CN211042086U - 一种基于双目3d视觉的接触网几何参数动态检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪，包括行进平台、信号触发控制***、轨道测量***、双目3D视觉***、主机***以及供电***。上述行进平台为车载平台，上述信号触发控制***主要提供触发控制信号，上述轨道测量***完成轨道测距和轨道超高测量，上述双目3D视觉***用于获取接触网图像数据，上述主机***用于对图像识别、分析和处理，上述供电***提供仪器的供电。本实用新型的有益效果为：能够持续高速、高精度检测接触网几何状态参数，包括轨距、导高、拉出值、超高、限界等参数以及吊弦、***、电连接数量等。

Description

一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪

技术领域

本实用新型涉及轨道交通的接触网检测技术领域，具体涉及一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪。

背景技术

随着铁路建设项目增多，营业线、工程线施工频繁，接触网几何悬挂状态参数：导高，拉出值，超高，轨距等的维护及检修尤为重要。

目前已有的几种检测手段主要包括：

接触网测杆，属于静态检测。测量时使用专用测量杆一头搭在接触线上，另一头搭在钢轨面。具有人工读数慢，测量效率低、精度不高等缺点。

分体式车载式检测仪，属于动态检测。测量时由人工推行巡检小车，检测速度可达0~3千米每小时，但是检测仪和巡检小车分体式结构，体积大、结构笨重，不适宜检测现场长期频繁使用。

一体式车载检测仪，属于动态检测。通过人工推行巡检小车进行检测，检测仪和小车结构一体，解决了分体式结构大、体积重等问题，但是现有产品中，大部分检测速度只支持0~3千米每小时。检测速度仍旧停留在人工推行检测方式。

目前现有装置都不能满足方便、快捷随时、随地、随线路的高效常规检修要求。尤其是当巡检小车推行速度加快，达到4千米每小时甚至更高时，即便是上述的一体式车载检测仪，也将无法获取清晰接触网图像。此外一体式检测的精度还远远达不到现场使用需求。现有的接触网检测工具和方法，也制约了接触网几何参数的检测的高速度和高精度要求。

发明内容

本实用新型的目的旨在至少解决以下缺陷：现有检测仪检测速度不能超过3千米每小时；检测精度差，设备体积重等缺陷。

为此，本实用新型提出一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪，采用双目3D视觉、一体式测量结构模式。能满足0~160千米每小时的高速检测需求；检测精度可达到3毫米；体积不超过25千克；易于安装和使用且操作过程简单。

本实现新型提供如下技术方案：

一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪，其特征在于：包括行进平台、信号触发控制***、轨道测量***、双目3D视觉***和主机***以及供电***；所述行进平台通过安装在横梁左右两侧的滚动轮直接架设在铁轨上，所述信号触发控制***安装在行进平台滚轮内部，所述轨道测量***安装在行进平台横梁内部，所述双目3D视觉***设置在行进平台横梁上左右两边对称部分，所述主机***设置在行进平台横梁中间部分，所述供电***安装在行进平台横梁上部；所述行进平台为3D双目视觉设备提供车载平台，所述信号触发控制***产生触发控制信号控制3D视觉***和主机***工作，所述轨道测量***为倾角传感器和测距传感器，安装在行进平台横梁内部，完成轨道测距和轨道超高测量，所述双目3D视觉用于获取接触网特征图像数据，所述主机***用于对图像识别、分析和处理，将接触网3D数据还原为目标成像所对应的位置坐标，进而计算出相关几何参数。双目3D视觉***由2套完全一样的3D视觉设备组成，每套3D视觉设备均为3D高速摄像***，其内部由高速CameraLink线阵相机和激光器以及镜头组成，其中高速线阵相机光轴和激光器光轴平行，同时与刚轨形成一固定夹角。外部两套3D视觉设备对称安装在行进平台刚性横梁左右两端固定位置，其中两个3D设备中心光轴对称相交，形成三角关系，三角平面与铁路轨道面垂直，亦与行进平台行进方向垂直。所述的主机***，由安装在行进平台横梁内部的FPGA处理板和外部手持触摸屏组成，内部FPGA处理板实现3D视觉设备中高速线阵CameraLink相机的数据转换、计算、识别、存储、传输功能。外部触摸屏实现接触网图像数据的实时分析和实时曲线图。所述供电***提供仪器的供电功能。

优选地，上述行进平台，为手推式移动平台，其平台为一体式结构，横梁内部为中空，可以安装主机***内部处理器和供电***，由1副横梁和底部3个滚动轮组成，平台可直接架设在铁轨上。

优选地，上述的信号触发控制***为一轴编码器，安装在行进平台单轮的滚动轮内部。轴编码器通过计量行进路程，产生触发控制信号。

本实用新型的的有益效果为：该仪器使用双目3D视觉检测成像原理，检测精度可达到3毫米，3D视觉检测设备使用高速一体式CameraLink线阵CCD相机，检测速度可满足0~160千米每小时，且3D视觉设备为一体式结构，体积小巧，重量轻轻，便于携带，操作简单。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪的整体结构图；

