Устройство измерения скорости и положения транспортного средства, перемещающегося вдоль направляющего пути, способ и соответствующий компьютерный программный продукт

Номер патента: 24891

Опубликовано: 31.10.2016

Авторы: Десборд Жан-Люк, Шатель Николя

Есть еще 14 страниц.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Устройство (100) измерения скорости и/или положения транспортного средства (200), перемещающегося вдоль направляющего пути как днем, так и ночью, причем в любых климатических условиях, характеризующееся тем, что содержит

по меньшей мере один съемочный аппарат (4), выдающий последовательность цифровых изображений окружающей среды указанного транспортного средства (200);

средства определения кажущегося движения по меньшей мере одного визуального указателя, называемого первообразной функцией, между двумя изображениями, выдаваемыми указанным съемочным аппаратом (4), для определения кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя, в которых применяют

средства упрощения указанных изображений при помощи по меньшей мере одной модели указанной окружающей среды, позволяющей обнаруживать указанный по меньшей мере один визуальный указатель в упрощенных изображениях;

средства прогнозирования зоны изображения, в которой указанный визуальный указатель будет находиться в следующем изображении;

средства выделения указанных визуальных указателей в указанной зоне изображения;

средства оценки перемещения посредством сравнения реального положения указанного визуального указателя в текущем изображении и в предыдущем изображении;

средства оценки скорости и/или положения указанного транспортного средства (200) на основании указанного кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя.

2. Устройство (100) по п.1, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один съемочный аппарат принадлежит к группе, в которую, в частности, входят

оптические съемочные аппараты;

тепловые камеры;

магнитные камеры.

3. Устройство (100) по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один указатель отображает по меньшей мере одну геометрическую характеристику указанного направляющего пути, такую как радиус кривизны, ширина между рельсами пути, линия пути.

4. Устройство (100) по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один указатель отображает по меньшей мере одну геометрическую характеристику по меньшей мере одного объекта, расположенного вдоль направляющего пути, такую как вертикальность столбов.

5. Устройство (100) по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что в нем применяют модель указанного транспортного средства (200) и модель указанного съемочного аппарата (4).

6. Устройство (100) по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что в средствах отслеживания и прогнозирования используют фильтр Калмана.

7. Устройство (100) по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что содержит датчик наклона, выполненный с возможностью генерирования сигнала, отображающего наклон указанного съемочного аппарата (4), и средства поворота изображения, выдаваемого указанным съемочным аппаратом (4), на угол, зависящий от указанного генерированного сигнала.

8. Устройство (100) по п.7, отличающееся тем, что в указанном датчике наклона применяют фильтр Дерише.

9. Устройство (100) по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что используют матрицу взаимодействия, связывающую перемещения съемочного аппарата (4) в реальном пространстве с перемещениями указанного по меньшей мере одного указателя в указанных изображениях.

10. Устройство (100) по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что содержит средства настройки указанного съемочного аппарата (4).

11. Устройство (100) по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что содержит средства отображения цифровых изображений указанной окружающей среды, получаемых из указанного съемочного аппарата (4).

12. Устройство (100) по п.11, отличающееся тем, что указанные изображения выводятся по меньшей мере на один жидкокристаллический экран, на лобовое стекло указанного транспортного средства или на прозрачное зеркало, находящееся перед лобовым стеклом указанного транспортного средства.

13. Устройство (100) по любому из пп.1-12, отличающееся тем, что содержит средства ввода заданного маршрута.

14. Устройство (100) по п.13, отличающееся тем, что содержит средства запоминания по меньшей мере одной карты транспортной сети.

15. Устройство (100) по п.13 или 14, отличающееся тем, что содержит средства индикации географического положения указанного транспортного средства (200).

16. Способ измерения скорости и/или положения транспортного средства (200), перемещающегося вдоль направляющего пути как днем, так и ночью, причем в любых климатических условиях, характеризующийся тем, что содержит этапы, на которых

получают последовательность цифровых изображений окружающей среды указанного транспортного средства при помощи съемочного аппарата (4);

определяют кажущееся движение по меньшей мере одного визуального указателя, называемого первообразной функцией, между двумя изображениями, выдаваемыми указанным съемочным аппаратом (4), чтобы определить кажущееся движение указанного по меньшей мере одного визуального указателя, выполняя этапы, на которых

выполняют упрощение указанных изображений при помощи по меньшей мере одной модели указанной окружающей среды, что позволяет обнаруживать указанный по меньшей мере один визуальный указатель в упрощенных изображениях;

выполняют прогнозирование зоны изображения, в которой указанный визуальный указатель будет находиться в следующем изображении;

производят выделение указанных визуальных указателей в указанной зоне изображения;

производят оценку перемещения посредством сравнения реального положения указанного визуального указателя в текущем изображении и в предыдущем изображении;

осуществляют оценку скорости и/или положения указанного транспортного средства на основании кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя.

17. Считываемый компьютером носитель информации, содержащий компьютерный программный продукт, который содержит программные коды, при исполнении которых в устройстве по любому из пп.1-15 выполняются операции способа по п.16.

