CN102030016A - 基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，基于结构光的方法，随所述运载工具运动，成像传感器件通过感测参考光段310与基准光段210间几何位置的变化而获知所测轨道100在动态载荷情况下之二维平面空间几何偏差；更广泛使用可在运载工具上的两套检测系统分别对左右两条轨道的轨道几何偏差检测，从而获得左右两条轨道相关平面几何偏差信息。本发明比光斑点检测具有更多的信息量，既可以得到轨面在垂直方向的高低不平顺信息，又可以得到沿轨道横向的轨向不平顺信息，具有检测精度高、实时性好，安装方便，便于工程化的优点。

Description

基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法

技术领域

本发明涉及结构光视觉测量技术和轨道交通安全检测技术领域，尤其是一种基于结构光的铁路轨道不平顺高速视觉检测方法。

 

背景技术

轨道不平顺存在于轮轨接触表面，会增大轮轨动力作用，同时使轨道不平顺进一步增大，形成恶性循环。过大的轨道不平顺将导致轮轨系统的剧烈振动，缩短车辆和轨道部件的使用寿命，降低行车的平稳性，严重时危及行车安全。日常的检测不能影响高速铁路正常的运输，必须采用高效的手段。对于轨道不平顺状态的检测，目前国内、外大多采用以惯性基准原理构成的检测系统，但是捷联式惯性系统价格昂贵，体积大，因此在大规模应用上受到了一定限制。视觉测量技术在轨道检测系统中也得到了应用和迅速发展。国内西南交通大学进行了相关研究，在前、后轮轴处分别安装激光器和线阵CCD，激光器直接照射CCD，采取直接探测激光光斑在成像面上偏移量的方法检测轨道状态；由于仅测量光斑的位置变化，该方法只能获取一维空间信息。与上述视觉测量方法不同，本发明采用结构光视觉测量方法，使用两个线激光器分别照射铁轨轨面，得到两条结构光线段，通过CCD视觉成像装置获取两条光线的相对间距变化与角度变化的二维空间特征，来检测轨道的高低不平顺、轨向不平顺、水平不平顺及三角坑等状态。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于结构光视觉的轨道不平顺检测方法，使之具有低成本、高速测量、测量精度高及容易实现的优点，系统装置安装简便。

本发明的目的是通过如下手段来实现的。

一种基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，在轨道上方与所测轨道100平面垂直方向设置一线光源200，所述线光源200发射出与轨道平面垂直并在轨道平面上投射为一条与轨道长度方向相垂直的直线光段，所述直线光段为基准光段210；在距离线光源200一段距离L的轨道上方且与轨道平面相平行位置设置另一线光源300，线光源300发射出投射在轨道平面上并与基准光段210相平行且相距为D的参考光段310；在线光源200附近设置成像传感器件感测基准光段210与参考光段310的距离变化；线光源200、线光源300和所述成像传感器件固定设置在一沿轨道滑行的运载工具上，随所述运载工具运动，成像传感器件通过感测参考光段310与基准光段210间几何位置的变化而获知所测轨道100在动态载荷情况下之二维平面空间几何偏差。

基于结构光的方法，随所述运载工具运动，成像传感器件通过感测参考光段310与基准光段210间几何位置的变化而获知所测轨道100在动态载荷情况下之二维平面空间几何偏差；更广泛使用可在运载工具上的两套检测系统分别对左右两条轨道的轨道几何偏差检测，从而获得左右两条轨道相关平面几何偏差信息。

实现本发明目的的比较方便的作法是：铁路机车以为运载工具，近红外激光器线光源200、线光源300设置在机车同一个转向架的前、后轮轴的轴箱上，成像传感器件设置在线光源200附近。使用两个近红外波段的激光器，将它们分别安装在列车同一个转向架的前、后轮轴的轴箱上。激光器发射出线线光源，调整激光器角度，使激光线束都照射到前轮轴附近的轨面上，两条激光线照射到同一条铁轨上，形成两个光线的投影。使用两个高速成像装置，（可采用CMOS或CCD芯片作为传感器），安装在同一转向架前轮轴的轴箱上，并沿轨道长度方向对称。用两个高速成像探测器获取轨面上两条光线投影的图像。由于激光器和成像探测器都安装在列车同一转向架的轴箱上，它们的相对位置固定。列车的轴箱和车轮之间为刚性连接，在列车在运行时，如果有轨道不平顺，前后两组车轮在左右方向或高低方向将产生微小位移。此时，由于两个激光器分别安装在前、后轮轴上，照射到轨面的两条激光束之间的相对间距和角度将发生变化。两个成像装置获取轨面上的两条光线的图像，通过计算其变化量检测出轨道不平顺状态的变化。将两套相同的系统分别安装在列车左、右轮轴上，可以对轨道的综合不平顺状态做出判断，如水平不平顺和三角坑。

