CN101825441A - 一种光电铁路轨距-站台间距测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光电铁路轨距-站台间距测量方法涉及一种基于双线结构光视觉传感器实现测量轨距中心与站台侧面之间距离的测量方法，该方法基于线结构光视觉传感器的原理，采用双线结构光，实现轨距中心与站台侧面之间距离测量，设计了双线结构光传感器，实现了空轨距中心与站台侧面之间距离的测量，实现了非接触式、轻便、可移动、高精度测量，进一步促进了视觉测量技术的广泛应用。

Description

一种光电铁路轨距-站台间距测量方法

技术领域

本发明属于精密测量方法，特别涉及一种基于双线结构光视觉传感器实现测量轨距中心与站台侧面之间距离的测量方法。

背景技术

在铁道测量等需要精密测量的应用中，需要对轨距中心与站台侧面之间距离进行几何参数的测量，从而保证火车、铁轨、站台等在安全范围内，保证铁道部门工作的安全运行，并为铁道部门进行维护提供必要的数据。

传统的轨距中心与站台侧面之间距离的测量主要采用以机械结构为基础的专用的站台测量尺，体型笨重，使用复杂，测量效率低，劳动强度大，维护困难。随着具有非接触、操作简单、效率高、精度高等优点的计算机视觉测量技术的出现，基于线结构光传感器的测量方法逐步在工业、交通等精密测量现场得到了应用。线结构光传感器由一个摄像机和一个一字型激光器组成，成本低，体积小，重量轻，在三维视觉测量中具有广阔的应用前景，适用于工业机器人平台的测量***，也适用于室外可编程移动测量***。但是对于铁道交通、室外大型的轨距中心与站台侧面之间距离还没有相应的测量方法。当今的测量仪器正由传统的接触式直接测量向非接触、轻便、可移动测量发展，因此如何采用线结构光视觉传感器对轨距中心与站台侧面之间距离参数进行测量成为铁道交通部门亟待解决的重要问题。

发明内容

技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于线结构光传感器实现轨距中心与站台侧面之间距离测量方法，满足铁轨测量***中非接触式、轻便、可移动、高精度、易校准的要求。

技术方案：基于线结构光视觉传感器的原理，采用双线结构光，实现轨距中心与站台侧面之间距离测量，包括下列步骤：

该方法基于线结构光视觉传感器的原理，采用双线结构光，实现轨距中心与站台侧面之间距离测量：

第一两激光器、第二两激光器分布于摄像机两侧俯视铁轨构成光视觉传感器的测量仪器；测量仪器与站台之间通过机械卡口固定，机械卡口与站台第一接触点、第二接触点相对于摄像机光心位置O_c固定；测量时，需满足第一两激光器、第二两激光器及摄像机的工作范围及测量景深的前提要求，并保证第一激光平面、第二激光平面与铁轨相交；

得到结构光的光条图像，根据图像特征得到铁轨面与第一激光平面、第二激光平面相交的光条重心点A、B、C、D四点的图像坐标，根据线结构光视觉传感器测量模型，由光条重心点A、B、C、D四点的图像坐标得到被测铁轨面即第一平面相对于摄像机光心O_c的空间位置；

根据线结构光视觉传感器测量模型，由光条重心点A、B、C、D四点的空间坐标，得到AB中点E和CD中点F的坐标，由直线EF的方向向量和铁轨面即第一平面的法向量计算得到轨距中心垂面即第二平面相对于摄像机光心O_c的空间位置；利用已求得被测轨距中心垂面即第二平面的相对于摄像机光心O_c的空间位置，以及被测站台边缘机械卡口相对于摄像机光心O_c位置第一接触点、第二接触点两点坐标，得到轨距中心与站台侧面之间的距离L。

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算被测铁轨面相对于摄像机光心的空间位置；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算轨距中心垂面相对于摄像机光心的空间位置；

利用已求得被测轨距中心垂面的相对于摄像机光心的空间位置，以及被测站台边缘机械卡口相对于摄像机光心位置，求取轨距中心与站台侧面之间的距离。

有益效果：本发明方法突破了传统站台测量尺的测量方案，基于线结构光视觉传感器原理，设计了双线结构光传感器，实现了空轨距中心与站台侧面之间距离的测量，实现了非接触式、轻便、可移动、高精度测量，进一步促进了视觉测量技术的广泛应用。

