城市軌道交通障礙物探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

張曉林 高新亞

1.四創(chuàng)電子股份有限公司 安徽 合肥 230088 2.青島理工大學(xué) 山東 青島 266520

伴隨我國(guó)城市化進(jìn)展，城市軌道交通以運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)時(shí)可靠等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)公共交通事業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用[1]。然而，伴隨城市軌道交通的高速發(fā)展，各類事故頻發(fā)。影響城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全的主要因素有軌道障礙物因素、車輛因素、供電因素、信號(hào)系統(tǒng)因素以及人為因素等，其中軌道障礙物極易帶來(lái)列車的破壞性撞擊，造成重大事故[2,3]。

目前軌道障礙物探測(cè)主要分為車載和固定兩種方式[4]。固定式布置于軌道沿線，探測(cè)范圍有限，只能布置在重點(diǎn)、敏感區(qū)域，不能實(shí)現(xiàn)全運(yùn)行區(qū)間的安全保障。事實(shí)表明單一的傳感器手段，并不能可靠解決軌道障礙物的探測(cè)問(wèn)題，若不考慮軌道交通特點(diǎn)，不充分利用軌道交通的先驗(yàn)知識(shí)，單純從傳感器的角度解決障礙物探測(cè)的技術(shù)問(wèn)題，也會(huì)使問(wèn)題復(fù)雜化，造成探測(cè)系統(tǒng)成本的極大提升，不利于系統(tǒng)的推廣使用，不利于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全的整體提升。

因此開(kāi)展多傳感器探測(cè)、傳感器信息與軌道地理信息融合處理[5]，低成本的軌道交通障礙物探測(cè)技術(shù)具有較大的市場(chǎng)需求和一定的迫切性。為提高障礙識(shí)別的成功率，本文采用毫米波雷達(dá)[6]、高速相機(jī)[7]、激光雷達(dá)[8]三種傳感器同時(shí)進(jìn)行障礙物探測(cè)。毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，探測(cè)范圍大，不受天氣影響，可靠性高，但受其波束寬度的影響，空間分辨率不高。高速相機(jī)分辨率高，目標(biāo)識(shí)別率高，但距離測(cè)量難度大，精度低。激光雷達(dá)測(cè)量精度高，但探測(cè)角度小，難以覆蓋全部探測(cè)空間。將雷達(dá)、相機(jī)、激光三者結(jié)合，用雷達(dá)解決探測(cè)距離、探測(cè)范圍問(wèn)題，用圖像解決障礙物分辨、識(shí)別問(wèn)題，用激光解決鐵軌等重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域問(wèn)題，對(duì)探測(cè)信息進(jìn)行融合處理，可以有效提高障礙物的檢測(cè)概率。

1 軌道障礙探測(cè)系統(tǒng)組成及系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)由雷達(dá)探測(cè)分系統(tǒng)、圖像探測(cè)分系統(tǒng)、激光探測(cè)分系統(tǒng)、信息融合處理分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)組成。其中雷達(dá)探測(cè)分系統(tǒng)采用35GHz毫米波雷達(dá)，固定拋物面天線，脈沖工作方式；圖像探測(cè)分系統(tǒng)采用雙相機(jī)方案，一個(gè)相機(jī)用于障礙物探測(cè)，另一個(gè)相機(jī)用于交通信號(hào)燈的識(shí)別；為保證可靠性，激光探測(cè)分系統(tǒng)采用固定安裝方式，不使用伺服系統(tǒng)，共安裝兩臺(tái)，分別布置在兩側(cè)軌道的上方，用于檢測(cè)軌道上方重點(diǎn)區(qū)域；信息融合處理分系統(tǒng)統(tǒng)一處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，完成雷達(dá)信號(hào)處理，圖像處理，激光雷達(dá)同步控制，軌道地理信息處理，障礙物探測(cè)信息判決、顯示、預(yù)警，運(yùn)行信息存儲(chǔ)等功能，采用嵌入式設(shè)計(jì)，ARM處理器+FPGA體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)組成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 障礙識(shí)別方案

2.1 毫米波雷達(dá)障礙探測(cè)方案

雷達(dá)工作頻率35GHz，作用距離80～250m，采用脈沖工作方式，收發(fā)共用天線。雷達(dá)信號(hào)脈沖寬度0.5us，峰值功率2W，波束指向精度1°。雷達(dá)由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、頻率源、信號(hào)采集與信息處理系統(tǒng)，原理框圖見(jiàn)圖2。其中發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、頻率源、天線為系統(tǒng)的射頻模擬收發(fā)系統(tǒng)。

