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        鐵路汽車裝載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用

        2018-08-29 02:29:26李可佳馬欣然
        鐵道貨運 2018年8期
        關(guān)鍵詞:平車激光雷達(dá)輔助

        胡 淦,李可佳,安 迪,李 涵,馬欣然

        (中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運輸及經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100081)

        1 概述

        隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,鐵路汽車裝載技術(shù)在運輸過程中越來越重要。然而,由于鐵路汽車裝載過程中仍然采用人工指揮或?qū)бO(shè)備進(jìn)行引導(dǎo)的手段,司機(jī)視線可能會存在盲區(qū),特別是在裝載大型車輛時,對準(zhǔn)和調(diào)整汽車位置的引導(dǎo)方式難度高,存在時間長、效率低、安全隱患大等問題,我國目前也還沒有成熟的輔助系統(tǒng)應(yīng)用于汽車的鐵路裝載作業(yè)。

        激光雷達(dá)是激光、大氣光學(xué)、雷達(dá)、光機(jī)電一體化和電算等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,以激光為光源,通過探測激光與被探測物之間相互作用的光波信號來遙感測量[1-2],其本質(zhì)是高速旋轉(zhuǎn)的激光測距儀由電機(jī)帶動激光測距儀以一定頻率旋轉(zhuǎn),使得激光雷達(dá)能夠獲取其旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)多個離散點的距離數(shù)據(jù),從而獲得自身位置與周圍物體的相對位置信息[3-4]。無論白天黑夜,激光雷達(dá)均能夠探測遠(yuǎn)距離的目標(biāo),不受霧、云和雨的阻擋,具有全天候、全天時的特點,并有一定的穿透能力[5]。激光雷達(dá)的有效掃描區(qū)域為270°,1周包含1 080束激光,角度分辨率為0.25°。在實際應(yīng)用中,激光雷達(dá)的掃描盲區(qū)為垂直上方90°區(qū)域,掃描區(qū)域沿垂直地面方向軸對稱,激光雷達(dá)的掃描區(qū)域如圖1所示。

        圖1 激光雷達(dá)的掃描區(qū)域Fig.1 Laser radar scanning area

        激光雷達(dá)作為一種精度高、反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性強(qiáng)的測距傳感器,能夠為鐵路汽車裝載導(dǎo)引設(shè)備提供實時、準(zhǔn)確的車輛位置信息,輔助司機(jī)完成鐵路汽車裝載作業(yè)。因此,提出一種基于激光雷達(dá)技術(shù)的車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)及激光雷達(dá)檢測算法,通過該算法可以對激光雷達(dá)測距數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲取相應(yīng)待測邊界距離值,以適用于鐵路汽車裝載中的定位導(dǎo)航,輔助司機(jī)實施裝載,提高鐵路裝載效率和安全性。

        2 車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成

        鐵路上采用平車作為汽車的運輸工具,以渡板作為輔助工具,裝車人員駕駛汽車通過渡板,直接停在平車上[6-7]。在實際裝車過程中,需要多人在旁邊指揮、測量和反復(fù)調(diào)整,裝載效率低。遇到惡劣天氣或者夜間裝車時,裝車人員短時間內(nèi)無法對準(zhǔn)位置,嚴(yán)重影響汽車裝載及運輸效率[8-9]。

        車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于鐵路汽車裝載,并將激光雷達(dá)垂直固定在被裝載車輛的車頭中心位置,其轉(zhuǎn)動平面與平車平面垂直相交。借助激光雷達(dá)的測量數(shù)據(jù),可以實時獲取激光雷達(dá)相對平車的位置和偏離信息,配合攝像頭圖像為裝車人員提供準(zhǔn)確全面的車輛位置和偏差信息,從而代替人力輔助裝車人員完成汽車裝載作業(yè),車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示。

        圖2 車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)工作示意圖Fig.2 Working diagram of guide system

