专利名称：高速铁路车载自动避障系统及避障方法
技术领域：
本发明涉及高速铁路机车的自动控制技术，具体是指一种高速铁路车载自 动避障系统及避障方法，它用于高速铁路机车的自动避障。
背景技术：
随着中国铁路连续六次提速，使中国的铁路运输发生了深刻变化。目前中 国正在加紧建设高速铁路，高速列车的运行将大大方便人们的外出旅行和货物 运输，但速度的提高也意味着更多的安全隐患和安全风险。为确保铁路运输安 全，铁路主管部门相应采取了许多措施，已使我国的铁路安全得到了比较好的 保障，但由于自然灾害和人为破坏等因素，铁路事故的发生是无法绝对避免的。 减小铁路事故发生率的一条重要途径是提高列车的自动化控制水平，其中一个 很重要的方面就是提高列车在行驶过程中的自动避障能力。
列车避障行为的发生来源于避障系统对列车前方路况信息的获取、分析和 判断，其中，路况信息的获取是最重要的，它是避障系统分析判断的基础，它 直接决定了避障行为的正确与否。考虑到列车的反应时间和刹车时间，避障系 统获取的路况信息必须来源于列车行驶前方一定距离之外，所以只能采取遥测 的手段。遥测主要分为被动遥测和主动遥测两种情况；根据目前遥测技术发展 的实际情况来看，在列车自动控制系统中，被动遥测主要基于光学成像，主动 遥测主要基于激光测距和激光成像；被动式光学成像受时间、天气的影响比较 明显，而且数据量庞大，处理算法复杂，处理速度难以适应于高速列车的预警 需求；激光测距和激光成像受时间和天气的影响较小，基本上可以做到全天候、
全天时工作，数据量小，处理算法简单，处理速度快，非常适合高速列车的预 警需求。
激光测距和激光成像的原理在其他领域的应用已经相对成熟，激光测距利 用激光脉冲在激光源和目标之间飞行的时间与光的速度相乘得到距离信息；激 光成像利用激光照射到目标物上反射回来的光强度信息进行目标物的表面形态 探测。铁路事故的主要诱发因素是某种原因引起的铁路轨道的剧烈形变或者路 基上大体积障碍物的阻隔，比如地震引起的铁轨变形，洪水引起的塌方，泥石 流等。过去有人根据微波雷达的思想，提出对列车前方一定范围进行两维激光 扫描，通过探测反射回来的激光回波提取可能障碍物的距离信息和轮廓信息； 这种思想存在显著缺点，具体表现在1、由于列车髙速行驶，激光两维扫描系 统必须在尽可能短的时间内获取列车前方的两维"距离像"和"轮廓像"，也就 是要获取高帧频的两维"距离像"和"轮廓像"，否则，同一幅"像面"上的像 素点之间就会产生较大的距离差，从而使得获取的图像不能真实反映障碍物信 息，而另一方面，高帧频的激光束两维扫描对光机扫描系统的机电设计提出了 相当高的要求，设计难度太大，以至于难以实现；2、由于激光束是面向列车前 方两维扫描，导致列车前方的背景目标(比如树木、建筑物等)对激光回波的 波形造成较大的干扰，从而使得避障系统的测距精度和准确度降低，障碍物"轮 廓像"扭曲。总之，两维激光扫描方法的固有缺点导致了避障系统的有效性和 可靠性大大降低。
发明内容
本发明的目的是要建立一种基于激光测距原理的适于高速铁路的车载自动 避障系统和方法，能有效避免过去提出的两维激光扫描方法所具有的扫描系统 设计难度大、激光回波背景干扰大的缺点，能够实现列车前方特定距离之外的
路况预警，从而达到列车避障的目的。
如图1所示，其特征在于它包括激光器(1)、光束整形系统(2)、光学 接收器(3)、光探测器(4)、电子学信号采集系统(5)、计算机信号处理系统 (6)。激光器(1)发射出的激光束首先通过由光束准直镜和指向镜构成的光束
整形系统(2)，以一定倾斜角度斜向下照射到前方一定距离外的路基上，激光 回波被光学接收器(3)接收，会聚于光探测器(4)上转化为电信号，进而被 电子学信号采集系统(5)采集转化为数字信号输送给计算机信号处理系统(6)， 根据数据处理结果对列车前方的路障情况进行实时评估。 本发明高速铁路车载自动避障方法包括下列步骤-
A. 激光器(1)以一定重复频率发射激光脉冲，激光束经过两种可能的整
形方式处理以后，以一定倾斜角度斜向下对前方一定距离外的路基进行扫描
第一种整形方式激光束被准直为一条平行光线，以一定倾斜角度斜向下 照射到前方一定距离外的路基上，为了使激光束覆盖一定宽度的路基，激光束 采用左右一维扫描技术；第二种整形方式激光束被整形为"扇形"光线，光
线以一定倾斜角度斜向下照射到前方一定距离外的路基上，就像一把扫帚向前
推扫，"扇形"光线无须扫描就能够覆盖一定宽度的路基；
B. 激光回波被光学接收器(3)接收，会聚到光探测器(4)上转化为电信 号；根据A中所描述的两种可能的整形方式，不同的整形方式对应的光探测器 也不同；第一种整形方式对应的探测器是单元探测器，在一维扫描周期内，激 光器的脉冲频率决定了单元探测器输出信号的采样点数；第二种整形方式对应 的探测器是线列器件，针对每一次激光发射，线列器件中的每个像元都能够感 应到激光回波信息。
C. 光探测器(4)输出的光电信号被电子学信号采集系统(5)采集转化为
