專利名稱:一種基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】一種基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置，包括結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，所述結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)的紅外發(fā)光源和圖像采集系統(tǒng)的圖像采集器均置于車體底部軌枕的上方，所述紅外發(fā)光源置于軌道扣件的正上方并且紅外發(fā)光源垂直地面向軌道扣件照射形成平行于鐵軌的光帶，所述圖像采集器對(duì)準(zhǔn)所述軌道扣件拍攝并且所述圖像采集器設(shè)置的位置使得圖像采集器與照射在軌道扣件上的紅外光形成30～45度的拍攝角度。本實(shí)用新型改善了現(xiàn)有技術(shù)方案的識(shí)別速度慢，誤差率大的缺點(diǎn)，環(huán)境適用能力強(qiáng)，能滿足高速下的自動(dòng)檢測(cè)。
【專利說明】一種基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及鐵路精密測(cè)量領(lǐng)域，是一種基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]扣件是連接鋼軌和軌枕使之形成軌排的部件，在保證軌道穩(wěn)定性、可靠性方面起著重要作用。在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)上，我國(guó)長(zhǎng)期以來以人工和靜態(tài)檢測(cè)為主，近年我國(guó)高速鐵路迅猛發(fā)展，對(duì)鐵路檢測(cè)的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)外已有扣件檢測(cè)技術(shù)為視覺圖像檢測(cè)技術(shù)，如美國(guó)ENSCO公司的VIS系統(tǒng)、德國(guó)公司開發(fā)的光電式軌道檢測(cè)系統(tǒng)及北京福斯達(dá)公司高速車載式軌道圖像識(shí)別系統(tǒng)等。這種方法都是采取用高速攝像機(jī)采集扣件完整圖片，然后進(jìn)行圖像處理，判斷扣件是否存在。高速攝像機(jī)圖片采集速率高達(dá)幾百幀，盡管采集很容易，但采集回來數(shù)據(jù)膨大的圖像，處理判斷起來卻十分花費(fèi)時(shí)間。原因是圖片信息量很大，鐵路現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)圖像處理的難度要求很高。因此在行車速度如此高的環(huán)境下，應(yīng)用起來很有難度。
[0003]經(jīng)過現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)的檢索，發(fā)現(xiàn)上海交通大學(xué)的《基于結(jié)構(gòu)光的鐵路扣件高速探測(cè)系統(tǒng)與方法》也提到了結(jié)構(gòu)光在鐵路扣減識(shí)別上的應(yīng)用。采用4?8道結(jié)構(gòu)光源進(jìn)行照明，然后得到的圖像根據(jù)連續(xù)光條的數(shù)量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的規(guī)律來對(duì)扣件進(jìn)行識(shí)別與判斷。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種使得拍攝后的圖像識(shí)別率高，提高圖像識(shí)別速度，可對(duì)鐵道扣件的離線或者在線實(shí)時(shí)識(shí)別，同時(shí)對(duì)病態(tài)扣件圖像的采集和地理位置的編號(hào)的保存，便于線下工作人員的維修的基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置。
[0005]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置，包括結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，所述結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)的紅外發(fā)光源和圖像采集系統(tǒng)的圖像采集器均置于車體底部軌枕的上方，所述紅外發(fā)光源置于軌道扣件的正上方并且紅外發(fā)光源垂直地面向軌道扣件照射形成平行于鐵軌的光帶，所述圖像采集器對(duì)準(zhǔn)所述軌道扣件拍攝并且其位置使得圖像采集器與照射在軌道扣件上的紅外光路形成30?45度的拍攝角度。
