CN218674759U - 一种适用于轨道磨耗检测的智能设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于轨道磨耗检测的智能设备，包括相机和镜头模块、激光器、触发板卡、嵌入式板卡以及壳体，相机和镜头模块、激光器、触发板卡、嵌入式板卡均固定于壳体内；相机和镜头模块包括镜头螺旋固定块、相机旋转件和底板，镜头螺旋固定块和相机旋转件均安装于底板上；镜头通过镜头螺旋固定块固定于底板上，相机通过螺纹装配在相机旋转件上，相机旋转件与底板之间设置有凹凸连接结构，以凹凸连接结构为旋转中心，相机旋转件能进行旋转，通过旋转调整使得像平面、镜头平面、物体平面相交于一条直线。本实用新型利用USB工业相机和沙姆定律结合，使得成像景深更大，对倾斜物体成像更清楚，可得到高精度测量轨道几何参数。

Description

一种适用于轨道磨耗检测的智能设备

技术领域

本实用新型属于轨道检测领域，具体是一种适用于轨道磨耗检测的智能设备。

背景技术

目前，常规的轨道参数检测设备基本都采用非接触式测量设备，利用激光器与相机形成一定夹角，通过相机获取到轨道的相关参数。

公开日为2020年09月04日，公开号为CN112172862A的中国专利文献公开了一种多功能轨道检测系统，包括激光扫描接收模块、惯性采集模块、视觉采集模块及控制模块；激光扫描接收模块包括CCD相机及线结构光激光器，线结构激光器发出的结构光投射于轨道表面，CCD相机采集轨道表面的激光照射图像；激光扫描接收系统用于第三轨和钢轨的静态参数及磨耗的检测；惯性采集模块用于钢轨不平顺度检测；视觉采集模块包括可见光相机及光源，光源照射轨道，可见光相机用于采集轨道表面的可见光照射图像；视觉采集模块用于轨道表面缺陷检测；控制模块用于接收图像信息并进行数据处理，得到综合的检测结果。

公开日为2018年01月24日，公开号为CN108248634A的中国专利文献公开了道岔及轨道全轮廓磨损视觉测量仪及其测量方法，可测量钢轨和道岔全轮廓磨损量并对整段道岔和钢轨磨损进行分析，该测量仪包含硬件测量系统和测量数据分析处理软件，硬件测量系统包括激光视觉测量采集装置、旋转编码器测量定位装置、数据传输与电源装置，测量数据分析处理软件包含激光视觉测量采集装置标定模块、激光视觉测量采集装置控制模块、数据采集图像处理模块、测量数据合成模块和测量数据分析模块，软件安装于PC上即可。

公开日为2021年02月05日，公开号为CN 112325781A的中国专利文献公开了一种轨道交通接触线磨耗检测装置及方法，其装置包括相机、反光镜组和激光器；相机能采集到接触线磨损区域的图像；激光器有两个，其投射的激光条能分别投射在轨道交通接触线的圆周上，并延伸至磨损区域；反光镜组能将投射在接触线上的光线反射到相机的视场内；激光器与相机沿轨道交通接触线的轴向前后设置，通过反光镜组反射进相机视场的光线并未铺满整个相机视场；图像的其他部分包含磨损区域的接触线图像，能求取接触线磨耗截面宽度。

但是类似上述现有方案的测量仪器，均存在各自的缺点：某些设备需要常安装在列车车体上，但列车在前进的过程中存在蛇形运动、车体侧滚、车体横移等多种复杂运动状态。因此，钢轨在相机靶面的成像区域存在变化，即使设置有反光镜组，但是镜头与相机的常规安装导致成像画面中只有部分区域能够清晰成像，剩余区域则是模糊的，不利于轨道检测精度的提升；现有网口相机是通过千兆网络将数据传输至上位机进行处理，大大增加上位机的计算压力；现有网口相机的采集帧率较低，不能满足目前检测的需求。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种适用于轨道磨耗检测的智能设备，利用USB相机结合沙姆定律，可使得成像景深更大，能将倾斜物体拍摄的更加清楚，可提高相关检测精度，得到高精度测量轨道几何参数，再通过增设的嵌入式处理设备结合有效的钢轨磨耗识别方法，能降低后端计算机处理压力，降低整体功耗。

