基于图像特征的列车自主定位方法研究

论文摘要

综合检测列车是重要的基础设施检测装备,是高速铁路安全运营的保障。实时高精度的位置信息是综合检测列车准确检测的前提,研究一种高精度自主定位方法对高速综合检测列车国产化和提高我国既有线基础设施检测水平具有重要的理论和现实意义。论文分析了综合检测列车定位需求的特点,首次提出视觉应答器(VisualBalise,VsB)的概念,探讨了利用地图匹配和图像特征识别轨旁及轨道自身视觉应答器,并用它们校正里程计累积误差从而实现综合检测列车连续、高精度、车载自主定位的方法。该方法包括确定视觉应答器捕获区间,视觉应答器图像特征识别与定位,视觉应答器实际精确位置计算三个步骤。为了确定列车是否进入视觉应答器的捕获区,需要进行列车位置估计。论文首先提出了基于GPS与稀疏栅格地图匹配的列车初始定位方法,随后结合GPS位置输出和线路先验数学模型,利用最近点估计和极大后验概率估计方法给出了直线轨道的列车位置估计;针对上述两种估计方法在曲线上计算量大和曲率匹配无法在圆曲线上定位的弊端,提出了基于曲率和航向组合匹配的曲线列车定位方法。针对轨旁视觉应答器的识别,提出了利用特征点虚拟轨迹确定搜索区域,利用轨迹线灰度投影将轨旁视觉应答器从图像中分割出来的方法;并利用支撑矢量机对分割出来的图像进行了分类和识别。针对线路自身视觉应答器,首先将道岔特征检测转换为图像中直线的检测,提出了利用图像截面灰度投影生成候选轨道集合,利用Hough变换验证轨道真实性的检测方法。该方法克服了标准Hough变换计算量大的缺点,同时利用了Hough变换抗噪性好的优点来验证轨道真实性,因此能够快速准确地检测出轨道特征。为计算视觉应答器的实际位置,论文提出了基于单幅图像的一维简化定位模型,分析了模型误差;论文还利用平行钢轨轨距为常数的特征,提出了等比率立体三角定位方法,相对于平面三角定位提高了测量精度。理论计算和现场实验均表明,利用图像特征识别视觉应答器,并将其校正里程计误差的定位方法能够满足综合检测列车的定位需求,为综合检测列车提供了一种高精度低成本的定位解决方案。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 陆地车辆定位方法研究现状
• 1.2.1 基于里程计的列车定位方法
• 1.2.2 基于GPS的列车定位方法
• 1.2.3 基于地图匹配的车辆定位方法
• 1.2.4 基于单幅图像的物体定位方法研究
• 1.2.5 基于多传感器组合的列车定位方法
• 1.3 综合检测列车定位需求分析
• 1.4 论文主要工作与章节安排
• 2 基于GPS、DR与地图匹配的列车定位方法研究
• 2.1 基于GPS与稀疏分格地图匹配的列车初始定位方法
• 2.1.1 传统地图匹配初始定位方法及弊端
• 2.1.2 基于稀疏分格地图匹配的列车初始定位方法
• 2.1.3 稀疏分格地图匹配算法实验结果与结论
• 2.2 基于GPS与轨道信息匹配的列车定位方法研究
• 2.2.1 列车位置估计方法与步骤
• 2.2.2 列车位置的最近点估计
• 2.2.3 列车位置的极大后验概率估计
• 2.2.4 直线区段的数学描述与列车位置估计
• 2.2.5 圆曲线的数学描述与列车位置估计
• 2.3 基于曲线不变特征匹配的列车定位方法
• 2.3.1 铁路曲线的数学描述
• 2.3.2 曲线不变特征分析
• 2.3.3 基于曲线不变特征组合匹配的列车定位方法
• 2.4 本章小结
• 3 基于虚拟轨迹和SVM的轨旁标志定位与识别方法研究
• 3.1 图像获取和预处理
• 3.1.1 基于视觉捕获区的图像获取
• 3.1.2 图像均衡预处理
• 3.2 基于虚拟轨迹的视觉应答器特征快速分割方法
• 3.2.1 轨旁标志特征描述
• 3.2.2 基于全局模板匹配的目标定位方法及弊端
• 3.2.3 基于虚拟轨迹的搜索区域确定方法
• 3.2.4 基于灰度投影的有效图像判别和视觉应答器快速分割方法
• 3.3 基于支撑矢量机（SVM）的视觉应答器分类与识别
• 3.3.1 支撑矢量机概述
• 3.3.2 基于SVM的轨旁视觉应答器分类
• 3.3.3 实验结果
• 3.4 本章小结
• 4 基于Hough验证的轨道自身特征快速识别方法研究
• 4.1 Hough变换检测直线的原理
• 4.1.1 标准Hough变换的原理与步骤
• 4.1.2 现有Hough变换检测直线时存在的问题
• 4.2 道岔特征分析
• 4.3 灰度投影结合Hough验证的辙叉心轨快速定位方法
• 4.3.1 轨道特征与识别
• 4.3.2 基于灰度投影生成候选轨道集合
• 4.3.3 基于Hough变换的轨道真实性验证
• 4.4 本章小结
• 5 基于单幅图像的特征点精确定位方法研究
• 5.1 摄影测量学基础
• 5.1.1 中心投影原理
• 5.1.2 摄影测量常用坐标系
• 5.1.3 影像的内外方位元素
• 5.1.4 中心投影的性质
• 5.2 基于单幅影像一维简化模型的目标定位方法研究
• 5.2.1 基于单幅影像空间后方交会的定位方法
• 5.2.2 基于非标定相机单幅影像的列车定位方法研究
• 5.2.3 基于单幅影像的列车定位方法误差分析
• 5.2.4 实验结果与结论
• 5.3 基于轨距常数的立体三角定位方法研究
• 5.3.1 轨距常数立体三角定位原理
• 5.3.2 实验结果与结论
• 5.4 本章小结
• 6 高精度列车定位方案设计与案例分析
• 6.1 综合检测列车定位系统方案设计与性能分析
• 6.1.1定位系统方案设计
• 6.1.2 里程计校正延时与实时性分析
• 6.2 基于GPS与地图匹配方法的轨检车公里标自动校正系统
• 6.3 基于单幅图像定位方法的动态实验验证
• 7 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集