该方法结合了结构光与视觉测量技术，通过分析照射到轨面激光线条相对位置变化，获取轨道状态变化。在实际使用中，本发明具有如下优点：所有器件安装后位置与结构固定，无扫描装置；通过激光线条成像方法得到轨道在动态载荷下的二维变化信息，由于激光线条比光斑点具有更多的信息量，既可以得到轨面在垂直方向的高低不平顺信息，又可以得到沿轨道横向的轨向不平顺信息。本发明既可分别测量左右两条轨道不平顺状态的变化，也可以进行综合判断得到轨道沿线的水平不平顺、三角坑等状态变化情况。另外，本发明可以使用CMOS成像装置，输出为数字图像信号，则无需进行数字采集，省去了传统使用CCD成像方法将模拟信号转换为数字信号的过程，可以提高系统实时性能。本发明使用设备成本低、安装方便，便于工程化。

附图说明

图1 本发明方法的示意图。

图2 本发明方法中激光器与摄像机位置关系示意图。

图3本发明方法的轨向不平顺检测示意图。

图4 本发明方法的高低不平顺检测示意图。

图5 本发明方法双轨复合不平顺检测示意图。

图6 本发明方法总体工作框图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。

结合图1与图2，本发明采用铁路机车为运载工具时的安装使用情况为例，线光源200和300分别为两个近红外波段的线激光器，成像传感器件分别由两个高速成像装置220和230担任，两个激光器发射出的激光照射到轨面形成激光线条210和310。将近红外波段的激光器300安装在列车转向架后轮轴的轴箱420上，激光器发射出线光源，调整激光器角度，使光束线照射到在前轮411轮轨接触面附近的轨面上形成参考光段310，与光线条210有较小的间隔（如3厘米）。该间隔大小应满足下面的条件：使两个激光线条在检测条件下，都能在成像探测器中完整清晰成像。将近红外波段的线激光器200与两个CMOS（或CCD）成像装置220和230安装在列车转向架前轮轴的轴箱410上，分别在激光器200的两侧，并沿轨道100长度方向对称，来获取轨面上两条光段的图像。激光器200发出线激光束，以垂直角度照射到轨面，所形成基准光段210垂直于轨道长度方向。为了精确计算两个光段的相对位置，需要对摄像机镜头进行精密标定，标定过程可以在摄像机安装前进行，在实际运行时仅需带入标定参数进行计算，不会影响系统的实时性能。如图2，激光器200与轨面垂直，当列车运行时，基准光段210在两个摄像机中的成像位置固定，将其作为基准线。激光器和成像探测器都安装在列车转向架的轴箱上，它们的相对位置固定。

两个激光器发射出的激光照射到轨面形成激光线条。在列车实际运行中，照射到轨面的背景光可能较强，对成像光线形成较大干扰，本发明采用近红外波段的激光器，并在成像镜头前安装滤光片，能消除强背景光带来的干扰，增强激光线条图像的对比度，从而减少了后期图像处理步骤，提高系统测量实时性和测量精度。

当轨道出现高低不平顺情况时，列车前后轮轴在垂直方向的相对位置发生变化，从而使特征线条间距发生改变。例如：前后轮轴相对轨道的初始高度都为H，在运行过程，后轮轴对应轨道的位置有微小上升Δd，则激光器200照射到轨道的基准光段210的位置基本不变，而激光器300照射到轨道的参考光段310的位置相对基准光段210的间距由D1增大为D2（如图3）。通过分析该间距的变化可以对单轨动态高低不平顺情况做出判断。除二光段间距离D变化外，还可以检测光段间平行度变化，如果两轮轴对应位置的轨道发生横向微小弯曲，光段间平行度变化，则两个光线条对应的角度发生改变（如图4），通过分析该角度的变化可以对轨向不平顺情况做出分析。

