CN117246374A - 一种抗阳光干扰的3d轨道轮廓检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置，装置由左轨双目3D组件、右轨双目3D组件、图像预处理单元和数据处理主机组成。左/右轨双目3D组件内部采用双相机加线结构光的方式，采集钢轨表面左/右轮廓数据；图像预处理单元提供双目左/右3D组件的激光驱动和电源，并实现3D组件数据的预处理和传输；数据处理主机主要完成图像预处理单元的数据接收、分析以及显示，通过重构轨道3D轮廓，分析出轨距等参数。本发明解决了轨道轮廓检测的阳光干扰问题，实现了阳光照射铁轨条件下高精度的轨道轮廓检测。

Description

一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置

技术领域

本发明涉及轨道交通的轨道检测技术领域，具体是一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置。

背景技术

随着铁路事业的飞快发展，高速列车运行量次的极速增加，铁路钢轨磨损越来越大，铁轨磨损直接影响到钢轨轮廓尺寸。因为钢轨轮廓尺寸会增大了列车运行阻力，极端情况下还会导致列车脱轨，因此铁路上需要对铁路轨道的轮廓几何参数、轨距等进行定期检测。

目前已有的检测手段主要包括接触式测量和非接触测量。其中接触式测量，属于人工静态检测，测量时不能整段全部测量，只能抽检，存在漏检，检测效率低、时间长、操作不便等问题，已经在逐步淘汰中；非接触式检测，属于动态检测，测量时安装在运行检测列车底部，检测速度可达0~120千米每小时，该检测方式解决了接触式检测效率低、操作不便等问题。

目前市场上在用的非接触式检测检测设备大多数为光学设备，在检测过程中，尤其是当白天运行时，阳光干扰会影响检测精度，无法实施在阳光下对轨道轨距、轨廓、超高、轨向、三角坑、曲线半径等高精度检测，无法满足24小时无间断检测要求。

为了解决轨道轮廓检测易受阳光干扰的问题，本发明针对市场上常用的激光测量组件轨道轮廓检测装置进行了优化设计，将单相机+线结构光的测量方式优化为双相机+线结构光的方式，并利用3D视觉技术，应用钢轨表面近似于镜面的反射特点来达到避免阳光干扰的目的。该检测装置实现了强阳光环境下轨道轮廓检测功能，满足0~160千米每小时的高速高精度检测需求，检测精度可达到毫米级；易于安装和使用且操作过程简单。

发明内容

本发明提供一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置，它由左轨双目3D组件、右轨双目3D组件、图像预处理单元和数据处理主机组成。

所述左轨双目3D组件和右轨双目3D组件，它们分别安装在综合检测车底部导轨左右两端固定位置，左轨双目3D组件和右轨双目3D组件中心光轴对称相交，形成三角关系，三角平面与铁路轨道面垂直；其中左轨双目3D组件用于采集钢轨左轨表面轮廓图像数据，右轨双目3D组件用于采集钢轨右轨表面轮廓图像数，左轨双目3D组件和右轨双目3D组件各自都由2套完全相同的双目3D视觉设备组成，每套双目3D视觉设备均为3D高速摄像系统，内部由2路高速相机和2块数据处理板以及1路线阵激光器组成，每套双目3D组件2路高速相机以激光器光轴为中心，以固定夹角对称安装在线激光器光轴的左右两侧，2路高速相机中心光轴对称相交。

所述图像预处理单元安装在综合检测车主控室，用于实现双目3D组件的激光驱动和设备供电以及数据的接收与预处理和转换，图像预处理单元采用FPGA技术，由数据融合板和驱动控制板组成，实现上述两个双目3D组件4路数据的传输和合并，并最终转换成1路接口数据输出。

所述数据处理主机安装在综合检测车主控室，完成图像预处理单元的数据接收，实现图像识别、分析处理以及显示，可重构出轨道3D轮廓，通过算法分析出轨距等参数。

该发明提供了由双目3D组件、图像预处理单元、数据处理主机组成的一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置，该装置采用两台相机按一固定夹角对称安装在线激光器光轴的左右两侧，两台相机中心光轴对称相交，利用两台相机同时采集到信息，应用钢轨表面近似于镜面的反射特点来进行耦合处理，计算并转换成钢轨轮廓图像数据，从而实现轨道轨距、轨廓、超高、轨向、三角坑、曲线半径等的高精度检测。与现有技术相比，本发明有着以下优点：（1）具有抗阳光干扰功能，在阳光照射铁轨条件下能够实现高精度的轨道轮廓检测；（2）提高了设备冗余度，在检测过程中有两台相机对同一轨道进行拍摄，设备有了冗余，从而提高了设备工作可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置的架构图。

