一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞装置及方法与流程

本发明属于轨道车辆防碰撞技术领域，尤其涉及一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞装置及方法。

背景技术：

随着高速铁路的快速发展，列车运行速度在不断提高，保证行车安全的难度也越来越大。轨道交通线路沿途环境复杂多样，自然灾害、人为因素、随机异物等原因造成的障碍物侵入列车行驶限界的情况，严重影响行车安全。目前轨道车辆障碍物检测及防碰撞方法有：一是有人驾驶列车对障碍物的检测主要依靠司机的个人判断，司机在行驶的过程中实时观察行驶路段情况，何时发现异物侵限状况以及何时施加紧急制动主要受司机的视力、驾驶习惯、注意力集中程度等因素的影响，一旦司机注意力不集中或者超出目视距离的障碍物，有可能因施加紧急制动不及时而造成严重事故。二是装在车辆上的多传感器融合探测的主动防碰撞系统，该系统检测距离短，只能监测约500m以内的范围，还不包括起伏坡道、恶劣环境等特殊场景的情况，对于200km/h客运列车2000m的制动距离而言，远远不能满足运用的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞装置及方法，以解决现在主动防碰撞系统探测距离不能满足列车安全制动要求的问题。

本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞装置，包括：无人机、轨道车辆以及调度控制平台；所述无人机包括设于无人机前端的第一检测模块、设于无人机后端的第二检测模块、以及设于无人机上的第一数据处理模块、飞行控制模块、第一数据存储模块、电源模块和第一无线通讯模块；所述轨道车辆包括第二无线通讯模块、第三无线通讯模块、网络控制系统、列车控制单元、牵引制动模块、第二数据存储模块以及第一报警模块；所述调度控制平台包括第四无线通讯模块、第二数据处理模块、第三数据存储模块以及运行线路规划模块；

所述第一数据处理模块分别与第一检测模块、第二检测模块、飞行控制模块、第一数据存储模块、电源模块以及第一无线通讯模块连接；所述第二无线通讯模块与网络控制系统连接，所述网络控制系统与列车控制单元连接，所述列车控制单元分别与第三无线通讯模块、牵引制动模块、第二数据存储模块以及第一报警模块连接；所述第二数据处理模块分别与第四无线通讯模块、第三数据存储模块以及运行线路规划模块；所述第二无线通讯模块与第一无线通讯模块通讯连接，所述第三无线通讯模块与第四无线通讯模块通讯连接；

所述运行线路规划模块，用于规划轨道车辆的运行线路；

所述飞行控制模块，用于根据轨道车辆的运行线路控制所述无人机的飞行路径，并控制无人机的飞行速度以及无人机与轨道车辆之间的间距；

所述第一检测模块，用于检测无人机前端是否存在障碍物；第二检测模块，用于检测无人机后端是否存在障碍物；

所述第一数据处理模块，用于对第一检测模块、第二检测模块的检测数据进行分析判断，根据分析判断结果确定碰撞等级，并根据碰撞等级通过第一无线通讯模块发送不同的数据给第二无线通讯模块；

所述列车控制单元，用于根据第二无线通讯模块接收的不同数据控制第一报警模块和/或牵引制动模块作出初步动作，再根据第三无线通讯模块反馈的综合判断结果控制第一报警模块和/或牵引制动模块作出最终动作；

所述第二数据处理模块，用于根据第三无线通讯模块发送给第四无线通讯模块的不同碰撞等级对应的不同数据以及其他轨道车辆的运行状态对所述轨道车辆的运行进行综合判断，并将该综合判断结果通过第四无线通讯模块和第三无线通讯模块反馈给所述列车控制单元。

本发明中，第一检测模块、第二检测模块分别检测无人机前、后端的障碍物情况，将探测距离增加了一倍，提高了对障碍物的早期预警能力，提高了轨道车辆运行的安全性。无人机以调度控制平台为轨道车辆规划的运行线路进行飞行路径的控制，简单可靠地实现了无人机的路径规划。根据碰撞等级发送数据给轨道车辆，不同的碰撞等级发送不同的数据给轨道车辆，这种分级发送大大减少了数据的发送量，提高了无人机的续航里程，降低了对轨道车辆存储空间的要求。轨道车辆在接收到碰撞等级和对应数据后先作出初步动作，再根据调度控制平台的综合判断反馈作出最终动作，既可以避免与障碍物的碰撞，又可以避免对其他轨道车辆运行状态的影响，提高了整条线路所有轨道车辆运行的安全性。

