发明内容
本发明目的在于解决以上技术问题之一,提供一种综合性的轨道车辆轮对 检测系统,该检测系统集成性高、所用设备少、占地面积小。
实现上述目的,在本发明一些实施例中,本发明采用的技术方案是:
一种轨道车辆轮对参数检测系统,包括轨旁检测单元、控制单元、轨旁通 信设备及远程终端,所述轨旁通信设备获取轨旁检测单元的检测数据并传递至 远程终端,所述控制单元用于控制轨旁检测单元工作;所述轨旁检测单元包括:
三维面阵单元:包括两组,对称设置在两侧轨道的内侧,每组三维面阵单 元包括多个面阵模块,每个面阵模块包括激光器和面阵相机,当车辆驶过时, 所述激光器和所述面阵相机均不与车轮接触;
线扫单元:沿车辆行进的方向设置在三维面阵单元的前侧,包括两组,对 称设置在两侧轨道外侧,用于采集车轮点云数据;每组线扫单元包括多个三维 线扫模块,每组中的三维线扫模块呈等间距设置,每组中第一个三维线扫模块 与最后一个三维线扫模块之间的间距不小于单个车轮的外周长,以使线扫单元 可获得轮对踏面全覆盖三维成像;当车辆驶过时,三维线扫模块均不与车轮接 触;
面阵定位单元:靠近三维面阵单元设置,包括面阵定位装置,当检测到所 述面阵定位装置产生感应信号后,控制所述面阵模块启动工作;
线扫定位单元:靠近线扫单元设置,包括与单组线扫模块数量相同的线扫 定位装置,多个线扫定位装置设置在同一侧,每个顺次对应一个三维线扫模块; 沿车辆行驶方向,当顺次检测到线扫定位装置产生感应信号,控制三维线扫模 块顺次启动工作;
控制单元被配置为:获取线扫单元采集的三维成像数据,进行轮对全圆周 三维数据重建,基于重建后的数据分析车轮踏面擦伤及外轮廓曲线信息;基于 三维面阵单元采集的数据,分析轮对尺寸。
本发明一些实施例中,每组三维面阵单元包括两个面阵模块,两个面阵模 块的图像采集方向呈相对设置。
本发明一些实施例中,所述面阵定位传感器的数量为一,设置在一侧两个 面阵传感器之间。
本发明一些实施例中,相邻线扫定位装置之间的间距与三维线扫模块之间 的间距相等;靠近车辆驶来方向的第一个线扫定位装置相对第一个三维线扫模 块,更靠近驶来车辆。
本发明一些实施例中,所述线扫定位装置和所述面阵定位装置均包括:
车轮传感器:包括两根信号输出线,当车轮经过车轮传感器时,信号输出 线输出正弦信号波;
信号处理装置:与信号输出线连接,将信号传递至控制单元。
本发明一些实施例中,每个三维线扫模块均包括:支架,及间隔安装在支 架上的激光光源和图像采集器;激光光源的出光端与图像采集器的采集端朝向 一致,高度均位于枕木之上。
本发明一些实施例中,每个支架相对轨边线及枕木呈倾斜设置;同组定位 单元中的多个支架平行设置。
本发明一些实施例中,图像采集器相对激光光源位于更靠近轨道的一端, 激光光源的出光点位于图像采集器镜头的上方。
本发明一些实施例中,进一步包括车号识别模块,设置在轨旁,包括立柱 和设置在立柱上的车号采集相机;所述控制单元获取车号识别模块采集的车号 信息,并将对三维面阵单元和线扫单元的分析信息与车号匹配。
本发明一些实施例中,进一步包括测速雷达模块,设置在轨旁,用于测量 车辆的瞬时速度和加速度。
与现有技术相比,本发明提供的轮对参数检测系统的有益效果在于:
1、为一套集成化轨道车辆轮对参数检测系统,系统兼容既有轮对尺寸检测 模块、轮对踏面缺陷动态图像检测模块、轮对不圆度擦伤检测模块监测等功能。 减少了所需相机数量,同时降低安装场地面积要求、直线段距离要求。
2、采用超高速三维检测技术实现轨道车辆轮对关键参数检测装置,采用高 光谱高速非接触式激光三角法三维成像技术,利用高光谱激光光源检测实现地 铁车辆轮对高密度横截面三维成像,通过图像处理技术自动判别通过车辆的轮 对踏面尺寸超差故障、自动计算轮对内侧距、轮径、不圆度等重要信息。
3、采用三维成像技术,可以做到每毫米一线全轮面的360°全覆盖,数据 可靠性增加明显。实现踏面图像三维重建,解决轮面镜面反射问题。