        車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)包括激光雷達(dá)測距傳感器、視頻監(jiān)控器、無線模塊、電源、電器箱和平板電腦。激光雷達(dá)測距傳感器、視頻監(jiān)控器、無線模塊和電源均安裝在電器箱內(nèi),電器箱固定在車輛前端或尾部中心處,其轉(zhuǎn)動平面與平車地板垂直相交。電器箱尺寸小、重量輕、方便攜帶、隨用隨裝。平板電腦放置于汽車內(nèi),為司機(jī)提供車輛和平車的相對位置信息,并發(fā)出操作提醒。車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)的激光雷達(dá)測距傳感器用于測量車輛與平車邊界之間的距離;無線模塊將激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊;視頻監(jiān)控器為司機(jī)提供車輛前方的實時圖像;電源給激光雷達(dá)測距傳感器、視頻監(jiān)控器、無線模塊供電。在該系統(tǒng)中,激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)在經(jīng)過微機(jī)處理后,可以得到偏移量,并通過無線的方式傳輸?shù)杰噧?nèi)的液晶顯示屏上,為汽車駕駛員提供偏移提示,輔助司機(jī)完成汽車裝載作業(yè)。

        3 激光雷達(dá)檢測算法

        為獲得激光雷達(dá)位置偏離信息,需要確定激光雷達(dá)高度H、激光雷達(dá)到平車兩邊距離L1和L2,以及偏角β。平車邊界存在跳變測量信息,通過激光雷達(dá)檢測算法可以識別跳變測量信息,得到平車兩邊邊界處的測量點,相應(yīng)測量點的距離數(shù)據(jù)即為激光雷達(dá)距離平車兩邊界的直線距離。激光雷達(dá)測量斷面如圖3所示。

        (1)確定H。激光雷達(dá)的掃描分辨率為0.25°,每掃描1周會發(fā)出1 080束激光,得到1 080個數(shù)據(jù)點。掃描平車截面時,根據(jù)激光雷達(dá)不同高度,約有400 ~ 600束激光會落在平車上,這些激光的測量值即為激光雷達(dá)與平車相應(yīng)位置的距離,返回數(shù)據(jù)的最小值即為激光雷達(dá)距離平車的最短距離H。

        圖3 激光雷達(dá)測量斷面Fig.3 Laser radar measuring section

        (2)確定L1,L2值。在車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)的算法中,判定出平車邊界,即可確定L1,L2。S1和為相鄰2束激光,由激光雷達(dá)分辨率可知2束激光夾角為0.25°,其中S1打在平車上,超出了平車邊界。通過分析2束激光的返回值,可知S1到的測量數(shù)據(jù)是跳變的,因而可以判定平車邊界夾在2束激光之間。依據(jù)測量結(jié)果,將S1的測量值視為L1,同理可得L2。當(dāng)激光雷達(dá)位于平車中心線上時L1=L2。已知L1,L2和H,即可根據(jù)勾股定理求得平車兩端距離,。

        (3)測量偏角β。車輛偏轉(zhuǎn)會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響,當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為β時,實測偏離量為實際偏離量的倍,因而需要求出偏角β進(jìn)行修正。偏角β示意圖如圖4所示。

        圖4 偏角β示意圖Fig.4 Angle beta diagram

        平車寬度為D,箭頭起點為激光雷達(dá)所在位置,箭頭指向為車輛行駛方向。此時,車輛行駛方向偏離平車中心線β角度,計算公式為

        (4)計算偏離量。根據(jù)已知數(shù)據(jù)H,L1,L2,β,即可求得偏離量ΔD,計算公式為

        綜上可知,偏離量求解流程如圖5所示。

        圖5 偏離量求解流程Fig.5 Deviation calculation process

        4 誤差矯正與實驗分析

        偏離量ΔD為隨機(jī)誤差,其大小和正負(fù)都不確定,但在大量重復(fù)測量實驗中服從一定統(tǒng)計規(guī)律。誤差具有對稱性、單峰性、有界性和抵償性的特點,即理論上大小相等的正負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相等,小誤差出現(xiàn)的概率大,大誤差出現(xiàn)的概率小,最大誤差有極限,并且隨著測量次數(shù)增加,誤差代數(shù)和趨于零。誤差不可避免,但消除小概率出現(xiàn)的大誤差對提高測量精度至關(guān)重要。