本实用新型的技术方案如下：

一种适用于轨道磨耗检测的智能设备，主要包括：用于拍摄轨道的相机和镜头模块、用于为相机补光的激光器、用于同步触发相机和激光器的触发板卡、用于接收和处理相机图像的嵌入式板卡以及壳体，所述相机和镜头模块、激光器、触发板卡、嵌入式板卡均固定于壳体的腔体内；

所述相机和镜头模块包括相机、镜头、镜头螺旋固定块、相机旋转件和底板，镜头螺旋固定块和相机旋转件均安装于底板上，镜头螺旋固定块和相机旋转件之间衔接；镜头通过镜头螺旋固定块固定于底板上，相机通过螺纹连接装配在相机旋转件上，相机旋转件与底板之间设置有凹凸连接结构，形成以底板为固定端、以相机旋转件为转动端、以凹凸连接结构为旋转中心的旋转结构；所述旋转中心与像平面中心重合，通过旋转调整使得像平面、镜头平面、物体平面相交于一条直线。

进一步地，所述镜头螺旋固定块包括支撑块、安装块和螺旋固定块，安装块将镜头的前端卡接于支撑块上，镜头的后端通过螺旋固定块通过螺纹连接。

进一步地，所述支撑块可以呈半圆环形结构，或者带圆弧的半环形结构，或者其他半环形结构，安装块通过螺栓与支撑块连接形成环形腔体，镜头穿过环形腔体与螺旋固定块连接，通过支撑块支撑镜头，起到有效的保护支撑作用。

进一步地，所述螺旋固定块与底板可以为整体结构。

进一步地，所述底板设置有圆柱状的凸起结构，相机旋转件设置有与凸起结构的形状尺寸均匹配的凹型结构，凸起结构与凹型结构配合安装形成所述凹凸连接结构。

进一步地，所述相机旋转件上设置有两对以凹凸连接结构为中心对称的腰孔，螺栓穿过腰孔将相机旋转件、底板安装于壳体上，即壳体上设置有与腰孔位置匹配的螺纹孔，底板上设置有与腰孔位置匹配的通孔。

进一步地，所述底板上还设置有用于相机旋转件旋转参考的角度刻度线，角度刻度线的范围为0-10°，需要根据所配镜头进行具体调节。通过该角度范围反馈此时的倾斜角度，方便调节相机的倾斜，使得整体工作更加高效，同时可以该角度范围使得相机旋转件绕旋转中心进行调整；该结构的设计能同时满足多种不同型号镜头的调整倾斜角度，体现了该结构的实用性、通用性。

进一步地，所述相机选用图像采集帧率满足200Hz以上的USB相机，优选USB3.0相机。

所述智能设备的工作原理如下：

对钢轨进行检测时，触发板卡同步触发相机与激光器，相机对钢轨进行拍摄，激光器为相机成像进行补光，相机可以清楚成像；相机获取到图像后经过USB通信技术，将图像传输至嵌入式板卡；嵌入式板卡对接收到的图像进行处理后，依次完成钢轨的光条中心点提取、轨顶轨腰分离、钢轨廓形拼接、廓形对齐、钢轨特征点提取、钢轨磨耗识别等操作，然后将处理后的数据传输至后端处理终端。

