CN101045459B - 非接触式ccd高速动态检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁路交通管理类，特别涉及一种非接触式高速动态检测装置，该装置由摄像头、照明光源、计算机测控处理设备组成，其中的摄像头与照明光源分别与计算机测控处理设备连接，摄像头采用的是场效应电荷耦合线阵列CCD高速摄像系统，照明光源采用的是静态LED超高亮发光二极管组成的面阵列光源，其优点是，可以在检测过程中接触网不停电、不占用天窗、不打乱复杂的运输秩序，列车在高速运行状态下就可进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及铁路交通管理类，特别涉及一种非接触式CCD高速动态检测装置。
背景技术
目前接触线磨损、几何位置、钢轨踏面磨损和轨距等参数的检测，仍采用传统的检测方法，在接触线断电、占用施工天窗的情况下去测量接触线的磨耗程度、几何位置及钢轨的各项指标。在铁路运营十分紧张的情况下，这种耗费大量人力物力，而且抽样点少导致人为误差大的做法已经不适应当代铁路发展的要求。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种非接触式CCD高速动态检测装置，该装置采用了适合检测高速运动物体外形尺寸及几何位置的场效应电荷耦合线阵列CCD高速摄像头以及LED发光二极管阵列光源，相机在任何情况下都能找到目标物体，使得检测采集密度很高，检测结果精确。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
本发明由摄像头、照明光源、计算机测控处理设备以及一套专用图像识别处理软件组成，其中的摄像头与照明光源分别与计算机测控处理设备连接。
摄像头采用的是场效应电荷耦合线阵列CCD高速摄像头，照明光源采用的是静态LED发光二极管组成的面阵列光源。
本发明的优点是，可以在检测过程中接触网不停电、不占用天窗、不打乱复杂的运输秩序，列车在高速运行状态下就可进行连续检测，而且检测结果精确。
附图概述
附图1为本发明结构示意图；
附图2为本发明检测原理图；
附图3为本发明实施例中轨道检测原理图；
附图4为实施例用户软件系统模块示意图；
附图5为实施例摄像流程示意图；
附图6为实施例图像解析流程示意图；
附图7为实施例GPS定位流程示意图；
具体技术方案
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-7所示，附图中的总参考标号1-12分别表示：接触线1、摄像机2、摄像机3、数据处理计算机4、测控计算机5、LED光源6、车底7、主光轴8、水平面9、钢轨10、钢轨内侧11、钢轨外侧12。
实施例1：本实施例是针对铁路接触线磨损的非接触式动态检测。
本实施例由两台适合检测高速运动物体外形尺寸的场效应电荷耦合线阵列CCD高速摄像机2、3、LED发光二极管面阵列光源6、测控计算机5、数据处理计算机4组成，其中两台高速摄像机2、3和LED发光二极管光源6与测控计算机5通过网卡相连，所述的网卡包括LED光源控制卡、数据采集卡、GPS数据采集卡等等，测控计算机5与数据处理计算机4连接构成了计算机测控处理设备。整个装置控制原理流程如图(一)所示。
本实施例共设置了两台计算机，前台是测控计算机5，负责CCD摄像机2、3、数据采集卡的协调工作，以及接触线1的轮廓图像采集；后台是数据处理计算机4，主要负责接触线的轮廓图像的解析，两台计算机之间通过网卡连接。
线阵列CCD摄像机2、3所需要的摄像控制信号以及摄像机的图像输出信号需要专门的数据采集卡和测控计算机5连接。
本实施例采用的照明光源6是以静态LED发光二极管组成的面阵列光源为单位，合成面积为0.6m×2.4m的具有聚光效应的照明光源，此处合成面积的选择可以根据实际需要进行变动。在列车运动方向上将照明光源6以一定的倾斜角摆放于车顶的平台上(此时需考虑安全高度)，倾斜角度的选择应该使其对应于接受反射光的CCD摄像头。由于受摄像机镜头景深的限制，不能在上下位移100cm的接触线进行精确测量，可以采用数组同样的摄像头同时采样，各取上下一段来补偿景深的不足。
在接触线1中心位置下两边车顶在同一平面上以一定的角度安装两个CCD高速摄像机2、3，也可以根据实际需要设置多个摄像机，通常以2-8个为宜。
所述的接触线1指的是，为电力机车提供牵引力的带电架空导线，机车通过受电弓与之接触引导电流。
通常接触线1沿轨距中心线±0.4米呈“之”字型架设，电竿距离50米，时速108公里列车运行时接触线水平方向运动的秒速为0.5米；强侧风引起接触线水平方向运动的秒速为0.1米；重力作用下接触线的垂直高度有0.2米的落差，那么接触线垂直方向运动的秒速为0.1米；接触线受到受电弓垂直方向撞击，产生垂直方向沿接触线传播的纵波，到达摄像机上方时虽然频率不变，但振幅已经变小，接触线垂直方向运动的秒速不大于0.2米
接触线1在运动中左右摇摆幅度为中心线两边各45cm左右，铁轨和站台上下最大落差为100cm左右。接触线1在使用状态中由于不断摩擦，底部近似于一个光滑的铜镜。将摄像机2、3的摄像头聚焦于一个指定的位置，该位置应该为接触线1的最小可能高度，聚焦所摄取的有效宽度为90cm，90cm为拍摄的最小宽度，再小就拍不到所有状态，再大就是浪费，会使得求出的接触线1磨损值精度降低。当光反射到接触线1后反射入CCD摄像头2、3，检测到的电荷信号就可以转换成图像信号，由相应的图像采集卡采集后经软件处理。因而如果摄像头2、3入射光是接触线1的反射光，图像就是接触线1的轮廓。
