一种紧凑型轨道二维与三维成像装置制造方法及图纸

为获取轨道可视化巡检所需的二维图像与三维形貌数据，本实用新型专利技术公开一种紧凑型轨道二维与三维成像装置。该系统由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成，其中片光发生器通过多个光源拼接产生两个片光，分别为线阵成像单元、3D成像单元提供照明。线阵成像单元与3D成像单元沿轨道纵向进行线阵扫描成像和三维扫描，获取轨道表面二维图像和三维形貌数据。进一步，将线阵成像单元、片光发生器进行集成，并采用光路折叠方法缩短3D成像单元长度，最终缩短成像系统沿轨道方向上长度，提供紧凑的轨道二维与三维成像系统。

A Compact Two-Dimensional and Three-Dimensional Imaging Device for Orbit

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型轨道二维与三维成像装置
本技术涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体指一种紧凑型轨道二维与三维成像装置。
技术介绍
铁路是国家运输大动脉，在国民经济、国民出行、国防运输等诸多领域发挥着重大价值。轨道是铁路运输的基础设施，轨道由道床系统、钢轨系统、扣件系统组成。轨道在长期运行过程中，钢轨系统会裂纹、龟裂等缺陷，扣件系统会产生螺栓松动、弹条断裂、弹条脱落等缺陷，道床系统会存在裂纹、断裂等缺陷。在地铁中，道床系统还存在道床异物(乘客遗漏的物品：手机、水瓶等)、道床积水、道床板结等问题。为保证列车运行安全，必须对轨道系统进行安全巡检，目前受技术限制，多采用人工巡检。在人工巡检过程中，受人为因素干扰，难以准确、客观地查找缺陷，且检测效率低、成本高。近期，有学者尝试将线阵扫描成像技术应用于轨道巡检中，通过获取的扣件纹理图像进行扣件缺陷检测。但是，在二维纹理图像上，很难有效判定螺栓松动、道床异物等缺陷。三维成像技术(《吴庆阳.线结构光三维传感中关键技术研究[D].四川大学,2006.》)可以获取被测对象表面的三维形貌数据，利用三维形貌数据，可容易地区分出口径弹条缺失、螺栓松动等具有形状或高度变化的缺陷。因此，在二维成像技术基础上，引入三维成像技术，同时获取轨道二维纹理图像和三维形貌数据，有利于提升轨道可视化巡检水平。为此，本技术拟提供一种轨道可视化巡检二维与三维融合成像系统，同时获取轨道表面二维图像与三维形貌数据，为开展轨道可视化巡检提供数据支撑。
技术实现思路
为了解决现有轨道巡检方法所存在的上述问题，本技术提供一种紧凑型轨道二维与三维成像装置。本技术的技术方案是：一种紧凑型轨道二维与三维成像装置，其特征在于，由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成。所述片光发生器用于产生两个片光P1、P2，片光P1的宽度不小于2m，厚度不超过1mm，片光P2的宽度不小于2m、厚度小于2mm。所述片光发生器具有供电接口、开关接口、功率调节接口，可控制开启、关闭片光，并调节片光功率。所述线阵成像单元用于对轨道进行线阵扫描成像，由n台线阵摄像机组成，n台线阵摄像机的成像平面共面，且成像平面位于片光P2照射范围内。所述线阵成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制线阵成像单元开闭、参数设置、控制信号输入、数据传输。所述3D成像单元由n台3D摄像机组成，3D摄像机的光轴与片光P1平面成角度a，a的取值范围为20-80度；3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，自带线结构光3D测量算法，拍摄片光P1投射在轨道表面的光条，根据3D摄像机标定参数，计算和输出光条位置处轨道表面三维数据。所述3D成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制3D成像单元开闭、参数设置、控制信号输入和数据传输。所述线阵成像单元、3D成像单元通过控制接口输入外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描。所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性连接到支撑装置上。所述外壳为矩形、密封壳体，外壳固定在支撑装置上，外壳底部紧邻3D摄像机和线阵摄像机的入光口、片光P1和片光P2出光口位置处设有光学窗口，外壳顶部有翅片，外壳内部通过导热结构固连到片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元的发热器件上，将这些设备产生的热量散发到空气中。所述支撑装置为钢材或航空铝材或钛合金或碳纤维材料。所述外壳和翅片为铝合金材料，外壳与翅片接触面填充硅油，导热结构为异性件，导热结构材料为铜或石墨烯，导热结构与发热器件的接触面填充硅油。所述n的取值范围为3-9。当n＝3时，2台3D摄像机位于两侧钢轨正上方，对钢轨及两侧区域进行三维成像，1台3D摄像机位于轨道中心正上方，对钢轨之间的道床区域进行三维成像；2台线阵摄像机位于钢轨正上方、对钢轨及两侧区域进行线阵扫描成像，1台线阵摄像机位于轨道中心正上方，对钢轨之间的道床区域进行线阵扫描成像。