一种低功耗轨道二维与三维融合成像装置制造方法及图纸

为获取轨道巡检所需的二维与三维数据，本实用新型专利技术公开一种低功耗轨道二维与三维融合成像装置。该系统由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置、外壳和遮光罩组成；片光发生器用于产生片光P，为线阵成像单元提供照明，为3D成像单元提供线结构光；片光P的波长位于线阵成像单元、3D成像单元中成像芯片高量子效率区域内；线阵成像单元由多个线阵摄像机组成，线阵成像平面与片光P共面；3D成像单元由多个3D摄像机组成；线阵成像单元、3D成像单元沿轨道纵向对轨道进行二维与三维成像扫描；支撑装置用于固定片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元和外壳；遮光罩位于外壳底部，用于遮挡外界环境光。本实用新型专利技术成像装置，具备尺寸小、功耗低等优点，可应用于电池供电驱动的轨道巡检小车上，降低轨道巡检小车综合功耗，减小电池容量需求，减轻轨道巡检小车重量。

A two-dimensional and three-dimensional fusion imaging device for low-power orbit

In order to obtain the two-dimensional and three-dimensional data required for track inspection, the utility model discloses a low power consumption track two-dimensional and three-dimensional fusion imaging device. The system is composed of a sheet light generator, a linear array imaging unit, a 3D imaging unit, a support device, a shell and a hood; the sheet light generator is used to generate a sheet light p, provide illumination for the linear array imaging unit, and provide a line structured light for the 3D imaging unit; the wavelength of the sheet light p is located in the high quantum efficiency area of the imaging chip in the linear array imaging unit and the 3D imaging unit; the line array imaging unit is composed of several The linear array camera consists of a linear array imaging plane coplanar with the sheet light p; the 3D imaging unit consists of a plurality of 3D cameras; the linear array imaging unit and the 3D imaging unit conduct two-dimensional and three-dimensional imaging scanning of the track along the longitudinal direction of the track; the support device is used for the fixed sheet light generator, the linear array imaging unit, the 3D imaging unit and the shell; the light shield is located at the bottom of the shell and is used to block the external ambient light. The imaging device of the utility model has the advantages of small size and low power consumption, which can be applied to the rail inspection trolley driven by battery power, reduce the comprehensive power consumption of the rail inspection trolley, reduce the battery capacity demand, and reduce the weight of the rail inspection trolley.