1，行进平台

2，信号触发控制***

3，轨道测量***

4，双目3D视觉***

5，主机***

6，供电***

图2为本实用新型实施例双目3D视觉成像示意图。

7，左图像

8, 右图像

9，左相机光轴

10，右相机光轴

11，X_left

12，Yleft

13，Y轴

14，P（X_C,Y_C,Z_C）

15，基线距B

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型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。

本实用新型具体实施的技术方案如下：

如图1所示，本实用新型实施例的一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪，包括行进平台1、信号触发控制***2、轨道测量***3、双目3D视觉***4和主机***5以及供电***6。

其中行进平台1，采用一体式结构简单，使用横梁下方安装滚轮的方式进行架设，主要作为整个仪器的运动机构和行走载体。

其中供电***6作为***辅助部分，提供整个行进平台1、轨道测量***3、双目3D视觉***4和主机***5的供电工作。供电***6主要由可充电双电池组组成，分别安装在行进平台1横梁外部的左端和右端。电池组支持12V-24V宽电压供电，可支持***6小时不间断持续检测。双电池组***外部均有液晶屏显示电池可用电量，当一方电池不足时，备用电池即可紧急启用，以防止检测数据丢失。电池组体积小巧、轻便，外观体积不大于25*10*10厘米，重量小于2.5千克，可随时插拔，便于携带。

具体地：将行进平台1架设在待测接触网下方的刚轨上，让其测试方向和行进方向一致。供电***6首先启动，然后在移动过程中，安装在行进平台1的信号触发控制***2给出控制信号，同时控制主机***5和双目3D视觉***4以及轨道测量***3开始同步工作：双目3D视觉***4获得的接触网3D图像数据以及轨道测量***3获得的超高、限界等数据，实时传输到主机***5的FPGA处理板，并通过主机***5的FPGA处理版进行数据的合并、识别和处理，实现接触网几何参数的实时计算和数据的实时记录。同时将识别和处理的数据通过主机***的外部触摸屏以图文、曲线、数字等方式直观显示。行进平台1持续移动推行，***持续检测，***持续记录和显示接触网检测数据，直到行进平台1停止移动，主机***5通过外部触摸屏获取停止指令，通知所有子***停止工作。检测过程结束。同时供电***6关闭供电功能。

其中关键的信号触发控制***2为增量式编码器，安装在图1中行进平台1右侧单轮内部，当行进平台1移动时将位移转换成周期性的电信号，然后将这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，移动时通过脉冲数量来发出控制信号给主机***5和双目3D视觉***4以及轨道测量***3。编码器最大响应速度每秒可达100000次，完全可以满足行进平台1高速移动时***的响应速度。

其中轨道测量***3主要完成限界、超高、轨距测量。主要由2路限界测距、1路倾角、1路拉绳位移共4路传感器及传感器处理板组成。

其中限界测距传感器使用进口高精度传感器，测量距离可达200~4000毫米，分辨率可达到1~3毫米；限界测距传感器安装在行进平台1横梁内部；当行进平台1移动时，测量数据由传感器处理板实时处理。

其中倾角传感器是对行进平台1倾斜角度进行测量的工具，安装在行进平台1横梁内部靠右位置（如图1所示位置）。在平台沿着铁轨移动时，倾角传感器能对平台的水平倾斜角度进行测量，测量数据由传感器处理板实时处理。本实例中，倾角传感器使用精度达到0.01度，分辨率达到0.001度的高精度传感器，测量范围可达+-60°。

其中轨距测量传感器主要为拉绳传感器，安装在行进平台内1部固定位置，拉绳缚在行进平台1滚轮上。运动发生时，通过拉绳的伸展和收缩，输出与拉绳移动距离成比例的电信号，并由传感器处理板实时处理。本实例中，该传感器测量范围为0~300毫米，线性度达到±0.3%FS。

当行进平台1移动时，传感器处理板合并4路传感器数据并发送到主机***5的FPGA处理板进行实时处理和记录。本实施例中，4路传感器数据完全由硬件***进行合并、传输和处理。

其中双目3D视觉***4由2套相同的3D视觉设备组成双目视觉测量***，每套3D设备内部均由设备外壳、高速线阵CCD相机、镜头、滤光片以及低功率激光传感器组成，设备内部高速线阵相机光轴和激光器光轴平行，外部与刚轨形成一固定夹角。外部两套3D视觉设备对称安装在行进平台1横梁的左右两端，两套3D视觉设备中心光轴对称相交，形成三角关系，三角平面与铁路轨道面垂直，亦与行进平台1行进方向垂直。

其中本实施例使用的高速相机为CameraLink接口高速线阵相机，线阵相机频率为80K赫兹，线分辨率可达8K，点阵大小为6.4微米，动态检测过程中可实现低于5毫米的等间距数据采样，检测速度可达到每小时160千米，输出接口为CameraLink接口，测试接触网高度可达5-6.5米。双目3D视觉***4的相机数据由主机***5的FPGA处理板进行实时接收和处理。

