基于激光测量技术的铁轨障碍物检测系统研究
发布时间：2021-08-30 19:49
随着我国高速铁路交通的建设与迅猛发展,铁路交通以其较长的运输距离、较快的运输速度、较低的运输成本以及突出的运载力等特点,成为我国不可或缺的基础交通工具,因此铁路交通的安全问题越发引起人们的关注。针对现有铁路侵限检测方法相对落后、精度低等问题,本文利用激光雷达测距原理对列车的运行环境进行安全监测,识别对铁路安全造成严重影响的障碍物,对保障铁路交通的安全运行具有重要的实际意义。相比于传统信息采集设备如:照相机、摄影机,红外等,激光雷达拥有全天候24小时且不受天气干扰等独特的优势,获取三维空间目标物体点云信息具有精确度高、速度快等突出特性,有助于对场景变化更准确的判断。本文在详细了解了激光雷达环境感知技术的国内外发展现状基上,针对本课题功能需求,对基于激光雷达测距原理的铁路障碍物检测系统进行了深入研究。分析了铁路环境中相关物体的激光反射率范围,确定了本系统传感器型号。对系统硬件的整体布局进行了充分的研究与讨论,确定了系统监测点的选择方法,最后得到铁路障碍物检测系统的总体设计方案。根据系统功能,设计了系统硬件结构以及交互软件。以激光雷达为研究对象,研究了激光雷达的工作原理,数据采集过程,以及数...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“十二五”以来铁路交通事故死亡人数变化趋势图
12Φ=2πfT（2-3）式中f为激光发射光波信号频率。图2.3相位法测距信号往返过程展开图将式（2-3）中T代入式（2-2），得到结果如下：112222cDcπffπΦΦ==（2-4）式中c/f是发射激光的波长，以λ表示，又Φ等于光波的n个整周期上不足一个整周期的尾数Δ，所以：12()22222nDnnnπλλλππ+ΔΔ==+=+Δ（2-5）（3）角度测量原理激光的发射角度测量对于获取物体反射点的空间位置坐标而言十分重要。激光测距装置和扫描角自动记录装置是激光雷达的扫描系统的重要构成部分。因此扫描角的角度测量对于激光雷达系统是非常重要的。激光雷达系统一般采用轴角编码器来对角度偏移量进行测量。轴角编码器是一种能够实现角度变量与数字变量间转换的传感器。轴角编码器结构简单、抗干扰能力强，灵敏度高并且具有很高的分辨率。一般情况下激光雷达配置由光电三极管、计数器、发达电路、编码盘、点光源以及旋转轴组成的光电式轴角编码器。轴角编码器以圆光栅作为检测元件经过光电变换，主轴的角位移量即可以脉冲数字量表示，即编码器在旋转主轴的驱动下转动发出矩形脉冲，于是就可以实现角位移量的测量，也可以利用微机控制变为直线位移量。轴角编码器基本结构如图2.4所示。
13图2.4轴角编码器原理结构图2.1.3点云数据特征通过激光雷达扫描获得的点与数据具有如下特性：（1）局限性众所周知人的眼睛有一定的视觉盲区，存在一定的范围是眼睛无法看到的。同样的因激光雷达构造设计或者实际工作环境问题，激光雷达一般不能够检测到周围场景的全部信息，存在一定的扫描检测范围。不仅如此，激光雷达只能够定向扫描，因此激光雷达只能检测反应出特定方向的物体状态。如果俯视方向观察单面激光雷达所扫描得到的数据，其分布范围为一扇形区域。360°旋转式雷达所获得的数据在空间范围内呈环状辐射分布于三维空间，但中心范围与俯仰角外依然存在检测盲区。（2）不均匀性由于激光雷达是按一定角度发射激光信号来进行扫描的，所以激光雷达所采集的数据分布密度具有不均匀性。具体呈现为近密远疏的特点，当物体与检测雷达的距离较近时采集到的数据相比于远离雷达的物体采集的数据要多。使扫描数据产生密度分布不均的状态其次是因为激光在空气中尤其在空气质量不好时传播会发生一定程度的散射和折射，光能在传播过程中随距离逐渐变弱，距离越长能够返回到接收器的能量则越少。距离越近的物体所反射的光能量越强，远处的则很弱，因此激光雷达远处的数据点密度相对稀疏。（3）信息不完整性由于激光雷达扫描是借助与激光的传播与反射，然而激光的传播特性是沿直线传播，所以只能采集到物体正对激光雷达信号发射位置并且没有遮挡物体的面的信息。因此激光雷达所采集到的空间中物体的三维信息并不能反映物体的全部形貌特征，一般情况下只能得到物体的单侧面信息，如果目标物体形貌比较复杂或者物体与激光雷