进一步地，所述第一检测模块、第二检测模块均包括视觉采集模块和雷达探测模块。视觉采集模块可以检测无人机前、后端的障碍物情况，雷达探测模块可以对周围轨行区进行探测，检测该轨道车辆与同一股道或同一道岔区段、存在冲突风险的其他轨道车辆之间的距离，不仅增大了前后探测距离，还增大了左右探测距离，保证了轨道车辆运行线路被监测的可靠性，提高了早期预警能力。

进一步地，所述飞行控制模块，还用于控制无人机的飞行速度与轨道车辆的运行速度保持一致，以及用于根据轨道车辆的速度等级控制无人机与轨道车辆之间的间距，保证了轨道车辆运行线路被监测的实时性。

进一步地，所述无人机飞行于轨道车辆所运行轨道一侧的牵引供电网上方，且无人机与所运行轨道的轨道中心的横向距离为2.5m；所运行轨道的一侧是指无相邻轨道的一侧；减少了行车风对无人机飞行的影响，并保证了在无人机故障时即使坠落也不会坠落在轨道车辆的运行界限内而影响车辆的正常运行。

进一步地，在所述轨道车辆上还设有与所述列车控制单元连接的第一按键模块，所述调度控制平台还包括与所述第二数据处理模块连接的第二按键模块，当判断为误触发报警或报警已解除时，通过第一按键模块和第二按键模块可以一键恢复并启动轨道车辆，使轨道车辆快速进入正常运行模式。

进一步地，所述调度控制平台还包括与所述第二数据处理模块连接的第二报警模块，所述第二报警模块用于在碰撞等级为高风险等级时发出警报。

进一步地，所述电源模块为太阳能电池模块，太阳能电池模块为无人机上的所有用电模块提供电源，太阳能电池实现了无人机的续航要求。

进一步地，所述碰撞等级包括无障碍等级、低风险等级以及高风险等级；

当为无障碍等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号给轨道车辆；

当为低风险等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号和检测数据给轨道车辆；

当为高风险等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号和检测数据给轨道车辆。

轨道车辆运行时，大部分情况应是无障碍物的情况，在无障碍物时仅仅发送无障碍物等级信号给轨道车辆，例如“0”表示无障碍等级，则仅发送“0”给轨道车辆，大大减少了数据的发送量，提高了无人机的续航里程，降低了对轨道车辆存储空间的要求。

本发明还提供一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞方法，利用如上所述的轨道车辆主动防碰撞装置，包括：

获取无人机前端、后端的障碍物信息；

根据所述障碍物信息判断是否有障碍物侵入轨道车辆的运行界限，以及确定当有障碍物侵入时障碍物与轨道车辆之间的间距；

根据是否有障碍物侵入轨道车辆的运行界限以及有障碍物侵入时障碍物与轨道车辆之间的间距，确定碰撞等级；

根据所述碰撞等级将数据发送给轨道车辆，不同碰撞等级发送不同的数据给轨道车辆；

根据所述数据控制轨道车辆的第一报警模块和/或牵引制动模块作出初步动作，同时所述轨道车辆将所述数据发送给调度控制平台；

所述调度控制平台根据所述数据以及其他轨道车辆的运行状态对所述轨道车辆的运行进行综合判断，并将所述综合判断结果反馈给所述轨道车辆；

根据所述综合判断结果控制轨道车辆的第一报警模块和/或牵引制动模块作出最终动作。

进一步地，在获取无人机前端、后端的障碍物信息之前，还包括控制无人机飞行的步骤，具体步骤为：根据轨道车辆的运行线路控制所述无人机的飞行路径；根据轨道车辆的运行速度控制所述无人机的飞行速度，使无人机的飞行速度与轨道车辆的运行速度保持一致；以及根据轨道车辆的速度等级控制无人机与轨道车辆之间的间距。