[0007]所述紅外發(fā)光源和圖像采集器形成的直線與軌枕平行，每根鐵軌上設(shè)置有兩套所述結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)分別檢測(cè)該鐵軌內(nèi)外兩側(cè)的扣件。
[0008]所述紅外發(fā)光源包括三道直線型光源，其中一道照射在距離該檢測(cè)扣件邊緣3?7cm的軌枕上形成定位結(jié)構(gòu)光，其余兩道照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺桿和彈條上，另一道只照射在彈條上。
[0009]還包括和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)或/和安裝在火車輪軸上的光電編碼器，所述GPS系統(tǒng)或/和安裝在火車輪軸上的光電編碼器與圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，所述圖像采集系統(tǒng)根據(jù)GPS系統(tǒng)或/和安裝在火車輪軸上的光電編碼器提供的速度信息經(jīng)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)圖像采集器進(jìn)行觸發(fā)拍攝，并且通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)的保存，在存儲(chǔ)的同時(shí)通過GPS在圖像上記錄位置信息。
[0010]由于采用上述結(jié)構(gòu)，通過圖像采集器與軌道扣件形成30?45度的拍攝角度，從而當(dāng)有砟軌道的情況下，照射在軌枕上面的光源在圖像中呈現(xiàn)出一條長(zhǎng)而且直的線條，在咋石上面呈現(xiàn)出凌亂的斑點(diǎn)；在無砟軌道的情況下，照射在軌枕的光源，由于軌枕和軌道板都是平整的，在圖像上都是以直線呈現(xiàn)出來，但由于攝像機(jī)和豎直方向存在傾角，在圖像中軌枕和軌道板將呈現(xiàn)出不相交的平行線，這樣同樣可以很快定位到軌枕的位置，從而通過軌枕找到扣件位置(只要在實(shí)際應(yīng)用過程中根據(jù)不同的軌道來修改匹配的參數(shù)即可)。找到軌枕的目的是更容易在照片上找到扣件區(qū)域，能夠大大減少現(xiàn)有圖像識(shí)別里邊全圖的計(jì)算，進(jìn)而可以需針對(duì)較小區(qū)域進(jìn)行特征對(duì)比，這樣可以加快檢測(cè)速度，更快的判斷出扣件的病害。
[0011]所述紅外發(fā)光源采用三道直線型光源，其中一道照射在距離圖像采集器投影3?7cm的軌枕上形成定位結(jié)構(gòu)光，其余兩道照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺桿和彈條上，另一道只照射在彈條上，照射在軌枕上的定位結(jié)構(gòu)光是用于圖像的識(shí)別定位，而另外兩道光線其中一道來檢測(cè)道釘?shù)拇嬖谂c否，另外一道輔助檢測(cè)扣件彈條缺損與否。
[0012]在扣件區(qū)域的圖像，由于扣件本身彈條以及螺桿的高度變化，通過圖像扣件區(qū)域的單獨(dú)對(duì)比，在圖像中呈現(xiàn)光線圖像上的變化。在有扣件和無扣件以及扣件斷裂、有螺桿和無螺桿的各種情況下，都有明顯的圖像特征，通過相應(yīng)的模版匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)扣件的缺失情況做識(shí)別判斷。
[0013]由GPS系統(tǒng)或/和光電編碼器提供的速度信息經(jīng)由控制系統(tǒng)對(duì)攝像頭進(jìn)行觸發(fā)拍攝，并且實(shí)時(shí)的保存拍攝下來的圖像，通過GPS和列車上的公里標(biāo)信息對(duì)圖片進(jìn)行編號(hào)，在圖像中記錄拍攝的位置信息，以便后期圖片時(shí)對(duì)地理位置的對(duì)應(yīng)，從而方便檢測(cè)缺失后能夠找到該缺失位置，對(duì)扣件進(jìn)行維護(hù)。

【附圖說明】

[0014]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0015]圖2為紅外發(fā)光源照射在軌枕和扣件上的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型專利作進(jìn)一步說明。
