[發(fā)明專利]汽車列車直線行駛橫向穩(wěn)定性自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110143729.0
• 申請(qǐng)日: 2011-05-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102252859A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫偉;張小瑞;唐慧強(qiáng);夏旻;閭軍;李超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M17/08
• 分類號(hào): G01M17/08;G01B11/03
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 黃雪蘭

1.一種汽車列車直線行駛橫向穩(wěn)定性自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述的汽車列車包括牽引車和掛車，所述辨識(shí)系統(tǒng)包括：液晶顯示屏(1)、PC104車載計(jì)算機(jī)(2)、DH-CG320圖像采集卡(3)、CCD攝像頭C₁(4)、CCD攝像頭C₂(5)、車載電源(6)、GPS(7)，在PC104車載計(jì)算機(jī)(2)上中央處理器(22)通過(guò)顯卡(21)連接液晶顯示屏(1)、通過(guò)串行端口(25)連接GPS(7)、通過(guò)PC104總線(23)連接DH-CG320圖像采集卡(3)、通過(guò)數(shù)據(jù)線連接硬盤(24)，在DH-CG320圖像采集卡(3)上通過(guò)數(shù)據(jù)線連接CCD攝像頭C₁(4)和CCD攝像頭C₂(5)，車載電源(6)通過(guò)電源線分別跟PC104車載計(jì)算機(jī)(2)、CCD攝像頭C₁(4)、CCD攝像頭C₂(5)和GPS(7)供電，CCD攝像頭C₁和CCD攝像頭C₂分別安裝在牽引車前橋和掛車后橋下方，在CCD攝像頭C₁和CCD攝像頭C₂的拍攝范圍內(nèi)設(shè)置白色直線標(biāo)志線，CCD攝像頭C₁用于牽引車下方圖像信息的采集，CCD攝像頭C₂用于掛車下方圖像信息的采集；另外，在牽引車上方安裝GPS，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集汽車列車行駛速度，所述硬盤(24)中至少包括：用于檢測(cè)圓形標(biāo)志圓心坐標(biāo)及直徑的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊(241)、用于CCD攝像機(jī)像素標(biāo)定的攝像機(jī)像素標(biāo)定模塊(242)，用于提取直線標(biāo)志線參數(shù)的直線標(biāo)志線參數(shù)檢測(cè)模塊(243)、用于計(jì)算固連點(diǎn)到直線標(biāo)志線距離的固連點(diǎn)到直線標(biāo)志線距離檢測(cè)模塊(244)、用于計(jì)算汽車列車行駛速度的GPS速度實(shí)時(shí)計(jì)算模塊(245)、用于統(tǒng)計(jì)汽車列車最大橫向擺動(dòng)量并用于確定當(dāng)前速度范圍下汽車列車最大橫向擺動(dòng)量S_Max的統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊(246)，用于判斷汽車列車直線行駛橫向穩(wěn)定性的橫向穩(wěn)定性辨識(shí)模塊(247)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車列車直線行駛橫向穩(wěn)定性自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，

所述攝像機(jī)像素標(biāo)定模塊(242)分別用于：求解CCD攝像頭C₁和CCD攝像頭C₂所拍圖像像素的標(biāo)定值

(1)求解CCD攝像頭C₁所拍圖像像素的標(biāo)定值

在CCD攝像頭C₁的拍攝范圍內(nèi)設(shè)置第一圓形標(biāo)志，并由CCD攝像頭C₁對(duì)圓形標(biāo)志進(jìn)行拍攝，獲得第一圓形標(biāo)志的圖像；

