)采集轉化為數字信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.激光器(1)以一定重復頻率發射激光脈沖，激光束經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行掃描：

第一種整形方式：激光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；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；