CN107792116B - 一种便携式接触轨检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式接触轨检测装置及检测方法，它包括了主机装配部分和横梁装配部分。其中主机装配部分包括了图像采集及处理系统，横梁装配部分包括了轨距和水平测量系统。图像采集及处理系统包括上部双目系统、下部双目系统、工控计算机。上部双目系统包括第一双目摄像机、第一一字线激光光源、2片第一滤光镜；下部双目系统包括第二双目摄像机、第二一字线激光光源、2片第二滤光镜。轨距和水平测量系统包括了倾角和位移传感器。本发明的优点在于：1)同时完成接触轨和绝缘罩关键参数测量；2)单人操作即可，操作方便、简单；3)自动化测量，数据稳定，测量时间短；4)测量误差在0.4mm以内。

Description

一种便携式接触轨检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种新型的轨道交通接触轨导高(接触轨距轨道水平面的垂直 距离)、拉出值(接触轨距相邻轨道内侧面的水平距离)以及绝缘罩导高(绝缘 罩距轨道水平面的垂直距离)、拉出值(绝缘罩距相邻轨道内侧面的水平距离) 相应参数检测的装置；该装置基于图像处理方法，通过识别激光光带照射在接 触轨和绝缘罩的轮廓在图像中的位置信息，检测出接触轨和绝缘罩相应的参数。

背景技术

在轨道交通接触轨的安装、检修和维护作业中，需要使用专用的测量工具， 对接触轨的几项参数进行检测，其中包含了接触轨的导高、拉出值和接触轨绝 缘罩导高、拉出值。如图1所示，图中：1是接触轨绝缘罩、2是接触轨，3代 表接触轨绝缘罩导高值、4代表接触轨绝缘罩拉出值，5代表接触轨拉出值、6 代表接触轨的导高。

目前，国内现存的测量工具在某些方面存在不足。比如“一种用于轨道交 通的接触轨测量道尺”(专利号：CN201605504)，专利所述的测量工具采用机械 式钢尺的方式进行测量，通常由于自身的形变以及测量过程中的人为操作误差 和不正确的读数误差，从而导致测量结果的精度降低，并且整个操作过程中费 工费时不易控制，效率低下，还只能测得几个参数，无法测得全部需要的参数， 这些不利因素都影响了日常的安装、维护、保养的质量和效率。随着计算机图像处理技术的发展，出现了基于图像处理的测量装置，例如“城市轨道交通接 触轨检测系统及其检测方法”(专利号：CN102897192U)以及“地铁第三轨车载在线检测装置”(专利号：CN201261472Y)，上述专利中采用安装于转向架的摄 像头采集接触轨图像，使用计算机处理，但是由于安装距离较远，且由于车辆 振动需要额外的补偿模块，导致测量精度无法保证。

由于上述专利都无法克服不利因素，不能满足测量需求，出现了新型的图 像测量装置，例如“一种轨道交通接触轨测量装置及测量方法”(专利号： CN103863357A)，该装置将摄像头伸出到接触轨下部，用图像处理的方式标定换 算出接触轨的参数，但该方法采用行走轮的方式，无法保证在弯道的时候保证 测量臂和轨道垂直，引起测量误差。

并且上述所有专利都是对接触轨进行测量，对运行安全性同样重要的接触 轨的绝缘罩则无法测量。绝缘罩由于其特殊结构，如在端部时比正常线路高出 一倍的距离，由于相机视角、分辨率等因素，要对绝缘罩进行拉出值和导高测 量会大大增加测量难度，无法保证测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有测量方法测量精度差和无法测量绝 缘罩参数，提供了一种基于图像处理的轨道交通接触轨和绝缘罩相应参数的检 测装置及检测方法。通过该方案，可以达到精度高的要求和使用方便的目的。