进一步地，所述碰撞等级包括无障碍等级、低风险等级以及高风险等级；

当为无障碍等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号给轨道车辆；

当为低风险等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号和检测数据给轨道车辆；

当为高风险等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号和检测数据给轨道车辆。

有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞装置及方法，第一检测模块、第二检测模块分别检测无人机前、后端的障碍物情况，将探测距离增加了一倍，提高了对障碍物的早期预警能力，提高了轨道车辆运行的安全性。无人机以调度控制平台为轨道车辆规划的运行线路进行飞行路径的控制，简单可靠地实现了无人机的路径规划。根据碰撞等级发送数据给轨道车辆，不同的碰撞等级发送不同的数据给轨道车辆，这种分级发送大大减少了数据的发送量，提高了无人机的续航里程，降低了对轨道车辆存储空间的要求。轨道车辆在接收到碰撞等级和对应数据后先作出初步动作，再根据调度控制平台的综合判断反馈作出最终动作，既可以避免与障碍物的碰撞，又可以避免对其他轨道车辆运行状态的影响，提高了整条线路所有轨道车辆运行的安全性；该装置及方法能大大提升轨道车辆的主动安全能力，对轨道交通行业的安全、可靠、可持续发展具有十分重要的社会价值和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞装置的结构框图；

图2是本发明实施例中无人机、轨道车辆以及调度控制平台之间的通讯示意图；

图3是本发明实施例中一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞方法的流程图；

其中，1-牵引供电网，2-上行轨道，3-下行轨道。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，本实施例所提供的一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞装置，包括：无人机、轨道车辆以及调度控制平台；无人机包括设于无人机前端的第一检测模块、设于无人机后端的第二检测模块、以及设于无人机上的第一数据处理模块、飞行控制模块、第一数据存储模块、电源模块和第一无线通讯模块；轨道车辆包括第二无线通讯模块、第三无线通讯模块、网络控制系统、列车控制单元、牵引制动模块、第二数据存储模块以及第一报警模块；调度控制平台包括第四无线通讯模块、第二数据处理模块、第三数据存储模块以及运行线路规划模块。

第一数据处理模块分别与第一检测模块、第二检测模块、飞行控制模块、第一数据存储模块、电源模块以及第一无线通讯模块连接；第二无线通讯模块与网络控制系统连接，网络控制系统与列车控制单元连接，列车控制单元分别与第三无线通讯模块、牵引制动模块、第二数据存储模块以及第一报警模块连接；第二数据处理模块分别与第四无线通讯模块、第三数据存储模块以及运行线路规划模块；第二无线通讯模块与第一无线通讯模块通讯连接，第三无线通讯模块与第四无线通讯模块通讯连接。

飞行控制模块，用于根据轨道车辆的运行线路控制无人机的飞行路径，并控制无人机的飞行速度以及无人机与轨道车辆之间的间距。本实施例中，飞行控制模块根据轨道车辆的运行速度控制无人机的飞行速度与轨道车辆的运行速度保持一致，即无人机与轨道车辆相对静止，飞行控制模块还根据轨道车辆的速度等级控制无人机与轨道车辆之间的间距，例如轨道车辆的最高运行速度为120km/h，那么可以控制无人机与轨道车辆之间的间距为制动安全距离的一半，即为500m。通过对无人机的飞行状态（即飞行路径、飞行速度以及与轨道车辆之间的间距）进行控制，保证了轨道车辆运行线路被监测的实时性；同时简单可靠地实现了无人机的路径规划。

无人机飞行于轨道车辆所运行轨道一侧的牵引供电网1上方，且无人机与所运行轨道的轨道中心的横向距离为2.5m。所运行轨道的一侧是指无相邻轨道的一侧，如图2所示，假设轨道车辆运行在上行轨道2上，上行轨道2的一侧为下行轨道3，上行轨道2的另一侧无相邻轨道，则无人机飞行在上行轨道2无相邻轨道的一侧，且无人机与上行轨道2的轨道中心的横向距离为2.5m，该距离可以根据实际情况进行设置。无人机的这种飞行位置减少了行车风对无人机飞行的影响，并保证了在无人机故障时即使坠落也不会坠落在轨道车辆的运行界限内而影响车辆的正常运行。