进一步，所述片光P1、P2各由m个线结构光共面合成，m的取值范围为3-100；当m＝3时，其中2个线结构光位于两侧钢轨正上方，1个线结构光位于轨道中心正上方；当m＝5时，其中4个线结构光分别位于两根钢轨上方两侧，1个线结构光位于轨道中心正上方。进一步，沿轨道纵向依次布置3D成像单元、片光P2与线阵成像单元、片光P1，其中片光P2与线阵成像单元垂直于轨道纵向方向共线布置，线阵成像单元的成像平面位于片光P2照射区域内；线阵成像单元的成像平面与片光P1平行；调整片光P1到片光P2的平面距离，使片光P2不出现在3D成像单元的视场中；片光P1与片光P2为单波长光，波长为b1，b1的取值范围为400-1000nm；线阵成像单元中线阵摄像机为单色线阵摄像机；在线阵摄像机、3D摄像机前端设置波长为b1的窄带滤光片。进一步，所述片光P1、P2为近红外光，波长范围为700-1000nm，在线阵摄像机、3D摄像机前端设置对应波长的窄带滤光片，以消除环境中可见光干扰。进一步，所述成像装置，垂直于轨道纵向，将片光P1、片光P2与线阵成像单元共线安装，使片光P1、片光P2、线阵摄像机成像平面三者共面，以实现线阵成像区域与3D摄像机测量区域在光学上重合；片光P1的波长为b1、片光P2的波长为b2，在线阵摄像机前端设置波长为b1的窄带滤光片，在3D摄像机前端设置波长为b2的窄带滤光片，b1≠b2。进一步，所述片光P2中的片光光源与片光P1中的片光光源通过合色镜进行合束，实现片光P1、P2共面。进一步，在3D摄像机前端增加一个反射镜，以缩短成像装置沿轨道纵向方向上长度。进一步，当片光P1、片光P2为可见光时，在外壳底部四周安装环形遮光罩，用于遮挡外界可见光照射，所述环形遮光罩由四片非透明、非刚性材料缝合而成，遮光罩底部到钢轨顶部距离不超过50mm；遮挡区域大于成像区域。进一步，所述片光P2选用白光光源，所述线阵摄像机8为RGB三色线阵相机，在线阵摄像机前端加装近红外截止滤光片，用于获取轨道的RGB彩色图像。本技术有益效果：1)可实现轨道全断面二维与三维成像，同时获取轨道全断面的钢轨系统、扣件系统、道床系统纹理图像与三维形貌数据；2)本技术中，片光P1与线阵成像平面平行，根据片光P1与线阵成像平面位置关系，可通过软件容易地实现二维纹理数据与三维测量数据的对齐操作，为轨道病害自动检测和分析提供了有益数据；3)本技术，还采用硬件(线阵成像平面与片光P1共面)方式，使二维与三维数据视场重合，保证二维与三维数据对齐；4)本技术，片光P1由m个片光光源共面合成，在多台3D摄像机的成像区域中只有1根光条，可避免为每一台3D摄像机提供线结构光时、相邻3D摄像机成像区域中出现多根光条而影响3D测量，进而可以缩短整个测量系统沿轨道纵向上尺寸；5)更进一步，本技术，在3D摄像机前端增加了一块反射镜，以光路折叠方式(图11.b)可进一步缩端尺寸、减轻重量，以方便安装、运载，这样的紧凑型成像系统，便于在轨道巡检车、运行列车、小型巡检车和手推式巡检小车上使用，适应范围更广；6)本技术，可采用近红外波段照明成像，可避免外界环境光干扰，保证二维成像效果；7)本技术，可在可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紧凑型轨道二维与三维成像装置，其特征在于，由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成；所述片光发生器用于产生两个片光P1、P2，片光P1的宽度不小于2m，厚度不超过1mm，片光P2的宽度不小于2m、厚度小于2mm；所述片光发生器具有供电接口、开关接口、功率调节接口，可控制开启、关闭片光，并调节片光功率；所述线阵成像单元用于对轨道进行线阵扫描成像，由n台线阵摄像机组成，n台线阵摄像机的成像平面共面，且成像平面位于片光P2照射范围内；所述线阵成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制线阵成像单元开闭、参数设置、控制信号输入、数据传输；所述3D成像单元由n台3D摄像机组成，3D摄像机的光轴与片光P1平面成角度a，a的取值范围为20‑80度；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，具有线结构光3D测量功能，拍摄片光P1投射在轨道表面的光条，计算和输出光条位置处轨道表面三维数据；所述3D成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制3D成像单元开闭、参数设置、控制信号输入和数据传输；所述线阵成像单元、3D成像单元通过控制接口输入外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描；所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性连接到支撑装置上；所述外壳为矩形、密封壳体，外壳固定在支撑装置上，外壳底部紧邻3D摄像机和线阵摄像机的入光口、片光P1和片光P2出光口位置处设有光学窗口，外壳顶部有翅片，外壳内部通过导热结构固连到片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元的发热器件上，将这些设备产生的热量散发到空气中；所述支撑装置为钢材或航空铝材或钛合金或碳纤维材料；所述外壳和翅片为铝合金材料，外壳与翅片接触面填充硅油，导热结构为异性件，导热结构材料为铜或石墨烯，导热结构与发热器件的接触面填充硅油；所述n的取值范围为3‑9。...