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗轨道二维与三维融合成像装置
本技术涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体指一种低功耗轨道二维与三维融合成像装置。
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。为此，本技术拟将三维成像技术应用于轨道可视化巡检中，同时获取轨道全断面二维与三维图像，基于二维与三维图像对轨道病害进行检测，将大幅提升检测的准确性和鲁棒性。在地铁行业中，需要每天对轨道状态进行巡查。若在现有轨检车基础上加装二维与三维成像设备，对轨道进行二维与三维成像，则存在轨检车不能每天频繁使用的问题。为此，未来基于小型化轨道巡检机器人，挂载轨道巡检设备，是有效解决地铁等行业中日常巡检需求的有效方式。小型化轨道巡检机器人一般采用电池提供动力，为减少巡检机器人重量，特别是电池重量，所搭载的检测设备必须降低功率和功耗。研制低功耗轨道二维与三维融合成像装置，有利于降低轨道巡检机器人电池容量需求，减小机器人重量，对推动轨道智能巡检技术发展和推广应用具有重大意义。
技术实现思路
为了降低小型化轨道巡检机器人功率和总体功耗，本技术提供一种低功耗轨道二维与三维融合成像装置。本技术的技术方案是：该装置由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置、外壳和遮光罩组成；所述片光发生器用于产生片光P，片光P在轨道表面照射区域宽度不小于2.5m，厚度不超过2mm；所述片光P与轨道纵向、轨道路面垂直，为线阵成像单元提供照明，为3D成像单元提供线结构光；所述片光P的波长为b，b位于线阵成像单元、3D成像单元中成像芯片高量子效率区域内；所述片光发生器由n1个共线安置的线结构光发生器构成，产生n1个线结构光，共面串行拼接为片光P，n1的取值范围为3-10；所述线结构光发生器由激光器和扩束镜组成，激光器用于产生点光源，扩束镜用于将点光源扩束为线结构光；所述线阵成像单元由n2个线阵摄像机组成，n2个线阵摄像机的成像平面共面、并与片光P共面，线阵成像区域覆盖整个轨道横向区域，n2的取值范围为3-10；所述n2个线阵摄像机前端加装波长为b的窄带滤光片；所述3D成像单元由n3个3D摄像机组成，n3的取值范围为3-10；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理系统，具有3D线结构光测量功能，直接拍摄片光光条图像，并计算和输出光条上轨道3D剖面数据；所述3D摄像机前端加装波长为b的窄带滤光片；所述3D成像单元中3D摄像机的成像光轴与片光P的角度为a，a的取值范围为20-80度；所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性固定在支撑装置上；所述线阵成像单元、3D成像单元可接受外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描；所述外壳固定在支撑装置上，外壳密封，可防尘、防潮，外壳顶部设有翅片，用于散热，外壳底部在片光发生器出光口、线阵成像单元入光口、3D成像单元入光口位置处设有光学观察窗；所述激光器、线阵摄像机和3D摄像机通过导热结构与外壳连接；所述激光器、线阵摄像机、3D摄像机的供电接口与通信接口，汇总后从外壳侧面引出，引出接口为多芯防水航空插头；所述遮光罩位于外壳底部，用于遮挡外界环境光，遮光罩底部不低于钢轨顶部，遮光罩遮挡区域大于3D成像单元成像区域。进一步，所述片光发生器由n1＝5个线结构光发生器组成，可以产生5个共面线结构光，其中4个线结构光位于两根钢轨两侧上方，1个线结构光位于轨道中心正上方，5个线结构光照射区域完全覆盖轨道横向区域；所述线阵成像单元由n2＝3个线阵摄像机组成，其中2个线阵摄像机位于钢轨正上方，1个线阵摄像机位于轨道中心正上方，3个线阵摄像机成像区域存在重叠、且完全覆盖整个轨道横向区域；所述片光发生器中的5个线结构光和3个线阵摄像机的成像平面共面；所述3D成像单元由3个3D摄像机、3个反射镜组成，其中2个3D摄像机位于钢轨正上方，1个3D摄像机位于轨道中心正上方，3个3D摄像机成像区域存在重叠、且完全覆盖整个轨道横向区域；所述片光P的波长为530nm。进一步，所述3D成像单元由n3个3D摄像机和n3个反射镜组成，反射镜用于折叠3D成像光路，3D摄像机放置在反射镜的反射光路上，以缩短3D成像单元沿轨道纵向长度。所述外壳为轻质材料；所述支撑装置为轻质、高刚度航空铝材；所述导热结构为异形高导热铜质构件；所述导热结构与激光器、线阵摄像机和3D摄像机之间的接触面填充导热剂，所述导热结构与外壳之间的接触面填充导热剂，所述外壳顶部的翅片与外壳接触面填充导热剂；所述导热剂为硅油。进一步，所述供电接口和通信接口分开引出，以避免电源对通信信号产生干扰。将线阵摄像机、3D摄像机、线结构光中用于调节焦距、光圈的活动部件锁死，防止设备工作过程中镜头松动、焦距或光圈变化。所述n1个线结构光所需点光源由外置的激光器，经多路光纤经外壳上的航空插头导入，所用航空插头具有光纤通道；所用光纤数量为n1，激光器与整个成像装置分离放置。所述遮光罩由4片不透光、非刚性、轻质材料缝合而成。所述遮光罩材料为黑色硬橡胶。本技术有益效果：本技术采用单个片光P，同时给线阵成像单元、3D成像单元使用，片光P与线阵成像平面共面，从而从硬件上保证了沿轨道纵向方向上，线阵成像获取的二维图像与3D成像获取的三维数据是对齐的，只需在获取数据行向量内进行移动操作，即可实现整个二维图像与三维数据的点到点对齐，简化了二维与三维数据融合的难度；并且，采用单个片光P同时给线阵成像单元和3D成像单元使用，减小了光源数量，可降低成本和重量；再者，片光P的波长位于线阵成像单元、3D成像单元成像芯片的高量子效率区域，有利于降低光源功率；光源功率降低、设备重量减轻，有利于减小小型化轨道巡检机器人的总体功耗，减小电池容量需求，进一步减轻机器人重量。附图说明图1本技术成像装置组成示意图；图23个线结构光拼接示意图；图33D摄像机与反射镜、线结构光位置关系图；图4成像装置中3D摄像机、反射镜和线阵摄像机在轨道上方布局俯视图；图55个线结构光拼接示意图；图6外置激光器经光纤导入产生片光示意图；图中，1、片光发生器，2、线阵成像单元，3、3D成像单元，4、支撑装置，5、外壳，6、钢轨，7、线结构光，8、反射镜，9、3D摄像机，10、线阵摄像机，11、一字形镜头，12、激光器，13、光纤，14、遮光罩。具体实施方式下面结合附图和具体实施对本技术进行详细说明。实施例1如图1所示，本技术低功耗二维与三维融合成像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低功耗轨道二维与三维融合成像装置，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、外壳和遮光罩组成；所述片光发生器用于产生片光P，片光P在轨道表面照射区域宽度不小于2.5m，厚度不超过2mm；所述片光P与轨道纵向、轨道路面垂直，为线阵成像单元提供照明，为3D成像单元提供线结构光；所述片光P的波长为b，b位于线阵成像单元、3D成像单元中成像芯片高量子效率区域内；所述片光发生器由n1个共线安置的线结构光发生器构成，产生n1个线结构光，共面串行拼接为片光P，n1的取值范围为3‑10；所述线结构光发生器由激光器和扩束镜组成，激光器用于产生点光源，扩束镜用于将点光源扩束为线结构光；所述线阵成像单元由n2个线阵摄像机组成，n2个线阵摄像机的成像平面共面、并与片光P共面，线阵成像区域覆盖整个轨道横向区域，n2的取值范围为3‑10；所述n2个线阵摄像机前端加装波长为b的窄带滤光片；所述3D成像单元由n3个3D摄像机组成，n3的取值范围为3‑10；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理系统，具有3D线结构光测量功能，直接拍摄片光光条图像，计算和输出光条上轨道3D剖面数据；所述3D摄像机前端加装波长为b的窄带滤光片；所述3D成像单元中3D摄像机的成像光轴与片光P的角度为a，a的取值范围为20‑80度；所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性固定在支撑装置上；所述线阵成像单元、3D成像单元可接受外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描；所述外壳固定在支撑装置上，外壳密封，可防尘、防潮，外壳顶部设有翅片，用于散热，外壳底部在片光发生器出光口、线阵成像单元入光口、3D成像单元入光口位置处设有光学观察窗；所述激光器、线阵摄像机和3D摄像机通过导热结构与外壳连接；所述激光器、线阵摄像机、3D摄像机的供电接口与通信接口，汇总后从外壳侧面引出，引出接口为多芯防水航空插头；所述遮光罩位于外壳底部，用于遮挡外界环境光，遮光罩底部不低于钢轨顶部，遮光罩遮挡区域大于3D成像单元成像区域。...