第一检测模块，用于检测无人机前端是否存在障碍物；第二检测模块，用于检测无人机后端是否存在障碍物。本实施例中，第一检测模块、第二检测模块均包括视觉采集模块和雷达探测模块，视觉采集模块和雷达探测模块均可选用现有产品。视觉采集模块可以检测无人机前、后端的障碍物情况，利用图像处理技术来判断轨道车辆的运行线路是否有障碍物侵入，并通过无人机前端的视觉采集模块和无人机后端的视觉采集模块进行对比可以更加准确地辨识移动物体是否会侵入轨道车辆的运行界限。雷达探测模块可以对周围轨行区进行探测，检测该轨道车辆与同一股道或同一道岔区段、存在冲突风险的其他轨道车辆之间的距离，评估碰撞风险或碰撞等级（可以根据设定阈值进行评估，例如200km/h等级的车辆，制动距离为2000m，加上反应时间运行的距离100m，可设设定阈值为2100m）。第一检测模块和第二检测模块的配合，视觉采集模块和雷达探测模块的配合不仅增大了前后探测距离，还增大了左右探测距离，保证了轨道车辆运行线路被监测的可靠性，提高了早期预警能力。利用无人机进行障碍物监测，避免了因坡道起伏等情况对监测范围的影响。

第一数据处理模块，用于对第一检测模块、第二检测模块的检测数据进行分析判断，例如分析是否有障碍物侵入轨道车辆的运行界限以及当有障碍物侵入时障碍物与轨道车辆之间的间距，根据分析判断结果确定碰撞等级，并根据碰撞等级通过第一无线通讯模块发送不同的数据给第二无线通讯模块，即发送给轨道车辆。碰撞等级包括无障碍等级、低风险等级以及高风险等级，当为无障碍等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号给轨道车辆；当为低风险等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号和检测数据给轨道车辆；当为高风险等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号和检测数据给轨道车辆，即所发送的数据为等级信号，或者等级信号和检测数据。例如，设无障碍等级时的等级信号为“0”，低风险等级时的等级信号为“1”，高风险等级时的等级信号为“2”，则当无障碍等级时，仅发送“0”给轨道车辆，当为低风险等级时发送“1”和检测数据给轨道车辆，当为高风险等级时发送“2”和检测数据给轨道车辆。检测数据包括视觉采集模块所采集的图片、视频以及雷达探测模块所获取的雷达信号。不同的碰撞等级发送不同的数据给轨道车辆，这种分级发送大大减少了数据的发送量，提高了无人机的续航里程，降低了对轨道车辆存储空间的要求。

第一数据存储模块用于存储第一检测模块、第二检测模块的检测数据以及第二数据处理模块的碰撞等级数据等，例如视频(不低于720p，每秒15帧）存储时间不低于15天，第一数据存储模块能够存储10次有障碍物侵入时前后2分钟的视频（不低于1080p，每秒15帧）。

电源模块为无人机上所有用电模块或部件提供电源，电源模块为太阳能电池模块，太阳能电池实现了无人机的续航要求。电源模块还可以采用到站更换的储能电源。

第一无线通讯模块和第二无线通讯模块用于无人机与轨道车辆之间的通信。

网络控制系统、列车控制单元以及牵引制动模块为轨道车辆现有结构。

无人机发送的数据通过第二无线通讯模块、网络控制系统传送给列车控制单元。

列车控制单元，用于根据数据控制第一报警模块和/或牵引制动模块作出初步动作，再根据第三无线通讯模块反馈的综合判断结果控制第一报警模块和/或牵引制动模块作出最终动作。例如，数据为无障碍等级信号时，列车控制单元控制第一报警模块和牵引制动模块维持原状态，即不改变状态；数据为低风险等级和检测数据时，列车控制单元控制第一报警模块发出预警，并由牵引制动模块控制轨道车辆减速；数据为高风险和检测数据时，列车控制单元控制第一报警模块发出预警，并由牵引制动模块控制轨道车辆紧急制动，后续再根据调度控制平台的综合判断对轨道车辆的运行状态做出最终的决策。可以由列车控制单元自动进行防止碰撞障碍物的运行控制，避免了因司机注意力不集中或超出目视距离而施加紧急制动不及时造成的严重事故。