数字信号输送给计算机信号处理系统(6)，处理系统根据激光脉冲发射的初始 时间信息和激光回波的飞行时间计算出激光脉冲的飞行距离；由于激光束以一 定倾斜角度斜向下照射到前方一定距离外的路基上，因此，如果路基上没有障 碍物，那么激光回波给出的距离信息是相对稳定的，而这个距离可以作为列车 避障的预警距离，换句话说，在这个距离范围内列车有足够的时间做出报警、 刹车等反应。如果路基上有障碍物出现，激光束将照射在障碍物上，反射的回
波信号携带着障碍物的距离信息，随着列车的前行，计算机信号处理系统(6)
给出的距离值越来越小，表征着障碍物距离列车机车越来越近，列车必须适时
的做出相应的处理措施，比如报警和刹车；另外，由于激光束是以一定倾斜角 度斜向下照射，所以，无论哪一种整形方式(一维扫描或者"扇形"推扫)，随 着障碍物距离车辆越来越近，激光束将形成对障碍物的两维扫描，能够给出障 碍物的轮廓信息，从而给列车的报警和刹车等反应措施提供更有效、更准确的 判据。
本发明的优点是
(1)激光束以一定倾斜角度斜向下照射到前方一定距离外的路基上，探测 目标是列车前方固定距离处的障碍物，相应的激光束扫描方式是一维扫描或者 扇形推扫，避免了扫描系统设计难度大、激光回波背景干扰大的缺点。
(2)激光束以一定倾斜角度斜向下照射到前方一定距离外的路基上，探测 目标是列车前方固定距离处的障碍物，借助列车自身的前进可以很容易的获取 障碍物的两维轮廓像，增加了判据因子，能够有效降低虚警率。
图1为本发明的自动避障系统结构示意图；其中 1——激光器；2——光束整形系统；
3——光学接收器；
4——光探测器；
5——电子学信号采集系统；
6——计算机信号处理系统；
7——被测障碍物。
图2为本发明的自动避障系统所采用两种可能整形方式。
具体实施例方式
下面根据图1和图2给出本发明一个较好实施例。 用于高速列车自动避障的系统包括如下几个部分
1) 激光器l
激光器1发射出的光束用于得到激光回波，从而反演目标的距离信息和轮 廓信息。选用Nd:YAG调Q脉冲激光器，工作波长1064nm，脉宽3-5ns，最大 脉冲能量lmJ，脉冲能量稳定度±2%，最大脉冲重复频率20KHz，激光束发散 角小于lmrad。
2) 光束整形系统2
光束整形系统2使得激光束以一定倾斜角度斜向下对前方一定距离外的路 基进行扫描，扫描方式采用一维扫描或者"扇形"推扫。
3) 光学接收器3
光学接收器3用来接收激光回波，把光能量会聚到光探测器4。
4) 光探测器4
光探测器4用来对激光回波信号进行光电转换。
5) 电子学信号采集系统5
电子学信号采集系统5用来对光探测器4输出的激光回波的电信号进行采 集、处理和保存。
6)计算机信号处理系统6
计算机信号处理系统6用来对电子学信号采集系统5输出的数字信号进行 处理和保存。
权利要求
1.一种高速铁路的车载自动避障系统，其特征在于它包括激光器(1)、光束整形系统(2)、光学接收器(3)、光探测器(4)、电子学信号采集系统(5)、计算机信号处理系统(6)；激光器(1)采用Nd:YAG调Q脉冲激光器，光束整形系统(2)可产生平行线形扫描光线，还可以产生扇形光线，光探测器(4)在采用平行线形扫描光线探测时为单元探测器，在采用扇形光线探测时是线列探测器。
2. —种高速铁路的车载自动避障方法，其特征在于它包括如下步骤A. 激光器(1)以一定重复频率发射激光脉冲，激光束经过整形处理以后， 以一定倾斜角度斜向下对前方一定距离外的路基进行扫描；B. 激光回波被光学接收器(3)接收，会聚到光探测器(4)上转化为电信 号，在采用平行线形扫描光线探测时，对应的探测器是单元探测器，在一维扫 描周期内，激光器的脉冲频率决定了单元探测器输出信号的采样点数；在采用 平行线形扫描光线探测时对应的探测器是线列器件，针对每一次激光发射，线 列器件中的每个像元都能够感应到激光回波信息；C. 光探测器(4)输出的光电信号被电子学信号采集系统(5)采集转化为 数字信号输送给计算机信号处理系统(6)，处理系统根据激光脉冲发射的初始 时间信息和激光回波的飞行时间计算出激光脉冲的飞行距离，当激光回波给出 的距离信息是相对稳定时，表明路基上没有障碍物，这个距离可以作为列车避 障的预警距离，即在这个距离范围内列车有足够的时间做出报警、刹车等反应； 当计算机信号处理系统(6)给出的距离值越来越小，表征着障碍物距离列车机 车越来越近，系统会做出相应的处理措施，比如报警和刹车。
全文摘要
本发明公开了一种高速铁路的车载自动避障系统及避障方法，它用于高速行驶列车的自动避障。本发明的自动避障系统包括激光器、光束整形器、光学接收器、光探测器、电子学信号采集系统、计算机信号处理系统。本发明的自动避障方法基于激光测距原理，特征在于使得激光束以一定倾斜角度斜向下照射到前方一定距离外的路基上，而这个距离作为列车避障的预警距离；如果路基上没有障碍物，那么激光回波给出的距离信息是相对稳定的，如果路基上有障碍物出现，随着列车的前行，激光回波给出障碍物的距离信息和轮廓信息，为列车采取报警、刹车等措施提供判断依据。
文档编号B61L23/00GK101357642SQ20081004243
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者亓洪兴, 李正文, 俊 杨, 潘明忠, 嵘 舒 申请人:中国科学院上海技术物理研究所