在上述检测过程中，嵌入式板卡对图像进行处理后得到钢轨轮廓的光条中心，并根据相关标定文件反算得到钢轨的世界坐标，根据得到的钢轨世界坐标分离出轨顶和轨腰。

在上述检测过程中，嵌入式板卡根据分离出的轨顶和轨腰，对同一侧的内侧断面、外侧断面的轨顶轮廓进行拼接得到完整的被检测物体的轮廓，同时结合当前钢轨的标准廓形，通过对检测廓形旋转、平移等操作，使得检测廓形与标准廓形的顶部与内侧同时对齐即可。

在上述检测过程中，嵌入式板卡进行钢轨特征点提取的方式为：以得到的钢轨世界坐标的坐标原点为基准，标准廓形沿水平方向延伸，每隔一定距离选取一个点作为特征点。

在上述检测过程中，嵌入式板卡采用的轨顶磨耗识别方法为：根据提取的钢轨特征点，对比对齐后检测轮廓与标准廓形对应特征点沿Y方向的差值，即为轨顶磨耗；在检测廓形与标准廓形对齐之后，根据轨型确定在标准廓形上的特定位置处的特征点，再找出检测廓形对应的特征点，并计算沿X方向的差值，即为轨腰磨耗。

所述嵌入式板卡对接收到的图像进行的处理包括去燥、滤波、平滑等操作。

本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：

（1）本实用新型将相机与镜头分离，通过旋转结构能有效结合沙姆定律，能同时满足多种不同型号镜头的调整倾斜角度，具有较高的实用性和通用性；

（2）本实用新型通过旋转结构满足相机的角度调整设计，可使得镜头平面与物体所在平面和像平面所在相交的交线共线,从而能增加景深范围，提升画面清晰度，进而提高相关检测精度；

（3）本实用新型采用了USB工业相机结合嵌入式板卡技术，能将图像的采集帧率从传统的50Hz提升至200Hz以上，可充分满足现有轨道检测领域的相关技术要求；

（4）本实用新型集成了嵌入式板卡，能将钢轨廓形处理算法前移，降低后端计算机处理压力，降低检测仪器的功耗。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的相机和镜头模块的结构示意图。

图3为图2的侧面结构示意图。

图4为图2的A-A结构示意图。

图5为图2的II部分的放大示意图。

图6为本实用新型的底板和螺旋固定块的结构示意图。

图7为本实用新型的拍摄工作示意图。

其中，附图标记为：1-相机，2-镜头，3-激光器，4-触发板卡，5-嵌入式板卡，6-螺旋固定块，7-支撑块，8-安装块，9-相机旋转件，10-凹凸连接结构，11-刻度线，12-底板，13-壳体，14-腰孔，15-通孔，16-安装梁体，17-适用于轨道磨耗检测的智能设备，18-钢轨，19-视野。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型的技术方案作进一步详细地阐述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种适用于轨道磨耗检测的智能设备，主要包括：用于拍摄轨道的相机和镜头模块、用于为相机补光的激光器3、用于同步触发相机和激光器3的触发板卡4、用于接收和处理相机图像的嵌入式板卡5以及壳体13，所述相机和镜头模块、激光器3、触发板卡4、嵌入式板卡5均固定于壳体13的腔体内。

如图2-4所示，所述相机和镜头模块包括相机1、镜头2、镜头螺旋固定块6、相机旋转件9和底板13，镜头螺旋固定块6和相机旋转件9均安装于底板13上，镜头螺旋固定块6和相机旋转件9之间衔接；镜头2通过镜头螺旋固定块6固定于底板13上，相机1通过螺纹连接装配在相机旋转件9上，相机旋转件9与底板13之间设置有凹凸连接结构10，形成以底板13为固定端、以相机旋转件9为转动端、以凹凸连接结构10为旋转中心的旋转结构；所述旋转中心与像平面中心重合，通过旋转调整使得像平面、镜头平面、物体平面相交于一条直线。

