一种基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开一种基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测装置，由激光散斑投射器、面阵摄像机、车轮编码器、RFID探测器和工控机组成，激光散斑投射器和面阵摄像机均置于车体底部轨枕上方，激光散斑投射器位于扣件正上方，并向扣件区域垂直投射激光散斑，车轮编码器固定于一侧车轮转轴上，与面阵摄像机连接，RFID探测器固定于车体下方，工控机位于车厢内，同时与面阵摄像机、车轮编码器、RFID探测器连接，利用该装置检测扣件是否异常。该装置采用激光散斑投射器人为增加扣件表面斑驳的纹理，可提高图像块匹配精度，准确重建扣件三维形貌，从而有效检测不同类型扣件的多种异常情况。

An anomaly detection device for rail fasteners based on monocular vision and laser speckle

The utility model discloses an abnormality detection device for fastening the monocular vision and laser speckle based by laser speckle projector, camera, wheel encoders, RFID detector and IPC, laser speckle projector and camera are placed in the body at the bottom of the sleeper above, the laser speckle in projector just above the fastener and fastener to regional vertical projection of laser speckle, the wheel encoder is fixed on the side of the wheel shaft, connected with the camera, the RFID detector is fixed to the vehicle body below the computer in the compartment, and is connected with the camera, wheel encoders, RFID detector, using the device for detecting whether abnormal fastener. The device uses laser speckle projector to artificially increase the texture of fastener surface. It can improve the accuracy of image block matching and reconstruct the 3D appearance of fastener accurately, so as to effectively detect various abnormal situations of different fasteners.

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测装置
本技术涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体指一种基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测系统。
技术介绍
扣件是连接钢轨和轨枕使之形成轨排的部件，在保证轨道稳定性、可靠性方面起着重要作用。在铁路基础设施检测上，我国长期以人工和静态检测为主，养护费用高，强度高，安全性差，近年我国高速铁路迅猛发展，对铁路检测的自动化、实时性提出了更高的要求。国内外已有的扣件检测技术为：基于线阵激光的连续扫描装置，如德国Sick公司；基于面阵图像传感器的计算机视觉检测装置，如美国ENSCO公司的VIS系统、德国AtlasElectronic公司开发的光电式轨道检测系统以及北京福斯达公司高速车载式轨道图像识别系统等。但两者的缺点在于检测速度较低，通用性不高，有时需要过多人工干预，而且不能在扣件丢失之前自动判断扣件是否产生异常并进行预警。经检索，专利2011100073637.X、201410667430.9分别介绍了一种基于结构光的扣件缺失检测装置：利用多条线结构光照射扣件区域、采用面阵摄像机成像，对线结构光图像进行处理，以判断扣件是否缺失。该方法相比采用机器视觉的二维图像方法，可显著提升鲁棒性。但是，这类方法所采用的多条平行光条形状调制方法，难以检测出光条未照射区域的形状变化，因此，只能检测扣件缺失等大尺度缺陷，不能检测扣件弹条半脱落、扣件垫片缺失、扣件弹条局部损伤等缺陷。为此，本技术提供一种可瞬态三维测量的成像方法，用于获取扣件三维点云，利用稠密的扣件三维点云，采用三维模型比对方法，用于扣件异常检测。