4、整个系统数据采集过程中,采用非接触式采集,可靠性高。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白, 以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描 述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,当元件被称为“设置在”、“安装在”另一个元件,它可以 直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接 于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件 上。
需要理解的是,术语“上”、“下”、“顶”、“底”“内”、“外”等 指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述 本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等,仅用 于描述目的,不用于暗指相对重要性。
本发明提供一种轨道车辆轮对参数检测系统,结构参考图1。包括轨旁检 测单元、控制单元、轨旁通信设备及远程终端,用于轨道车辆轮对数据的检测, 包括但不限于:轮对尺寸、踏面尺寸、轮对内侧距、轮径、不圆度等。轨旁通 信设备获取轨旁检测单元的检测数据并传递至远程终端,控制单元用于控制轨 旁检测单元工作,控制单元可设置在远程终端。
轨旁检测单元为执行检测功能的核心功能结构,包括三维面阵单元、线扫 单元、定位单元等,其中定位单元又可分为面阵定位单元和线扫定位单元。
三维面阵单元:包括两组,对称设置在两侧轨道的内侧,每组三维面阵单 元包括多个面阵模块,每个面阵模块包括激光器和面阵相机,当车辆驶过时, 所述激光器和所述面阵相机均不与车轮接触。
更进一步的,为了适时启动三维面阵单元的工作,系统还包括面阵定位单 元,靠近三维面阵单元设置,包括面阵定位装置,当检测到所述面阵定位装置 产生感应信号后,控制所述面阵模块启动工作。
参考图3所示,面阵定位单元的启动原理图。每个面阵定位单元包括:车 轮传感器和信号处理装置。车轮传感器包括两根信号输出线,当车轮经过车轮 传感器时,信号输出线输出正弦信号波;信号处理装置与信号输出线连接,将 信号传递至控制单元。
具体的说,车轮传感器的信号通过AB两根线发出,当车轮压过接车传感器, 会在两线之间产生一种类似正弦波的信号,车辆经过的速度越快,其峰值越高, 反之则越低,在没有车轮压过时,接车传感器也会产生一些干扰信号,但是干 扰信号的幅值一般都很低,或者就是幅值较高但是周期很短,所以这就给我们 滤除干扰提供了可能。控制单元中的磁钢板便是对接车传感器信号进行处理后, 将实际的轮子压过时的信号传输至控制机。
控制单元配置车轮传感器参数调整软件,其工作原理为:
软件提供了3个参数供修改,分别是“幅值”、“脉宽1”、“脉宽2”。 这三者共同在制约,达到滤除干扰但又不会丢轴的效果。滤波的原则是:滤除 幅值较低的,滤除尖峰。所以,我们在调整参数时,根据实际情况,适当调整 这三个参数。
本实施例中,每组三维面阵单元包括两个面阵模块,两个面阵模块的图像 采集方向呈相对设置;面阵定位传感器的数量为一,设置在一侧两个面阵传感 器之间。参考图2a和图2b所示,每个面阵模块安装在两个枕木的间隙内,每 组三维面阵单元中的两个面阵模块间隔两个枕木设置,面阵定位单元设置在一 侧三维面阵单元的两个面阵模块之间。
线扫单元:沿车辆行进的方向设置在三维面阵单元的前侧,以图2a所示的 方向,从左至右的方向为车辆行进的方向,前侧是指相对位于车辆向前行驶的 方向上。线扫单元包括两组,对称设置在两侧轨道外侧,用于采集车轮点云数 据;每组线扫单元包括多个三维线扫模块,每组中的三维线扫模块呈等间距设 置,每组中第一个三维线扫模块与最后一个三维线扫模块之间的间距不小于单 个车轮的外周长,以使线扫单元可获得轮对踏面全覆盖三维成像;当车辆驶过 时,三维线扫模块均不与车轮接触。
更进一步的,为了适时启动线扫单元的工作,系统还包括线扫定位单元: 靠近线扫单元设置,包括与单组线扫模块数量相同的线扫定位装置,多个线扫 定位装置设置在同一侧,每个顺次对应一个三维线扫模块;沿车辆行驶方向, 当顺次检测到线扫定位装置产生感应信号,控制三维线扫模块顺次启动工作。
线扫定位装置的工作原理和面阵定位装置的工作原理相同,此处不再赘述。