进一步地，所述镜头螺旋固定块6包括支撑块7、安装块8和螺旋固定块6，安装块8将镜头2的前端卡接于支撑块7上，镜头2的后端通过螺旋固定块6通过螺纹连接。

本实施例中，相机1可选用图像采集帧率满足200Hz以上的USB相机，优选USB3.0相机，图像从相机1传输至嵌入式板卡5的采集帧率可达250Hz,完全满足相关暂行技术条件的检测需求。

所述相机和镜头模块满足的景深范围值需要结合焦距、光圈、像元、物距、相机与激光器3之间的距离、光轴与光源之间的夹角等方面进行具体计算。在传统的结构中，图像的近端以及远端图像较为模糊，本实用新型的结构设计采用沙姆定律后，同样的设备得到的图像质量是全画幅清晰的。

本实用新型进行检测拍摄的过程，其中，适用于轨道磨耗检测的智能设备17安装于安装梁体16上，对钢轨18进行拍摄，如图7所示，可见相应的视野19。用于对钢轨18进行检测时，触发板卡4同步触发相机1与激光器3，相机1对钢轨进行拍摄，激光器3为相机1成像进行补光，相机1可以清楚成像；相机1获取到图像后经过USB通信技术，将图像传输至嵌入式板卡5；嵌入式板卡5对接收到的图像进行去燥、滤波、平滑等操作处理后，依次完成钢轨的光条中心点提取、轨顶轨腰分离、钢轨廓形拼接、廓形对齐、钢轨特征点提取、钢轨磨耗识别等操作，然后将处理后的数据传输至后端处理终端，能有效分担后端处理终端的计算处理压力，实现局部的边缘计算，协同后端处理终端实现轨道检测系统的相关功能。

在上述检测过程中，利用沙姆定律，旋转镜头2，使得旋转中心与像平面中心重合，通过调整像平面使得像平面、镜头平面、物体平面相交于一条直线，则可通过这种调整有效使得成像景深更大，能将倾斜物体拍摄的更加清楚。

在上述检测过程中，嵌入式板卡5对图像进行处理后得到钢轨轮廓的光条中心，并根据相关标定文件（即像素坐标转换到世界坐标的矩阵转换参数）反算得到钢轨的世界坐标，根据得到的钢轨世界坐标分离出轨顶和轨腰。

在上述检测过程中，嵌入式板卡5根据分离出的轨顶和轨腰，对同一侧的内侧断面、外侧断面的轨顶轮廓进行拼接得到完整的检测廓形，同时结合当前钢轨的标准廓形，通过对检测廓形旋转、平移等操作，使得检测廓形与标准廓形的顶部与内侧同时对齐即可。

在上述检测过程中，嵌入式板卡5进行钢轨特征点提取的方式为：以得到的钢轨世界坐标的坐标原点为基准，标准廓形沿水平方向延伸，每隔一定距离（例如5mm，5mm）选取一个点作为特征点。

在上述检测过程中，嵌入式板卡5采用的轨顶磨耗识别方法为：根据提取的钢轨特征点，对比对齐后检测轮廓与标准廓形对应特征点沿Y方向的差值，即为轨顶磨耗；在检测廓形与标准廓形对齐之后，根据轨型确定在标准廓形上的14mm与16mm处（可根据具体检测情况选择特定位置）的特征点，再找出检测廓形对应的特征点，并计算沿X方向的差值，即为轨腰磨耗。

实施例2

在实施例1的基础上，所述支撑块7可以设计为半圆环形结构，或者带圆弧的半环形结构，或者其他半环形结构，安装块8通过螺栓与支撑块7连接形成环形腔体，镜头2穿过环形腔体与螺旋固定块6连接，通过支撑块7支撑镜头2。

镜头2在使用过程中，能得到支撑块7的有效支撑和快捷拆卸安装，还能在安装过程中有效保护好镜头2。

实施例3

在实施例1或2的基础上，如图6所示，所述螺旋固定块6与底板13可以为整体结构。

实施例4

在实施例1-3的任一基础上，如图4所示，所述底板13设置有圆柱状的凸起结构，相机旋转件9设置有与凸起结构的形状尺寸均匹配的凹型结构，凸起结构与凹型结构配合安装形成所述凹凸连接结构10。