【技术特征摘要】
1.一种低功耗轨道二维与三维融合成像装置，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、外壳和遮光罩组成；所述片光发生器用于产生片光P，片光P在轨道表面照射区域宽度不小于2.5m，厚度不超过2mm；所述片光P与轨道纵向、轨道路面垂直，为线阵成像单元提供照明，为3D成像单元提供线结构光；所述片光P的波长为b，b位于线阵成像单元、3D成像单元中成像芯片高量子效率区域内；所述片光发生器由n1个共线安置的线结构光发生器构成，产生n1个线结构光，共面串行拼接为片光P，n1的取值范围为3-10；所述线结构光发生器由激光器和扩束镜组成，激光器用于产生点光源，扩束镜用于将点光源扩束为线结构光；所述线阵成像单元由n2个线阵摄像机组成，n2个线阵摄像机的成像平面共面、并与片光P共面，线阵成像区域覆盖整个轨道横向区域，n2的取值范围为3-10；所述n2个线阵摄像机前端加装波长为b的窄带滤光片；所述3D成像单元由n3个3D摄像机组成，n3的取值范围为3-10；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理系统，具有3D线结构光测量功能，直接拍摄片光光条图像，计算和输出光条上轨道3D剖面数据；所述3D摄像机前端加装波长为b的窄带滤光片；所述3D成像单元中3D摄像机的成像光轴与片光P的角度为a，a的取值范围为20-80度；所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性固定在支撑装置上；所述线阵成像单元、3D成像单元可接受外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描；所述外壳固定在支撑装置上，外壳密封，可防尘、防潮，外壳顶部设有翅片，用于散热，外壳底部在片光发生器出光口、线阵成像单元入光口、3D成像单元入光口位置处设有光学观察窗；所述激光器、线阵摄像机和3D摄像机通过导热结构与外壳连接；所述激光器、线阵摄像机、3D摄像机的供电接口与通信接口，汇总后从外壳侧面引出，引出接口为多芯防水航空插头；所述遮光罩位于外壳底部，用于遮挡外界环境光，遮光罩底部不低于钢轨顶部，遮光罩遮挡区域大于3D成像单元成像区域。2.根据权利要求1所述的一种低功耗轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述片光发生器由n1＝5个线结构光发生器组成，可以产生5个共面线结构光，其中4个线结构光位于两根钢轨两侧上方，1个线结...

【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