        4.1 誤差矯正方法

        基于誤差特征,選取以下4種方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

        (1)平均數(shù)法。即不做篩選,整體取平均。由前文分析可知,數(shù)據(jù)誤差的類型主要是隨機(jī)誤差,隨機(jī)誤差具有對稱性,即在數(shù)據(jù)量足夠大時,絕對值相等的正負(fù)誤差概率相等,所有誤差的加和接近于零。因此,理論上經(jīng)過平均數(shù)法處理后的誤差會大大減小。

        (2)投票法。對每組數(shù)據(jù)分別去掉3個最大值和最小值后取平均,得到最終數(shù)據(jù)。投票法相當(dāng)于在取平均數(shù)法的基礎(chǔ)上去掉異常數(shù)據(jù)。

        (3)中位數(shù)法。該方法依據(jù)隨機(jī)誤差的對稱性,當(dāng)數(shù)據(jù)量足夠大時,理論上中位數(shù)的誤差應(yīng)趨于零,通過選取中位數(shù)的方法就可以有效避免誤差。

        (4) 正態(tài)分布法。依據(jù)正態(tài)分布的性質(zhì),待處理數(shù)據(jù)中數(shù)值分布在 (μ-σ,μ+σ)中的概率為 65.26% ;數(shù)值分布在 (μ- 2σ,μ+ 2σ)中的概率為 95.44% ;數(shù)值分布在 (μ- 3σ,μ+ 3σ)中的概率為 99.74%。選取(μ-σ,μ+σ)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理,篩除區(qū)間外的數(shù)據(jù),結(jié)果表明該方法可以剔除極值點,避免誤差。

        4.2 實驗結(jié)果分析

        實驗選取3個位置,分別運行平均數(shù)法、投票法、中位數(shù)法、正態(tài)分布法4種算法進(jìn)行測定,其中3個位置分別為平車中心線、平車中心線左偏50 mm、平車中心線右偏100 mm。每組實驗選取200個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,平車中心線偏左的數(shù)據(jù)為正值,偏右的數(shù)據(jù)為負(fù)值,得出測定平均值、誤差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的實驗結(jié)果比較如表1所示。

        誤差平均值可以反映數(shù)據(jù)精度,標(biāo)準(zhǔn)差可以反映數(shù)據(jù)離散程度。由表1可知,運行不同算法時,各組誤差平均值、標(biāo)準(zhǔn)差均無明顯差距,誤差平均值基本在(-1.5 mm,3 mm)之間波動,即經(jīng)過算法處理后,測量精確度可以達(dá)到毫米級別,基本滿足應(yīng)用需求。

        取3組實驗數(shù)據(jù)誤差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值,得到3組實驗取平均結(jié)果如表2所示。

        由表2可知,正態(tài)分布法的平均誤差最大;中位數(shù)法的平均誤差最小,精確度最高,但其平均標(biāo)準(zhǔn)差最大,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差;投票法的平均標(biāo)準(zhǔn)差最小,精度也較優(yōu)。車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)在戶外的實際應(yīng)用中,會遇到更加復(fù)雜的情況,因而對數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的要求相對更高。因此,選取投票法作為車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)的最終算法。

        表1 實驗結(jié)果比較 mmTab.1 Comparison of experimental results

        表2 3組實驗取平均結(jié)果 mmTab.2 Average of 3 groups of experiments

        5 結(jié)束語

        基于激光雷達(dá)技術(shù)的車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)能夠為司機(jī)實時提供汽車相對平車邊界的位置,在一定程度上可以增強(qiáng)鐵路汽車裝載的靈活性,保證裝載過程中的人員與設(shè)備安全,有效提升鐵路汽車運輸服務(wù)質(zhì)量,提高裝車效率。通過實驗證明,采用車輛輔助引導(dǎo)系統(tǒng)和激光雷達(dá)檢測算法后,車輛引導(dǎo)的可靠性、精確度得以提高,不僅滿足了汽車在鐵路裝載中的定位引導(dǎo)需求,有效節(jié)省時間,還節(jié)約了人力,減少安全隱患。隨著無人駕駛和室外機(jī)器人的飛速發(fā)展,激光雷達(dá)技術(shù)也越來越成熟,在滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下應(yīng)進(jìn)一步研究降低激光雷達(dá)成本,增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力。

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