專利名稱：鐵路機(jī)車前大燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鐵路機(jī)車前大燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，具體是一種通過(guò)采用 計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)控制機(jī)車前大燈自動(dòng)調(diào)整照射角度的裝置。當(dāng)鐵路機(jī)車在 夜間行駛到達(dá)彎道處時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)端軌道圖像采集和自動(dòng)識(shí)別判斷彎道，控制前 大燈自動(dòng)隨著彎道轉(zhuǎn)向，保證司機(jī)瞭望視野。
背景技術(shù)：
鐵路機(jī)車前大燈是機(jī)車夜間運(yùn)行司機(jī)瞭望的關(guān)鍵設(shè)備。前大燈的照度和視 場(chǎng)決定了司機(jī)夜間瞭望視野。目前，前大燈一般安裝在機(jī)車頭部中央位置，采
用固定安裝方式。機(jī)車前大燈亮度照射范圍一般在300 600m，當(dāng)機(jī)車進(jìn)入轉(zhuǎn)彎 區(qū)間時(shí)，在轉(zhuǎn)彎前就需要司機(jī)瞭望300m外彎道的情況，由于現(xiàn)有前大燈全部采 用直射的方式，燈光沿彎道切線方向射出，司機(jī)在夜間無(wú)法對(duì)彎道處進(jìn)行瞭望， 給列車運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。
因此，需要研制一種能夠在機(jī)車轉(zhuǎn)彎前即能提前測(cè)量前方彎道狀態(tài)，根據(jù) 彎道變化自動(dòng)控制前大燈照射角度的智能化控制裝置。該裝置隨著彎道的曲率 變化，自動(dòng)控制前大燈轉(zhuǎn)向角度，當(dāng)機(jī)車駛?cè)?、駛出彎道時(shí)，保證司機(jī)能夠正 常瞭望，對(duì)異常情況便于采取措施，保證列車運(yùn)行安全。
目前國(guó)內(nèi)科研了這方面的研究工作。 一般采用傳感器或GPS衛(wèi)星定位裝置 測(cè)定機(jī)車轉(zhuǎn)彎傾斜程度和運(yùn)行軌跡，根據(jù)機(jī)車在彎道上的運(yùn)行情況，當(dāng)機(jī)車進(jìn) 入彎道時(shí)，測(cè)定彎曲半徑，進(jìn)而控制和前大燈相連的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，控制前大燈轉(zhuǎn) 向。這種控制方式的一個(gè)主要缺點(diǎn)是不能在轉(zhuǎn)彎前提前預(yù)知轉(zhuǎn)彎情況，只有在 進(jìn)入彎道后才能控制轉(zhuǎn)向，由于司機(jī)視野必須達(dá)到300m以上，因此存在前大燈 轉(zhuǎn)向滯后的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是提供一種鐵路機(jī)車前大燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，以解決現(xiàn) 有技術(shù)存在的機(jī)車夜間運(yùn)行時(shí)前大燈轉(zhuǎn)向滯后的問(wèn)題。該自動(dòng)控制裝置通過(guò)圖
像識(shí)別技術(shù)判斷機(jī)車運(yùn)行前方軌道走向或彎曲程度，向自動(dòng)控制裝置發(fā)出轉(zhuǎn)向 控制命令，使機(jī)車前大燈隨著軌道的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保司機(jī)瞭望的視野， 特別是在彎道處能夠保證瞭望視野。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是鐵路機(jī)車前大燈轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于 它包括圖像采集設(shè)備、嵌入式計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述的嵌入式計(jì)算 機(jī)包括圖像處理單元、存儲(chǔ)運(yùn)算單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、鍵盤和控制面板、主機(jī) 箱。
本實(shí)用新型的應(yīng)用將極大的改善司機(jī)夜間在彎道處瞭望視野，消除了由于 在彎道處前大燈不能轉(zhuǎn)動(dòng)造成的瞭望盲區(qū)，在到達(dá)彎道前就可以提前測(cè)定彎道 軌跡，控制前大燈隨著線路軌跡轉(zhuǎn)向，使前大燈始終照射在遠(yuǎn)方軌道區(qū)域，在 出現(xiàn)線路異常的情況下，便于司機(jī)及時(shí)采取控制措施，保證列車運(yùn)行安全。它 完全模擬乘務(wù)員人工觀測(cè)-判斷-調(diào)整的反饋控制過(guò)程，具有靈活的自適應(yīng)能力， 完全不受線路條件變化的影響，根據(jù)前方線路狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制，的人 工智能技術(shù)的應(yīng)用。