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光雷达技术研究现状及其应用[J]. 李鑫慧,郭蓬,臧晨,戎辉,唐风敏. 汽车电器. 2019(05)
[2]中国高速铁路技术创新发展的优势探析[J]. 郭柱. 传播力研究. 2019(10)
[3]基于激光雷达的地铁隧道侵限检测方法[J]. 刘璐宾,王巍,宗光华. 机械工程与自动化. 2018(03)
[4]中国高速铁路的创新与发展[J]. 刘辉. 领导科学论坛. 2018(12)
[5]基于PCL的点云数据空间管理及近邻搜索[J]. 梁周雁,邵为真,孙文潇,马伟丽. 北京测绘. 2018(01)
[6]基于射线的虚拟手动态碰撞检测算法[J]. 朱希安,徐宇翔. 北京信息科技大学学报(自然科学版). 2015(02)
[7]铁路机车快速超视距障碍物识别算法[J]. 向荣,蒋荣欣. 湘潭大学自然科学学报. 2013(02)
[8]铁路综合视频监控系统与其他业务系统的互联和联动[J]. 魏宏. 铁路通信信号工程技术. 2012(04)
[9]《铁路综合视频监控系统技术规范(试行)》解析[J]. 许辉. 铁路技术创新. 2010(02)
[10]基于智能视频分析的铁路入侵检测技术研究[J]. 董宏辉,葛大伟,秦勇,贾利民. 中国铁道科学. 2010(02)
博士论文
[1]高速列车运营环境监测无线传感器网络研究[D]. 端嘉盈.中国铁道科学研究院 2017
[2]基于机器视觉的铁路异物侵限分布式智能监控技术研究[D]. 马宏锋.兰州交通大学 2014
硕士论文
[1]基于基点斜率法的列车高安全环境感知技术研究[D]. 刘高旭.北京交通大学 2019
[2]基于相位法的高精度激光测距仪的研究与设计[D]. 成乃朋.中北大学 2019
[3]高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统铁路局中心系统深化研究与应用[D]. 马祯.中国铁道科学研究院 2019
[4]基于线性调频的激光雷达测距系统设计[D]. 尹进进.西安电子科技大学 2018
[5]基于GPS和GPRS的电动车远程监控系统的研究与设计[D]. 陈康.西安工业大学 2018
[6]基于双目立体视觉的轨道入侵物识别技术研究[D]. 王群.北京交通大学 2018
[7]基于毫米波雷达与机器视觉信息融合的有轨电车障碍物检测[D]. 翟光耀.苏州大学 2018
[8]基于多源图像融合的铁路异物侵限检测方法研究[D]. 周杏芳.北京交通大学 2018
[9]城轨列车前方行人侵限检测系统的设计与实现[D]. 薛静远.浙江大学 2018
[10]基于LiDAR数据的铁路轨道信息提取方法研究[D]. 罗玲.河南理工大学 2016
本文编号：3373396
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“十二五”以来铁路交通事故死亡人数变化趋势图
12Φ=2πfT（2-3）式中f为激光发射光波信号频率。图2.3相位法测距信号往返过程展开图将式（2-3）中T代入式（2-2），得到结果如下：112222cDcπffπΦΦ==（2-4）式中c/f是发射激光的波长，以λ表示，又Φ等于光波的n个整周期上不足一个整周期的尾数Δ，所以：12()22222nDnnnπλλλππ+ΔΔ==+=+Δ（2-5）（3）角度测量原理激光的发射角度测量对于获取物体反射点的空间位置坐标而言十分重要。激光测距装置和扫描角自动记录装置是激光雷达的扫描系统的重要构成部分。因此扫描角的角度测量对于激光雷达系统是非常重要的。激光雷达系统一般采用轴角编码器来对角度偏移量进行测量。轴角编码器是一种能够实现角度变量与数字变量间转换的传感器。轴角编码器结构简单、抗干扰能力强，灵敏度高并且具有很高的分辨率。一般情况下激光雷达配置由光电三极管、计数器、发达电路、编码盘、点光源以及旋转轴组成的光电式轴角编码器。轴角编码器以圆光栅作为检测元件经过光电变换，主轴的角位移量即可以脉冲数字量表示，即编码器在旋转主轴的驱动下转动发出矩形脉冲，于是就可以实现角位移量的测量，也可以利用微机控制变为直线位移量。轴角编码器基本结构如图2.4所示。
