專利名稱：一種非接觸式接觸線幾何參數(shù)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速鐵路檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于圖像處理的新型非接觸式接觸線幾何參數(shù)檢測方法。
背景技術(shù)：
在電氣化鐵路上為了延長機車受電弓的使用壽命，使受電工弓的滑板磨耗均勻，將接觸線在線路直線區(qū)布設(shè)成之字形。接觸網(wǎng)拉出值如果設(shè)置的小，達不到均勻滑板磨耗和延長受電弓壽命的目的；設(shè)置過大，如遇惡劣天氣，接觸線會越限，造成刮弓或鉆弓的事故，除此由于金具零件松動，支柱傾斜等，也會造成拉出值超出設(shè)計值，之字形拉出值一般為(480±10)mm，因而要經(jīng)常檢測接觸網(wǎng)拉出值。為了使電力機車受電弓與架空接觸線之間良好接觸，并保證有適當(dāng)?shù)慕佑|力，接觸線的高度有一定的要求，這個高度為(6000±30)mmD目前國內(nèi)外對接觸線幾何參數(shù)使用的檢測方法主要有:墜線加鋼尺、道尺測量法；測量桿加專用計算器測量法；光學(xué)測量法；DJJ多功能接觸網(wǎng)檢測儀等。這些檢測方法都取得了一定的效果，但不少方法存在測量不準確、危險性高、操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴笨重、檢測任務(wù)重強度大、抗干擾能力差等問題?；趫D像處理的接觸線幾何參數(shù)檢測尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于圖像處理的新型非接觸式接觸線幾何參數(shù)檢測方法，以解決現(xiàn)有接觸線幾何參數(shù)檢測效率低，系統(tǒng)靈活性差等缺點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種非接觸式接觸線幾何參數(shù)檢測方法，以如此構(gòu)成的幾何參數(shù)檢測裝置中采集高清圖像:激光器發(fā)射線形激光照亮其正上方的接觸線，再通過安裝于檢測車車頂?shù)母叻直媛矢邘蕯z像裝置采集，其中攝像機與激光器放在檢測車上的水平橫梁上，攝像機與橫梁呈現(xiàn)一定的角度，激光器垂直于橫梁朝上，橫梁在接觸網(wǎng)正下方且與軌道中心線平行；所述檢測裝置中安裝有振動傳感器實現(xiàn)對振動波形的監(jiān)測；完成對接觸線幾何參數(shù)的修正有經(jīng)圖像處理得到接觸網(wǎng)接觸線的導(dǎo)高、拉出值的精確檢測值，包括以下步驟:A、圖像采集步驟，激光器發(fā)射線激光打在接觸線上呈現(xiàn)亮斑，利用CCD攝像機采集裝置，實時采集接觸線高清圖像；B、圖像數(shù)據(jù)處理步驟，對采集的圖像進行預(yù)處理，并實現(xiàn)對其中激光打在接觸線位置的檢測和定位，求出成像平面坐標系中激光光斑中心點位置的坐標，完成該位置在“圖像坐標系一攝像機坐標系”以及“攝像機坐標系一檢測車坐標系”的轉(zhuǎn)換，給出接觸線在該處的導(dǎo)線高度和拉出值；C、根據(jù)振動傳感器的振動信號，檢測車多次行駛后的振動波形，擬合振動波形，對上述導(dǎo)線高度和拉出值進行補償，修正；D、將所述的監(jiān)控信息顯示在圖形化監(jiān)控界面中。
所述的圖像數(shù)據(jù)處理步驟中，由于線激光打在接觸線上位置強度最大，圖像中該處灰度值最大，直接對圖像二值化處理，再利用最優(yōu)閾值迭代及數(shù)字形態(tài)學(xué)去除孤立噪聲的方法，完成對激光光斑的定位以及光斑中心點在成像平面坐標系中坐標的提取。所述的圖像數(shù)據(jù)處理步驟中，還包括激光光斑中心點位置的坐標在“圖像坐標系一攝像機坐標系”以及“攝像機坐標系一檢測車坐標系”的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對該位置導(dǎo)線高度，拉出值的檢測。所述圖形化監(jiān)控界面包括:接觸線導(dǎo)高監(jiān)測控件、接觸線拉出值監(jiān)測控件、振動檢測控件，還包括對導(dǎo)高正常信息以及故障信息進行儲存。采用本發(fā)明視覺采集測量方法，對高清攝像機拍攝的接觸線進行分析，在檢測車運行下對海量圖像實時處理。具體是在檢測車頂橫梁上安裝激光器、高分辨率高幀頻CCD攝像機，激光器往接觸線上發(fā)射線激光，等間隔時間采集接觸線運行圖像，在設(shè)定的間隔時間內(nèi)可完成對接觸線導(dǎo)高、拉出值的計算。再通過檢測模型訓(xùn)練及在線測試、修正方案，適應(yīng)所檢測線路接觸線幾何參數(shù)的測量。