结合图5和图6，本发明在运载工具上安置图5中两套配置相同的检测系统：激光器200、300与高速成像单元220、230对左边轨道100的几何偏差进行检测，激光器320、240与高速成像单元250、260对右边轨道110的轨道几何偏差检测。将左右两条轨道的不平顺信息进行综合处理，计算出左右两条轨道相关平面几何偏差信息，从而获得轨道沿线的复合不平顺状态信息。图6所示的图像处理与数据处理单元500和510分别对左右轨道获取的图像数据进行预处理，如：图像滤波、对获取图像进行镜头畸变校正、特征线条提取和数据滤波处理。由单轨道不平顺状态计算单元600和610分别进行数据分析，实时计算出两条特征线条的相对间距和角度变化量，分别判断左、右轨道不平顺情况，该结果可以实时传送到输出接口单元800，进行数据存储或显示。两个单轨不平顺状态计算单元600和610的计算结果送入双轨复合不平顺状态综合计算单元700，判断双轨复合不平顺状态，并将结果送至输出接口单元800，进行数据存储或显示。

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1). 本发明采用结构光方法，在动态载荷情况下，获取照射到轨面的激光线条图像，计算出其间距和相对角度变化，对轨道不平顺情况进行实时动态检测。该方法具有结构简单、安装方便，无需人工干预，实时测量的特点。2). 本发明采用激光线条作为特征线，获取其在二维平面空间的变化，相对于激光光斑具有更丰富的信息。通过分析两条激光特征线条相对间距和角度的变化可以检测单条轨道高低不平顺和轨向不平顺情况。3). 本发明既可以分别对左、右轨道的高低不平顺、轨向不平顺进行检测，也可以通过综合分析，对轨道的水平不平顺、三角坑等复合不平顺进行检测。4). 本发明采用近红外波段线激光源、对应波长的滤光片和近红外波段灵敏度较高的成像传感器，可以得到高对比度的激光线条图像，能适应户外强背景光条件。

以上所陈述的仅仅是本发明方法的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改 (比如改变所使用的激光器照射到轨面的角度、高度；或者改变高速成像装置的高度、角度；或改变激光器、滤光片和成像探测器的波段范围等)，此外本发明即可以用于实时检测轨道不平顺情况，也可以用于分析轮轨接触面的缺陷；运载工具可以为铁路机车也可以为其它专用巡道车，应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，在轨道上方与所测轨道（100）平面垂直方向设置一线光源（200），所述线光源（200）发射出与轨道平面垂直并在轨道平面上投射为一条与轨道长度方向相垂直的直线光段，所述直线光段为基准光段（210）；在距离线光源（200）一段距离L的轨道上方且与轨道平面相平行位置设置另一线光源（300），线光源（300）发射出投射在轨道平面上并与基准光段（210）相平行且相距为D的参考光段（310）；在线光源200附近设置成像传感器（包括器件驱动电路）感测基准光段（210）与参考光段（310）的距离变化；线光源（200）、线光源（300）和所述成像传感器件固定设置在一沿轨道滑行的运载工具上，随所述运载工具运动，成像传感器件通过感测参考光段（310）与基准光段（210）间几何位置的变化而获知所测轨道(100)在动态载荷情况下之二维平面空间几何偏差。

2.根据权利要求1所述之基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，所述参考光段（310）与基准光段（210）间几何位置的变化包括二光段间距离D变化和光段间平行度变化。

3.根据权利要求1所述之基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，所述运载工具上的两套检测系统分别对左右两条轨道的轨道几何偏差检测，通过综合计算左右两条轨道相关平面几何偏差信息，从而获得轨道的复合不平顺状态信息。

4.根据权利要求1所述之基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，以铁路机车为运载工具，近红外波段激光器线光源(200)、线光源（300）设置在机车同一个转向架的前、后轮轴的轴箱上，成像传感器件(220、230)设置在线光源(200)附近。

5.根据权利要求4所述之基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，所述成像传感器件为CMOS或CCD成像装置，该成像传感器可以采用面阵列器件或线阵列器件。

6.根据权利要求5所述之基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，所述成像装置的成像镜头前设置有滤光片。

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