CN106338335A - 一种基于图像的轨枕振动在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像的轨枕振动在线监测方法,所述的图像采集模块包括CMOS成像传感器和镜头;光斑位置P(i)的采集和处理方式如下:第一步,扫描全部像素,直到寻找光斑位置,计算并记录位置P(i);第二步,间隔一个采样周期,采集新的图片,以P(i)为中心,设定矩形区域内寻找新的位置P(i+1),记录位置P(i+1),重复本步骤,直到采集停止;如果在本步骤中不能发现激光光斑,或激光光斑位置偏移大于设定值,则执行第三步;第三步,扩大设定的矩形区域搜索范围,找到新的激光光斑位置,记录位置P(i+1),回到第二步。本发明的基于图像的轨枕振动在线监测方法,简化了轨道振动的测量,提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域,具体涉及一种基于图像的轨枕振动在线监测方法。
背景技术
近年来,随着高速铁路和城市轨道交通的快速发展,铁路的基础研究也越来越得到重视,如何为这些研究提供第一手数据资料就显得更加重要。在轨道交通中,交通工具运动引起的振动对于轨道设施以及车辆本身都有重要意义。
短期内的振动数据,可以体现出轨道的健康运行情况,轨道结构合理性,环境影响等。长期的振动数据,可以体现出轨道随时间的老化情况,沉降特性,以及根据数据做出维护保养计划等。因此,如何得到有效的振动数据对于轨道交通有着重要意义。
目前的振动测量主要采用多轴加速度仪进行测量,测量的数据是加速度参数,如果要得到正确的振动幅度数据,则需要对加速度进行两次积分。对于有限精度的数字***,经过两次积分后,数据有严重的失真,对于需要得到比较精确的振动幅度序列/波形的场合,这种测量方法无法完成需要的数据。
此外还有利用轨枕与路基的相对位移测量的方法,使用涡流、超声波等位移传感器进行测量,这种方式设备安装非常麻烦,***测量精度受环境和安装工艺影响大,不容易有效实施。
发明内容
本发明的目的在于:针对现有技术中存在的问题,提供一种基于图像的轨枕振动在线监测方法,采用了图像采集和处理技术,结合轨道特性,通过激光成像直接得到振动幅度数据,大大简化了轨道振动的测量,提高了测量精度,即适合短期测量又适合长期测量。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于图像的轨枕振动在线监测方法,包括以下步骤:在轨枕侧面固定激光发射模块,轨枕侧面的路基上设置激光光斑成像模块、图像采集模块、图像处理模块和通讯模块;图像处理模块接收图像采集模块输出的数字图像信号,并对信号进行逐帧分析,提取光斑的位置信息,光斑位置Px,Py计算公式如下:
所述的图像采集模块包括CMOS成像传感器和镜头;光斑位置P(i)的采集和处理方式如下:
第一步,扫描全部像素,直到寻找光斑位置,计算并记录位置P(i);
第二步,间隔一个采样周期,采集新的图片,以P(i)为中心,设定矩形区域内寻找新的位置P(i+1),记录位置P(i+1),重复本步骤,直到采集停止;如果在本步骤中不能发现激光光斑,或激光光斑位置偏移大于设定值,则执行第三步;
第三步,扩大设定的矩形区域搜索范围,找到新的激光光斑位置,记录位置P(i+1),回到第二步。
优选地,将得到光斑坐标Px和Py的坐标信息通过坐标变换后,得到位移信息为:
Mx=(Px-Cx)×ax;
My=(Py-Cy)×ay;
式中,Cx和Cy是无振动时,从COMS成像传感器中提取出来的水平和垂直坐标,即为振动的零点位置;ax和ay为矩阵运算系数。
优选地,轨枕侧面的路基上还设置有电源模块,电源模块输入220V交流电,输出供激光发射模块的使用供电DC5V,供图像采集模块、图像处理模块和通讯模块的使用供电DC3.3V。
优选地,所述的通讯模块中设置有有线通讯电路单元和无线通讯电路单元。
优选地,所述的激光光斑成像模块为毛玻璃。
由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1.本发明采用的监测方法为非接触式检测;
2.在轨枕上安装轻巧的半导体激光发生器,将光斑投射到距离轨道几米甚至十几米外的激光光斑成像模块上。在激光发射器大***置安装好后,只需要调整好激光光斑在成像模块上的成像位置,这可以微调成像模块的水平偏移和垂直偏移以达到无列车过往时,光斑在成像模块的中心位置。这避免了在现场进行复杂的设备安装和调试;
3.采用了激光作为振动位移的传递方式,避免了气流的影响;
4.激光光斑投射到十多米的距离上光斑的直径大约为10-15mm,采用5OO万像素(2592*1944像素)的图像传感器来对其量化,则在200*200mm的成像模块上,可达到0.1mm的精度;通过本发明的光斑位置P(i)采集算法进行处理后,像素的精度可提升到0.3个像素精度水平,即可以达到0.03mm精度。