Текст

Смотреть все

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И ПОЛОЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, ПЕРЕМЕЩАЮЩЕГОСЯ ВДОЛЬ НАПРАВЛЯЮЩЕГО ПУТИ, СПОСОБ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ Объектом изобретения является устройство (100) измерения скорости и/или положения транспортного средства (200), перемещающегося вдоль направляющего пути, как днем, так и ночью, причем в любых климатических условиях. Согласно изобретению такое устройство содержит: по меньшей мере один съемочный аппарат (4), выдающий последовательность цифровых изображений окружающей среды указанного транспортного средства (200); средства определения кажущегося движения по меньшей мере одного визуального указателя, называемого первообразной функцией, между двумя изображениями, выдаваемыми указанным съемочным аппаратом (4), для определения кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя; средства оценки скорости и/или положения указанного транспортного средства (200) на основании указанного кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя. Область техники Настоящее изобретение относится к способу локализации и/или измерения скорости транспортного средства, перемещающегося вдоль направляющего пути, например вдоль железнодорожного пути, образованного двумя рельсами, и к устройству, которым оборудовано такое транспортное средство, в частности локомотив. Уровень техники Развитие современных систем мониторинга и управления железнодорожными перевозками должно отвечать требованиям европейской системы контроля и мониторинга железнодорожного сообщения(ERTMS), которая преследует задачу стандартизации сигнализации и контроля скоростей для железнодорожного транспорта в Европе и, следовательно, повышения надежности движения поездов. Для улучшения условий движения поездов в сети железных дорог, а также повышения безопасности перевозок необходимо точно знать скорость и месторасположение (положение) каждого поезда в железнодорожной сети. Для удовлетворения этой потребности поезда оборудуют комбинацией из различных одометрических датчиков, таких как акселерометры, доплеровские радары и колесные датчики. Это решение является дорогим и требует применения сложных алгоритмов обработки измеряемых сигналов. Эти датчики производят измерения, не отличающиеся точностью, в частности по причине их чувствительности к климатическим условиям, к низким скоростям, к вибрациям, к конфигурации поезда и к характеру местности, к проскальзыванию колес поезда на рельсах. Кроме того, измерения, производимые такими одометрическими датчиками, подвергаются отклонениям. Кроме того, поскольку некоторые из этих датчиков закреплены под кузовом, они могут подвергаться повреждениям (например, при выбросе камней). Для устранения этих отклонений и повышения точности измерений положения поездов было предложено "корректировать" измерения положения, получаемые от одометрических датчиков, при помощи наземных систем в виде передатчиков/маяков (называемых "Евромаяками"), которые закреплены через равномерные промежутки (в среднем через каждые 1,5 км, например в Бельгии) на железнодорожном пути. Такой маяк активируется во время прохождения поезда и передает на него его точное расположение относительно абсолютной системы отсчета, привязанной к пути. Бортовое вычислительное устройство поезда корректирует после этого погрешность положения поезда, приводя положение, полученное при помощи одометрических средств, в соответствии с положением последнего встреченного маяка. Недостаток такого решения заключается в том, что маяки расположены на пути между рельсами. Без соответствующего контроля они оказываются уязвимыми по отношению к актам вандализма. Они также подвергаются действиям относительно больших механических напряжений при прохождении поезда, что может повлечь за собой сбои в работе. Кроме расходов по обслуживанию этих маяков, следует также учитывать расходы, связанные с установкой этих маяков по всей железнодорожной сети и их логистикой. Кроме того, это решение выдвигает проблему безопасности, поскольку при выходе из строя одного маяка интервал между двумя коррекциями измерений положения, поступающих от одометрических датчиков, увеличивается. В качестве альтернативы было предложено оборудовать поезд приемником GPS для повышения надежности измерений таких одометрических датчиков. Однако для этого необходимо, чтобы приемникGPS мог непрерывно принимать сигналы от спутников для обеспечения локализации поезда, что затруднено в туннелях, в городских коридорах и в глубоких долинах среди гор. Согласно первому решению, основанному на оптической системе и имеющему коммерческое название Correvit, поезд оборудуют датчиками, основанными на технологии LED. Однако недостатком такого подхода является то, что датчики являются относительно хрупкими и чувствительными к условиям окружающей среды, поскольку расположены под кузовом вблизи железнодорожного рельса. Другое решение для измерения "пройденного расстояния" поезда описано в патентном документеFR 2673901. Это решение состоит в закреплении намагничивающихся дорожек вдоль железнодорожного пути и в использовании, относительно направления перемещения транспортного средства по меньшей мере одной катушки магнитной маркировки таких дорожек, питаемой от импульсного генератора электрического тока и расположенной на передней колесной тележке локомотива, и по меньшей мере одного детектора этой магнитной маркировки на задней колесной тележке локомотива, при этом катушка и детектор отстоят друг от друга на определенное расстояние. Кроме того, предусмотрены средства для обеспечения новой маркировки после каждого обнаружения и средства для подсчета числа обнаруженных маркировок, отображающих расстояние, пройденное локомотивом (и, следовательно, положение локомотива на железнодорожном пути). Однако недостатком этого решения является то, что средства являются дорогими в применении и в обслуживании, так как подвергаются значительным механическим напряжениям. Известно также применение устройства получения изображений, установленное на одном конце поезда, при этом изображения впоследствии подвергаются анализу для определения скорости и положения поезда. Анализ изображений состоит в обнаружении элементов, например таких как штрих-коды,расположенные на земле вдоль пути в заранее известных местах, и в сравнении обнаруженных кодов с кодами, хранящимися в базе данных, что позволяет локализовать поезд в пространстве. Недостатком такого решения является необходимость размещения штрих-кодов по всей железнодорожной сети, что представляет собой дорогостоящее мероприятие. Другим недостатком этого решения является необходимость управления базой данных. Кроме того,анализ изображения и его сравнение с данными, записанными в базе данных, требует длительного времени обработки. Иначе говоря, современные решения измерения положения и скорости поездов не могут считаться вполне удовлетворительными. Действительно, они требуют применения приборов обнаружения, которые основаны на разных технологиях и измеряют величины разного характера, что требует применения сложных алгоритмов обработки измеряемых сигналов и относительно длительного времени обработки; установлены на поезде (под кузовом или в локомотиве) или на земле (между рельсами вдоль пути),что повергает их опасности повреждения; являются дорогими (в частности, в плане обслуживания), недостаточно точными (в частности, на низких скоростях поезда) и страдают отклонениями. Задачи изобретения Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений. В частности, настоящее изобретение призвано предложить точный и надежный способ измерения скорости транспортных средств, перемещающихся по направляющему пути, и, в случае необходимости,их положения, который не требует установки на пути их следования специальных устройств, таких как маяки. Настоящее изобретение призвано также предложить устройство для осуществления этого способа,которое является максимально дешевым, которое можно устанавливать на любых типах транспортных средств и которое может работать нормально в любых условиях окружающей среды. Изобретение призвано также предложить решение для измерения скорости и положения транспортных средств, перемещающихся по направляющему пути, которое отвечает требованиям универсальности и безопасности работы, в частности в рамках системы ERTMS. Сущность изобретения Эти задачи, а также другие, которые будут рассмотрены ниже, обеспечиваются устройством измерения скорости и/или положения транспортного средства, перемещающегося вдоль направляющего пути,как днем, так и ночью, причем в любых климатических условиях. Согласно изобретению такое устройство содержит по меньшей мере один съемочный аппарат, выдающий последовательность цифровых изображений окружающей среды указанного транспортного средства; средства определения кажущегося движения по меньшей мере одного визуального указателя, называемого первообразной функцией, между двумя изображениями, выдаваемыми указанным съемочным аппаратом, для определения кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя, в которых применяют средства упрощения указанных изображений при помощи по меньшей мере одной модели указанной окружающей среды, позволяющей обнаруживать указанный по меньшей мере один визуальный указатель в упрощенных изображениях; средства прогнозирования зоны изображения, в которой указанный указатель будет находиться в следующем изображении; средства выделения указанных визуальных указателей в указанной зоне изображения; средства оценки перемещения посредством сравнения реального положения указанного указателя в текущем изображении и в предыдущем изображении; средства оценки скорости и/или положения указанного транспортного средства на основании указанного кажущегося движения указанного по меньшей мере одного указателя. Устройство в соответствии с изобретением позволяет измерять скорость и положение транспортного средства, такого как поезд, перемещающегося вдоль направляющего пути (например, движущегося по железнодорожному пути), посредством определения движения в последовательности изображений, выдаваемых съемочным аппаратом, который в варианте выполнения может представлять собой оптический датчик получения изображений в виде камеры. Устройство в соответствии с изобретением осуществляет обработку изображений из одной последовательности, снятой в структурированной среде. Оно выделяет в изображении в реальном или почти реальном времени релевантные первообразные функции проекции (визуальная сцена) железнодорожной окружающей среды, включающей в себя направляющий путь и близлежащие объекты, отслеживает и вычисляет движение перемещения этих первообразных функций в изображении. Вычисление скорости и"пройденного расстояния" транспортного средства становится возможным благодаря априорному знанию некоторых реальных величин железнодорожной окружающей среды (реальная сцена), при этом моделью окружающей среды может быть, например, упрощенная динамическая модель. В зависимости от случая указанный по меньшей мере один съемочный аппарат принадлежит к группе, в которую, в частности, входят (не ограничительный список): оптические съемочные аппараты; тепловые камеры; магнитные камеры и т.