對(duì)第一圓形標(biāo)志的圖像進(jìn)行閾值分割并二值化處理，得到二值化圖像的灰度值B(m，n)，I(m，n)為采集的第一圓形標(biāo)志圖像數(shù)據(jù)的灰度值，T為二值化圖像分割閾值，T＝210，然后，利用基于形態(tài)學(xué)的邊緣檢測(cè)算法，求得二值化后的邊緣圖像E(m，n)，

m、n分別為當(dāng)前位置像素的橫、縱坐標(biāo)，接著利用點(diǎn)Hough變換和最小二乘法計(jì)算第一圓形標(biāo)志圓心O₁′的橫坐標(biāo)值u、縱坐標(biāo)值v及半徑值R，并將第一圓形標(biāo)志的圓心坐標(biāo)O₁′作為與牽引車固連的固連點(diǎn)O₁的坐標(biāo)，即固連點(diǎn)O₁的橫縱坐標(biāo)值也為u和v，R=u2-2x‾u+v2-2y‾v+x2‾+y2‾,]]>其中，u=(x2‾x‾+x‾y2‾-x3‾-xy2‾)(y‾2-y2‾)-(x2‾y‾+y‾y2‾-x2y‾-y3‾)(x‾y‾-xy‾)2(x‾2-x2‾)(y‾2-y2‾)-2(x‾y‾-xy‾)2,]]>v=(x2‾y‾+y‾y2‾-x2y‾-y3‾)(x‾2-x2‾)-(x2‾x‾+x‾y2‾-x3‾-xy2‾)(x‾y‾-xy‾)2(x‾2-x2‾)(y‾2-y2‾)-2(x‾y‾-xy‾)2,]]>x‾=Σi=1Ωxi/Ω,]]>y‾=Σi=1Ωyi/Ω,]]>x2‾=Σi=1Ωxi2/Ω,]]>y2‾=Σi=1Ωyi2/Ω,]]>x3‾=Σi=1Ωxi3/Ω,]]>xy2‾=Σi=1Ωxiyi2/Ω,]]>x2y‾=Σi=1Ωxi2yi/Ω,]]>y3‾=Σi=1Ωyi3/Ω,]]>xy‾=Σi=1Ωxiyi/Ω,]]>Ω為點(diǎn)Hough變換確定的圓邊緣像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，x_i、y_i分別表示點(diǎn)Hough變換確定的第i個(gè)邊緣像素點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)值，

利用直尺直接測(cè)得第一圓形標(biāo)志的直徑值D_a，單位：毫米，再計(jì)算得到CCD攝像頭C₁所拍圖像像素的標(biāo)定值C_v，即：C_v＝D_a/D_c，單位：毫米/像素，其中，D_c＝2R，單位：像素，

(2)求解CCD攝像頭C₂所拍圖像像素的標(biāo)定值

在CCD攝像頭C₂的拍攝范圍內(nèi)設(shè)置第二圓形標(biāo)志，并由CCD攝像頭C₂對(duì)圓形標(biāo)志進(jìn)行拍攝，獲得第二圓形標(biāo)志的圖像；

對(duì)第二圓形標(biāo)志的圖像進(jìn)行閾值分割并二值化處理，得到二值化圖像的灰度值B′(m，n)，I′(m，n)為采集的第二圓形標(biāo)志圖像數(shù)據(jù)的灰度值，T′為二值化圖像分割閾值，T′＝205，然后，利用基于形態(tài)學(xué)的邊緣檢測(cè)算法，求得二值化后的邊緣圖像E′(m，n)，