技术实现思路
为了解决现有扣件异常检测系统所存在的上述问题，本技术提供一种基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测系统。本技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测装置，其特征在于：由两台激光散斑投射器Sa和Sb，两台摄像机Ca和Cb，四个激光位移传感器La、Lb、Lc、Ld，1个车轮编码器、1个RFID探测器和1个工控机组成，所述激光散斑投射器Sa、摄像机Ca位于列车底部左侧，构成第一测量单元，对左侧铁轨两侧扣件进行检测；所述激光散斑投射器Sb、摄像机Cb位于列车底部右侧，构成第二测量单元，对右侧铁轨两侧扣件进行检测；所述激光散斑投射器Sa、Sb和摄像机Ca、Cb位于铁轨正上方；所述激光散斑投射器投射散斑图案到扣件表面，摄像机拍摄扣件表面散斑图案，并通过与事先记录的不同距离处散斑图案序列匹配，完成扣件表面三维点云测量；所述四个激光位移传感器用于测量扣件安装底座高度值；所述车轮编码器与车轮转轴连接，用于对车轮转动角度编码；所述RFID探测器位于车体底部，与铁路上设置的RFID标签进行通信；所述工控机位于车厢内，与摄像机、激光位移传感器、车轮编码器、RFID阅读器连接，读取车轮编码器角度编码信号，对列车行驶里程计数和判定列车行驶方向；所述工控机读取RFID阅读器获取的RFID标签信号，对列车行驶里程进行校准；所述工控机读取四个激光位移传感器测量的铁轨扣件安装底座上表面高度值，判定扣件是否位于成像区域内，控制两台摄像机拍摄扣件区域散斑图像；采集、存储和处理散斑图像，进行单目视觉散斑图像三维重建，获取扣件三维点云，基于扣件三维点云进行扣件异常检测。所述第一、第二测量单元中摄像机和激光散斑投射器安装方式是：激光散斑投射器的光轴与摄像机光轴平行、且垂直于路面，激光散斑投射器的光轴与摄像机光轴距离小于xmm,x取值范围为5～100，摄像机和激光散斑投射器刚性连接；激光散斑投射器Sa和Sb的安装高度、角度，以及光源投射角度需完全覆盖铁轨两侧扣件区域，第一、第二测量单元的摄像机视场完全覆盖铁轨两侧扣件区域。所述第一、第二测量单元通过被动减振结构固定在支撑梁上，支撑梁通过被动减振结构固定在列车转向架上。所述第一、第二测量单元采用硬质橡胶或塑料垫片作为被动减振结构与支撑梁固定，支撑梁与转向架之间采用k个弹簧并行连接，k的取值范围为1～10。所述四个激光位移传感器的安装方式是：激光位移传感器La位于第一测量单元公共视场内路面平面垂直于铁轨的中轴线平面内，激光位移传感Lb沿铁轨纵向安置于距离激光位移传感器Lad1位置处，激光位移传感器La和Lb到铁轨中心线水平距离相等为d2；激光位移传感器Lc位于第二测量单元公共视场内路面平面垂直于铁轨的中轴线平面内，激光位移传感Ld沿铁轨纵向安置于距离激光位移传感器Lcd1位置处，激光位移传感器Lc和Ld到铁轨中心线水平距离相等为d2；其中，d1取值为扣件安装底座上表面宽度的1/2，d2的取值应使激光位移传感器处于扣件安装底座的非扣件区域上方，以直接测量铁轨扣件安装底座高度值。所述四个激光位移传感器的另一种安装方式是：激光位移传感器La位于第一或第二测量单元公共视场内路面平面垂直于铁轨的中轴线平面内，激光位移传感Lb沿铁轨纵向安置于距离激光位移传感器Lad1位置处，激光位移传感器La和Lb到铁轨中心线水平距离相等为d2；激光位移传感器Lc、Ld平行于La和Lb连线安置于铁路中轴线上方，用于测量轨枕上表面高度值，Lc和Ld的距离为轨枕上表面宽度1/2；La、Lc位于车头一侧，Lb和Ld位于车尾一侧；其中，d1取值为扣件安装底座上表面宽度的1/2，d2的取值应使激光位移传感器处于扣件安装底座的非扣件区域上方，以直接测量扣件安装底座高度值；所述铁轨扣件安装底座为：无砟铁路的矩形扣件支撑座和有砟铁路的轨枕。所述激光散斑投射器由点状激光器和DOE衍射器件组成，产生点状斑点图案；散斑投射器的光源采用波长范围为800～1000nm的窄带近红外光源，并且在摄像机前端设置与散斑光源相同波长的窄带滤光片，以滤除环境光。