本实施例中,每组线扫单元包括5个三维线扫模块,相应的包括5各线扫 定位装置。相邻线扫定位装置之间的间距与三维线扫模块之间的间距相等;靠 近车辆驶来方向的第一个线扫定位装置相对第一个三维线扫模块,更靠近驶来 车辆。当第一个线扫定位装置检测到车辆信号后,控制单元启动第一个三维线 扫模块启动工作;随着车辆向前运动,每个线扫定位模块逐一检测到车辆信号, 每个三维线扫模块逐一被启动。由于每个三维线扫模块的图像采集范围有限, 单个三维线扫模块不能采集完整的车轮图像数据。当车辆运行出三维线扫模块 图像采集区域后,线扫单元可以采集完整的车轮数据。
参考图4a和图4b所示,为单个三维线扫模块的结构示意图。
本发明一些实施例中,每个三维线扫模块均包括:支架21,及间隔安装在 支架21上的激光光源22和图像采集器23;激光光源22的出光端与图像采集 器23的采集端朝向一致,高度均位于枕木24之上。
本发明一些实施例中,每个支架21相对轨边线25及枕木24呈倾斜设置; 同组定位单元中的多个支架21平行设置。
本发明一些实施例中,图像采集器23相对激光光源22位于更靠近轨道的 一端,激光光源22的出光点位于图像采集器23镜头的上方。
轨边设备间由电源、电气设备及设备柜中的1台控制工控机、3台采集识 别工控机、1台数据存储服务器、1个千兆交换机、1个电源箱、1个IO触发箱、 1个KVM、1个UPS不间断电源、2个PDU组成。完成设备的供电、系统自动运 行控制、数据(图像)采集、数据(图像)分析、数据(图像)的存储、数据 存储运用等任务。该部分属于常规功能,不再赘述。
在以上具体实施例中,采用轮对外形三维面阵检测模块4个、踏面外形轮 廓高密度三维线扫模块10个,利用三维技术能够实现高密度激光线(激光线间 距1mm),提高各关键参数检测精度;采用808nm激光光源,能够有效降低环境 光的干扰;相机数量较当前设备方案大幅度减少,减少对安装场地的要求;采 用三维自标定技术,轮对尺寸无需定期标定;采用三维重建技术,输出轮对踏 面(与钢轨接触横截面)三维图像,能够利用非接触方式实现不圆度检测,减 少接触式测量的安全隐患。
控制单元被配置为:获取线扫单元采集的三维成像数据,进行轮对全圆周 三维数据重建,基于重建后的数据分析车轮踏面擦伤及外轮廓曲线信息;基于 三维面阵单元采集的数据,分析轮对尺寸。控制单元可设置在远程控制室,由 数据存储服务器、操作终端、交换机等设备组成,为各子系统共用。用于控制 轮对动态检测及车顶监测系统的启停,监控设备的运行状况,管理最终的检测 结果。
本发明一些实施例中,进一步包括车号识别模块,设置在轨旁,包括立柱 和设置在立柱上的车号采集相机;所述控制单元获取车号识别模块采集的车号 信息,并将对三维面阵单元和线扫单元的分析信息与车号匹配。
车号识别模块用于与识别车号信息,将轮对尺寸与车辆信息绑定。采用图 像车号识别模块拍摄列车车号图像并自行智能识别输出车号及端位信息。检测 机根据车位触发装置采集的信息,控制车号识别相机的采集和补光灯的触发, 当列车经过车号识别相机时,车号识别相机采用图像方式快速拍摄列车车号图 像,其内部集成了车牌定位算法、车牌字符分割算法等算法,在车辆不停车的 情况下,识别每辆车的车号信息,并及时将车号数据、图像、视频信息上传到 服务器,对进出的车辆进行自动统计,并保存数据。各子系统能够根据读取的 车辆车号信息对应记录所测量的数据。
图像车号基于嵌入式技术利用彩色面阵相机、防晃眼补偿光源对通过的列 车侧墙上车号、端位进行智能识别,提高系统稳定性及车组号识别准确率。
本发明一些实施例中,进一步包括测速雷达模块,设置在轨旁,用于测量 车辆的瞬时速度和加速度。
测速雷达利用多普勒效应原理采集列车经过设备时的列车实时速度信息。 测速雷达采用T·CL-2AⅢ抗干扰型驼峰测速雷达,采用(8mm)Ka波段,利用多 普勒效应测量溜放车组的瞬时速度和加速度,同时,采用新一代微波技术及其 器件,降低了电源能耗;应用了FPGA数字信号处理技术,对于车组在减速器区 段溜放状态进行精确测量和定位跟踪;结构设计采用在轨道中心安装方式,驼 峰溜放车辆的速度范围1km/h~30km/h(可根据现场使用要求提高到1km/h~ 350km/h)。