圖2 軌道障礙物探測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)組成原理框圖

天線采用拋物面天線，具有較高的波束指向精度，增益42dB，帶寬設(shè)計(jì)為5MHz，大于信號(hào)帶寬2MHz。接收機(jī)具有一個(gè)發(fā)射支路和一個(gè)接收支路。中頻信號(hào)2GHz，射頻信號(hào)35GHz。發(fā)射支路輸出功率1W，接收支路噪聲系數(shù)6.5dB。收發(fā)支路共用本振。中頻信號(hào)做正交解調(diào)至基帶采樣。

雷達(dá)信號(hào)由頻率源產(chǎn)生2GHz中頻，在接收機(jī)的調(diào)制器里受脈沖信號(hào)調(diào)制成為脈沖信號(hào)，上變頻為35GHz射頻信號(hào)由天線發(fā)射。調(diào)制脈沖的時(shí)寬和周期受到雷達(dá)探測(cè)距離的限制。脈沖寬度過(guò)窄，影響雷達(dá)發(fā)射功率，縮短探測(cè)距離；脈沖寬度過(guò)寬，增加近端盲區(qū)范圍。時(shí)寬設(shè)計(jì)為0.5us，可以保證近端75m的盲區(qū)和遠(yuǎn)端300m的探測(cè)距離。信號(hào)周期可在線調(diào)整，并應(yīng)大于2.5us以保證300m的探測(cè)距離。

2.2 圖像探測(cè)系統(tǒng)方案

根據(jù)總體功能要求，圖像探測(cè)分系統(tǒng)除完成障礙物檢測(cè)外，還需要識(shí)別軌道交通信號(hào)燈。由于障礙物檢測(cè)與交通信號(hào)燈識(shí)別對(duì)相機(jī)要求差異較大，因此圖像探測(cè)分系統(tǒng)采用雙相機(jī)方案，一個(gè)用于障礙物探測(cè)，一個(gè)用于軌道交通信號(hào)識(shí)別。

系統(tǒng)由障礙物探測(cè)相機(jī)、交通信號(hào)識(shí)別相機(jī)、數(shù)據(jù)處理分機(jī)等組成，其組成框圖如圖3所示。其中，圖像探測(cè)分系統(tǒng)沒(méi)有單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理分機(jī)，其數(shù)據(jù)處理功能在系統(tǒng)的信息處理分系統(tǒng)內(nèi)完成，數(shù)據(jù)處理分機(jī)的組成見(jiàn)信息處理分系統(tǒng)。

圖3 圖像探測(cè)分系統(tǒng)組成

2.2.1 障礙物探測(cè)

障礙物探測(cè)由數(shù)據(jù)處理分機(jī)的FPGA與嵌入式處理器共同完成。嵌入式處理器根據(jù)獲取的列車地理信息，調(diào)取預(yù)存的軌道特征庫(kù)發(fā)送給FPGA，并接收FPGA處理完成的障礙物識(shí)別信息；FPGA接收相機(jī)圖像數(shù)據(jù)和嵌入式處理器的軌道特征庫(kù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像處理后，輸出障礙物探測(cè)信息。

圖像處理主要通過(guò)圖像預(yù)處理、限界識(shí)別和特征匹配三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行障礙物檢測(cè)。

(1)圖像預(yù)處理

為改善圖像質(zhì)量，提升后續(xù)圖像判讀的準(zhǔn)確性，首先要對(duì)接收的圖像先進(jìn)行圖像預(yù)處理，主要包括圖像增強(qiáng)、二值化等。

(2)限界識(shí)別

系統(tǒng)障礙物限定為限界內(nèi)，首先應(yīng)進(jìn)行限界識(shí)別。軌道交通道路的最明顯特征是兩條鐵軌，確定鐵軌后向兩側(cè)延伸即為障礙物識(shí)別限界，本系統(tǒng)采用Hough變換的方法進(jìn)行軌道識(shí)別。

(3)特征匹配

限界內(nèi)的軌道圖像特征十分明顯，正常情況下只有鐵軌和規(guī)則排列的枕木，具有明顯的，易于區(qū)分的紋理特征，通過(guò)計(jì)算限界內(nèi)圖像的紋理特征參數(shù)與軌道地理信息系統(tǒng)預(yù)存的紋理特征參數(shù)的差值，設(shè)定門(mén)限，即可判定是否存在障礙物。