д. Таким образом, изобретение позволяет измерять скорость и "пройденное расстояние" (или относительное положение) поезда по внутреннему ориентиру в частично известной заранее железнодорожной окружающей среде при помощи соответствующих съемочных аппаратов (или датчиков изображений),например в видимом спектре (оптический съемочный аппарат), в инфракрасном спектре (тепловой датчик) и/или в магнитных излучениях (магнитная камера). Следует отметить, что съемочный аппарат или съемочные аппараты, применяемые в заявленном устройстве, позволяют получать как днем, так и ночью и в любых климатических условиях последовательность видео-, тепловых, магнитных или других изображений, на основании которой согласно принципу изобретения можно производить вычисление скорости транспортного средства и "пройденного им расстояния". Иначе говоря, съемочный аппарат является устройством для съемки структурирующих элементов среды, в которой перемещается транспортное средство (при помощи оптической, тепловой, акустической, магнитной или другой системы). Кроме того, изображения, получаемые при помощи съемочного аппарата или съемочных аппаратов и обрабатываемые устройством в соответствии с изобретением, могут быть изображениями сцены, находящейся спереди или сзади транспортного средства. В частном варианте осуществления указанный по меньшей мере один указатель отображает по меньшей мере одну геометрическую характеристику указанного направляющего пути, такую как радиус кривизны, ширина между рельсами пути, линии пути. Предпочтительно указанный по меньшей мере один указатель отображает по меньшей мере одну геометрическую характеристику по меньшей мере одного объекта, расположенного вдоль направляющего пути, такую как вертикальность столбов. Таким образом, изобретение использует визуальные или характеристические указатели, называемые первообразными функциями, которыми являются объекты, выделяемые из изображения и содержащие в сжатом виде важную информацию для его анализа (как правило, эти указатели являются контурами или областями изображения), и изменение которых во времени и в пространстве зависит от свойств правильно выбираемых некоторых реальных величин железнодорожной окружающей среды, которые считаются способными сохраняться или лишь медленно меняться в ходе одной последовательности изображений (ширина между рельсами пути, кривизна пути, вертикальность столбов вдоль пути и т.д.). Таким образом, предусматривают зоны отслеживания пути и объекты, находящиеся вдоль пути. Первообразные функции, выделяемые из изображений, используются в рамках изобретения напрямую, что позволяет полностью отказаться от фазы интерпретации визуальной информации, которая является дорогостоящей с точки зрения времени вычисления в случае сложных сцен. Говоря другими словами, использование первообразных функций непосредственно в изображении позволяет значительно уменьшить объем подлежащих обработке данных и сократить время исполнения алгоритмов в процессе оценки движения. В варианте выполнения изобретения устройство применяет модель указанного транспортного средства и модель указанного съемочного аппарата. Сочетание моделей транспортного средства и съемочного аппарата, модель окружающей среды,динамические элементы системы из направляющего пути и транспортного средства, такие как данные,связанные с выполняемой задачей (в данном случае перемещение по направляющему пути), интегрированы в виде параметров и алгоритмов в вычислительный блок заявленного устройства, который во время работы получает данные о текущем состоянии транспортного средства (проприоцептивные данные) и данные о текущем состоянии окружающей среды (экстероцептивные данные). Модели транспортного средства и съемочного аппарата связаны между собой в процессе определения внутренних параметров съемочного аппарата (самонастройка), установленного на транспортном средстве, перемещающемся по направляющему пути. Модель окружающей среды (направляющий путь и объекты вдоль пути) используют в фазе выделения визуальных указателей в изображении (фаза упрощения изображения). Динамические элементы системы направляющего пути и транспортного средства используются сразу после первой оценки скорости и "пройденного расстояния" транспортного средства,перемещающегося по направляющему пути. Все элементы моделирования участвуют напрямую в выражении отношения между изменениями визуальных данных в изображении и движениями в реальном пространстве съемочного аппарата, установленного на транспортном средстве, перемещающемся по направляющему пути (матрица взаимодействия). В частном варианте осуществления в средствах отслеживания и прогнозирования используют фильтр Калмана. Необходимость постоянного, надежного и доступного измерения скорости и "пройденного расстояния" движущегося поезда предполагает применение системы отслеживания и прогнозирования, например посредством фильтрации при помощи фильтра Калмана совокупности понятий, выделяемых из изображения, таких как зоны интереса, материально отображающие релевантные вертикальные первообразные функции и некоторые геометрические характеристики железнодорожного пути (радиус кривизны,ширина, линия пути), поведение которых известно заранее через модели и предыдущая оценка которых остается в памяти (т.е. сохранена в памяти устройства). Устройство в соответствии с изобретением использует простые, но очень быстрые модели исполнения и компенсирует погрешности моделирования при помощи системы отслеживания и прогнозирования в изображении посредством фильтрации Калмана. Фильтр Калмана позволяет отслеживать и предсказывать совокупность понятий, выделяемых в изображении, на основании контуров объектов. Классически фильтрация Калмана имеет две разные фазы, а именно фазу прогнозирования и фазу обновления. Фаза прогнозирования использует оценочное состояние предыдущего момента для оценки текущего состояния. На этапе обновления наблюдения текущего момента используются для коррекции прогнозируемого состояния с целью получения более точной оценки. Преимуществом изобретения является то, что оно не требует преобразования изображений, выдаваемых камерой (выигрыш во времени). Некоторые характеристики железнодорожного пути и транспортного средства отображают элементы, достаточно стабильные для их использования в качестве предварительно истребованных при оценке скорости и положения. Устройство в соответствии с изобретением участвует в обеспечении безопасности за счет повышения точности и надежности измерений скорости и положения и за счет быстроты исполнения простых и робастных алгоритмов, связанных не со специальными моделями, которые трудно получить от конструкторов, а с моделями, параметры которых являются общими и стабильными. Изобретение не требует установки дополнительного оборудования вдоль пути для обеспечения возможности оценки скорости и положения поезда. Оно использует существующую инфраструктуру,достаточно насыщенную релевантными данными. Оно не использует никакой базы данных в виде карты железнодорожной сети, что обеспечивает его функциональность и автономность в любых железнодорожных сетях всего мира. В варианте выполнения изобретения устройство содержит датчик наклона, выполненный с возможностью генерирования сигнала, отображающего наклон съемочного аппарата, и средства поворота изображения, выдаваемого указанным съемочным аппаратом, на угол, зависящий от указанного генерированного сигнала. Предпочтительно в указанном датчике наклона применяют фильтр Дерише. Применение камеры в качестве оптического датчика измерения скорости и положения поезда требует стабилизации выдаваемых камерой изображений. Действительно, когда поезд перемещается, он подвергается влиянию неровностей, поэтому бортовая камера снимает зашумленную сцену в виде последовательности так называемых "дрожащих" изображений. Современные методы анализа движения в последовательности изображений являются чувствительными к внешним помехам. Таким образом, когда действительная траектория визуального датчика оказывается зашумленной, эта погрешность перемещения незамедлительно сказывается на трехмерных измерениях окружающей среды. Наконец, отслеживаемое движение включает в себя относительное движение поезда (общее движение), которое, в свою очередь, включает в себя собственное движение поезда(egomotion) и так называемое "шумовое" движение (продольные и поперечные колебания). Движение, считающееся шумовым, можно ослабить или устранить непосредственно при помощи электроники камеры в случае слабых амплитуд и также посредством компенсации при помощи механического устройства, служащего штативом камеры, в случае сильных амплитуд. Собственное движение поезда определяют при помощи методов обработки изображений, в которых применяют поля скорости, связанные с окружающей средой. Принцип этих методов состоит в том, чтобы на основании последовательности плоских проекций этой окружающей среды найти определенную связь между понятием перемещения в изображении и понятием собственного движения поезда (илиegomotion). В определенной, выбираемой заранее зоне изображения, исследование движения связано с обнаружением сегментов прямых преимущественного направления, например вертикального, и их скорости. Одним из подходов является применение фильтра обнаружения вертикалей. Так, модифицированный фильтр Дерише позволяет определять угол поворота камеры вокруг оси визирования, называемый углом наибольшего числа пикселей в изображении. Чтобы убедиться, что вертикаль в изображении действительно соответствует вертикальной кромке объекта сцены, не зная углового положения камеры в неподвижной абсолютной системе координат, возникла идея выделять из изображения не вертикальные прямые, а прямые, направление которых является наиболее репрезентативным в изображении и может быть ассимилировано с направлением силы тяжести. Эти прямые сначала выделяют в приоритетном направлении, определяемом модифицированным фильтром Дерише, которое позволяет вычислить угол наибольшего числа пикселей в изображении (т.