圖像采集設(shè)備可滿足時(shí)速160公里以上的拍攝要求，拍攝速度可達(dá)到每秒 24張以上，可在鐵路車輛最高速度行駛情況下對(duì)遠(yuǎn)端軌道的變化軌跡進(jìn)行拍攝， 該攝像機(jī)采用長(zhǎng)焦鏡頭，采用低照度攝像機(jī)能夠在夜間依靠機(jī)車前大燈的亮度 拍攝到軌道的圖片。當(dāng)攝像機(jī)安裝角度和焦距固定后，無(wú)論軌道是否水平，在 軌道平面，照片中的軌道可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。
圖像采集后，依靠嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，由于夜晚
軌道相對(duì)于路基對(duì)比比較強(qiáng)烈，同時(shí)具有明顯的幾何特征，所以很容易計(jì)算和 判斷出遠(yuǎn)端軌道的彎曲半徑、彎曲方向和相對(duì)機(jī)車的距離。依據(jù)以上參數(shù)，通 過(guò)運(yùn)動(dòng)控制單元對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令，使前大燈轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角 度，隨著機(jī)車的運(yùn)行，前大燈根據(jù)曲線狀態(tài)隨時(shí)調(diào)整照射角度。確保機(jī)車大燈 的照射范圍始終在前方軌道上。
本實(shí)用新型可以安裝在現(xiàn)有機(jī)車上，也可應(yīng)用于新造機(jī)車上。在現(xiàn)有車改 造時(shí)需更換機(jī)車前大燈安裝座為帶轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝座，同時(shí)將機(jī)器盒安裝 在機(jī)車駕駛室內(nèi)或前大燈安裝座內(nèi)，圖像采集用攝像機(jī)安裝在機(jī)車頭部的一個(gè) 固定安裝盒上，可固定在機(jī)車頂部靠端頭的位置，攝像機(jī)需要安裝在能夠防雨、
防塵、保溫的機(jī)器盒內(nèi)。
由于該裝置能夠動(dòng)態(tài)采集前方圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別。該系統(tǒng) 還可以在雙線區(qū)間當(dāng)對(duì)面來(lái)車后測(cè)定對(duì)面來(lái)車相對(duì)于本車的距離，可根據(jù)距離 發(fā)出信號(hào)，控制前大燈降低照度，便于會(huì)車，防止會(huì)車時(shí)前大燈對(duì)對(duì)面來(lái)車瞭 望產(chǎn)生干擾。在軟件逐步成熟的條件下，可對(duì)前方軌道大型異物通過(guò)圖像自動(dòng) 識(shí)別給出報(bào)警提示信號(hào)，保證列車安全運(yùn)行。

圖1為本實(shí)用新型系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖2是本實(shí)用新型的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的俯視示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例。
參見圖l，本實(shí)用新型由機(jī)車前大燈及燈座l、攝像機(jī)2、圖像處理單元3、 嵌入式計(jì)算機(jī)4、運(yùn)動(dòng)控制單元5、鍵盤及控制面板6和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)7， 下面分別詳細(xì)說(shuō)明。
1、 圖像采集設(shè)備
圖像采集設(shè)備包括 一臺(tái)攝像機(jī)2、長(zhǎng)焦鏡頭、安裝盒、視頻采集線。 所述的攝像機(jī)2可采用低照度模擬攝像機(jī)，采集頻率可達(dá)到24幀/秒以上，
分辨率可達(dá)到480線。采用該類攝像機(jī)可降低設(shè)備的成本。當(dāng)然也可以采用高
速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
選用長(zhǎng)焦鏡頭的目的主要是保持使像機(jī)視場(chǎng)滿足300m外的瞭望視場(chǎng)要求， 滿足分辨率和控制精度要求。
攝像機(jī)機(jī)器的安裝盒能夠做到防雨、防塵和保溫的作用?？砂惭b在機(jī)車頭 部的頂端位置。
2、 嵌入式計(jì)算機(jī)
嵌入式計(jì)算機(jī)4包括圖像處理單元3、存儲(chǔ)運(yùn)算單元、運(yùn)動(dòng)控制單元5、鍵 盤和控制面板6和主機(jī)箱。嵌入式計(jì)算機(jī)比工控機(jī)具有穩(wěn)定、可靠、低成本的 特點(diǎn)，可滿足現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境要求。
所述的主機(jī)箱采用密閉結(jié)構(gòu)需要具有抗震、防水、防塵、保溫的作用。主
機(jī)箱電源結(jié)合機(jī)車uov直流供電特點(diǎn)，直接采用110V直流電源供電，同時(shí)具
有穩(wěn)壓和隔離作用。
嵌入式計(jì)算機(jī)4采用高速DSP芯片和大容量RAM作為計(jì)算器和存儲(chǔ)器。