m、n分別為當(dāng)前位置像素的橫、縱坐標(biāo)，接著利用點(diǎn)Hough變換和最小二乘法計(jì)算第二圓形標(biāo)志圓心O₂′的橫坐標(biāo)值u′、縱坐標(biāo)值v′及半徑值R′，并將圓形標(biāo)志的圓心坐標(biāo)O₂′作為與牽引車固連的固連點(diǎn)O₂的坐標(biāo)，即固連點(diǎn)O₂的橫、縱坐標(biāo)值也為u′和v′，R′=u′2-2x′‾u′+v′2-2y′‾v′+x′2‾+y′2‾,]]>其中，u′=(x′2‾x′‾+x′‾y′2‾-x′3‾-x′y′2‾)(y′‾2-y′2‾)-(x′2‾y′‾+y′‾y′2‾-x′2y′‾-y′3‾)(x′‾y′‾-x′y′‾)2(x′‾2-x′2‾)(y′‾2-y′2‾)-2(x′‾y′‾-x′y′‾)2,]]>v′=(x′2‾y′‾+y′‾y′2‾-x′2y′‾-y′3‾)(x′‾2-x′2‾)-(x′2‾x′‾+x′‾y′2‾-x′3‾-x′y′2‾)(x′‾y′‾-x′y′‾)2(x′‾2-x′2‾)(y′‾2-y′2‾)-2(x′‾y′‾-x′y′‾)2,]]>x′‾=Σi′=1Ω′xi′′/Ω′,]]>y′‾=Σi′=1Ω′yi′′/Ω′,]]>x′2‾=Σi′=1Ω′xi′′2/Ω′,]]>y′2‾=Σi′=1Ω′yi′′2/Ω′,]]>x′3‾=Σi′=1Ω′xi′′3/Ω′,]]>x′y′2‾=Σi′=1Ω′xi′′yi′′2/Ω′,]]>x′2y′‾=Σi′=1Ω′xi′′2yi′′/Ω′,]]>y′3‾=Σi′=1Ω′yi′′3/Ω′,]]>x′y′‾=Σi′=1Ω′xi′′yi′′/Ω′,]]>Ω′為點(diǎn)Hough變換確定的圓邊緣像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，x′_i′、y′_i′分別表示點(diǎn)Hough變換后的第i′個(gè)邊緣點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)值，

利用直尺直接測(cè)得第二圓形標(biāo)志的直徑值D_a′，單位：毫米，再計(jì)算得到CCD攝像頭C₂所拍圖像像素的標(biāo)定值C′_v，即：C′_v＝D_a′/D′_c，單位：毫米/像素，其中，D′_c＝2R′，單位：像素；

直線標(biāo)志線參數(shù)檢測(cè)模塊(243)和固連點(diǎn)到直線標(biāo)志線距離檢測(cè)模塊(244)用于：實(shí)時(shí)測(cè)量固連點(diǎn)O₁到CCD攝像頭C₁拍攝的白色直線標(biāo)志線的距離，

(1)直線標(biāo)志線圖像預(yù)處理

對(duì)C₁實(shí)時(shí)采集的白色直線標(biāo)志線圖像進(jìn)行閾值分割并二值化處理，得到二值化圖像的灰度值B₁(m，n)，

I₁(m，n)為采集的直線標(biāo)志線圖像數(shù)據(jù)的灰度值，T₁為二值化圖像分割閾值，T₁＝230，然后，利用基于形態(tài)學(xué)的邊緣檢測(cè)算法，求得二值化后的邊緣圖像的灰度值E₁(m，n)，

m、n分別為當(dāng)前位置像素的橫、縱坐標(biāo)，

(2)直線標(biāo)志線參數(shù)計(jì)算

利用最小二乘法，擬合出直線標(biāo)志線的參數(shù)方程y＝a+bx，并利用Gauss-Jordan消去法，求解N1Σk=1N1xk′Σk=1N1xk′Σk=1N1xk′2·ab=Σk=1N1yk′Σk=1N1xk′yk′]]>得到a，b值，a，b為牽引車上CCD攝像頭C₁采集的圖像擬合出的直線標(biāo)志線參數(shù)，N₁為直線標(biāo)志線邊緣點(diǎn)的像素個(gè)數(shù)，x′_k、y′_k分別表示直線標(biāo)志線第k個(gè)邊緣點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)值，k＝1，2，…，N₁，

(3)固連點(diǎn)O₁到直線標(biāo)志線距離的計(jì)算

利用點(diǎn)到直線的距離公式，求得第t次牽引車上的固連點(diǎn)O₁到直線標(biāo)志線的矢量距離P_1t，其中u、v分別為固連點(diǎn)O₁在圖像上的橫、縱坐標(biāo)值；

直線標(biāo)志線參數(shù)檢測(cè)模塊(243)和固連點(diǎn)到直線標(biāo)志線距離檢測(cè)模塊(244)還用于：實(shí)時(shí)測(cè)量固連點(diǎn)O₂到CCD攝像頭C₂拍攝的白色直線標(biāo)志線的距離，