其中：1-左轨双目3D组件，2-右轨双目3D组件，3-图像预处理单元，4-数据处理主机，5-综合检测车，6-铁轨。

图2为本发明的实施例的双目3D组件内部结构图。

其中：7、8-高速相机， 9-线阵激光器，10、11-数据处理板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的特征及其他相关特征作进一步详细说明，以便于同行业人员的理解。

本发明具体实施的技术方案如下：如图1所示的实施例为一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置架构图，一套检测装置由左轨双目3D组件（1）、右轨双目3D组件（2）、图像预处理单元（3）和数据处理主机（4）组成，图1中综合检测车（5）为本检测装置安装载体，铁轨（6）为本检测装置运行轨道平台。

具体地：将左轨双目3D组件和右轨双目3D组件各以一固定倾角安装在综合检测车底部导轨左右端，当综合检测车按照图1所示方向运行时，图像预处理单元获取综合检测车内部轴编码器信息，并将该信号转换成触发控制信号输出给左轨双目3D组件和右轨双目3D组件中的激光器及供电系统，同时左轨双目3D组件、右轨双目3D组件内的激光器开始工作，同步触发左轨双目3D组件和右轨双目3D组件内部双路高速相机开始采集轨道轮廓图像数据，左轨双目3D组件、右轨双目3D组件内部的每个数据处理板接收每路相机图像数据，并转换成激光点云数据后以1路CoaXPress链路输出到图像预处理单元，图像预处理单元接收4路相机输出CoaXPress数据，内部进行数据合并和处理后转换成1路CameraLink Base发送给综合检测车内部数据处理主机重构出3D轨道轮廓，数据处理主机通过智能算法计算出轨距、超高等几何参数，综合检测车继续沿轨道前进方向行进，本检测装置持续检测，不断重构出轨道轮廓3D点云数据，直到综合检测车停止工作，图像预处理单元获取停止信息，通知左轨双目3D组件、右轨双目3D组件和数据处理主机结束工作，检测过程结束。

其中左轨双目3D组件和右轨双目3D组件完全相同，主要采用一体式结构，对称安装在综合检测车底部左右两端导轨的固定位置，并以固定倾角拍摄轨道轮廓，左轨双目3D组件和右轨双目3D组件的中心光轴对称相交，形成三角关系，三角平面与铁路轨道面垂直。

其中图像预处理单元作为数据接收和转换的载体，安装在综合检测车主控室，主要实现4路CoaXPress 接口数据的接收，在内部实现4路高速相机图像数据激光点云数据同步并转换成1路CameraLink Base接口输出给数据处理主机进行后续处理，同时为2个双目3D组件提供电源和触发信号。

其中最为关键的左轨双目3D组件和右轨双目3D组件采用抗阳光干扰的双相机和线结构的方式，如附图2所示，内部由两路高速相机（7）和（9）、一路线阵激光器（9）以及两块数据处理板（10）和（11）组成，其中双相机使用高速相机，线结构光使用低功率线阵激光器，两路高速相机以线阵激光器光轴为中心，以固定夹角对称安装在激光器光轴的左右两侧，两路高速相机中心光轴对称相交于线阵激光器光轴，沿钢轨长度方向，前后拍摄钢轨表面，同时通过线阵激光器扫描钢轨，高速相机拍摄带有结构光的图片，这种双相机结构模式，无论从太阳光从哪个方向进入摄像头，都可以确保对称相机中的其中一个免受阳光干扰或干扰可以忽略不计，极大提高了结构光拍摄的准确性和可靠性。

其中本实例使用的高速相机为CameraLink Full接口高速面阵相机，相机分辨率为2048*1088，最高速度为每秒340帧，点阵大小为5.5微米，每个相机对应一个数据处理板（10）和（11）），处理板接收面阵相机输入的CameraLink Full图像数据，经过处理板的FPGA处理后，获得每列光斑信息；激光光斑按列提取，每列输出4个光斑，每个光斑用32字节表示，则每列的输出数据为128字节，满幅2048列，每帧图像的处理结果为128*2048，提前对每一行进行编号，每一行输出时，包括帧信号、行信号、数据、列号等，8行同时输出，后续同时进行处理，在行信号有效的时候，数据和灰度阈值进行比较和处理，2个双目3D组件按照一定的数据格式通过4路CoaXPress接口输出到图像预处理单元。