е. угол направления, наиболее репрезентативного в изображении), чтобы выделить в изображении контуры такого же направления, что и этот угол, и выдать в систему в соответствии с изобретением понятие вертикальности и, следовательно, собственного внутреннего ориентира. В случае, когда такой модифицированный фильтр Дерише мог бы выдавать эту информацию в устройство деротации изображения, вертикаль в изображении, полученная после деротации, соответствовала бы вертикальной кромке объекта реальной сцены. Такой подход позволяет распознавать и локализовать в изображении вертикали или близкие вертикали. При этом каждая из них вписывается в зону интереса прямоугольной формы, которая дает информацию о ее длине, ее положении и ее погрешности вертикальности. Таким образом, устройство в соответствии с изобретением выдает для поезда понятие равновесия, с одной стороны, определяя угол поворота изображения относительно своей собственной системы координат и, с другой стороны, почти естественным образом ослабляя некоторые внешние помехи, связанные с неровностями местности, которые до сих пор мешают средствам видеоэлектроники, установленным на подвижном транспортном средстве, правильно анализировать движение в естественной окружающей среде. Такое решение позволяет не только измерять временные нарушения стабильности камеры во время перемещения поезда, не прибегая к использованию датчика наклона, такого как гироскоп или измеритель угла наклона, но также дифференцировать вращение в сцене от вращения камеры, которая снимает сцену. В альтернативном варианте такие датчики наклона можно все же интегрировать в заявленное устройство, например для соблюдения условия избыточности информации в плане обеспечения безопасности. Иначе говоря, производят съемку и стабилизацию изображений, чтобы можно было анализировать кажущееся движение. Стабилизация изображений позволяет получать понятие равновесия, которого не хватает при одометрии, чтобы связать с любым движущимся транспортным средством его собственную систему координат. Предпочтительно в устройстве используют матрицу взаимодействия, связывающую движения съемочного аппарата в реальном пространстве с движениями, указанного по меньшей мере одного указателя в указанных изображениях. Предпочтительно устройство содержит средства настройки указанного съемочного аппарата. Это позволяет устанавливать размерную связь между трехмерной окружающей средой и двухмерной информацией. Принцип изобретения основан на адаптации управления подвижными роботами в структурированной среде посредством обратной визуальной связи к нуждам железнодорожного транспорта. Для этого управление посредством обратной визуальной связи перенесено не только на машиниста движущегося транспортного средства, главной ролью которого является регулирование скорости транспортного средства в соответствии с показаниями приборной панели, но также на EVC ("European Vital Computer" на английском языке, т.е. бортовой компьютер), который включает аварийное торможение, когда поведение машиниста становится опасным и когда требуемый уровень безопасности не достигнут; задаваемыми величинами в основном являются скорость и ускорение движущегося транспортного средства, поскольку его направление обусловлено кривизной направляющего пути; съемку изображений производят одной камерой и осуществляют их стабилизацию, чтобы можно было анализировать кажущееся движение; стабилизация изображений позволяет получить понятие равновесия, которого не хватает одометрии, чтобы связать с любым движущимся транспортным средством его собственную систему координат. Согласно частному варианту выполнения изобретения устройство содержит средства отображения цифровых изображений указанной окружающей среды, получаемых от указанного съемочного аппарата. Предпочтительно указанные изображения выводятся по меньшей мере на один жидкокристаллический экран, на лобовое стекло указанного транспортного средства или на прозрачное зеркало, находящееся перед лобовым стеклом указанного транспортного средства. В частном варианте выполнения изобретения устройство содержит средства ввода заданного маршрута. Предпочтительно устройство содержит средства запоминания по меньшей мере одной карты транспортной сети. Предпочтительно устройство содержит средства индикации географического положения указанного транспортного средства. Объектом изобретения является также способ измерения скорости и/или положения транспортного средства, перемещающегося вдоль направляющего пути, как днем так и ночью, причем в любых климатических условиях. Согласно изобретению такой способ содержит следующие этапы: получают последовательность цифровых изображений окружающей среды указанного транспорт-5 024891 ного средства при помощи съемочного аппарата; определяют кажущееся движение по меньшей мере одного визуального указателя, называемого первообразной функцией, между двумя изображениями, выдаваемыми указанным съемочным аппаратом,чтобы определить кажущееся движение указанного по меньшей мере одного визуального указателя,включая следующие этапы: осуществляют упрощение указанных изображений при помощи по меньшей мере одной модели указанной окружающей среды, что позволяет обнаруживать указанный по меньшей мере один визуальный указатель в упрощенных изображениях; осуществляют прогнозирование зоны изображения, в которой указанный визуальный указатель будет находиться в следующем изображении; производят выделение указанных визуальных указателей в указанной зоне изображения; производят оценку перемещения посредством сравнения реального положения указанного визуального указателя в текущем изображении и в предыдущем изображении; осуществляют оценку скорости и/или положения указанного транспортного средства на основании кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя. Кроме того, объектом изобретения является компьютерный программный продукт, загружаемый дистанционно из сети связи и/или записанный на носителе, считываемом компьютером и/или исполняемом микропроцессором, который включает в себя программные коды для исполнения вышеуказанного способа в вышеуказанном устройстве. Краткое описание чертежей Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания частного варианта выполнения изобретения, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 - схематичный вид в перспективе заявленного устройства согласно варианту выполнения; фиг. 2 - функциональная схема применения заявленного устройства; фиг. 3 - различные этапы алгоритма отслеживания, применяемого в заявленном устройстве; фиг. 4 - пример характеризации близких вертикалей в изображении, применяемом в заявленном устройстве; фиг. 5 - общий принцип измерения скорости и "пройденного расстояния" (положения) поезда в соответствии с изобретением; фиг. 6 - различные этапы выделения близких вертикалей в изображении, применяемом в заявленном устройстве; фиг. 7 - принцип взаимодействия между реальной сценой и изображением, выдаваемым съемочным аппаратом заявленного устройства; фиг. 8 А-8 Е - различные виды, на которых основаны геометрические модели движущегося транспортного средства (фиг. 8 В-8 Е) и направляющего пути (фиг. 8 А); фиг. 9 А-9 С - геометрическая модель системы стрелочного перевода направляющего пути (фиг. 9 А-9 В) и моделирование пространственного перемещения локомотива, сведенного к простому сегменту постоянной длины между колесными тележками, при переходе изменения кривизны направляющего пути, смоделированного по оси его линии пути (фиг. 9 С); фиг. 10 А-10 С - плоская геометрическая модель направляющего пути, вид сверху (фиг. 10 А) и вид в перспективе с асимптотами (фиг. 10 В), и моделирование перемещения локомотива (фиг. 10 С); фиг. 11 А-11 С иллюстрируют понятие навигационного коридора, который характеризуется кажущимся движением в изображении нижнего конца двух вертикалей, наиболее близких к съемочному аппарату заявленного устройства. Подробное описание варианта выполнения изобретения Далее следует описание варианта осуществления изобретения, согласно которому движущимся транспортным средством, скорость и положение которого измеряют при помощи заявленного устройства(датчика), является поезд, перемещающийся по железнодорожному пути, состоящему из двух рельсов. Разумеется, такое устройство можно применять на других транспортных средствах, перемещающихся по направляющему пути. В нижеследующем примере заявленное устройство измеряет скорость и положение поезда на основании изображений сцены спереди поезда, получаемых при помощи оптического съемочного аппарата. В альтернативном варианте эту скорость можно измерять на основании изображений сцены сзади поезда. Принцип изобретения. Устройство в соответствии с изобретением позволяет измерять скорость и "пройденное расстояние" поезда по внутреннему ориентиру в частично известной заранее железнодорожной окружающей среде при помощи бортовой монокулярной системы визуального наблюдения. Для этого заявленное устройство применяет обработку изображений одной