以下,详述控制单元的控制计算功能。
三维数据重建的过程如下。
在三维重建过程中,需要将世界坐标系中的点pw转换到像素坐标系中。
首先,要将世界坐标系中的点pw=(xw,yw,zw)T利用齐次变换矩阵cHw转换到 相机坐标系中,用pc=(xc,yc,zc)T表示:
pc=cHw·pw (4-1)
即:
式中,齐次变换矩阵cHw是通过六个元素确定的,分别是X、Y、Z轴上的 平移分量tx,ty,tz和旋转角度α,β,γ,也叫做相机的外部参数。
然后,将相机坐标系中的三维点pc转化为图像平面坐标系中的点pi=(u,v)T:
式中f——相机镜头的焦距。
由于镜头存在畸变,造成了点的偏移,实际坐标应为根据关系 公式:
式中k——畸变系数,k为负数为鼓形失真,k为正数为枕形失真,如图5 所示。
通过变换,可以得到:
最后,将P′点从图像平面坐标系转换到像素坐标系中:
式中r——像素坐标系中的横坐标;
c——像素坐标系中的纵坐标;
Sx——相机像元的宽度;
Sy——相机像元的高度;
Cx——图像中心点的横坐标;
Cy——图像中心点的纵坐标。
从上面得到的参数f、k、Sx、Sy、Cx和Cy组成了相机的内部参数。
利用相机的内部参数和外部参数,可以进行对光平面的标定。本方法中采 用三维自标定技术,轮对尺寸无需定期标定;采用三维重建技术,输出轮对踏 面(与钢轨接触横截面)三维图像,能够利用非接触方式实现不圆度检测,减 少接触式测量的安全隐患。
首先移动标定板,是其与激光线平面分别相交两次,得到两条光条图像。 利用灰度中心法提取出光条中心(ui,vi),计算方法如下:
式中G(x,y)——(x,y)点的灰度值。
通过对两个位置的标定板进行标定,可以得到标定板的Z轴坐标Zw1和Zw2, 把低位置的定义为0平面。
根据上述像素坐标系和世界坐标系之间的关系,可以得到对应关系式:
式中n——未知参数;
M——投影矩阵;
R——3×3大小的旋转矩阵;
t——3×1大小的平移矩阵;
Xwi、Ywi、Zwi——激光平面中的坐标。
通过展开上面的矩阵方程,可以得到:
消去n,可得
通过之前的计算,Zwi是已知的,M中各元素也是已知的,代入光条中心坐 标即可得到(Xwi,Ywi,Zwi)的坐标,不在同一条直线上的三个点即可确定一个平面:
式中X、Y、Z——光平面法向量。
参数检测流程参考图5。
接车前:
列车通过最接近车辆的车轮传感器时,传感器产生正弦波微信号并传输至 车轮传感器处理装置,车轮传感器处理装置对正线波信号进行滤波、整形、抬 压等处理后将数据通过485转网口模块传输至24口交换机,控制工控机对该数 据进行分析并判断该轴距特征是否符合所要检测车型,若符合所要检测的车型 数据,则系统进入接车状态。
接车中:
(1)接车
控制工控机通过UDP广播协议发送接车指令,三维面阵单元和三维线扫单 元的相机均处于待命状态;
(2)开始采集
控制工控机通过UDP广播协议给图像车号采集装置、采集识别工控机、数 据存储识别服务器发送开始工作指令,控制工控机结合车轮传感器处理装置处 理数据及雷达测速装置测速数据计算出相机采集频率,并通过UDP广播传输至 控制箱,控制箱输出相应的信号触发各采集模块。同时,图像车号采集装置按 照最高帧率采集并将识别的数据通过网线传输至车辆信息采集计算机内,各通 道采集图片均从采集机实时传输至数据存储服务器。
接车后:
(1)停止采集
列车每个车轮经过定位单元后,定位单元会进行计数统计。当面阵定位单 元17、线扫定位单元11、12、13(最靠近面阵定位单元的三个线扫定位单元) 的计轴统计数量一致时,系统认为过车已结束,此时车辆信息采集计算机停止 发送指令采集,所有采集模块停止采集。
(2)休眠+吹风除尘
接着,车辆信息采集计算机通过UDP广播发送结束指令,各采集模块处于 休眠状态,同时,电源箱吹风除尘接口输出DC24V,吹风除尘装置对采集模块 进行吹风除尘处理。
(3)数据处理
与此同时,数据存储识别服务器通过24口交换机从采集机获取过车的图片 数据并进行处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明 的保护范围之内。