[發明專利]一種二維激光雷達鐵路障礙物檢測方法

有效

• 申請號: 201810062835.8
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108375771B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 周丹
• 申請（專利權）人: 四川國軟科技集團有限公司
• 主分類號: G01S17/04
• 分類號: G01S17/04;G01S17/931
• 代理公司: 成都睿道專利代理事務所(普通合伙) 51217
• 代理人: 薛波

1.一種二維激光雷達鐵路障礙物檢測系統的檢測方法，其特征在于：該二維激光雷達鐵路障礙物檢測系統的檢測方法具體步驟如下：

S1：二維激光雷達(4)調整于平行于軌面：

二維激光雷達(4)的掃描線不可見，在進行調整時，無法通過人眼對二維激光雷達(4)的掃描線進行觀測，很難獲取到二維激光雷達(4)對掃描點的高度，但是，激光掃描的光路為一個光平面，所以，如果一個平面平行穿過三個同樣大小的三角體，正對二維激光雷達(4)的面互相平行，且不同線擺放時，切出的面的長度應該大小相等；

本系統采用標準三角體調整法，相同大小的三角體放到鐵軌，正對二維激光雷達(4)的面保持平行；

提取二維激光雷達(4)掃描到三角面的的邊緣點，忽略掉二維激光雷達(4)角度分辨率引起的誤差，則可以計算出每個三角面的長度大小，如果左邊緣點坐標為(xl，yl)，右邊緣點坐標為(xr，yr)則長度L為：

調整二維激光雷達(4)的過程中，實時計算三個三角面的長度，當誤差小于閾值時，則雷達調整為與鐵軌面水平；

S2：標定雷達二維平面坐標系：

在鐵路沿線，最好的參照物為兩根平行的鐵軌，所以把雷達坐標系旋轉到x軸平行于鐵軌方向，而y軸垂直于鐵軌，坐標原點為雷達中心，坐標系命名為軌道坐標系，而以雷達坐標為中心，雷達發射0°光線方向為x軸，90°為y軸的坐標系為雷達坐標系；

以原點為中心，繞z軸旋轉角度θ的公式為：

其中，x′和y′為雷達坐標系坐標，x和y為軌道坐標系坐標，方程中有三個未知數，而一個點有兩個方程，所以只要有兩個點就能計算出選擇角度θ，進一步計算出每一個點的軌道坐標系坐標值；

標定的時候，在靠近二維激光雷達(4)的軌道上面擺放兩個物體，計算掃描到物體的中心點作為標定點，計算出旋轉角度；

S3：設定保護區：

S31：保護區設置方案：一般的保護區為在兩根軌道向外的一定距離內；

其中，外側的兩組雙線條以內為保護區，而鐵軌為平行直線，在距離二維激光雷達(4)近處的軌道上擺放個參照物，如果參照物離在軌道坐標系中的坐標為(x，y)，則在保護區上的位置為X＝x，內側Y₁＝y-offest和外側Y₂＝y+d+offset；

S32：保護區計算：由于激光雷達測量的為距離值ρ，從開始角度start＝0度，到接收角度end＝180度，以角分辨率α遞增，則總共的測量值總是為：

某一點的角度為θ_i＝start+i*α；

為了減少計算量，不用去計算每個點的直角坐標，而用極坐標(ρ_i，θ_i)表示，計算每個光線與保護區邊界線的交點值(ρ_i1，ρ_i2)，ρ_i1為與近邊交點，ρ_i2為與遠邊的交點，如果在θ_i處，ρ_i大于ρ_i1而小于ρ_i2則該點在保護區內，否則在保護區外，這樣計算出n個邊界值，則測量數據每個值和對應保護區2個距離值比對，則可以判斷出每個點是否在保護區內，與保護區邊界的計算公式為：

ρ_ij＝Y/sin(θ_i)其中j為1和2，為內側和外側距離；

S4：點的聚類：

二維激光雷達(4)平行于軌道平面掃描，不同的障礙物之間只有掃描距離差，假設相鄰2個點的距離為ρ_i和ρ_j，|ρ_i–ρ_j|ε，其中ε為距離差閾值，則2個點分別歸為2類；

每個掃描的單次聚類的點云數據稱為點云幀Frame，Frame的屬性為：

Points：聚類中的點云；

LeftPos：Frame左邊邊緣位置,由左邊的距離ρ_l和θ_l組成；

RigthPos：Frame右邊邊緣位置,由右邊的距離ρ_r和θ_r組成；

Middle：Frame中心點云位置；由中間距離ρ_m＝(ρ_l+ρ_r)/2和θ_m＝(θ_l+θ_r)/2組成；

Length：Frame的長度由左右2點位置計算，公式為：

S5：障礙物判斷確認：

S51：由點云聚類出Frame如果判斷為在保護區內部，則為待確認的障礙物block，如果為同一物體，則序列點云Frame加入到block中，同一物體的判斷由后面給出，下面給出屬性：

Frames：同一物體加入的幀序列；

LeftPos：物體左邊邊緣位置，由最新加入的Frame的LeftPos計算平均值；

RigthPos：物體右邊邊緣位置，由最新加入的Frame的RigthPos計算平均值；

Middle：物體最新點中心點云位置；等于最新加入的Frame的Middle；

Length：物體的長度；由最新加入的Frame的Length計算平均值；

Speed：物體的速度；由于雷達數據干擾的影響，采用移動平均速度計算；

Direction：物體的運動方向，以角度表示；

S52：同一物體的幀序列判斷，當聚類的Frame在保護區內，如果已經存在block，則判斷這個Frame是否屬于這些block中的一個，屬于則加入到該block中，否則生成一個新的block，判斷邏輯為；

由于block有一定速度，考慮勻速運動，用block的Speed乘以間隔時間，得到期望行走位置，用這個位置和當前幀的位置做比較，則可以判斷當前幀是否屬于該block，步驟為：

(1)計算期望行走位置，先把當前位置轉換到直角坐標，即(x，y)＝(ρ_mcosθ_m，ρ_msinθ_m)，其中ρ_m和θ_m為中間點極坐標位置，假設當前幀和block最后加入幀時間差為t，則運行距離為：s＝Speed*t；最后根據運動方向，得到最后的運動位置(x_c,y_c)＝(x+s*cos(Direction)，y+s*sin(Direction))，轉換到極坐標系tan^-1(y/x))；

(2)計算當前幀和block運動到達位置的距離差D_diff，采用歐式距離；

(3)關系密切度，考慮當前幀和block的長度因素，綜合距離差得到一個關系密切度評分score，公式為：

score＝(1-0.8*(D_diff/D_c))(1–0.2*abs(L_f-L_b)/L_b)

其中：Dc為歸一化常數，可以根據經驗取值；L_f為當前幀長度，L_b為物體長度,abs為取絕對值；

(4)判斷當前幀是否屬于block標準：score0.8則當前幀可以歸并到該物體，如果有多個物體超過0.8，則加入到最大分數block；

S53：障礙物確定報警，當block速度大于0.1km/h的時候，block可以運動出防區，所有不報警，而當block停下來，時間超過15s，則確認為障礙物，然后通過報警裝置(3)報警；

S54：障礙物報警解除判斷，當一個障礙物超過1000幀的雷達數據序列沒有加入新的Frame，則認為這個障礙物已經移除，報警解除。