所述的圖像處理單元3通過(guò)視頻線與攝像機(jī)相連，采用高頻定時(shí)采集方式 對(duì)圖像進(jìn)行采集，通過(guò)數(shù)據(jù)總線將采集到的圖像傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。
所述的存儲(chǔ)運(yùn)算單元將采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，依據(jù)軌道相對(duì)于路基 的圖像特征，提取出前方軌道的軌跡和相對(duì)于機(jī)車的位置和距離，通過(guò)圖像處 理算法計(jì)算出前方軌道彎曲半徑和彎曲方向。當(dāng)運(yùn)算完成后，按照相關(guān)控制算 法，給出用于控制大燈轉(zhuǎn)向的控制參數(shù)。
鍵盤和控制面板6安裝在機(jī)車駕駛室內(nèi)，它和計(jì)算機(jī)4相連,設(shè)置的按鈕包 括開關(guān)機(jī)按鈕，復(fù)位按鈕、手動(dòng)和自動(dòng)選擇開關(guān),手動(dòng)調(diào)整大燈方向按鈕等， 同時(shí)在控制面板設(shè)置設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指示燈、電源指示燈和報(bào)警燈等，在面板上 設(shè)置液晶顯示或數(shù)碼管顯示，用于顯示大燈旋轉(zhuǎn)角度和其他控制參數(shù)等。
運(yùn)動(dòng)控制單元5依據(jù)計(jì)算出的控制參數(shù)，向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)7發(fā)出控制 命令?？刂泼钜罁?jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求，輸出模擬或數(shù)字信號(hào)。
按120km/h車速計(jì)算，列車每秒移動(dòng)距離為33m，按24Hz的圖像采樣頻率， 每幀圖像要求采集處理時(shí)間不大于40ms,這樣當(dāng)機(jī)車速度為120km/h時(shí)每運(yùn)行 1. 2m就可以發(fā)出一個(gè)控制命令，完全可滿足機(jī)車前大燈的控制需要。 3、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)7由步進(jìn)電機(jī)71和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，機(jī)車前大燈1和旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)相連，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而作水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可采用渦 輪蝸桿機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)(如圖2所示)或齒輪組(未圖示) 構(gòu)成。在圖2中機(jī)車前大燈1連接在蝸輪72上，蝸桿73同軸連接在步進(jìn)電機(jī) 71的輸出軸上。
本實(shí)用新型的工作原理是
轉(zhuǎn)向裝置與前大燈電源相連，當(dāng)夜間前大燈開啟后，轉(zhuǎn)向裝置接通電源開 始運(yùn)行。計(jì)算機(jī)4首先對(duì)相連設(shè)備進(jìn)行自檢和初始化運(yùn)行，之后對(duì)攝像機(jī)2發(fā) 出圖像采集指令，攝像機(jī)2開始按固定頻率采集前方軌道圖像。存儲(chǔ)運(yùn)算單元
在接收到圖像后，進(jìn)行圖像自動(dòng)識(shí)別，識(shí)別軟件固化在存儲(chǔ)器內(nèi)，開機(jī)后自動(dòng) 執(zhí)行。
由于夜間鋼軌與路基在大燈的照射條件下具有明顯的灰度差，比較容易測(cè)
定鋼軌的軌跡。同時(shí)由于采用定光圈定焦距的鏡頭，而且攝像機(jī)2安裝角度和 位置相對(duì)機(jī)車固定，因此攝像機(jī)的視場(chǎng)是一個(gè)相對(duì)固定的位置。在安裝完成后， 以軌道為準(zhǔn)可對(duì)攝像機(jī)的視場(chǎng)進(jìn)行提前標(biāo)定。使軌道圖像具有一定的位置信息。 經(jīng)軟件運(yùn)算后可比較準(zhǔn)確的測(cè)定前方視場(chǎng)范圍內(nèi)的軌道彎曲半徑和相對(duì)機(jī)車的 距離。針對(duì)不同的軌道狀態(tài)按照一定的算法，計(jì)算出需要機(jī)車前大燈1旋轉(zhuǎn)的 角度，動(dòng)態(tài)調(diào)整前大燈1的照射角度。
在遇到道岔時(shí)，由于圖象具有軌道位置定位功能，可自動(dòng)識(shí)別出正前方軌 道， 一般按照正前方處理。當(dāng)?shù)啦硗ㄟ^(guò)后再以新軌道計(jì)算。當(dāng)然包括道岔、前 方山崖、樹木遮擋等，有時(shí)軌道圖象不一定能夠貫穿整幅圖片，在圖象識(shí)別方 面會(huì)出現(xiàn)困難，在此狀態(tài)下，以圖片底部軌道的趨勢(shì)計(jì)算大燈參數(shù)，簡(jiǎn)單說(shuō)就 是以圖片能夠拍到的軌道圖象為準(zhǔn)。如果整幅圖象都沒有軌道的話或攝像機(jī)2 發(fā)生故障或外部能見度下降連續(xù)拍不到有軌道的圖片時(shí)，計(jì)算機(jī)4會(huì)自動(dòng)讓大 燈恢復(fù)正前方的位置，同時(shí)通過(guò)報(bào)警燈給出提示。