其中关键的图像预处理单元安装在综合检测车内部控制室；内部由数据融合板和2路激光驱动板组成，数据融合板可接收外部串口信号、4路CoaXPress数据，输出1路Cameralink Base数据，激光驱动板主要提供双目3D组件电源和激光驱动信号；综合检测车外部编码器信息通过串口发送给数据融合板，并转换成触发信号同步驱动双目3D组件持续工作；与此同时数据融合板接收4路CoaXPress接口数据，每路CoaXPress数据的分辨率为128*2049，有效光斑数据为128*2048，最后一行为相机的标定外参数据；4路相机的数据经同步处理和缓存后，拼接成一路分辨率为512*2050的数据，然后通过Cameralink Base接口输出到数据处理主机。

其中图像处理主机安装在综合检测车内中控室，接收图像预处理单元的Cameralink Base接口数据，实时提取结构光上点的三维坐标，实现激光器扫描物体求出所有点的三维坐标，实现钢轨表面的三维重构，并实时显时和计算轨距等，同时将这些数据进行识别和处理，图像的识别和处理主要包括图像对比度的增强、随机噪声的去除、滤波和图像的增强等；根据对所选特征的计算，建立特征之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。

主要包括：（1)从立体图像对中的左图上选择与实际物理结构相应的图像特征；（2)在另一幅图像右图中确定出同一物理结构的对应图像特征；（3)确定这两个特征之间的相对位置，得到视差。通过立体匹配得到视差图像之后，便可以确定深度图像，并恢复场景3D信息，并实时将场景的轨道轮廓图像，以及轨距等结果在数据处理主机显示。

根据以上实施的方案详细描述，一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置工作时，采用以下步骤工作：

（1）在综合检测车下方导轨左右端固定位置以一定倾角架设左轨双目3D组件和右轨双目3D组件；

（2）在综合检测车中控室安装图像预处理单元和数据处理主机；

（3）综合检测车向行进方向移动时，轴编码器产生触发信号，图像预处理单元接收触发信号，并驱动和触发左轨双目3D组件和右轨双目3D组件持续动态获取轨道轮廓图像数据；

（4）图像预处理单元接收左轨双目3D组件和右轨双目3D组件的轨道轮廓数据，并转换成Cameralink Base 数据输出；

（5）数据处理主机实时接收图像预处理单元的Cameralink Base 数据并实时进行数据3D重构分析和显时实时数据；

（6）综合检测车停止行进，图像预处理单元接收停止信号，控制左轨双目3D组件和右轨双目3D组件、数据处理主机停止工作；

（7）检测装置检测完成。

本发明的检测设备提供了一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置，解决了轨道检测系统受阳光干扰后精度不高的难题，提高了设备工作的可靠性，该仪器检测模式能在强日照环境下，满足0~160km/小时高速下高精度检测需求，易于安装和使用且操作过程简单。

以上所述实施例仅表达了发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应该指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种抗阳光干扰的3D轨道轮廓检测装置，其特征在于：由左轨双目3D组件（1）、右轨双目3D组件（2）、图像预处理单元（3）和数据处理主机（4）组成，所述左轨双目3D组件（1）和右轨双目3D组件（2），它们分别安装在综合检测车底部导轨左右两端固定位置，左轨双目3D组件（1）用于采集钢轨左轨表面轮廓图像数据，右轨双目3D组件（2）用于采集钢轨右轨表面轮廓图像数；所述图像预处理单元（3）安装在综合检测车主控室，用于实现左轨双目3D组件（1）和右轨双目3D组件（2）激光驱动和设备供电以及数据的触发、预处理和转换，；数据处理主机（4）安装在综合检测车主控室，完成图像预处理单元（3）的数据接收、识别、分析处理以及显示，可重构出轨道3D轮廓，通过算法分析出轨距等参数。

2.根据权利要求1所述的左轨双目3D组件（1）和右轨双目3D组件（2）中心光轴对称相交，形成三角关系，三角平面与铁路轨道面垂直；其内部完全相同，均由两台高速相机（7）、（8）、一路线阵激光器（9）、两块数据处理板（10）、（11）组成，两台高速相机（7）、（8）以线阵激光器（9）为中心，以固定夹角对称安装在线激光器（9）光轴的左右两侧，高速相机（7）、（8）相机中心光轴对称相交，每个数据处理板（10）、（11）分别接收高速相机（7）、（8）图像数据，并转换成激光点云数据后各以1路输出，可有效避免阳光干扰。