其中双目3D视觉***4使用双目三角视觉测量基于视差原理的测量方式，获取接触网几何特征位置，并以灰度值形态呈现。具体测量原理如附图2所示：

其中基线距B15=两摄像机的投影中心连线的距离；相机焦距为f。设两摄像机在同一时刻观看空间物体的同一特征点 P(X_C，Y_C，Z_C)14，分别在“左眼”和“右眼”上获取了点P的图像，它们的图像坐标分别为P_left =(X_left, Y_left) ,P_right =(X_{right ，}Y_right)。

现两摄像机的图像在同一个平面上，则特征点P14的图像坐标Y坐标相同，即Y_left=Y_right=Y，则由三角几何关系得到：

X_left =f

X_right=f

Y=f

(1-1)

则视差为：Disparity=X_left-X_right 。由此可计算出特征点P14在相机坐标系下的三维坐标为：

X_c =

Y_c =

Z_c =

(1-2)

因此，左相机像面上的任意一点只要能在右相机像面上找到对应的匹配点，就可以确定出该点的三维坐标。因此可以精确得到接触网几何特征的3D数据。双目测量方式在本实施例中可以使得检测精度大大提高。

在本实用新型的实施例中，所述的主机***5包括：安装在设备行进平台1内的FPGA处理板和外部的显示主机。主机***5的FPGA处理板完成双目线阵高速CCD相机数据的CameraLink数据接收、合并、转换、处理和存储，外部显示主机完成图像识别、数据处理，界面显示等工作。

主机***5的FPGA处理板安装在行进平台横梁内部的中间部分，主要接收信号触发控制***2的信号源和双目3D视觉***数据4的以及轨道测量***3数据，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、伪彩色处理等；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像7上选择与实际物理结构相应的图像特征；2)在另一幅图像右图像8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。并实时将场景的接触网几何参数导高、拉出值、吊弦等结果显示在主机***5。

根据以上实施例的方案详细描述，一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪检测时，采用以下步骤工作：

（1）在待测接触网下方钢轨上架设所述行进平台1，该移动平台可沿待测接触网钢轨移动；

（2）在所述行进平台1上左右对称安装双目3D视觉设备，使其拍摄对象为钢轨上方待测接触网；

（3）移动行进平台1，平台自动产生触发信号，控制双目3D视觉***4持续动态获取接触网图像数据；

（4）主机***5实时处理、存储双目3D视觉获取的图像以及轨道测量数据，实时得到接触网几何参数：导高，拉出值，轨距，超高等并以曲线，数据值等方式显示；

（5）停止主机***5工作，停止行进平台1移动，***检测完成。

具体效果

本实用新型检测设备提供了一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪，该检测仪为一体式结构，设备小巧，重量不超过25千克，便于携带，检测速度可满足在0~160千米每小时，检测精度可达3毫米，极大解决了接触网检测随时、随地、随线路的高效便携常规检修需求。

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

Claims (2)

1.一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪，其特征在于：包括行进平台（1）、信号触发控制***（2）、轨道测量***（3）、双目3D视觉***（4）和主机***（5）以及供电***（6）；所述行进平台通过安装在横梁左右两侧的滚动轮直接架设在铁轨上，所述信号触发控制***安装在行进平台滚轮内部，所述轨道测量***安装在行进平台横梁内部，所述双目3D视觉***设置在行进平台横梁上左右两边对称部分，所述主机***设置在行进平台横梁中间部分外部和内部，所述供电***安装在行进平台横梁上部；所述的行进平台为双目3D视觉***提供车载平台，所述信号触发控制***产生触发控制信号控制3D视觉***和主机***工作，所述轨道测量***为倾角传感器和测距传感器，安装在行进平台横梁内部，完成轨道测距和轨道超高测量功能，所述双目3D视觉***用于获取接触网特征图像数据，双目3D视觉***由2套完全相同的3D视觉设备组成，每套3D视觉设备均为3D高速摄像***，其内部由高速CameraLink线阵相机和激光器以及镜头组成，其中高速线阵相机光轴和激光器光轴平行，同时与刚轨形成一固定夹角，两套3D视觉设备对称安装在行进平台刚性横梁左右两端固定位置，其中两套3D设备中心光轴对称相交，形成三角关系，三角平面与铁路轨道面垂直，亦与行进平台行进方向垂直；所述的主机***，由安装在行进平台横梁内部的FPGA处理板和外部手持触摸屏组成，主要完成图像识别、分析和处理以及显示，内部FPGA处理板实现3D视觉设备中高速线阵CameraLink相机的数据转换、计算、识别、存储、传输功能，将接触网3D视觉***采集的数据还原为目标对象所对应的位置坐标，进而计算出相关几何参数，外部触摸屏实现接触网图像数据的实时分析和实时曲线图，所述供电***提供仪器的所有设备的供电功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于双目3D视觉的接触网几何参数动态检测仪，其特征在于所述的行进平台，为手推式移动平台，其平台为一体式结构，主要由1副横梁和底部3个滚动轮组成，平台可直接架设在铁轨上，横梁内部为空体，内部可以安装主机***内部处理器以及轨道测量***；行进平台单轮的滚动轮内部安装有轴编码器，通过计量行进路程，产生触发控制信号。

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