紋理是圖像的基本特征，由灰度分布在空間位置上反復(fù)出現(xiàn)而形成的，因而在圖像空間中相隔某距離的兩像素之間會(huì)存在一定的灰度關(guān)系，灰度共生矩陣就是一種通過(guò)研究灰度的空間相關(guān)特性來(lái)描述紋理的常用方法。本系統(tǒng)通過(guò)比較相機(jī)圖像中限界內(nèi)的灰度共生矩與預(yù)存的該參數(shù)的差值來(lái)判定障礙物。

2.2.2 交通信號(hào)識(shí)別

交通信號(hào)的識(shí)別較為簡(jiǎn)單，只需要進(jìn)行顏色與形狀的匹配就可以。首先，嵌入式處理器獲取列車位置，根據(jù)軌道地理信息，在信號(hào)燈進(jìn)入列車視野內(nèi)，向FPGA發(fā)出交通信號(hào)識(shí)別啟動(dòng)信號(hào)；FPGA接到交通信號(hào)識(shí)別啟動(dòng)信號(hào)后，接收相機(jī)數(shù)據(jù)，在圖像數(shù)據(jù)中識(shí)別信號(hào)燈并判別顏色，向嵌入式處理器輸出信號(hào)識(shí)別結(jié)果；最后，嵌入式處理器根據(jù)列車位置判斷列車經(jīng)過(guò)信號(hào)燈后，向FPGA發(fā)出交通信號(hào)識(shí)別結(jié)束信號(hào)，F(xiàn)PGA停止接收相機(jī)數(shù)據(jù)，信號(hào)識(shí)別結(jié)束。

2.3 激光探測(cè)分系統(tǒng)方案

激光探測(cè)分系統(tǒng)主要由激光器、發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路、低壓電源、信息處理器等部分組成，如圖4所示。

圖4 激光測(cè)距機(jī)組成框圖

激光探測(cè)分系統(tǒng)采用人眼不可見(jiàn)的近紅外光源，波長(zhǎng)905nm，脈沖體制測(cè)距，脈沖寬度30ns，重復(fù)周期100Hz。為同步多臺(tái)激光雷達(dá)工作，避免相互干擾，采用外觸發(fā)工作方式，同一時(shí)間段內(nèi)只允許一臺(tái)激光雷達(dá)完成激光發(fā)射和目標(biāo)測(cè)量。發(fā)射電路主要由窄脈沖發(fā)生器、功率放大器、控制電路和激光器組成。接收電路主要由光電轉(zhuǎn)換電路，放大電路和脈沖整形電路組成。

3 信息處理分系統(tǒng)方案

信息處理分系統(tǒng)完成全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工作、各分系統(tǒng)的控制功能、各傳感器數(shù)據(jù)融合功能和對(duì)外接口的交互功能，主要包括數(shù)據(jù)處理分機(jī)和接口控制分機(jī)組成。數(shù)據(jù)處理分機(jī)完成系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)處理、顯示、通信、存儲(chǔ)功能，接口控制分機(jī)完成各傳感器同步控制，各傳感器之間和系統(tǒng)對(duì)外的接口匹配功能。

數(shù)據(jù)處理分機(jī)采用ARM +FPGA結(jié)構(gòu)。ARM處理器采用Cortex-A9處理器iTOP-4412，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司 K7系列的XC7K325T。數(shù)據(jù)處理分機(jī)組成如圖5所示。

圖5 信息處理分機(jī)組成框圖

本系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)，選用Cortex-A9四核處理器，采用Android 4.4操作系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的控制、顯示、日志存儲(chǔ)等功能，軌道地理信息根據(jù)軌道實(shí)際情況事先編制好，由該處理器依據(jù)列車提供的位置信息進(jìn)行讀取，完成傳感器數(shù)據(jù)與地理信息融合處理，向列車提供預(yù)警信息。

4 結(jié)論

軌道上的障礙物極易造成嚴(yán)重的安全事故，為確保機(jī)車的安全運(yùn)行，高準(zhǔn)確度的障礙物識(shí)別尤為重要。本文提出一種將毫米波雷達(dá)、高速相機(jī)以及激光雷達(dá)相結(jié)合的障礙識(shí)別系統(tǒng)，三種障礙識(shí)別模塊分別將識(shí)別信號(hào)傳遞給信息融合處理分系統(tǒng)，經(jīng)該系統(tǒng)的綜合判別可以成功地識(shí)別出障礙的尺寸和距離，為機(jī)車的提供可靠的運(yùn)行方案決策。