基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，基于结构光的方法，随所述运载工具运动，成像传感器件通过感测参考光段３１０与基准光段２１０间几何位置的变化而获知所测轨道１００在动态载荷情况下之二维平面空间几何偏差；更广泛使用可在运载工具上的两套检测系统分别对左右两条轨道的轨道几何偏差检测，从而获得左右两条轨道相关平面几何偏差信息。本发明专利技术比光斑点检测具有更多的信息量，既可以得到轨面在垂直方向的高低不平顺信息，又可以得到沿轨道横向的轨向不平顺信息，具有检测精度高、实时性好，安装方便，便于工程化的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及结构光视觉测量技术和轨道交通安全检测
，尤其是一种基于 结构光的铁路轨道不平顺高速视觉检测方法。技术背景轨道不平顺存在于轮轨接触表面，会增大轮轨动力作用，同时使轨道不平顺进一 步增大，形成恶性循环。过大的轨道不平顺将导致轮轨系统的剧烈振动，缩短车辆和轨道部 件的使用寿命，降低行车的平稳性，严重时危及行车安全。日常的检测不能影响高速铁路正 常的运输，必须采用高效的手段。对于轨道不平顺状态的检测，目前国内、外大多采用以惯 性基准原理构成的检测系统，但是捷联式惯性系统价格昂贵，体积大，因此在大规模应用上 受到了一定限制。视觉测量技术在轨道检测系统中也得到了应用和迅速发展。国内西南交 通大学进行了相关研究，在前、后轮轴处分别安装激光器和线阵CCD，激光器直接照射CCD， 采取直接探测激光光斑在成像面上偏移量的方法检测轨道状态；由于仅测量光斑的位置变 化，该方法只能获取一维空间信息。与上述视觉测量方法不同，本专利技术采用结构光视觉测量 方法，使用两个线激光器分别照射铁轨轨面，得到两条结构光线段，通过CCD视觉成像装置 获取两条光线的相对间距变化与角度变化的二维空间特征，来检测轨道的高低不平顺、轨 向不平顺、水平不平顺及三角坑等状态。
技术实现思路
鉴于现有技术的以上缺点，本专利技术的目的是提供一种基于结构光视觉的轨道不平 顺检测方法，使之具有低成本、高速测量、测量精度高及容易实现的优点，系统装置安装简 便。本专利技术的目的是通过如下手段来实现的。一种，其特征在于，在轨道上方与所 测轨道100平面垂直方向设置一线光源200，所述线光源200发射出与轨道平面垂直并在 轨道平面上投射为一条与轨道长度方向相垂直的直线光段，所述直线光段为基准光段210 ； 在距离线光源200 —段距离L的轨道上方且与轨道平面相平行位置设置另一线光源300，线 光源300发射出投射在轨道平面上并与基准光段210相平行且相距为D的参考光段310 ； 在线光源200附近设置成像传感器件感测基准光段210与参考光段310的距离变化；线光 源200、线光源300和所述成像传感器件固定设置在一沿轨道滑行的运载工具上，随所述运 载工具运动，成像传感器件通过感测参考光段310与基准光段210间几何位置的变化而获 知所测轨道100在动态载荷情况下之二维平面空间几何偏差。基于结构光的方法，随所述运载工具运动，成像传感器件通过感测参考光段310 与基准光段210间几何位置的变化而获知所测轨道100在动态载荷情况下之二维平面空间 几何偏差；更广泛使用可在运载工具上的两套检测系统分别对左右两条轨道的轨道几何偏差检测，从而获得左右两条轨道相关平面几何偏差信息。实现本专利技术目的的比较方便的作法是铁路机车以为运载工具，近红外激光器线 光源200、线光源300设置在机车同一个转向架的前、后轮轴的轴箱上，成像传感器件设置 在线光源200附近。使用两个近红外波段的激光器，将它们分别安装在列车同一个转向架 的前、后轮轴的轴箱上。激光器发射出线线光源，调整激光器角度，使激光线束都照射到前 轮轴附近的轨面上，两条激光线照射到同一条铁轨上，形成两个光线的投影。使用两个高速 成像装置，(可采用CMOS或CCD芯片作为传感器)，安装在同一转向架前轮轴的轴箱上，并沿 轨道长度方向对称。用两个高速成像探测器获取轨面上两条光线投影的图像。由于激光器 和成像探测器都安装在列车同一转向架的轴箱上，它们的相对位置固定。列车的轴箱和车 轮之间为刚性连接，在列车在运行时，如果有轨道不平顺，前后两组车轮在左右方向或高低 方向将产生微小位移。此时，由于两个激光器分别安装在前、后轮轴上，照射到轨面的两条 激光束之间的相对间距和角度将发生变化。两个成像装置获取轨面上的两条光线的图像， 通过计算其变化量检测出轨道不平顺状态的变化。将两套相同的系统分别安装在列车左、 右轮轴上，可以对轨道的综合不平顺状态做出判断，如水平不平顺和三角坑。该方法结合了结构光与视觉测量技术，通过分析照射到轨面激光线条相对位置变 化，获取轨道状态变化。在实际使用中，本专利技术具有如下优点所有器件安装后位置与结构 固定，无扫描装置；通过激光线条成像方法得到轨道在动态载荷下的二维变化信息，由于激 光线条比光斑点具有更多的信息量，既可以得到轨面在垂直方向的高低不平顺信息，又可 以得到沿轨道横向的轨向不平顺信息。本专利技术既可分别测量左右两条轨道不平顺状态的变 化，也可以进行综合判断得到轨道沿线的水平不平顺、三角坑等状态变化情况。