(1)直線標(biāo)志線圖像預(yù)處理

對(duì)C₂實(shí)時(shí)采集的白色直線標(biāo)志線圖像進(jìn)行閾值分割并二值化處理，得到二值化圖像的灰度值B₁′(m，n)，

I₁′(m，n)為采集的直線標(biāo)志線圖像數(shù)據(jù)的灰度值，T₁′為二值化圖像分割閾值，T₁′＝220，然后，利用基于形態(tài)學(xué)的邊緣檢測(cè)算法，求得二值化后的邊緣圖像的灰度值E₁′(m，n)，

m、n分別為當(dāng)前位置像素的橫、縱坐標(biāo)，同理，可求得C₂采集的白色標(biāo)志線圖像二值化后及邊緣檢測(cè)后的圖像的灰度值，

(2)直線標(biāo)志線參數(shù)計(jì)算

利用最小二乘法，擬合出直線標(biāo)志線的參數(shù)方程y＝a′+b′x，并利用Gauss-Jordan消去法，求解N1′Σk′′=1N1′xk′′′′Σk′′=1N1′xk′′′′Σk′′=1N1′xk′′′′2·a′b′=Σk′′=1N1′yk′′′′Σk′′=1N1′xk′′′′yk′′′′]]>得到a′，b′值，a′，b′為牽引車上CCD攝像頭C₂采集的圖像擬合出的直線標(biāo)志線參數(shù)，N₁′為直線標(biāo)志線邊緣點(diǎn)的像素個(gè)數(shù)，x″_k′、y″_k′分別表示直線標(biāo)志線第k′個(gè)邊緣點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)值，k′＝1，2，…，N₁′，

(3)固連點(diǎn)O₂到直線標(biāo)志線距離的計(jì)算

利用點(diǎn)到直線的距離公式，求得第t次牽引車上的固連點(diǎn)O₂到直線標(biāo)志線的矢量距離P_2t，其中u′、v′分別為固連點(diǎn)O₂在圖像上的橫、縱坐標(biāo)值；

所述的GPS速度實(shí)時(shí)計(jì)算模塊(245)用于：給定速度下，汽車列車橫向擺動(dòng)值計(jì)算，

首先，利用GPS實(shí)時(shí)獲得列車第t時(shí)刻的北向速度V_Nt和東向速度V_Et，根據(jù)速度合成公式，求得第t時(shí)刻汽車列車沿直線標(biāo)志線方向的瞬時(shí)速度V_t，即接著，分別計(jì)算第t時(shí)刻牽引車距離直線標(biāo)志線的偏離值W_1t和掛車距離直線標(biāo)志線的偏離值W_2t：即W_1t＝P_1t·C_v，W_2t＝P_2t·C′_v，t＝1，2，3，…，N_c，N_c為測(cè)試次數(shù)，N_c＝1000；將速度V_t控制在[V_min，V_max]內(nèi)，計(jì)算并記錄當(dāng)前速度范圍[V_min，V_max]下汽車列車在第t時(shí)刻的橫向擺動(dòng)值S_t，即S_t＝|W_1t-W_2t|，其中，V_min為當(dāng)前速度范圍下的最小值，V_max為當(dāng)前速度范圍下的最大值；

統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊(246)用于：汽車列車最大橫向擺動(dòng)量計(jì)算

對(duì)檢測(cè)過(guò)程中記錄的各時(shí)刻橫向擺動(dòng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，找出當(dāng)前速度范圍下汽車列車的最大橫向擺動(dòng)量S_Max，S_Max＝Max{S_t}；

橫向穩(wěn)定性辨識(shí)模塊(247)用于：汽車列車直線行駛橫向穩(wěn)定性的判斷

將當(dāng)前速度范圍[V_min，V_max]下汽車列車的最大橫向擺動(dòng)量S_Max同預(yù)先設(shè)定的橫向擺動(dòng)量閾值S_Th進(jìn)行比較，S_Th＝10毫米，若S_Max＞S_Th，則汽車列車在當(dāng)前速度范圍下直線行駛不滿足橫向穩(wěn)定性的要求，反之，若S_Max≤S_Th，則汽車列車在當(dāng)前速度范圍下直線行駛滿足橫向穩(wěn)定性的要求。