为了解决上述的技术问题，本发明采用了以下的技术方案：

一种便携式接触轨检测装置，其特征在于：它包括了主机装配部分和横梁 装配部分两部分。主机装配部分中包括了图像采集及处理系统。横梁装配部分 中包括了电源系统、轨距和水平测量系统。图像采集及处理系统包括上部双目 系统、下部双目系统、工控计算机。上部双目系统包括第一双目摄像机、第一 一字线激光光源、2片第一滤光镜；下部双目系统包括第二双目摄像机、第二一 字线激光光源、2片第二滤光镜。横梁装配部分横跨在两根钢轨上且与钢轨垂直，主机装配部分在接触轨一侧，两个双目系统分别从上部和下部采集带有激光光 带的图像：上部双目系统的第一双目摄像机采集其第一一字线激光光源在接触 轨绝缘罩上形成的激光光带；下部双目系统的第二双目摄像机采集其第二一字 线激光光源在接触轨表面形成的激光光带。然后将图像传输到工控计算机中进 行处理，计算出接触轨的拉出值和导高及其绝缘罩的拉出值和导高。其中上部 双目系统安装位置高于绝缘罩，且向下倾斜与水平面的夹角为13°，能够使第一双目摄像机拍摄到绝缘罩图像，双目摄像机的两个镜头之间的基线长度为 6cm，相机分辨率为100万像素；下部双目系统安装位置低于接触轨，且向上倾 斜与水平面的夹角为33°，能够使第二双目摄像机拍摄到接触轨图像，双目摄 像机的两个镜头之间的基线长度为6cm，相机分辨率为100万像素。横梁装配部分包括轨距和水平测量系统，通过位移传感器采集的数据计算出轨距值，通过 倾角传感器采集的数据和轨距值计算出水平值。

一种便携式接触轨检测方法，其特征在于包括了以下的测量步骤：

1)分别通过两个双目摄像机来获取激光光带照射在接触轨绝缘罩和接 触轨的图像。

2)然后对图像进行一定的预处理确定所需要的有激光光带的区域。

3)再对该图像区域做处理，运用极值法和Steger方法来提取激光光带 的中心线。

4)最后运用极线约束的匹配方式算出其空间三维坐标数据，以此来获 得交通接触轨的拉出值和导高及其绝缘罩的拉出值和导高。

5)轨距由位移传感器的数值直接得出。

水平值由以下公式求出：

水平值＝轨距*(D-D@0°)/6554；

水平值：两根钢轨相对于水平面的高度差，单位mm；

D：倾角传感器的数值；

D@0°：横梁装配部分放置在水平的钢轨上时，倾角传感器的数值；

6554：通过标定得出，得出高精度水平值。

本发明与现有技术相比具有以下优势：1)可以同时测量接触轨和绝缘罩 关键参数；2)单人操作即可，操作方便、简单；3)自动化测量，数据稳定，测量时间短；4)测量误差在0.4mm以内。

附图说明

为了更好地说清楚本发明的具体实施方法、装置结构和被测物体结构，下 面将对本发明所需要使用的附图作简要的介绍。

图1所示为轨道交通接触轨的结构示意图；

图2所示为本发明的结构侧面示意图；

图3所示为本发明的结构正面示意图；

图4所示为本发明具体实施方法中双目成像原理图；

图5所示为本发明具体实施方法中极线约束原理图。

图6所示为本发明实施测量时放置位置示意图。

图例说明

1、接触轨绝缘罩 2、接触轨 3、接触轨绝缘罩导高

4、接触轨绝缘罩拉出值 5、接触轨拉出值 6、接触轨导高

7、主机装配部分 8、横梁装配部分 9、第一双目摄像机

10、第二双目摄像机 11、第一一字激光光源 12、第二一字激光光源

13、工控计算机 14、显示屏幕 15、插销

16、开机按钮 17、测量按键 18、备用按键

19、轨距测量仪 20、提手 21、提手

22、显示屏幕 23、提手 24、插销

具体实施方式

下面，将结合本发明附图，对本发明中的技术方案进行说明。

参见图2，本发明主要包含两部分：主机装配部分和横梁装配部分。其中主 机装配部分包含图像采集及处理系统。整个图像采集及处理系统采用双目视觉 三维测量技术，其基于视差原理分别由两个双目摄像机从不同的视角去获取接 触轨及绝缘外罩的图像，从而恢复出物体的三维几何信息。其中上部双目系统安装位置高于绝缘罩，且向下倾斜与水平面的夹角为13°，能够使第一双目摄 像机(9)拍摄到绝缘罩图像；下部双目系统安装位置低于接触轨，且向上倾斜 与水平面的夹角为33°，能够使第二双目摄像机(10)拍摄到接触轨图像。横梁装配部分包括了轨距和水平测量系统。

如图4所示为简单的双目立体成像原理图，两摄像机的投影中心的连线的 距离即基线距为b。摄像机坐标系的原点在摄像机镜头的光心处，而事实上摄像 机的成像平面在镜头的光心之后。图中将左右成像平面绘制在镜头的光心前f 处，这个虚拟的图像平面坐标系O1uv的u轴和v轴与和摄像机坐标系的x轴和 y轴方向一致，这样可以方便简化计算过程。左右图像坐标系的原点在摄像机光 轴与平面的交点O1和O2。空间中某点P在左图像和右图像中相应的坐标分别为 P1(u1，v1)和P2(u2，v2)。假设两个摄像机的图像在同一个平面上，则点P 图像坐标的Y坐标相同，即v1＝v2。由三角几何关系可得：