[0017]如圖1所示，一種基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置，包括結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)或/和安裝在火車輪軸上的光電編碼器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)四大結(jié)構(gòu)。其中結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)中的紅外發(fā)光源5和圖像采集系統(tǒng)中的圖像采集器6置于車體外軌枕上方，其中紅外發(fā)光源5位于扣件正上方，紅外發(fā)光源5發(fā)出平行于鐵軌的光帶，圖像采集器6設(shè)置的位置使得圖像采集器6與軌道扣件形成30?45度的拍攝角度；GPS系統(tǒng)或/和安裝在火車輪軸上的光電編碼器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)位于整個(gè)系統(tǒng)的控制盒內(nèi)，給圖像采集器6提供觸發(fā)信號(hào)，實(shí)時(shí)的采集紅外發(fā)光源5照射在扣件上后紅外線形成的圖像，并同時(shí)將其圖像進(jìn)行儲(chǔ)存，再通過圖像識(shí)別進(jìn)行處理。
[0018]上述的光電編碼器為安裝在火車輪軸上的用來測(cè)量車軸轉(zhuǎn)速的裝置(通常動(dòng)檢車預(yù)先安裝有該光電編碼器，具有開源的接口)，車軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光電編碼器產(chǎn)生N個(gè)脈沖，同時(shí)能夠判斷正反轉(zhuǎn)，根據(jù)車輪的周長(zhǎng)，能夠準(zhǔn)確得到車輛的速度，同時(shí)能夠判斷車輛處于進(jìn)、退狀態(tài)，為觸發(fā)拍照提供了觸發(fā)信號(hào)，確保拍到所有扣件，同時(shí)減少扣件的重復(fù)拍攝。光電編碼器與GPS系統(tǒng)相比，GPS系統(tǒng)的缺陷在于精度不如光電編碼器高，同時(shí)還受到外界條件的影響，比如隧道、山區(qū)信號(hào)弱，影響觸發(fā)拍攝的準(zhǔn)確性，因此在選擇速度信號(hào)時(shí)，優(yōu)先使用光電編碼器。采用的GPS系統(tǒng)定位得到地理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖片與地理位置的對(duì)應(yīng)。
[0019]光源使用紅外光，波長(zhǎng)為850匪至950匪的結(jié)構(gòu)光。所述紅外發(fā)光源5包括三道直線型光源，其中一道光源照射在距離該扣件邊緣3?7cm的軌枕上形成定位結(jié)構(gòu)光2，其余兩道光源I照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺桿41和彈條42上，另一道只照射在彈條42上。
[0020]所述圖像采集器采用紅外高速攝像頭。所述紅外高速攝像頭前面設(shè)置有濾光片，濾光片為大于SOOnm的高通濾片，能夠很好的和所用的紅外光源匹配。
[0021]紅外高速攝像頭和光源分別與扣件的連線呈現(xiàn)30?45度角度。攝像頭和扣件的連線垂直于照射在扣件上的光線。
[0022]本裝置通過以下幾個(gè)步驟工作:
[0023]第一步:打開系統(tǒng)的電源，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，打開GPS系統(tǒng)以及紅外光源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化設(shè)置，完成準(zhǔn)備工作；
[0024]第二步:由GPS系統(tǒng)提供的速度信息經(jīng)由控制系統(tǒng)對(duì)攝像頭進(jìn)行觸發(fā)拍攝，并且實(shí)時(shí)的保存拍攝下來的圖像，通過GPS和列車上的公里標(biāo)信息對(duì)圖片進(jìn)行編號(hào)保存，實(shí)現(xiàn)圖片時(shí)對(duì)地理位置的對(duì)應(yīng)，以便檢測(cè)問題扣件后能夠在線路上找到位置，對(duì)扣件進(jìn)行維護(hù)。通常動(dòng)檢車上裝載有輪對(duì)光電編碼器，且能提供開源的接口，從而能夠更為準(zhǔn)確的提供車輛的實(shí)時(shí)速度，在裝載有光電編碼器的車輛，使用該編碼器脈沖速度信號(hào)控制拍攝。
[0025]第三步:圖像處理系統(tǒng)通過圖像的預(yù)處理，先提取出照射在軌枕上的長(zhǎng)且平滑的定位結(jié)構(gòu)光2 (無論有砟無砟)，然后在圖像中定位軌枕的中心位置，再找到扣件區(qū)域，對(duì)扣件各個(gè)區(qū)域進(jìn)行關(guān)鍵的特征提取，達(dá)到有效快速的分析出扣件的狀況的目標(biāo)。
[0026]實(shí)驗(yàn)所采集到的正常軌枕的圖像:通過預(yù)處理后轉(zhuǎn)換成正常的二值圖，二值圖中白色部分為三條紅外結(jié)構(gòu)光源的照射效果。在圖像處理過程中，截取軌枕存在區(qū)域，先定位軌枕的中心位置，然后根據(jù)軌枕的位置定位螺桿和彈條的位置，再將每個(gè)部分單獨(dú)對(duì)比。