13图2.4轴角编码器原理结构图2.1.3点云数据特征通过激光雷达扫描获得的点与数据具有如下特性：（1）局限性众所周知人的眼睛有一定的视觉盲区，存在一定的范围是眼睛无法看到的。同样的因激光雷达构造设计或者实际工作环境问题，激光雷达一般不能够检测到周围场景的全部信息，存在一定的扫描检测范围。不仅如此，激光雷达只能够定向扫描，因此激光雷达只能检测反应出特定方向的物体状态。如果俯视方向观察单面激光雷达所扫描得到的数据，其分布范围为一扇形区域。360°旋转式雷达所获得的数据在空间范围内呈环状辐射分布于三维空间，但中心范围与俯仰角外依然存在检测盲区。（2）不均匀性由于激光雷达是按一定角度发射激光信号来进行扫描的，所以激光雷达所采集的数据分布密度具有不均匀性。具体呈现为近密远疏的特点，当物体与检测雷达的距离较近时采集到的数据相比于远离雷达的物体采集的数据要多。使扫描数据产生密度分布不均的状态其次是因为激光在空气中尤其在空气质量不好时传播会发生一定程度的散射和折射，光能在传播过程中随距离逐渐变弱，距离越长能够返回到接收器的能量则越少。距离越近的物体所反射的光能量越强，远处的则很弱，因此激光雷达远处的数据点密度相对稀疏。（3）信息不完整性由于激光雷达扫描是借助与激光的传播与反射，然而激光的传播特性是沿直线传播，所以只能采集到物体正对激光雷达信号发射位置并且没有遮挡物体的面的信息。因此激光雷达所采集到的空间中物体的三维信息并不能反映物体的全部形貌特征，一般情况下只能得到物体的单侧面信息，如果目标物体形貌比较复杂或者物体与激光雷
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光雷达技术研究现状及其应用[J]. 李鑫慧,郭蓬,臧晨,戎辉,唐风敏. 汽车电器. 2019(05)
[2]中国高速铁路技术创新发展的优势探析[J]. 郭柱. 传播力研究. 2019(10)
[3]基于激光雷达的地铁隧道侵限检测方法[J]. 刘璐宾,王巍,宗光华. 机械工程与自动化. 2018(03)
[4]中国高速铁路的创新与发展[J]. 刘辉. 领导科学论坛. 2018(12)
[5]基于PCL的点云数据空间管理及近邻搜索[J]. 梁周雁,邵为真,孙文潇,马伟丽. 北京测绘. 2018(01)
[6]基于射线的虚拟手动态碰撞检测算法[J]. 朱希安,徐宇翔. 北京信息科技大学学报(自然科学版). 2015(02)
[7]铁路机车快速超视距障碍物识别算法[J]. 向荣,蒋荣欣. 湘潭大学自然科学学报. 2013(02)
[8]铁路综合视频监控系统与其他业务系统的互联和联动[J]. 魏宏. 铁路通信信号工程技术. 2012(04)
[9]《铁路综合视频监控系统技术规范(试行)》解析[J]. 许辉. 铁路技术创新. 2010(02)
[10]基于智能视频分析的铁路入侵检测技术研究[J]. 董宏辉,葛大伟,秦勇,贾利民. 中国铁道科学. 2010(02)
博士论文
[1]高速列车运营环境监测无线传感器网络研究[D]. 端嘉盈.中国铁道科学研究院 2017
[2]基于机器视觉的铁路异物侵限分布式智能监控技术研究[D]. 马宏锋.兰州交通大学 2014
硕士论文
[1]基于基点斜率法的列车高安全环境感知技术研究[D]. 刘高旭.北京交通大学 2019
[2]基于相位法的高精度激光测距仪的研究与设计[D]. 成乃朋.中北大学 2019
[3]高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统铁路局中心系统深化研究与应用[D]. 马祯.中国铁道科学研究院 2019
[4]基于线性调频的激光雷达测距系统设计[D]. 尹进进.西安电子科技大学 2018
[5]基于GPS和GPRS的电动车远程监控系统的研究与设计[D]. 陈康.西安工业大学 2018
[6]基于双目立体视觉的轨道入侵物识别技术研究[D]. 王群.北京交通大学 2018
[7]基于毫米波雷达与机器视觉信息融合的有轨电车障碍物检测[D]. 翟光耀.苏州大学 2018
[8]基于多源图像融合的铁路异物侵限检测方法研究[D]. 周杏芳.北京交通大学 2018
[9]城轨列车前方行人侵限检测系统的设计与实现[D]. 薛静远.浙江大学 2018
[10]基于LiDAR数据的铁路轨道信息提取方法研究[D]. 罗玲.河南理工大学 2016
本文编号：3373396
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