圖像采集后一般不作連續(xù)的存儲(chǔ)，采集到內(nèi)存后，計(jì)算機(jī)4就開始進(jìn)行識(shí) 別，識(shí)別后該圖像自動(dòng)刪除再采集新的圖像。為設(shè)備調(diào)試方便，嵌入式計(jì)算機(jī)4 預(yù)留圖像外部存儲(chǔ)的接口以及顯示器和鍵盤接口 。
運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)7采用步進(jìn)電機(jī)與渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)可極大的提高角度控制 精度。在該運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)7上留有前大燈角度手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕，該調(diào)節(jié)旋鈕 與蝸桿相連，當(dāng)自動(dòng)控制裝置發(fā)生故障時(shí)，方便司機(jī)手工調(diào)節(jié)，將大燈恢復(fù)原 有位置。
權(quán)利要求1.一種鐵路機(jī)車前大燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于包括圖像采集設(shè)備、嵌入式計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述的嵌入式計(jì)算機(jī)包括圖像處理單元、存儲(chǔ)運(yùn)算單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、鍵盤及控制面板和主機(jī)箱，圖像采集設(shè)備的信號(hào)輸出端與所述的圖像處理單元的輸入端連接；運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)控制單元的輸出端連接；圖像處理單元和運(yùn)動(dòng)控制單元分別與存儲(chǔ)運(yùn)算單元連接；在所述的存儲(chǔ)運(yùn)算單元內(nèi)固化有圖像識(shí)別軟件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鐵路機(jī)車前大燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于所述 的圖像采集設(shè)備包括臺(tái)攝像機(jī)、長(zhǎng)焦鏡頭、安裝盒和視頻采集線，長(zhǎng)焦鏡頭 安裝在攝像機(jī)的攝像口前，攝像機(jī)和長(zhǎng)焦鏡頭置于安裝盒內(nèi)，并安裝在機(jī)車 頭部的頂端位置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鐵路機(jī)車前大燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于所述 的嵌入式計(jì)算機(jī)(4)采用高速DSP芯片和大容量RAM作為計(jì)算器和存儲(chǔ)器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鐵路機(jī)車前大燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于所述 的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)(7 )由步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 與所述的鐵路機(jī)車前大燈連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鐵路機(jī)車前大燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于所述 的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或齒輪組構(gòu)成。
專利摘要一種鐵路機(jī)車前大燈轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于它包括圖像采集設(shè)備、嵌入式計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述的嵌入式計(jì)算機(jī)包括圖像處理單元、存儲(chǔ)運(yùn)算單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、主機(jī)箱。本實(shí)用新型通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)判斷機(jī)車運(yùn)行前方軌道走向或彎曲程度，使機(jī)車前大燈隨著軌道的變化而動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，確保司機(jī)在彎道處的瞭望視野，保證列車夜間安全運(yùn)行。
文檔編號(hào)B61L15/00GK201195541SQ20082011118
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者周之琪, 孫禹文, 震 崔, 亮 曹, 王義成 申請(qǐng)人:北京福斯達(dá)高科技公司