последовательности, снятой в структурированной среде. Оно выделяет в изображении в реальном или почти реальном времени релевантные первообразные функции проекции направляющего пути (визуальная сцена), осуществляет отслеживание и вычисляет движение их перемещения в изображении. Наконец, вычисление скорости и "пройденного расстояния" транспортного средства становится возможным, благодаря априорному знанию некоторых реальных величин направляющего пути (реальная сцена). Устройство располагают на приборной панели транспортного средства и перед выполнением оценки скорости и положения вводят несколько параметров, зависящих от транспортного средства (классически говорят об устройстве "put, plug and play" на английском языке). Применение устройства в соответствии с изобретением в движущемся транспортном средстве позволяет существенно повысить безопасность на железной дороге за счет: повышения точности и надежности измерений скорости и положения и быстроты исполнения простых и робастных алгоритмов, связанных не со специальными моделями,которые трудно получить от конструкторов, а с моделями, параметры которых являются общими и стабильными. Устройство в соответствии с изобретением идеально отвечает требованиям охраны окружающей среды и снижения расходов за счет существенной экономии в количестве приборов, которые традиционно устанавливают на рельсах для устранения отклонений измерений современных бортовых инструментов посредством регулярной корректировки. Датчик измерения скорости и положения. Как показано на фиг. 1, устройство-датчик 100 в соответствии с изобретением выполнено в виде компактной коробки, содержащей крышку 1, пластину дна 2 и съемное устройство 9 самонастройки. На одной из своих сторон крышка 1 имеет дисплей, например жидкокристаллического типа, который позволяет машинисту визуально отслеживать скорость поезда по мере ее измерения заявленным устройством. Съемное устройство 9 самонастройки содержит две по существу параллельные съемные распорки 10 и 11, через которые проходит шток или червяк 12, управляемый приводом 13. На пластине дна 2 установлены соответственно антивибрационная и антибликовая камера 4 при помощи крепежной пластины 3, карта 5 предварительной обработки (фильтрация, маркировка, ), карта 6 считывания изображений ("устройство сбора", вычислительное устройство 7 (для обработки изображений) и карта ввода/вывода (E/S), совместимая с системой ERTMS/ETCS. Датчик 100 располагают на приборной панели в любом месте напротив лобового стекла кабины управления локомотива в максимально устойчивом положении и камеру 4 направляют наружу в сторону железнодорожного пути. Как будет более подробно описано ниже, датчик 100 предназначен для измерения скорости и"пройденного расстояния" посредством простого анализа траектории транспортного средства и перемещения в изображении объектов, расположенных вдоль пути. Для этого функциональная схема датчика 100, показанная на фиг. 2, включает в себя систему визуального наблюдения SV и систему слежения SS, которые, будучи связанными с вычислительным устройством 7, обрабатывают данные, извлекаемые из изображений, снятых камерой 4. Система визуального наблюдения SV содержит карту 6 считывания (или устройство сбора) изображений, снятых камерой 4, которая может быть, например, камерой CCD ("прибор с зарядовой связью"). Эти изображения можно сохранять в запоминающем устройстве (не показано), связанном с вычислительным устройством 7, однако итеративный характер способа в соответствии с изобретением требует сохранения в памяти только двух последовательных изображений, называемых "текущим изображением" и "предыдущим изображением", отфильтрованных от любой нерелевантной информации. Датчик 100 является полностью автономным, поскольку он содержит систему слежения SS, выполненную с возможностью обнаружения и корректировки возможных погрешностей отслеживания пути и объектов, находящихся вдоль пути, причем эти погрешности связаны с намеренно выбранной простотой моделей, применяемых для оценки скорости и положения поезда. В альтернативном варианте систему слежения SS машинист может частично или полностью заменить за счет применения системы контроляSC поезда 200. В этом примере, представленном на фиг. 5, вычислительное устройство 7 датчика 100 использует алгоритмы, вытекающие из родовых моделей системы поезд-камера и железнодорожной окружающей среды и, в конечном итоге, из динамических элементов системы путь/поезд, таких как данные, связанные с выполняемой задачей (в данном случае движение по железнодорожному пути). Во время работы вычислительное устройство 7 получает напрямую или опосредованно информацию о текущем состоянии поезда 200 (проприоцептивные данные) и железнодорожного пути (экстероцептивные данные). Отличаются только параметры, которые характеризуют поезд 200, в частности камеру 4, и железнодорожную окружающую среду, в которой движется поезд 200. В отсутствие проприоцептивных датчиков состояние поезда выводят из анализа движения перемещения в изображении железнодорожной окружающей среды (путь, столбы вдоль пути и т.д.). На основании этих параметров, записанных в памяти, и данных о текущем состоянии поезда 200 и железнодорожной окружающей среды, получаемых от системы визуального наблюдения SV и, в альтернативном варианте от системы контроля SC, вычислительное устройство 7 обрабатывает изображения,-7 024891 поступающие из камеры 4 и от системы визуального наблюдения SV, и определяет скорость и "пройденное расстояние" поезда 200 при помощи системы слежения SS. Модели (или картины), применяемые для оценки скорости и "пройденного расстояния" согласно принципу изобретения и подробно рассмотренные ниже, требуют применения упрощающих гипотез. Последние можно подразделить на две категории: заблаговременное знание сцены (постоянные элементы): ширина 1,435 м на нормальном пути в Бельгии, преимущественная вертикальность с учетом силы тяжести в структурированной сцене, постоянное число изображений, обрабатываемых за секунду; ожидаемое поведение поезда (ограниченные элементы): виражи с локально постоянными большими радиусами кривизны, локально плоский железнодорожный путь, незначительные движения поперечного и продольного колебания поезда. Геометрическая модель транспортного средства. Модель транспортного средства является специфической для поезда, на котором установлено устройство-датчик в соответствии с изобретением (фиг. 8 В-8 Е). Локомотив может быть отображен просто в плоскости согласно каркасной модели в виде сегмента, соединяющего центры поворота его двух колесных тележек. Действительно, локомотив является транспортным средством, направляемым рельсами железнодорожного пути, поэтому его пространственная конфигурация зависит от его положения на пути. Угол направления транспортного средства относительно касательной к кривой линии пути зависит от реального расстояния между его колесными тележками. Во время всего прохождения по пути колесные тележки условно являются всегда перпендикулярными к касательной к линии рельсов. Центры поворота каждой из двух колесных тележек, находящиеся на одной продольной медиане локомотива, описывают,один за другим приблизительно одинаковую кривую линии пути, находящуюся на одинаковом расстоянии между двумя рельсами железнодорожного пути. Камера установлена на приборной панели кабины управления и направлена наружу перед головной колесной тележкой в продолжении сегмента, который символизирует локомотив. Считается, что ее положение и ее направление не меняются или меняются лишь незначительно в системе координат, связанной с локомотивом. Операцию настройки, которая соответствует процессу формирования изображений, снимаемых камерой, осуществляют при помощи модели камеры-обскуры, наиболее простой и чаще всего применяемой в обработке изображений. Перспективная проекция трехмерной модели железнодорожного пути деформирует ее таким образом, что ее асимптоты сходятся в плоскости изображения к одной точке, называемой "точкой схода". Выделение этой точки позволяет найти положение локомотива в реальном пространстве. Кроме того, высота камеры зависит от высоты локомотива и от высоты приборной панели. Можно частично пренебречь этим априорным знанием, в частности, положения камеры в кабине локомотива,предусмотрев автоматическую настройку камеры при помощи устройства самонастройки 9 (показанного на фиг. 1). Тем не менее, для конфигурирования системы необходимо вводить некоторые размерные и даже поведенческие параметры, например расстояние между колесными тележками и максимальное ускорение/замедление поезда. Геометрическая модель камеры. Камеру моделируют на основании представленных ниже упрощающих гипотез. Собственные параметры камеры являются постоянными. Угол наклонаявляется небольшим (10). Угол горизонтального отклоненияотносительно главного направления пути является небольшим (10). Угол поворотакамеры относительно ее оси визирования соответствует углу наибольшего числа пикселей в изображении, вычисленному посредством модифицированной фильтрации Дерише, что будет описано ниже. Высота z0 камеры является постоянной. Геометрическая модель пути (фиг. 8 А). Направляющий путь в железнодорожной среде имеет характеристики, которые позволяют выдвигать некоторые гипотезы, в частности по его инфраструктуре с учетом скорости поездов. Железнодорожный путь локально является плоским, и его кривизна С локально является постоянной. Ширина е железнодорожного пути является постоянной и известна (она соответствует промежутку между двумя рельсами). Рельсы представляют собой сплошные линии пути постоянной и известной ширины L. Изменение пути следует кривой сопряжения пути, называемой кривой спиральной привязки (спираль Корню или клотоида), чтобы снизить влияние действия центробежной силы на пассажиров. Исходя из фронтальной перспективы, горизонтальные и вертикальные кромки являются параллельными между собой. Геометрические характеристики столбов одного ряда вдоль путей являются постоянными (расстояние между двумя последовательными столбами, расстояние относительно пути, ширина, высота, форма). Модель