第三无线通讯模块和第四无线通讯模块用于轨道车辆与调度控制平台之间的通信。

第二数据处理模块，用于根据不同碰撞等级对应的不同数据以及其他轨道车辆的运行状态对轨道车辆的运行进行综合判断，并将该综合判断结果通过第四无线通讯模块和第三无线通讯模块反馈给列车控制单元。调度控制平台能够获取运行线路上所有轨道车辆的运行状态，再结合碰撞等级的对应数据对被监测轨道车辆的运行进行综合决策，既可以避免与障碍物的碰撞，又可以避免对其他轨道车辆运行状态的影响，提高了整条线路所有轨道车辆运行的安全性。

运行线路规划模块，用于规划轨道车辆的运行线路。

本发明中，轨道车辆均指被无人机监测的轨道车辆，其他轨道车辆是指除被该无人机监测的轨道车辆以外的同线路上下行运行的轨道车辆。

在轨道车辆上还设有与列车控制单元连接的第一按键模块，调度控制平台还包括与第二数据处理模块连接的第二按键模块，当确定为误触发报警或报警已解除时，通过第一按键模块和第二按键模块可以一键恢复并启动轨道车辆，使轨道车辆快速进入正常运行模式。调度控制平台还包括与第二数据处理模块连接的第二报警模块，第二报警模块用于在碰撞等级为高风险等级时发出警报。第一报警模块和第二报警模块在进行报警时会进行声音和图片提醒。

如图3所示，本实施例还提供一种基于无人机的轨道车辆主动防碰撞方法，利用如上所述的轨道车辆主动防碰撞装置，包括：

1、控制无人机飞行：根据轨道车辆的运行线路控制无人机的飞行路径；根据轨道车辆的运行速度控制无人机的飞行速度，使无人机的飞行速度与轨道车辆的运行速度保持一致；以及根据轨道车辆的速度等级控制无人机与轨道车辆之间的间距。

以轨道车辆的运行线路为基准进行巡航，无需为无人机重新规划飞行路径即可简单可靠地实现了无人机的路径规划。

2、通过第一检测模块、第二检测模块分别获取无人机前端、后端的障碍物信息。

第一检测模块、第二检测模块均包括视觉采集模块和雷达探测模块，视觉采集模块和雷达探测模块均可选用现有产品。

3、根据障碍物信息判断是否有障碍物侵入轨道车辆的运行界限，以及确定当有障碍物侵入时障碍物与轨道车辆之间的间距。

4、根据是否有障碍物侵入轨道车辆的运行界限以及有障碍物侵入时障碍物与轨道车辆之间的间距，确定碰撞等级。

无障碍物侵入轨道车辆的运行界限时，为无障碍物等级；有障碍物侵入轨道车辆的运行界限，且障碍物与轨道车辆之间的间距大于设定距离时，为低风险等级；有障碍物侵入轨道车辆的运行界限，且障碍物与轨道车辆之间的间距小于设定距离时，为高风险等级。设定距离可以根据轨道车辆的速度等级来设置。

5、根据碰撞等级将数据发送给轨道车辆，不同碰撞等级发送不同的数据给轨道车辆。

碰撞等级包括无障碍等级、低风险等级以及高风险等级；

当为无障碍等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号给轨道车辆；

当为低风险等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号和检测数据给轨道车辆；

当为高风险等级时，无人机通过第一无线通讯模块发送等级信号和检测数据给轨道车辆。

6、根据该数据控制轨道车辆的第一报警模块和/或牵引制动模块作出初步动作，同时轨道车辆将数据发送给调度控制平台。

7、调度控制平台根据数据以及其他轨道车辆的运行状态对轨道车辆的运行进行综合判断，并将综合判断结果反馈给轨道车辆。

8、根据综合判断结果控制轨道车辆的第一报警模块和/或牵引制动模块作出最终动作。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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