附图说明
图1是本发明的基于图像的轨枕振动在线监测***结构简图。
附图标记:1-激光发射模块,2-轨枕,3-激光光斑成像模块,4-图像采集模块,5-图像处理模块,6-通讯模块,7-电源模块,8-路基。
具体实施方式
参照图1,本发明的基于图像的轨枕振动在线监测***包括在轨枕2侧面固定激光发射模块1,轨枕2侧面的路基8上设置激光光斑成像模块3、图像采集模块4、图像处理模块5和通讯模块6;其中激光光斑成像模块3为毛玻璃,尺寸由测量的最大幅度而定,一般情况下为200mm×200mm。图像采集模块4由一个CMOS成像传感器和镜头组构成,所采集的图像能够覆盖激光光斑成像模块3区域。
轨枕2侧面的路基8上还设置有电源模块7,电源模块7输入220V交流电,输出供激光发射模块1的使用供电DC5V,供图像采集模块4、图像处理模块5和通讯模块6的使用供电DC3.3V。
激光发射模块1发射的激光照射到激光光斑成像模块3上,通过图像采集模块4采集激光光斑成像模块3上的光信号。
图像处理模块5接收图像采集模块4输出的数字图像信号,并对信号进行逐帧分析,提取光斑的位置信息,光斑位置Px,Py计算公式如下:
将得到光斑坐标Px和Py的坐标信息通过坐标变换后,得到位移信息为:
Mx=(Px-Cx)×ax;
My=(Py-Cy)×ay;
式中,Cx和Cy是无振动时,从COMS成像传感器中提取出来的水平和垂直坐标,即为振动的零点位置;ax和ay为矩阵运算系数。通过畸变矩阵运算后,克服了镜头畸变情况,得到的光斑位置更加准确、可靠。
由于传感器的感光元件的数量巨大,如果直接处理所有像素信息,将造成后端处理的数据量巨大,为了避免这种产生。图像采集模块4采用CMOS成像传感器和镜头组成,利用COMS成像传感器的特性,对光斑位置P(i)的采集和处理进行如下处理:
第一步,扫描全部像素,直到寻找光斑位置,计算并记录位置P(i);
第二步,间隔一个采样周期,采集新的图片,以P(i)为中心,设定矩形区域内寻找新的位置P(i+1),记录位置P(i+1),重复本步骤,直到采集停止;如果在本步骤中不能发现激光光斑,或激光光斑位置偏移大于设定值,则执行第三步;设定的矩形区域可根据需要设置,例如以P(i)为中心,左右上下64个像素的区域即128×128像素的矩形区域;
第三步,扩大设定的矩形区域搜索范围,找到新的激光光斑位置,记录位置P(i+1),回到第二步。
通过上述处理方法,能够在进行光斑位置采集时能够在特定的区域中进行寻找,而不是在整个成像模块中进行寻找,有效的提高了采集效率,以及数据处理效率,后端的数据处理量极大的减小。
通讯模块6中设置有有线通讯电路单元和无线通讯电路单元,通讯模块6实现位移坐标实时传输给其他需要连接的设备。
Claims (5)
1.一种基于图像的轨枕振动在线监测方法,包括以下步骤:在轨枕(2)侧面固定激光发射模块(1),轨枕(2)侧面的路基(8)上设置激光光斑成像模块(3)、图像采集模块(4)、图像处理模块(5)和通讯模块(6);图像处理模块(5)接收图像采集模块(4)输出的数字图像信号,并对信号进行逐帧分析,提取光斑的位置信息,光斑位置Px,Py计算公式如下:
其特征在于,所述的图像采集模块(4)包括CMOS成像传感器和镜头;光斑位置P(i)的采集和处理方式如下:
第一步,扫描全部像素,直到寻找光斑位置,计算并记录位置P(i);
第二步,间隔一个采样周期,采集新的图片,以P(i)为中心,设定矩形区域内寻找新的位置P(i+1),记录位置P(i+1),重复本步骤,直到采集停止;如果在本步骤中不能发现激光光斑,或激光光斑位置偏移大于设定值,则执行第三步;
第三步,扩大设定的矩形区域搜索范围,找到新的激光光斑位置,记录位置P(i+1),回到第二步。
2.根据权利要求1所述的基于图像的轨枕振动在线监测方法,其特征在于,将得到光斑坐标Px和Py的坐标信息通过坐标变换后,得到位移信息为:
Mx=(Px-Cx)×ax;
My=(Py-Cy)×ay;
式中,Cx和Cy是无振动时,从COMS成像传感器中提取出来的水平和垂直坐标,即为振动的零点位置;ax和ay为矩阵运算系数。
3.根据权利要求1所述的基于图像的轨枕振动在线监测方法,其特征在于,轨枕(2)侧面的路基(8)上还设置有电源模块(7),电源模块(7)输入220V交流电,输出供激光发射模块(1)的使用供电DC5V,供图像采集模块(4)、图像处理模块(5)和通讯模块(6)的使用供电DC3.3V。
4.根据权利要求1所述的基于图像的轨枕振动在线监测方法,其特征在于,所述的通讯模块(6)中设置有有线通讯电路单元和无线通讯电路单元。
5.根据权利要求1所述的基于图像的轨枕振动在线监测方法,其特征在于,所述的激光光斑成像模块(3)为毛玻璃。
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