железнодорожной окружающей среды. Заблаговременное знание сцены в железнодорожной среде в каждой стране следования предполагает введение некоторых параметров, таких как ширина между рельсами, для конфигурирования заявлен-8 024891 ного устройства. Вычисление скорости и пройденного поездом расстояния посредством распознавания и локализации визуальных указателей. Как было указано выше, устройство в соответствии с изобретением применяет систему визуального наблюдения, которая содержит видеокамеру, режим восприятия которой приближается к человеческой модели с точки зрения визуального восприятия, равновесия, интерпретации сцены, анализа движения в изображении и принятия решения, но рабочие пределы которой определены технологией, имеющейся на рынке. Интерпретация данных, выдаваемых камерой, намного упрощается по сравнению с решениями, в которых применяют один или несколько одометрических датчиков. Для изображений сцены, снимаемых в структурированной окружающей среде, в данном случае в железнодорожной среде, выделяемые в них вертикальные прямые являются частыми и представляют собой признаки, свойства которых сохраняются в течение всей одной последовательности. В частном варианте применения приведение в соответствие этих вертикальных прямых можно осуществлять при помощи метода, основанного, например, на корреляции (которая, как известно, позволяет установить соответствие между точками или зонами интереса, выделяемыми из двух последовательных изображений). Чтобы убедиться, что вертикаль на изображении соответствует вертикальной кромке объекта сцены, не зная углового положения камеры в неподвижной абсолютной системе координат, было предложено выделять не вертикальные прямые изображения, а прямые, направление которых является в изображении наиболее репрезентативным и ассимилируется с направлением силы тяжести. При этом заявленное устройство использует фильтр обнаружения наиболее репрезентативного направления в изображении в виде модифицированного фильтра Дерише, который отбирает только контуры, имеющие одинаковый градиент направления. Таким образом, некоторые характеристики или первообразные функции, движущиеся в изображении и появляющиеся в конкретных зонах интереса, являются сегментами прямых, предварительно выделенными в приоритетном направлении, определенном при помощи модифицированного фильтра Дерише, первоначальными функциями которого являются оценка градиента и выделение контуров. Модификация такого фильтра позволила не только выделять в изображении контуры вертикальных объектов, образующих сцену, но также вычислять угол наибольшего числа пикселей в изображении. Значение этого угла поступает в аппаратные или программные средства поворота изображения, чтобы стабилизировать его посредством деротации и выдать для заявленного устройства и, следовательно, для поезда собственный внутренний ориентир на основании гипотезы вертикальности. Иначе говоря, модифицированный фильтр Дерише позволяет выделять пиксели, направление градиента которых чаще всего встречается в изображении, и использовать это свойство для обеспечения стабильности изображения по отношению к механическим ротационным нарушениям, которым подвергается камера. Следует отметить, что выделение релевантных первообразных функций включает в себя этап перехода изображения на уровнях серого к двоичному изображению (черное и белое), которое уже содержит только контуры. Сложность алгоритмов по сравнению с алгоритмами, обрабатывающими необработанные изображения, намного уменьшается. В альтернативном варианте фаза деротации, предназначенная для выпрямления изображения по углу, вычисленному при помощи модифицированного фильтра Дерише, предшествует фазе, на которой выделяют непосредственно вертикальные контуры элементов изображения. Предпочтительно это решение применяют в заявленном устройстве таким образом, чтобы вертикаль в визуальной сцене (изображение) соответствовала вертикали в реальной сцене (железнодорожный путь). Если считать эту гипотезу принятой, зоны интереса отображают вертикальные прямые на основании контуров, предварительно выделенных из изображения (фиг. 4). Для этого за фазой выделения должна следовать фаза распознавания и локализации, чтобы каждую отобранную точку связать с соответствующей ей прямой. Метод состоит в использовании маски конволюции типа маски Превитта (аппроксимация градиента по x) для выявления вертикальных краев, присутствующих в изображении (фиг. 6). Такая конволюция сопровождается определением порогов, при этом значение порога равно, например, 20, и преобразованием в двоичную форму, при котором сохраненные точки имеют уровень серого, равный 255. Полученный результат представляет собой черновой ряд вертикальных составляющих изображения сцены, а не только контуров. На промежуточном этапе отбирают только некоторые точки, сгруппированные в столбцы шириной в один пиксель в непрерывных последовательностях более чем из 10 пикселей. Этот промежуточный этап позволяет исключить изолированные точки и слишком короткие последовательности точек. Эти линейные ряды точек тоже группируют вместе и смыкают друг с другом и, в конечном итоге, объединяют в структуры, ограниченные по ширине и по высоте. Это пространственное ограничение представлено прямоугольником, направление которого является вертикальным и положение которого определено координатами на изображении левого верхнего угла. Выделив вертикали относительно друг друга, программа локализации сохраняет только те вертикали,которые соответствуют следующим критериям: достаточная высота (h10 пикселей); не подлежащий превышению предельный наклон (a или равен 2 пикселям). Обнаружение рельсов пути. Выбор модели направляющего пути, принцип его перспективной проекции в изображении, контраст сплошных линий пути, образованных рельсами на изображении, и, наконец, условие соблюдения реального времени для самого применения изобретения обуславливают то, что для эффективного и быстрого метода обнаружения рельсов в качестве областей обработки следует использовать не полигональные зоны интереса, как это происходит при вышеуказанном выделении вертикальных характеристик, а простые горизонтальные линии пути, число и расположение которых в изображении определены и корректируются при каждой итерации в зависимости от некоторых критериев, таких как измеряемая скорость поезда, качество данных изображения (энтропия), разность высоты между точкой сходимости пути и линией горизонта на изображении, измеряемая кривизна пути и т.д. Этот способ обработки сигнала вполне соответствует требованиям быстрого обнаружения по сравнению с более традиционными методами, учитывая очень небольшое число обрабатываемых пикселей. Он основан на том, что в одной последовательности изображений в железнодорожном контексте разброс уровней серого цвета пути (типовое отклонение) должен быть одинаковым вблизи и с двух сторон от рельсов на всех горизонтальных линиях обнаружения. В этом случае достаточно определить типовое отклонение функции распределения уровней серого на наиболее репрезентативной линии обнаружения (наиболее близкой к камере, т.е. самой нижней в изображении). Затем в каждой из горизонтальных линий обнаружения функцию распределения сглаживают посредством гауссовой фильтрации и сводят только к точкам, значение которых превышает определенный адаптивный порог, определяемый как среднее функции распределения, к которому добавляют ранее вычисленное значение типового отклонения. Этот метод, известный в области обработки изображений, позволяет просто и надежно пренебречь изменениями освещения, которые могут проявляться в одном изображении. При этом градиент результирующей функции распределения определяет левый и правый края следа, оставляемого каждым из рельсов пути. В альтернативном варианте можно ограничить в пространстве функцию распределения уровней серого вблизи пути таким образом, чтобы свести горизонтальную линию обнаружения к простому сегменту. Можно также связать с каждым рельсом отдельный сегмент обнаружения по каждой горизонтальной линии обнаружения в случае, когда качество изображения могло ухудшиться и привести, например, к частичной потере информации. Оптический поток. При каждом считывании изображения производят распознавание и локализацию релевантных визуальных указателей, затем устанавливают их соответствие с их аналогами из предыдущего изображения в одной последовательности, чтобы оценить их кажущееся движение в изображении или оптический поток. Оптический поток, т.е. поле моментальных скоростей уровней серого в изображении (или поле движения), является двухмерным отображением трехмерного движения. С каждой точкой этого отображения связывают вектор скорости, соответствующий направлению движения, скорости движения и глубине. Вместо вычисления оптического потока по временным изменениям интенсивности изображения можно рассмотреть временные изменения значений, которые являются результатом различных локальных операторов, таких как контраст, энтропия, среднее значение и пространственные отклонения интенсивности изображения. В каждом случае производят оценку относительно плотного поля оптического потока, определяя, таким образом, поле движения, в случае необходимости, по каждому пикселю изображения. Однако оптический поток никогда не соответствует истинному полю движения, так как на вычислении сказываются изменения освещения, т.