另外，本发 明可以使用CMOS成像装置，输出为数字图像信号，则无需进行数字采集，省去了传统使用 CCD成像方法将模拟信号转换为数字信号的过程，可以提高系统实时性能。本专利技术使用设备 成本低、安装方便，便于工程化。附图说明图1本专利技术方法的示意图。图2本专利技术方法中激光器与摄像机位置关系示意图。图3本专利技术方法的轨向不平顺检测示意图。图4本专利技术方法的高低不平顺检测示意图。图5本专利技术方法双轨复合不平顺检测示意图。图6本专利技术方法总体工作框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施例作进一步说明。结合图1与图2，本专利技术采用铁路机车为运载工具时的安装使用情况为例，线光源 200和300分别为两个近红外波段的线激光器，成像传感器件分别由两个高速成像装置220 和230担任，两个激光器发射出的激光照射到轨面形成激光线条210和310。将近红外波段 的激光器300安装在列车转向架后轮轴的轴箱420上，激光器发射出线光源，调整激光器角 度，使光束线照射到在前轮411轮轨接触面附近的轨面上形成参考光段310，与光线条210有较小的间隔(如3厘米)。该间隔大小应满足下面的条件使两个激光线条在检测条件下， 都能在成像探测器中完整清晰成像。将近红外波段的线激光器200与两个CMOS (或(XD) 成像装置220和230安装在列车转向架前轮轴的轴箱410上，分别在激光器200的两侧，并 沿轨道100长度方向对称，来获取轨面上两条光段的图像。激光器200发出线激光束，以垂 直角度照射到轨面，所形成基准光段210垂直于轨道长度方向。为了精确计算两个光段的 相对位置，需要对摄像机镜头进行精密标定，标定过程可以在摄像机安装前进行，在实际运 行时仅需带入标定参数进行计算，不会影响系统的实时性能。如图2，激光器200与轨面垂 直，当列车运行时，基准光段210在两个摄像机中的成像位置固定，将其作为基准线。激光 器和成像探测器都安装在列车转向架的轴箱上，它们的相对位置固定。两个激光器发射出的激光照射到轨面形成激光线条。在列车实际运行中，照射到 轨面的背景光可能较强，对成像光线形成较大干扰，本专利技术采用近红外波段的激光器，并在 成像镜头前安装滤光片，能消除强背景光带来的干扰，增强激光线条图像的对比度，从而减 少了后期图像处理步骤，提高系统测量实时性和测量精度。当轨道出现高低不平顺情况时，列车前后轮轴在垂直方向的相对位置发生变化， 从而使特征线条间距发生改变。例如前后轮轴相对轨道的初始高度都为H，在运行过程， 后轮轴对应轨道的位置有微小上升Δ d，则激光器200照射到轨道的基准光段210的位置基 本不变，而激光器300照射到轨道的参考光段310的位置相对基准光段210的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，在轨道上方与所测轨道（１００）平面垂直方向设置一线光源（２００），所述线光源（２００）发射出与轨道平面垂直并在轨道平面上投射为一条与轨道长度方向相垂直的直线光段，所述直线光段为基准光段（２１０）；在距离线光源（２００）一段距离Ｌ的轨道上方且与轨道平面相平行位置设置另一线光源（３００），线光源（３００）发射出投射在轨道平面上并与基准光段（２１０）相平行且相距为Ｄ的参考光段（３１０）；在线光源２００附近设置成像传感器（包括器件驱动电路）感测基准光段（２１０）与参考光段（３１０）的距离变化；线光源（２００）、线光源（３００）和所述成像传感器件固定设置在一沿轨道滑行的运载工具上，随所述运载工具运动，成像传感器件通过感测参考光段（３１０）与基准光段（２１０）间几何位置的变化而获知所测轨道（１００）在动态载荷情况下之二维平面空间几何偏差。

【技术特征摘要】
1.一种基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，其特征在于，在轨道上方与所测 轨道(100)平面垂直方向设置一线光源(200)，所述线光源(200)发射出与轨道平面垂直 并在轨道平面上投射为一条与轨道长度方向相垂直的直线光段，所述直线光段为基准光段 (210)；在距离线光源(200) —段距离L的轨道上方且与轨道平面相平行位置设置另一线 光源(300)，线光源(300)发射出投射在轨道平面上并与基准光段(210)相平行且相距为D 的参考光段(310)；在线光源200附近设置成像传感器(包括器件驱动电路)感测基准光段 (210)与参考光段(310)的距离变化；线光源(200)、线光源(300)和所述成像传感器件固定 设置在一沿轨道滑行的运载工具上，随所述运载工具运动，成像传感器件通过感测参考光 段(310)与基准光段(210)间几何位置的变化而获知所测轨道(100)在动态载荷情况下之 二维平面空间几何偏差。2.根据权利要求1所述之基于结构光视觉的轨道不平顺状态检测方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志勇，潘炜，闫连山，罗斌，邹喜华，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]