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型轨道二维与三维成像装置，其特征在于，由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成；所述片光发生器用于产生两个片光P1、P2，片光P1的宽度不小于2m，厚度不超过1mm，片光P2的宽度不小于2m、厚度小于2mm；所述片光发生器具有供电接口、开关接口、功率调节接口，可控制开启、关闭片光，并调节片光功率；所述线阵成像单元用于对轨道进行线阵扫描成像，由n台线阵摄像机组成，n台线阵摄像机的成像平面共面，且成像平面位于片光P2照射范围内；所述线阵成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制线阵成像单元开闭、参数设置、控制信号输入、数据传输；所述3D成像单元由n台3D摄像机组成，3D摄像机的光轴与片光P1平面成角度a，a的取值范围为20-80度；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，具有线结构光3D测量功能，拍摄片光P1投射在轨道表面的光条，计算和输出光条位置处轨道表面三维数据；所述3D成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制3D成像单元开闭、参数设置、控制信号输入和数据传输；所述线阵成像单元、3D成像单元通过控制接口输入外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描；所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性连接到支撑装置上；所述外壳为矩形、密封壳体，外壳固定在支撑装置上，外壳底部紧邻3D摄像机和线阵摄像机的入光口、片光P1和片光P2出光口位置处设有光学窗口，外壳顶部有翅片，外壳内部通过导热结构固连到片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元的发热器件上，将这些设备产生的热量散发到空气中；所述支撑装置为钢材或航空铝材或钛合金或碳纤维材料；所述外壳和翅片为铝合金材料，外壳与翅片接触面填充硅油，导热结构为异性件，导热结构材料为铜或石墨烯，导热结构与发热器件的接触面填充硅油；所述n的取值范围为3-9。2.根据权利要求1所述的一种紧凑型轨道二维与三维成像装置，其特征在于，当n＝3时，2台3D摄像机位于两侧钢轨正上方，对钢轨及两侧区域进行三维成像，1台3D摄像机位于轨道中心正上方，对钢轨之间的道床区域进行三维成像；2台线阵摄像机位于钢轨正上方、对钢轨及两侧区域进行线阵扫描成像，1台线阵摄像机位于轨道中心正上方，对钢轨之间的道床区域进行线阵扫描成像。3.根据权利要求2所述的一种紧凑型轨道二维与三维成像装置，其特征在于，所述片光P1、P2各由m个线结构光共面合成，m的取...

【专利技术属性】
技术研发人员：左丽玛，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：成都精工华耀科技有限公司，
类型：新型
国别省市：四川,51