[0027]截取的軌枕部分單獨(dú)圖(軌枕的定位就是二值圖中尋找一條達(dá)到要求長(zhǎng)度的直線連通域，同時(shí)計(jì)算出該直線連通域的質(zhì)心)，確定了中心位置，再在二值圖中找到彈條位置和螺桿的相對(duì)位置。分別構(gòu)成第一圖，第二圖，第三圖。
[0028]再對(duì)第一圖，第二圖，第三圖的圖像中進(jìn)行比對(duì)分析。在比對(duì)過程中可以采取多種方式。在本例中，采用如下方式，如果彈條區(qū)域出現(xiàn)2個(gè)足夠大的白色連通域，表明該測(cè)扣件的彈條正常。中間螺桿的位置與標(biāo)準(zhǔn)模版進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配度確定扣件螺桿是否正常。(由于不同線路上采用的扣件類型不一樣，我們能夠針對(duì)性的對(duì)圖像進(jìn)行不同的分割和特征匹配)。
[0029]在試驗(yàn)過程中，我們模擬的扣件的病態(tài)情況，通過預(yù)處理后轉(zhuǎn)換的新的二值圖，將新的二值圖與正常的二值圖相比，差異巨大，從而可以明確的分析出扣件彈條和螺桿都不在，扣件螺桿尚在，彈條缺失，同理圖像反映也是很明顯。
[0030]顯然我們能夠在病態(tài)扣件和正?？奂D像中能夠找到很大的差異，而且圖像處理的計(jì)算量不大，從而快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)扣件識(shí)別。
【權(quán)利要求】
1.一種基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置，其特征在于:包括結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，所述結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)的紅外發(fā)光源和圖像采集系統(tǒng)的圖像采集器均置于車體底部軌枕的上方，所述紅外發(fā)光源置于軌道扣件的正上方并且紅外發(fā)光源垂直地面向軌道扣件照射形成平行于鐵軌的光帶，所述圖像采集器對(duì)準(zhǔn)所述軌道扣件拍攝并且其位置使得圖像采集器與照射在軌道扣件上的紅外光路形成30?45度的拍攝角度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置，其特征在于:所述紅外發(fā)光源和圖像采集器形成的直線與軌枕平行，每根鐵軌上設(shè)置有兩套所述結(jié)構(gòu)紅外光源系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)分別檢測(cè)該鐵軌內(nèi)外兩側(cè)的扣件。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置，其特征在于:所述紅外發(fā)光源包括三道直線型光源，其中一道照射在距離該檢測(cè)扣件邊緣3?7cm的軌枕上形成定位結(jié)構(gòu)光，其余兩道照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺桿和彈條上，另一道只照射在彈條上。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的基于結(jié)構(gòu)光的扣件缺失檢測(cè)裝置，其特征在于:還包括和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)或/和安裝在火車輪軸上的光電編碼器，所述GPS系統(tǒng)或/和安裝在火車輪軸上的光電編碼器與圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，所述圖像采集系統(tǒng)根據(jù)GPS系統(tǒng)或/和安裝在火車輪軸上的光電編碼器提供的速度信息經(jīng)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)圖像采集器進(jìn)行觸發(fā)拍攝，并且通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)的保存，在存儲(chǔ)的同時(shí)通過GPS在圖像上記錄位置信息。
【文檔編號(hào)】G01N21-95GK204287066SQ201420701416
【發(fā)明者】吳湘華, 劉彥, 王雷, 楊勇, 張東, 王一軍, 賀志軍, 余明揚(yáng), 陳 峰 [申請(qǐng)人]中南大學(xué), 中國(guó)鐵路總公司, 長(zhǎng)沙鐵信交通科技有限公司