本發(fā)明提出的基于圖像處理的新型非接觸式接觸線幾何參數(shù)檢測方法主要有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明直接通過圖像處理方法對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測，算法簡便，可批量處理海量圖像，克服了傳統(tǒng)人工檢測方法的缺陷，為接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的可靠性、快速性檢測提供一種較好的手段。2、與光學(xué)方法相比，隨著計算機處理器價格的急劇下降，機器視覺系統(tǒng)的成本效率也變得越來越高。3、機器視覺系統(tǒng)與光學(xué)傳感器等相比有更好的靈活性和適應(yīng)性，其硬件設(shè)備相對固定，所需的僅僅是軟件的相應(yīng)變化或升級而不是添置昂貴的硬件設(shè)備。4、機器視覺系統(tǒng)的操作和維護費用非常低，且系統(tǒng)穩(wěn)定。5、基于圖像處理的檢測方法是非接觸式的，對接觸網(wǎng)部件沒有任何磨損和危險，且能得到較為精準的導(dǎo)高、拉出值數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明提出的技術(shù)方案對于基于圖像處理的新型非接觸式接觸線幾何參數(shù)檢測是非常合適和有相當(dāng)發(fā)展前景的檢測手段。該技術(shù)能在檢測車運行中對接觸線進行非接觸、在線測量，克服了傳統(tǒng)方法只能在靜態(tài)下工作、難以適應(yīng)高速鐵路的需求等缺點，本發(fā)明經(jīng)實驗證明了檢測車運行下的實時檢測性能，并且在理論上具備高速下在線測量的能力，具有很好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的檢測裝置簡圖。圖2為本發(fā)明的實施例的硬件設(shè)備構(gòu)成圖。圖3為本發(fā)明本文提出方法的思路示意圖。圖4本發(fā)明的實施例檢測車參數(shù)標示圖。圖5為本發(fā)明計算機圖像示意圖。圖6為本發(fā)明用到的三角形相似關(guān)系示意圖。圖7為本發(fā)明激光光斑定位流程圖。
圖8為本發(fā)明圖像激光光斑定位圖(圖8a:原圖，圖8b:中值濾波效果圖，圖8c:形態(tài)學(xué)去噪效果圖，圖8d:激光光斑定位圖)。圖9為本發(fā)明界面功能示意圖。
具體實施方式
:下面結(jié)合在實驗拍攝的實際圖片對本發(fā)明的實施方案做進一步的詳述。結(jié)合圖1所示，其為本發(fā)明的檢測裝置簡圖。其中檢測車橫梁位于軌道中心線正上方；激光器垂直橫梁朝上，發(fā)射出的線激光區(qū)域大于接觸線最大拉出值；CCD攝像機與橫梁呈現(xiàn)一固定角度。工作原理為:檢測車沿著軌道前行的過程中，激光器發(fā)射線激光打在接觸線上，形成較亮的光斑，位于檢測車后端的傾斜向上的CCD攝像機將按照設(shè)定的時間間隔進行拍照。隨著接觸線的高低左右空間位置的不同，圖像中激光光斑的位置有著相應(yīng)的呈現(xiàn)。通過對光斑位置的定位可以較好的反應(yīng)接觸線導(dǎo)高，拉出值。在不考慮軌面高度變化的前提下，光斑距離圖像底端的距離可以反映出導(dǎo)高，光斑偏離圖像中心的距離能夠反映拉出值的變化量。圖2為本發(fā)明的實施例的硬件設(shè)備構(gòu)成圖。本發(fā)明硬件設(shè)備主要由檢測車橫梁上攝像裝置、用于測量的激光光源裝置、車底振動檢測裝置、用于圖像采集處理的數(shù)據(jù)采集處理單元(筆記本電腦)以及車底的車體振動補償測量裝置。圖3所示為本發(fā)明本文提出方法的思路示意圖。主要步驟為:包括以下步驟:首先使用采集控制信號等時間間隔的采集高清圖像，再利用中值濾波、圖像灰度化等技術(shù)完成圖像預(yù)處理；接著使用閾值迭代法及數(shù)字形態(tài)學(xué)去除孤立噪聲法，實現(xiàn)對激光光斑中心點的定位以及坐標提??；然后提 取匹配的目標區(qū)域，并對其橫向灰度奇異值檢測；再利用“圖像坐標系一攝像機坐標系”以及“攝像機坐標系一檢測車坐標系”的轉(zhuǎn)換，給出接觸線在該處的導(dǎo)線高度和拉出值，再補償車體振動；最終給出導(dǎo)高、拉出值的精確檢測值，將幾個參數(shù)信息顯示在開發(fā)的圖形化監(jiān)控界面中。圖4本發(fā)明的實施例檢測車參數(shù)標示圖。攝像機的主光軸為直線1，激光器與攝像機水平間距為L，圖像所在平面為AB，檢測車橫梁與接觸線間距為H1，檢測車橫梁與鋼軌中心線垂直距離為d。結(jié)合圖4所示，實施例中搭建CXD攝像機針孔模型如下:CCD攝像機標定采用的模型一般分為線性和非線性兩種。線性模型即為針孔模型，本發(fā)明使用的標定方法檢測車坐標系，攝像機坐標系和計算機坐標系定義如圖4所示。檢測車坐標系原點在檢測車重心位置，X軸垂直紙面向里，y軸垂直于軌面向上，z軸沿著軌道向右；攝像機坐標系原點為0a，Za和攝像機主光軸的方向保持一致，ya垂直于Za向上，Xa軸垂直紙面向里，與檢測車坐標系保持一致。圖中成像平面為AB，與光軸垂直，距離Oa長度為f(攝像機的焦距)。易知,攝像機坐標系順時針旋轉(zhuǎn)Θ，再沿旋轉(zhuǎn)后坐標系的y軸移動-d,沿z軸移動L/2即為檢測車坐標系。旋轉(zhuǎn)變換齊次矩陣為:
權(quán)利要求
1.一種非接觸式接觸線幾何參數(shù)檢測方法，以如此構(gòu)成的幾何參數(shù)檢測裝置中采集高清圖像:激光器發(fā)射線形激光照亮其正上方的接觸線，再通過安裝于檢測車車頂?shù)母叻直媛矢邘蕯z像裝置采集，其中攝像機與激光器放在檢測車上的水平橫梁上，攝像機與橫梁呈現(xiàn)一定的角度，激光器垂直于橫梁朝上，橫梁在接觸網(wǎng)正下方且與軌道中心線平行；所述檢測裝置中安裝有振動傳感器實現(xiàn)對振動波形的監(jiān)測；完成對接觸線幾何參數(shù)的修正有經(jīng)圖像處理得到接觸網(wǎng)接觸線的導(dǎo)高、拉出值的精確檢測值，包括以下步驟: A、圖像采集步驟，激光器發(fā)射線激光打在接觸線上呈現(xiàn)亮斑，利用CCD攝像機采集裝置，實時采集接觸線高清圖像； B、圖像數(shù)據(jù)處理步驟，對采集的圖像進行預(yù)處理，并實現(xiàn)對其中激光打在接觸線位置的檢測和定位，求出成像平面坐標系中激光光斑中心點位置的坐標，完成該位置在“圖像坐標系一攝像機坐標系”以及“攝像機坐標系一檢測車坐標系”的轉(zhuǎn)換，給出接觸線在該處的導(dǎo)線高度和拉出值； C、根據(jù)振動傳感器的振動信號，檢測車多次行駛后的振動波形，擬合振動波形，對上述導(dǎo)線高度和拉出值進行補償，修正； D、將所述的監(jiān)控信息顯示在圖形化監(jiān)控界面中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的圖像數(shù)據(jù)處理步驟中，由于線激光打在接觸線上位置強度最大，圖像中該處灰度值最大，直接對圖像二值化處理，再利用最優(yōu)閾值迭代及數(shù)字形態(tài)學(xué)去除孤立噪聲的方法，完成對激光光斑的定位以及光斑中心點在成像平面坐標系中坐標的提取。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的圖像數(shù)據(jù)處理步驟中，還包括激光光斑中心點位置的坐標在“圖像坐標系一攝像機坐標系”以及“攝像機坐標系一檢測車坐標系”的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對該位置導(dǎo)線高度，拉出值的檢測。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述圖形化監(jiān)控界面包括:接觸線導(dǎo)高監(jiān)測控件、接觸線拉出值監(jiān)測控件、振動檢測控件。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述圖形化監(jiān)控界面還包括對導(dǎo)高正常信息以及故障信息進行儲存。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非接觸式接觸線幾何參數(shù)檢測方法。包括以下步驟首先使用采集控制信號等時間間隔的采集高清圖像，再利用中值濾波、圖像灰度化等技術(shù)完成圖像預(yù)處理；接著使用閾值迭代法及數(shù)字形態(tài)學(xué)去除孤立噪聲法，實現(xiàn)對激光光斑中心點的定位以及坐標提取；然后提取匹配的目標區(qū)域，并對其橫向灰度奇異值檢測；再利用“圖像坐標系—攝像機坐標系”以及“攝像機坐標系—檢測車坐標系”的轉(zhuǎn)換，給出接觸線在該處的導(dǎo)線高度和拉出值，再補償車體振動；最終給出導(dǎo)高、拉出值的精確檢測值，將幾個參數(shù)信息顯示在開發(fā)的圖形化監(jiān)控界面中。本發(fā)明方法有效地提高了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的檢測效率，簡化了算法的同時提高了故障檢測的精準性，能較針對性的提高高鐵接觸網(wǎng)的安全可靠性。
文檔編號G01B11/00GK103217111SQ201310071588
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者劉志剛, 張桂南, 王韜, 韓志偉, 韓燁 申請人:西南交通大學(xué)