е. основной источник ошибок. Оптический поток используют вместе с соблюдением дополнительных условий или с информацией,относящейся к сцене, чтобы определить параметры трехмерного движения объектов в сцене. Линейная модель перспективной проекции пути. В отношении двойственности, существующей между реальной сценой и изображением (визуальной сценой), объединение моделей локомотив-камера (фиг. 7) позволяет идентифицировать координаты центра проекции и центра плоскости изображения в абсолютной системе координат. Координаты проекции в плоскости изображения любой точки сцены, связанной с камерой, сначала выражают в абсолютной системе координат, затем в системе координат, связанной с камерой. Трудность кроется в моделировании сцены и в выражении матрицы взаимодействия, которая отображает отношение между изменениями визуальной информации в изображении и движениями камеры в реальном пространстве. Как правило, выбираемое моделирование использует очень простой формализм, при котором применяют только динамические параметры системы путь/транспортное средство, участвующей линейно в пространстве плоскости изображения. Отслеживание посредством фильтрации Калмана параметров, характеризующих упрощенную проекцию левого и правого рельсов, позволяет одновременно производить оценку скорости перемещения релевантных объектов, расположенных вдоль железнодорожного пути. Наконец, вычисляют скорость и "пройденное расстояние" поезда при помощи обратной перспективной проекции, которая позволяет осуществить трехмерную реконструкцию упрощенной модели железнодорожного пути с учетом априорного знания реальных значений некоторых геометрических величин, характеризующих систему путь/транспортное средство (ширина между рельсами, длина транспортного средства). С учетом этих гипотез наиболее подходящими параметрами для моделирования линейного изменения системы путь-транспортное средство, например, являются С: локальная кривизна железнодорожного пути;: угол горизонтального отклонения оптической оси относительно главного направления железнодорожного пути; х 0: абсцисса центра проекции камеры относительно кривой линии железнодорожного пути. Эти параметры, а также скорость и "пройденное расстояние" поезда вычисляют очень просто при каждом обнаружении рельса в изображении. 6.11 Алгоритм отслеживания железнодорожного пути а) Контроль движения, основанный на визуальной информации Для данного маршрута движущийся поезд перемещается в направлении, определяемом системой стрелочного перевода рельсов железнодорожного пути, тогда как его скорость и его ускорение контролирует машинист, который обеспечивает управление поездом при участии системы ETCS в плане соблюдения безопасности (аварийное торможение). Согласно изобретению контроль движения системы визуального наблюдения, которой оборудован локомотив, осуществляют посредством применения к железнодорожным перевозкам алгоритма управления при помощи обратной визуальной связи в структурированное среде. Между двумя последовательными считываниями изображений камеры, как и при измерениях при помощи датчиков, традиционно применяемых в железнодорожном контексте, транспортное средство перемещается от одной точки к другой вслепую (структура Look-and-Move). С другой стороны, заданные значения выражаются не в виде ситуации между датчиком (в данном случае камерой) и сценой, как это происходит в случае алгоритмов анализа сцены, в которых положение, скорость и ускорение являются ситуативными понятиями, отображаемыми в абсолютной системе координат, а в виде рисунка, который необходимо получить в изображении. В алгоритме этого типа, применяемом в рамках изобретения, визуальные данные, выбираемые для формирования этого рисунка, должны достигать значений, которые соответствуют нормальному выполнению задачи, поставленной перед транспортным средством. Работы, которые привели к этому формализму, включают в себя циклы отслеживания, в которых используют визуальные данные, основанные на самых простых характеристиках изображения (точки,сегменты прямых). Этот подход позволяет полностью отказаться от фазы интерпретации (т.е. от реконструкции трехмерной модели сцены) и существенно сократить время вычисления, так как данные, выделяемые из изображения, непосредственно используются в цикле отслеживания. Это исключает также ошибки оценки ситуации и сложные вычисления. При этом используют характеристики (геометрия, топология) некоторых зон сцены, которые остаются в основном стабильными в ходе всего движения транспортного средства. Условие постоянного надежного и доступного измерения скорости и "пройденного расстояния" движущегося поезда приводит нас к использованию системы отслеживания и прогнозирования, - при помощи фильтра Калмана, - совокупности понятий, таких как зоны интереса и некоторые геометрические характеристики железнодорожного пути (радиус кривизны, ширина, линия пути), поведение которых известно заранее через модели и предыдущая оценка которых еще остается в памяти. Отслеживание железнодорожного пути. Подход, основанный на принципе, представленном на фиг. 3, включает в себя, таким образом, этап Е 1 инициализации модели, этап Е 2 прогнозирования при помощи модели положения зон обнаружения,этап Е 3 обнаружения рельса в каждой из зон и этап Е 4 обновления параметров модели в зависимости от положения обнаруженных участков рельсов. Инициализация (Е 1) позволяет заранее зафиксировать параметры модели. Фаза прогнозирования (Е 2) позволяет позиционировать зоны интереса изображения, где будут обнаруживаться рельсы и объекты вдоль пути. Эту операцию осуществляют при помощи модели системы путь/транспортное средство, вычисленной при предыдущей итерации. Зная кривизну пути, можно легко предсказать положение рельсов и объектов в изображении. Устанавливая вокруг этого положения достаточно широкую зону поиска с учетом ошибок моделирования,связанных с аппроксимацией, и скорость, вычисленную во время предыдущей итерации, можно обнаружить присутствие рельсов и присутствие объекта. Поиск в зоне интереса изображения (т.е. на участке изображения) одного или нескольких указателей, определяющих по меньшей мере одну геометрическую характеристику направляющего пути и/или по меньшей мере один объект, находящийся вдоль направляющего пути, позволяет упростить обработку. Именно фаза обнаружения (Е 3) обеспечивает локализацию рельсов и объектов в прогнозированных зонах. Рельсы можно обнаруживать при помощи классических методов в зонах интереса полигональных или линейных форм или по всему изображению путем выделения их контуров (разбиение на сегменты в плане контура) или структуры пути (разбиение на сегменты в плане области согласно критерию по структуре), затем путем сравнения с двухмерной моделью пути. Поскольку обнаруживаемые рельсы имеют конкретный характер (являются сплошными, достаточно контрастными и занимают более половины изображения), применение реального времени обуславливает выбор осуществления обнаружений на основании простых горизонтальных линий, отстоящих друг от друга в изображении. Метод состоит в использовании небольшого числа линий обнаружения, выбираемых в зависимости от измеряемой скорости. На основании предыдущих измерений посредством фильтрации Калмана (минимизация наименьших квадратов) производят обновление (Е 4) параметров модели. Иначе говоря, устройство в соответствии с изобретением предпочтительно использует простые, но быстрые модели исполнения и компенсирует погрешности моделирования при помощи системы слежения и прогнозирования в изображении при помощи фильтра Калмана (фильтр Калмана позволяет отслеживать и предсказывать совокупность понятий, выделяемых из изображения на основании контуров объектов). Фильтр Калмана имеет две отдельные фазы, а именно фазу прогнозирования (Е 2) и фазу обновления (Е 4). Фаза прогнозирования использует оценочное состояние в предыдущий момент для оценки текущего состояния. На этапе обновления используют наблюдения текущего момента для коррекции прогнозируемого состояния, чтобы получить более точную оценку. Кажущееся движение в изображении (навигационный коридор). Инфраструктура, находящаяся с каждой стороны от рельсов вдоль пути, по которому движется локомотив, представлена вертикалями (фиг. 11 А). Навигационный коридор определяется кажущимся движением в изображении нижнего конца двух вертикалей, наиболее близких к камере (фиг. 11 В). В случае железнодорожной сети навигационный коридор вытекает непосредственно из уже существующей модели железнодорожного пути и проецируется на плоскость изображения камеры, находящейся на движущемся локомотиве. При интерпретации информации, получаемой из двух векторов перемещения в изображении, возникает проблема, когда эти векторы имеют наклон одинакового знака. Действительно, в этом случае сжатый анализ не позволяет точно определить, что эти векторы действительно отображают кажущееся движение объектов (столбов), принадлежащих к противоположным сторонам железнодорожного пути. Поэтому в случае неоднозначности (фиг. 11 С) предпочтительно учитывать только ближайшую к камере вертикаль для определения навигационного коридора. Другие аспекты и варианты. В варианте выполнения изобретения заявленное устройство использует модуль индикации одного или нескольких структурирующих элементов окружающей среды, в которой перемещается транспортное средство, которые были использованы для вычисления скорости и пройденного расстояния транспортного средства, перемещающегося по направляющему пути. Этот модуль индикации представляет собой, например, жидкокристаллический экран, который наиболее приспособлен для наблюдения за окружающей средой. В варианте изображение совокупности виртуальных объектов можно проецировать или воспроизводить на лобовом стекле транспортного средства или на прозрачном зеркале, находящемся перед лобовым стеклом (в этом случае говорят об индикаторе на лобовом стекле или о коллиматоре на лобовом стекле, не создающем помех для обзора), что позволяет получить средство обеспечения вождения в конкретных условиях видимости, скорости, загруженности сети и т.д. Иначе говоря, модуль индикации позволят отображать релевантные элементы, выделенные непосредственно из сцены, а также дополнительные элементы, полученные в результате обработки релевантных элементов, и образует, например, средства обеспечения вождения (т.