本实施例中，如图2所示，所述相机旋转件9上设置有两对以凹凸连接结构10为中心对称的腰孔14，螺栓穿过腰孔14将相机旋转件9、底板13安装于壳体13上，即壳体13上设置有与腰孔14位置匹配的螺纹孔，底板13上设置有与腰孔14位置匹配的通孔15。

本实施例中，如图2、5所示，所述底板13上还设置有用于相机旋转件9旋转参考的角度刻度线11，角度刻度线11的范围为0-10°，当进行角度调整时，可以通过观察刻度线11进行精准调整。

通过该角度范围反馈此时的倾斜角度，方便调节相机1的倾斜，使得整体工作更加高效，同时可以该角度范围使得相机旋转件9绕旋转中心进行调整；该结构同时满足多种不同型号镜头，例如对于16毫米镜头为4.39°，12毫米镜头为3.27°，8毫米镜头为2.16°的调整倾斜角度，体现了该结构的实用性、通用性。

Claims (9)

1.一种适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于，包括：用于拍摄轨道的相机和镜头模块、用于为相机补光的激光器（3）、用于同步触发相机和激光器（3）的触发板卡（4）、用于接收和处理相机图像的嵌入式板卡（5）以及壳体（13），所述相机和镜头模块、激光器（3）、触发板卡（4）、嵌入式板卡（5）均固定于壳体（13）的腔体内；

所述相机和镜头模块包括相机（1）、镜头（2）、镜头螺旋固定块（6）、相机旋转件（9）和底板（12），镜头螺旋固定块（6）和相机旋转件（9）均安装于底板（12）上；镜头（2）通过镜头螺旋固定块（6）固定于底板（12）上，相机（1）通过螺纹连接装配在相机旋转件（9）上，相机旋转件（9）与底板（12）之间设置有凹凸连接结构（10），形成以底板（12）为固定端、以相机旋转件（9）为转动端、以凹凸连接结构（10）为旋转中心的旋转结构；所述旋转中心与像平面中心重合，通过旋转调整使得像平面、镜头平面、物体平面相交于一条直线。

2.如权利要求1所述的适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于：所述镜头螺旋固定块（6）包括支撑块（7）、安装块（8）和螺旋固定块（6），安装块（8）将镜头（2）的前端卡接于支撑块（7）上，镜头（2）的后端通过螺旋固定块（6）通过螺纹连接。

3.如权利要求2所述的适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于：进一步地，所述支撑块（7）呈半圆环形结构，或者带圆弧的半环形结构，或者其他半环形结构，安装块（8）通过螺栓与支撑块（7）连接形成环形腔体，镜头（2）穿过环形腔体与螺旋固定块（6）连接用。

4.如权利要求1所述的适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于：所述螺旋固定块（6）与底板（12）为整体结构。

5.如权利要求1所述的适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于：所述底板（12）设置有圆柱状的凸起结构，相机旋转件（9）设置有与凸起结构的形状尺寸均匹配的凹型结构，凸起结构与凹型结构配合安装形成所述凹凸连接结构（10）。

6.如权利要求1所述的适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于：所述相机旋转件（9）上设置有两对以凹凸连接结构（10）为中心对称的腰孔（14），螺栓穿过腰孔（14）将相机旋转件（9）、底板（12）安装于壳体（13）上。

7.如权利要求1所述的适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于：所述底板（12）上还设置有用于相机旋转件（9）旋转参考的角度刻度线（11），角度刻度线（11）的范围为0-10°。

8.如权利要求1所述的适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于：所述相机（1）选用图像采集帧率满足200Hz以上的USB相机。

9.如权利要求1所述的适用于轨道磨耗检测的智能设备，其特征在于：所述相机选用USB3.0相机。

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