根据接触线图像轮廓线的灰度，把轮廓线分成数段，用每段像素的灰度值建立二次函数，进而求出二次函数的极值点和拐点，凸显图像边缘和图像中的棱线，精确定位磨损的底部和残剩部分的位置，这样也就精确求出残剩高度。根据摄像机中接触线的成像位置，对轮廓线进行误差补偿。根据相邻电线竿间接触线的连续测量数据，可以计算出接触线与轨道中心线的夹角，根据夹角再次对轮廓线进行误差补偿。对于车辆晃动以及道床不平整，采用激光陀螺来校正水平度。
目前市场上能见到解析精度达到8192×1像素单色线阵列CCD器件的扫描速度可以达到50KHZ。如果以CCD摄像机作为参照物，根据运动的相对性原理，时速108公里的列车运行时，相当于接触线在X-Y平面内以小于1米/秒的速度运动，假如CCD摄像机的电子快门时间为50微秒，则接触线在X-Y平面内移动50微米，图像的边缘是清晰的，同时时速108公里列车运行时， 沿前进方向每隔1.5mm可采样一点，因此结果是采集密度高，可信度强。
线阵列CCD是以金属-氧化物-半导体(MOS)为基本单元的场效应电荷耦合器件，CCD是英文Charge Coupled Devices的缩写。金属-氧化物＝半导体(MOS)为基本单元排列成单一的列就构成了线阵列CCD。电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。当光入射到线阵列CCD表面光子的能量大于发生本征吸收的条件或者波长符合杂质吸收的条件就引起光电效应，产生电荷。线阵列CCD主要工作是产生电荷、存储、传输和检测电荷信号。如果入射光是物体的反射光，检测到的电荷信号就可以转换成图像信号，例如入射光是接触线的反射光，图像就是接触线的轮廓。
本实施例同样适用于城市地铁、轻轨的接触线非接触式检测。
实施例2：本实施例是针对钢轨内侧踏面磨损、轨距、轨道平整度和轨道倾斜角的非接触式动态检测。
检测基本原理同实施例1相同。如图3所示，在检测车车底7中轴线两侧对称安装两台CCD摄像机2、3，摄像机2、3的主光轴8同车底7的夹角为α，摄像机2、3拍摄到的图像位置求出钢轨外侧12同车底7的夹角β1、β2，摄相机的视场角为ω、车底7和水平面9的夹角为θ，摄像机间距为d、钢轨10轨头成像高度分别为h1和h2。这些几何参数已经满足了检测钢轨内侧11踏面磨损、轨距、轨道平整度和轨道倾斜角的要求。
检测钢轨内侧11踏面磨损：线路曲线处钢轨内侧11受到轮对的挤压，磨损快，踏面变型大，图3中左、右侧钢轨10的成像高度h1＞h2，由此可推算出钢轨内侧踏面磨损的磨损程度。
轨距检测：图3中钢轨外侧面边缘在摄像机内的成像位置是可知的，加上图3供的其它参数和钢轨的形状参数，可求出轨距。
轨道平整度检测和轨道倾斜角检测：由图3中的θ、β1、β2角和其它已知条件，可推算出轨道倾斜角，由轨道倾斜角的变化率可计算出轨道平整度。
本发明在实际应用中，在列车高速运行(车速200-300公里/小时)条件下，进行车载动态非接触式钢轨踏面磨损检测、车载动态非接触式轨道动态规矩检测、车载动态非接触式轨道动态道床平整度检测、车载动态非接触式轨道动态道床倾斜角检测、车载动态非接触式车辆晃动检测等。作为能适应列车高速运行条件，以更快的速度、更高的精度，在不占用天窗、不打乱复 杂的运输秩序的情况下完成钢轨踏面磨损、道床平整度、道床倾斜角等方面的检测，也可以对车辆晃动方面进行检测，为铁路运输安全提供工务方面的预测、预警，科学决策维护时间和规模提供可靠依据。
Claims (5)
1.一种非接触式高速动态检测装置，其特征在于该装置由摄像头、照明光源、计算机测控处理设备以及一套专用图像识别处理软件组成，其中的摄像头与照明光源分别与计算机测控处理设备连接，所述摄像头采用的是场效应电荷耦合线阵列CCD高速摄像系统，所述照明光源采用的是静态LED发光二极管组成的面阵列光源，所述LED面阵列照明光源和线阵列CCD高速摄像系统成一定的角度放置，角度的选择应该使所述LED面阵列照明光源对应于接受反射光的CCD高速摄像系统，所述CCD高速摄像系统是在同一平面上以一定的角度设置两个CCD高速摄像机，且CCD高速摄像机的摄像头聚焦于目标物体。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式高速动态检测装置，其特征在于所述的计算机测控处理设备由测控计算机、数据处理计算机组成。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式高速动态检测装置，其特征在于所述的CCD高速摄像系统和照明光源与测控计算机通过网卡相连，所述的网卡包括数据采集卡、GPS数据采集卡和LED光源控制卡。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式高速动态检测装置，其特征在于所述的照明光源是以静态LED发光二极管组成的面阵列光源为单位，合成面积为0.6m×2.4m的具有聚光效应的照明光源。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式高速动态检测装置，其特征在于所设置的CCD高速摄像系统为2-8个。
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