е. помогает машинисту принимать решения). Эти дополнительные элементы предоставляют машинисту информацию о разворачивающейся перед ним окружающей среде. Эти данные могут быть геометрическими, например такими как прямые или кривые, связывающие различные объекты в изображении, и/или цифровыми, например такими как значение скорости и/или положения транспортного средства (в случае необходимости, эти элементы могут выводиться на дисплей, когда машинист нажимает на кнопку), или любого другого типа. Следует отметить, что принцип изобретения применяют не только для транспортных средств, движущихся по направляющему пути, а в целом для транспортных средств, перемещающихся вдоль направляющего пути (например, поезд на магнитной подушке). Кроме того, принцип изобретения, представленный в описанном выше варианте выполнения, можно также применять в случае, когда съемочный аппарат является не оптическим аппаратом, а магнитной камерой или любым другим аппаратом. Необходимо отметить, что принцип обработки визуальной информации при помощи описанного выше заявленного устройства можно применять не для измерения скорости и расстояния, пройденного транспортным средством, перемещающимся по направляющему пути, а для позиционирования движущегося транспортного средства в любой момент в любой сети автомобильного, железнодорожного или речного транспорта, если эта сеть структурирована и известна заранее в виде карт, а также содержит на месте указания локализации и направления любого типа (дорожные знаки, щиты и т.д.). Это применение устройства в соответствии с изобретением в частном варианте обеспечивает навигацию по маршруту, все последовательные точки прохождения которого образуют локальные (или относительные) системы координат, в которых перемещается и в которых локализуют транспортное средство. Сразу после прохождения точки "k" пути за ней следует точка "k+1" пути, которая представляет собой новый ориентир для прохождения. Это решение позиционирования является альтернативой системе GPS, которая имеет целый ряд недостатков. Действительно, вычисление положения при помощи системы GPS постоянно зависит от качества приема спутниковых сигналов, которые могут прерываться или искажаться из-за внешней причины плохого приема (туннель, коридор, рельеф, помехи, гроза, высокая влажность), при намеренном или случайном создании радиоэлектрических помех, при маневре, в ходе которого прием временно маскируется,при кратковременном выравнивании спутников в одну линию, мешающем точному вычислению (временная геометрическая погрешность), или при выходе из строя спутника. Предпочтительно это конкретное приложение заявленного устройства позволяет реализовать автономную систему планирования маршрутов и навигации в структурированной транспортной сети, известной заранее и нанесенной на карты. Эта система вычисляет местонахождение транспортного средства, в котором она установлена, согласно тем же принципам аппаратного и программного обеспечения, что и в описанном выше заявленном устройстве, относительно физических характеристик и ориентиров, которые, кроме своего положения в транспортной сети, заключают в себе информацию о выбираемом направлении, о топологии пути следования или о надлежащем поведении (направление виража, ограничение скорости, сигнальный семафор). Это приложение сходно с приложением для штурманов ралли на основе известных заранее карт для данного маршрута. Его применение может включать в себя услугу обновления карт транспортной сети и услугу картографического планирования пути следования, включая предоставление в реальном времени информации о загруженности движения. Предпочтительно это приложение предусматривает использование описанного выше модуля индикации и звукового сигнала, указывающего пользователю, например, надлежащее направление следования или ограничение скорости. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство (100) измерения скорости и/или положения транспортного средства (200), перемещающегося вдоль направляющего пути как днем, так и ночью, причем в любых климатических условиях,характеризующееся тем, что содержит по меньшей мере один съемочный аппарат (4), выдающий последовательность цифровых изображений окружающей среды указанного транспортного средства (200); средства определения кажущегося движения по меньшей мере одного визуального указателя, называемого первообразной функцией, между двумя изображениями, выдаваемыми указанным съемочным аппаратом (4), для определения кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя, в которых применяют средства упрощения указанных изображений при помощи по меньшей мере одной модели указанной окружающей среды, позволяющей обнаруживать указанный по меньшей мере один визуальный указатель в упрощенных изображениях; средства прогнозирования зоны изображения, в которой указанный визуальный указатель будет находиться в следующем изображении; средства выделения указанных визуальных указателей в указанной зоне изображения; средства оценки перемещения посредством сравнения реального положения указанного визуального указателя в текущем изображении и в предыдущем изображении; средства оценки скорости и/или положения указанного транспортного средства (200) на основании указанного кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя. 2. Устройство (100) по п.1, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один съемочный аппарат принадлежит к группе, в которую, в частности, входят оптические съемочные аппараты; тепловые камеры; магнитные камеры. 3. Устройство (100) по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один указатель отображает по меньшей мере одну геометрическую характеристику указанного направляющего пу- 13024891 ти, такую как радиус кривизны, ширина между рельсами пути, линия пути. 4. Устройство (100) по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один указатель отображает по меньшей мере одну геометрическую характеристику по меньшей мере одного объекта, расположенного вдоль направляющего пути, такую как вертикальность столбов. 5. Устройство (100) по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что в нем применяют модель указанного транспортного средства (200) и модель указанного съемочного аппарата (4). 6. Устройство (100) по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что в средствах отслеживания и прогнозирования используют фильтр Калмана. 7. Устройство (100) по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что содержит датчик наклона, выполненный с возможностью генерирования сигнала, отображающего наклон указанного съемочного аппарата (4), и средства поворота изображения, выдаваемого указанным съемочным аппаратом (4), на угол, зависящий от указанного генерированного сигнала. 8. Устройство (100) по п.7, отличающееся тем, что в указанном датчике наклона применяют фильтр Дерише. 9. Устройство (100) по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что используют матрицу взаимодействия, связывающую перемещения съемочного аппарата (4) в реальном пространстве с перемещениями,указанного по меньшей мере одного указателя в указанных изображениях. 10. Устройство (100) по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что содержит средства настройки указанного съемочного аппарата (4). 11. Устройство (100) по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что содержит средства отображения цифровых изображений указанной окружающей среды, получаемых из указанного съемочного аппарата(4). 12. Устройство (100) по п.11, отличающееся тем, что указанные изображения выводятся по меньшей мере на один жидкокристаллический экран, на лобовое стекло указанного транспортного средства или на прозрачное зеркало, находящееся перед лобовым стеклом указанного транспортного средства. 13. Устройство (100) по любому из пп.1-12, отличающееся тем, что содержит средства ввода заданного маршрута. 14. Устройство (100) по п.13, отличающееся тем, что содержит средства запоминания по меньшей мере одной карты транспортной сети. 15. Устройство (100) по п.13 или 14, отличающееся тем, что содержит средства индикации географического положения указанного транспортного средства (200). 16. Способ измерения скорости и/или положения транспортного средства (200), перемещающегося вдоль направляющего пути как днем, так и ночью, причем в любых климатических условиях, характеризующийся тем, что содержит этапы, на которых получают последовательность цифровых изображений окружающей среды указанного транспортного средства при помощи съемочного аппарата (4); определяют кажущееся движение по меньшей мере одного визуального указателя, называемого первообразной функцией, между двумя изображениями, выдаваемыми указанным съемочным аппаратом(4), чтобы определить кажущееся движение указанного по меньшей мере одного визуального указателя,выполняя этапы, на которых выполняют упрощение указанных изображений при помощи по меньшей мере одной модели указанной окружающей среды, что позволяет обнаруживать указанный по меньшей мере один визуальный указатель в упрощенных изображениях; выполняют прогнозирование зоны изображения, в которой указанный визуальный указатель будет находиться в следующем изображении; производят выделение указанных визуальных указателей в указанной зоне изображения; производят оценку перемещения посредством сравнения реального положения указанного визуального указателя в текущем изображении и в предыдущем изображении; осуществляют оценку скорости и/или положения указанного транспортного средства на основании кажущегося движения указанного по меньшей мере одного визуального указателя. 17. Считываемый компьютером носитель информации, содержащий компьютерный программный продукт, который содержит программные коды, при исполнении которых в устройстве по любому из пп.1-15 выполняются операции способа по п.16.

МПК / Метки

МПК: G06T 7/20, G01P 3/36, B61L 25/02, G01C 22/00, G01C 23/00

Метки: перемещающегося, пути, вдоль, программный, положения, устройство, транспортного, скорости, соответствующий, компьютерный, направляющего, средства, измерения, продукт, способ

Код ссылки

<a href="http://easpatents.com/22-24891-ustrojjstvo-izmereniya-skorosti-i-polozheniya-transportnogo-sredstva-peremeshhayushhegosya-vdol-napravlyayushhego-puti-sposob-i-sootvetstvuyushhijj-kompyuternyjj-programmnyjj-produ.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Устройство измерения скорости и положения транспортного средства, перемещающегося вдоль направляющего пути, способ и соответствующий компьютерный программный продукт</a>

Похожие патенты