附图说明

图1为本发明测量仪器测量的示意图及测量仪器测量空间站台与轨距中心距离的数学原理图。

图2为线结构光视觉传感器的透视模型。

图3为本发明测量仪器测量时铁轨面与光平面相交光条示意图。

以上的图中有：站台平面1、测量仪器2、测量仪器与站台的卡口3、第一线激光投射器4、第二线激光投射器5、摄像机6、第一激光光平面7、第二激光光平面8、铁轨9、铁轨面10、轨距中心垂面11、激光光平面与铁轨面相交部分12、主光条直线13。

具体实施方式

如图1所示，摄像机6俯视铁轨、两激光器分布于摄像机6两侧俯投铁轨9，构成该传感测量仪器。测量仪器与站台1之间通过机械卡口3固定，仪器机械卡口3与站台1接触点相对于摄像机光心位置固定。测量时，需满足激光器及摄像机6的工作范围及测量景深的前提要求，并保证两激光平面与铁轨9相交，这在实际测量中是容易实现的。

图2所示为线结构光视觉传感器的透视模型。如图中所示，摄像机3D视觉测量模型通常以针孔模型为基础。世界坐标系与传感器光平面坐标系一致，设为O_w-x_wy_wz_w，其O_w-x_wy_w与光平面重合。像平面坐标系为O₁-X₁Y₁，其中O₁为光轴与像平面的交点，是像平面的光学中心。O₁和O_c间距离f为物镜成像的有效焦距。其中O₁X₁轴沿像素横向方向，O_lY_l轴垂直于O_lX_l轴。在计算机图像中，通常以左上角的点作为图像坐标的原点，即以图2中的O点为原点建立图像坐标系Ouv。摄像机坐标系O_c-x_cy_cz_c，其中O_c点为成像透视中心，即物镜的光学主点，O_cz_c为摄像机物镜光轴，垂直于CCD像平面。O_cx_c轴和O_cy_c轴分别平行于O_lX_l轴和O_lY_l轴。

以线结构光为例，一字线激光器投射出一光平面与待测目标交于线L。P_w是直线L上一点，P_w在世界坐标系O_w-x_wy_wz_w、摄像机坐标系O_c-x_cy_cz_c以及计算机图像平面坐标系Ouv下的对应坐标分别为(x_w，y_w，z_w)、(x_c，y_c，z_c)以及(x_l，y_l)。则世界坐标系下的三维空间坐标与计算机图像坐标系下的二维坐标转换关系如下式所示：

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{cc}R& T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\α}& c& u_0\\ 0& \mathrm{\β}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，s是一个修正因子；R为旋转矩阵，T为平移矢量，R和T决定了摄像机相对于世界坐标系的方向和位置。矩阵A为线性***的内部参数矩阵，其中u₀和v₀为O_l在计算机图像坐标下的坐标，α和β是横纵坐标轴对应于焦距f的尺度因子(或称为有效焦距)，c是两坐标轴不垂直因子。

这样通过事先的标定即可以得到世界坐标系下的三维空间坐标与计算机图像坐标系下的二维坐标转换关系，容易由计算机图像上点的对应坐标得到三维空间内点的坐标。

如图1所示，测量分析过程采用如下约定：

●摄像机6光心由符号O_c表示，两结构光光源由符号O₁、O₂表示，线结构光视觉传感器测量坐标系定义为与摄像机坐标系O_c-x_cy_cz_c重合；

●为简化分析，在测量的小范围内，认为两铁轨9为直线，站台平面突出点边缘亦为直线。

●站台平面1突出点与测量仪卡口3交于空间M、N点，空间MN连线，极为站台突出的边缘线；M、N点与摄像机光心的O_c相对位置在仪器制造时已知，在摄像机坐标系下，则M点坐标为(x_M，y_M，z_M)，N点坐标为(x_N，y_N，z_N)；

●光平面π_s1与被测铁轨的至高点交于点A、B，光平面π_s2与被测铁轨的至高点交于点C、D；空间点A、B、C、D共平面于平面Γ；

●在平面Γ上，E为线段AB中点，F为线段CD中点，直线l_m过E、F两点，平面Γ_m过平面Γ上直线l_m与平面Γ垂直。

1.铁轨顶部平面Γ的解析方程

当两道一字线激光器的激光平面投降两根铁轨9时，激光平面与轨道平面存在四个相交的光条区域。如图3所示，由于轨道平面10距地面存在相当的高度，根据透视关系，原本为图像上得到的一条光条被分为两部分：铁轨面与激光平面相交的光条部分12及主光条直线13，且这两部分光条在图像上存在一定的距离。故在得到的光条图像上，根据这个特征，通过图像处理算法可以确定图像平面上铁轨面与激光平面相交的光条部分，从而得到铁轨面与激光平面相交处的四个光条中心点域，然后分别求得这些点域的重心点，即而得到A、B、C、D四点的图像坐标。