本技术有益效果：与现有技术相比，本技术优点是：1)提供了一种可瞬态三维测量的方法，通过向扣件表面投射激光散斑，增加人工纹理，用于提升双目立体视觉立体匹配可靠性和精度，采用DIC算法可以获取稠密的扣件三维点云，采用对极几何约束，可降低计算复杂度，提升立体匹配效率；2)利用本技术装置获取的稠密三维点云，采用三维模型比对方法，可有效检测扣件多种异常：扣件弹条缺失、扣件垫片缺失、扣件断裂、扣件局部损伤等；3)采用4个激光位移传感器用于判定扣件是否位于成像区域中，可保证拍摄图像不遗漏、且不增加摄像机成像帧率，可用于列车运行过程中，直接对扣件异常进行检测，以扣件间距为0.5m为例，摄像机帧率为200fps时，即可满足350Km/h速度列车进行扣件异常在线检测需求；4)采用前后两个传感器的测量值进行扣件位置判定，可有效消除铁道上异物，防止误判；5)4个激光位移传感器分别布置于扣件安装底座区域和铁路中轴线上，可满足有砟、无砟铁轨检测需求；6)2台面阵摄像机同步拍摄扣件区域散斑图像，可瞬态获取扣件三维点云，相比基于线结构光扫描的扣件三维点云获取方法，成像速度更快、且受列车振动干扰较小。因为，即使列车振动引起2台摄像机相对于扣件发生位置变化，使获取的扣件三维点云姿态和位置发生变化，瞬态成像获取的三维点云之间并不会有位置变化；相反，基于线结构光扫描的扣件三维点云获取方法，在扫描装置方位或高度变化时，扫描切本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测装置，其特征是：由两台激光散斑投射器Sa和Sb，两台摄像机Ca和Cb，四个激光位移传感器La、Lb、Lc、Ld，1个车轮编码器、1个RFID探测器和1个工控机组成，所述激光散斑投射器Sa、摄像机Ca位于列车底部左侧，构成第一测量单元，对左侧铁轨两侧扣件进行检测；所述激光散斑投射器Sb、摄像机Cb位于列车底部右侧，构成第二测量单元，对右侧铁轨两侧扣件进行检测；所述激光散斑投射器Sa、Sb和摄像机Ca、Cb位于铁轨正上方；所述激光散斑投射器投射散斑图案到扣件表面，摄像机拍摄扣件表面散斑图案，并通过与事先记录的不同距离处散斑图案序列匹配，完成扣件表面三维点云测量；所述四个激光位移传感器用于测量扣件安装底座高度值；所述车轮编码器与车轮转轴连接，用于对车轮转动角度编码；所述RFID探测器位于车体底部，与铁路上设置的RFID标签进行通信；所述工控机位于车厢内，与摄像机、激光位移传感器、车轮编码器、RFID阅读器连接，读取车轮编码器角度编码信号，对列车行驶里程计数和判定列车行驶方向；所述工控机读取RFID阅读器获取的RFID标签信号，对列车行驶里程进行校准；所述工控机读取四个激光位移传感器测量的铁轨扣件安装底座上表面高度值，判定扣件是否位于成像区域内，控制两台摄像机拍摄扣件区域散斑图像；采集、存储和处理散斑图像，进行单目视觉散斑图像三维重建，获取扣件三维点云，基于扣件三维点云进行扣件异常检测。...

【技术特征摘要】
1.一种基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测装置，其特征是：由两台激光散斑投射器Sa和Sb，两台摄像机Ca和Cb，四个激光位移传感器La、Lb、Lc、Ld，1个车轮编码器、1个RFID探测器和1个工控机组成，所述激光散斑投射器Sa、摄像机Ca位于列车底部左侧，构成第一测量单元，对左侧铁轨两侧扣件进行检测；所述激光散斑投射器Sb、摄像机Cb位于列车底部右侧，构成第二测量单元，对右侧铁轨两侧扣件进行检测；所述激光散斑投射器Sa、Sb和摄像机Ca、Cb位于铁轨正上方；所述激光散斑投射器投射散斑图案到扣件表面，摄像机拍摄扣件表面散斑图案，并通过与事先记录的不同距离处散斑图案序列匹配，完成扣件表面三维点云测量；所述四个激光位移传感器用于测量扣件安装底座高度值；所述车轮编码器与车轮转轴连接，用于对车轮转动角度编码；所述RFID探测器位于车体底部，与铁路上设置的RFID标签进行通信；所述工控机位于车厢内，与摄像机、激光位移传感器、车轮编码器、RFID阅读器连接，读取车轮编码器角度编码信号，对列车行驶里程计数和判定列车行驶方向；所述工控机读取RFID阅读器获取的RFID标签信号，对列车行驶里程进行校准；所述工控机读取四个激光位移传感器测量的铁轨扣件安装底座上表面高度值，判定扣件是否位于成像区域内，控制两台摄像机拍摄扣件区域散斑图像；采集、存储和处理散斑图像，进行单目视觉散斑图像三维重建，获取扣件三维点云，基于扣件三维点云进行扣件异常检测。2.根据权利要求1所述的基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测装置，其特征是：所述第一、第二测量单元中摄像机和激光散斑投射器安装方式是：激光散斑投射器的光轴与摄像机光轴平行、且垂直于路面，激光散斑投射器的光轴与摄像机光轴距离小于xmm,x取值范围为5～100，摄像机和激光散斑投射器刚性连接；激光散斑投射器Sa和Sb的安装高度、角度，以及光源投射角度需完全覆盖铁轨两侧扣件区域，第一、第二测量单元的摄像机视场完全覆盖铁轨两侧扣件区域。3.根据权利要求1所述的基于单目视觉与激光散斑的铁轨扣件异常检测装置，其特征是：所述第一、第二测量单元通过被动减振结构固定在支撑梁上，支撑梁通过被动减振结构固定在列车转向架上。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：成都精工华耀机械制造有限公司，
类型：新型
国别省市：四川,51