上三式中(xc，yc，zc)为点P在左摄像机坐标系中的坐标，b为基线距，f为两个摄像机的焦距，(u1，v1)和(u2，v2)分别为点P在左图像和右图像 中的坐标。

通过双目摄像机运用双目立体视觉原理得到激光光带分别位于两个相机内 的坐标过后还不够，需要继续通过一定的方法来获得其三维坐标，这样才能得 到接触轨及其绝缘外罩的准确参数。这里用的方法是极线约束的匹配方法来获 得其三维坐标。

要计算出目标点的空间三维信息，需要对特征点进行提取，结合双目摄像 机空间几何关系中的极线约束，可以准确的将左右两幅图像中的激光光带匹配 起来。如图5所示：

极线约束通过投影方程：

s_lp_l＝M_lX_w＝(M_l1m_l)X_w (4)

s_rp_r＝M_rX_w＝(M_r1m_r)X_w (5)

可得到如下直线表达式：

其中

令

也就是基础矩阵，极线表达式的解析式为：

l_pr＝Fp_l (9)

l_pl＝F^Tp_r (10)

通过求得直线表达式后再结合光带，通过该几何关系将左右图像中的光带 点一一对应。

最后利用相机标定参数结合匹配的点，将光带上的每一个点的三维坐标解 析出来，公式如下：

x＝zX_l/f_l (11)

y＝zX_l/f_l (12)

最后通过分析光带上每个点的坐标值特征就可以计算出接触轨和绝缘罩的 参数信息。然后如图3所示，所计算出来的参数显示在装置屏幕上。

本发明的效果在于规避了传统的接触式检测方法，避免利用人工持轨道尺 测量接触轨的几何参数。传统的接触式检测方式效率低、工作量大，并且在有 限的拉点时间内，检测点少、密度低。本发明属于一种新型的、非接触式接触 轨检测设备仪器，操作简单，携带方便，测出的几何参数值稳定，精度误差仅 在0.4mm以内。

以上所述的具体实施方式，对于本发明的技术路线，双目立体视觉原理， 极限约束匹配法和有益效果进行了详细的说明，应理解的是，以上所述仅为本 发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围内，凡是在本发明 的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种便携式接触轨检测装置，其特征在于：它包括主机装配部分(7)和横梁装配部分(8)两部分；其中，主机装配部分(7)包括图像采集及处理系统，图像采集及处理系统包括上部双目系统、下部双目系统、工控计算机(13)；上部双目系统包括第一双目摄像机(9)、第一一字线激光光源(11)、2片第一滤光镜，下部双目系统包括第二双目摄像机(10)、第二一字线激光光源(12)、2片第二滤光镜；横梁装配部分(8)横跨在两根钢轨上且与钢轨垂直，主机装配部分(7)在接触轨一侧，两个双目系统分别从上部和下部采集带有激光光带的图像：上部双目系统的第一双目摄像机(9)采集其第一一字线激光光源(11)在接触轨绝缘罩上形成的激光光带，下部双目系统的第二双目摄像机(10)采集其第二一字线激光光源(12)在接触轨表面形成的激光光带，然后将图像传输到工控计算机(13)中进行处理，计算出接触轨的拉出值和导高及其绝缘罩的拉出值和导高；其中上部双目系统安装位置高于绝缘罩，且向下倾斜与水平面的夹角为13°，能够使第一双目摄像机(9)拍摄到绝缘罩图像，下部双目系统安装位置低于接触轨，且向上倾斜与水平面的夹角为33°，能够使第二双目摄像机(10)拍摄到接触轨图像；横梁装配部分(8)包括轨距和水平测量系统，通过位移传感器采集的数据计算出轨距值，通过倾角传感器采集的数据和轨距值计算出水平值。

2.一种采用如权利要求1所述检测装置的便携式接触轨检测方法，其特征在于包括以下测量步骤：

1)分别使用两个双目摄像机获取绝缘罩和接触轨的图像；

2)对采集到的图像做预处理，提取出有激光带的区域；

3)对有激光带的区域用极值法和Steger算法来提取激光光带的中心线；

4)用极线约束的匹配方法匹配激光光带中心线位于双目摄像机中的位置得出三维坐标，根据三维坐标的特征找出接触轨的拉出值和导高及其绝缘罩的拉出值和导高；

5)轨距由位移传感器的数值直接得出；

水平值由以下公式求出：

水平值＝轨距*(D-D@0°)/6554；

水平值：两根钢轨相对于水平面的高度差，单位mm；

D：倾角传感器的数值；

D@0°：横梁装配部分放置在水平的钢轨上时，倾角传感器的数值。