根据线结构光视觉测量模型，分别求得A、B、C、D四点在摄像机坐标系O_c-x_cy_cz_c下的空间坐标(x_A，y_A，z_A)、(x_B，y_B，z_B)、(x_C，y_C，z_C)、(x_D，y_D，z_D)，显然此四点中任意三点不共线，则由此四点利用最小二乘法拟合出平面Γ的解析方程为：

平面Γ：a₁x+b₁y+c₁z+d₁＝0

则得到平面的法向量为

2.求取中垂面Γ_m

已知A、B、C、D四点坐标，则在平面Γ上，AB中点E的坐标(x_E，y_E，z_E)以及CD中点F的坐标(x_F，y_F，z_F)分别为：

点E坐标：

点F坐标：

则过E、F两点直线l_m的方向向量为其中：

a₂＝x_E-x_F，b₂＝y_E-y_F，c₂＝z_E-z_F

平面Γ_m的法向量

与

及

垂直，则

即

$\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_m}=(a_m,b_m,c_m),$ 其中：

a_m＝b₁c₂-c₁b₂，b_m＝c₁a₂-a₁c₂，c_m＝a₁b₂-b₁a₂

则由平面的点法式得到平面Γ_m的方程表示为：

a_m(x-x_E)+b_m(y-y_E)+c_m(z-z_E)＝0

3.求站台边缘至中垂面Γ_m的距离L

已知站台边缘点M(x_M，y_M，z_M)，N(x_N，y_N，z_N)至平面Γ_m的距离分别为L_M、L_N：

$L_M=\frac{|a_m(x_M-x_E)+b_m(y_m-y_E)+c_m(z_M-z_E)|}{\sqrt{{a_m}^2+{b_m}^2+{c_m}^2}},$

$L_N=\frac{|a_m(x_N-x_E)+b_m(y_N-y_E)+c_m(z_N-z_E)|}{\sqrt{{a_m}^2+{b_m}^2+{c_m}^2}}.$

由于实际情况中，直线MN不一定与平面Γ_m平行，则为保证安全距离，取距离中最小值作为站台至轨距中心的距离L：

L＝min(L_M，L_N)。

Claims (1)

1.一种光电铁路轨距-站台间距测量方法，其特征在于该方法基于线结构光视觉传感器的原理，采用双线结构光，实现轨距中心与站台侧面之间距离测量：第一激光器(4)、第二激光器(5)分布于摄像机(6)两侧俯视铁轨(9)构成激光视觉传感器的测量仪器(2)；测量仪器(2)与站台(1)之间通过机械卡口(3)固定；机械卡口(3)与站台(1)第一接触点(M)、第二接触点(N)相对于摄像机(6)光心位置O_c固定；测量时，需满足第一激光器(4)、第二激光器(5)及摄像机(6)的工作范围及测量景深的前提要求，并保证第一激光平面(7)、第二激光平面(8)与铁轨(9)相交；

得到结构光的光条图像，根据图像特征得到铁轨面(10)与第一激光平面(7)、第二激光平面(8)相交的光条重心点A、B、C、D四点的图像坐标，根据线结构光视觉传感器测量模型，由光条重心点A、B、C、D四点的图像坐标得到被测铁轨面(10)即第一平面(Γ)相对于摄像机光心O_c的空间位置；

根据线结构光视觉传感器测量模型，由光条重心点A、B、C、D四点的空间坐标，得到AB中点E和CD中点F的坐标，由直线EF的方向向量和铁轨面(10)即第一平面(Γ)的法向量计算得到轨距中心垂面(11)即第二平面(Γ_m)相对于摄像机光心O_c的空间位置；

利用已求得被测轨距中心垂面(11)即第二平面(Γ_m)的相对于摄像机光心O_c的空间位置，以及被测站台(1)边缘机械卡口(3)相对于摄像机光心O_c位置第一接触点(M)、第二接触点(N)两点坐标，得到轨距中心与站台侧面之间的距离L。

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