CN101982609B - 捣固车光电测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捣固车光电测量系统和方法，该系统包括前、中、后三部测量小车，光学成像透镜、CCD相机和照明光源，还包括嵌入式处理平台和信号线缆，CCD相机均通过信号线缆与嵌入式处理平台相连，信号线缆中含有保证四台CCD相机在同一时刻开始拍摄图像的同步信号线，嵌入式处理平台通过信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号，四台CCD相机将同步拍摄的照明光源对应的光学成像透镜成像后的图像数据一起发送到嵌入式处理平台中进行耦合分析，计算出铁轨线路的几何位置。该捣固车光电测量系统能够更好地适应捣固车现场要求，提高测量精度。

Description

捣固车光电测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种铁路养护中轨道参数测量装置，特别是一种捣固车光电测量系统及方法。

背景技术

随着铁路六次大提速后，铁路线路质量的要求大大提高，靠人工检测和维护线路质量已经不可能。必须采用大型养路机械—捣固车对线路进行自动检测和维护，捣固车是能够同时检测与修复铁轨线路参数的专用车辆，其核心是对铁轨线路参数的测量，其测量的精度直接关系到捣固车的性能和捣固作业质量。捣固车对轨道参数的测量方法通常是采用传统的钢丝弦测法，该方法是在捣固车从前到后依次设置检测小车D、C、B和A，在前、后检测小车D和A之间张紧一根钢丝作为弦线，在B、C检测小车上装有位移传感器，用来测量钢丝至铁轨的距离，弦线位于轨道中心线上，故捣固车在圆曲线上时，就能测出C、B两检测小车在圆曲线上两点间的矢距。但是，这样的钢丝弦测法由于受到钢丝本身的质量与张力等因素的限制，存在测量精度低，钢丝易磨损，抗振动环境差，维护较困难等缺点，已不能适应高速铁路的发展要求。

为了解决传统的钢丝弦测法存在的问题，目前已有在捣固车上设置光电测试装置来检测铁轨线路参数的方法，如申请号为200810052352.6、申请人为天津市开希机器视觉技术有限公司、名称为用于捣固车的铁路线路参数光电测试装置及其检测方法的发明专利申请，公开了一种光电测试装置，由固态光电接收装置和照明光源组成，作业区设有前、中、后、终点四部测量小车，中部测量小车安装有固态光电接收装置，前部测量小车中部、后部测量小车左右两侧及终点测量小车中部作为四个测量位均安装照明光源，固态光电接收装置由四个光学成像透镜组、四个CCD电荷耦合器件和相应的处理电路板组成，且每两个光学透镜组和两个CCD器件形成独立的光电系统，前光电系统接收前部测量位的照明光源发出的光线，后光电系统接收后部测量位左右两个照明光源（及终点测量位照明光源）发出的光线，两个光电系统分别将成像转变为电信号送至计算机处理，最终计算出线路的方向、线路的纵平和作业后线路的超高等参数。但是捣固车在工作过程中总会发生振动而导致固态光电接收装置随之发生振动，由于固态光电接收装置是前后两个独立的光电系统分别接收前部和后部设置的照明光源的信号，并分别将各自得到的图像数据送至计算机处理，如当某测量位因为随捣固车振动而发生位置偏移时，即此处的照明光源当前位置相比原有位置存在偏差（如左右偏差或上下偏差），这样光电系统拍摄得到的照明光源的成像位置会发生改变，将图像数据输送至计算机处理后，导致计算得出的线路的方向、线路的纵平和作业后线路的超高等参数都会存在很大误差，故降低了测量精度，无法满足捣固车现场要求。

发明内容

本发明针对在检测与修复铁轨线路参数时捣固车采用传统的钢丝弦测法存在测量精度低，钢丝易磨损，抗振动环境差，维护较困难，而现有的在捣固车上设置光电测试装置来检测铁轨线路参数的方法，由于振动引发测量位偏移而导致测量参数有误差从而降低测量精度问题，提供一种新型捣固车光电测量系统及方法，能够更好地适应捣固车现场要求，提高测量精度。

本发明的技术方案如下：

一种捣固车光电测量系统，包括前、中、后三部测量小车，还包括光学成像透镜、CCD相机和照明光源，所述光学成像透镜和CCD相机均设置于中部测量小车中，所述照明光源为三个远端点光源，分别设置于前部测量小车的前方及后部测量小车后方的左右两侧；所述CCD相机呈2*2前后并排排列，每台CCD相机前端均设置有一个光学成像透镜，前排CCD相机采集前部测量小车的前方的照明光源的信号，后排CCD相机采集后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的信号，其特征在于，还包括嵌入式处理平台和信号线缆，所述CCD相机均通过信号线缆与嵌入式处理平台相连，所述信号线缆中含有保证四台CCD相机在同一时刻开始拍摄图像的同步信号线，所述嵌入式处理平台通过信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号，所述四台CCD相机将同步拍摄的照明光源对应的光学成像透镜成像后的图像数据一起发送到嵌入式处理平台中进行耦合分析，计算出铁轨线路的几何位置。

所述计算铁轨线路的几何位置包括计算各照明光源相对中部测量小车的位置，组合各照明光源间的相对位置变化，对计算出的照明光源位置进行补偿修正，从而计算出轨道的曲率和高度差以得到铁轨线路参数，所述铁轨线路参数包括线路的方向、线路的纵平和作业后线路的超高。

还包括终部测量小车，所述照明光源还包括设置于终部测量小车的后方的第四个远端点光源，后排CCD相机还同步采集该第四个远端点光源的信号。

所述照明光源为激光光源。

所述CCD相机采用数字输出式线阵CCD相机。

所述CCD相机具有可根据外部命令控制拍摄时刻的外触发模式。

所述光学成像透镜包括标准成像镜头和柱透镜，所述柱透镜先将接收到的照明光源的光锥面汇聚成一条线，标准成像镜头再将线聚焦到并排排列且相互倾斜45度的CCD相机的靶面上。

还包括独立的用于实现与火车主电源隔离和滤波的二次电源模块。

还包括前后电子摆，前电子摆与前部测量小车的前方的照明光源在同一位置，后电子摆在后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的中间，嵌入式处理平台通过信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号的同时，同步采集前后电子摆的数据和测量小车位移数据，组合所有的数据计算照明光源所在位置的轨道参数，并通过以太网接口向捣固车主控系统发送计算结果。

一种捣固车光电测量方法，将四台CCD相机和各自前端对应的光学成像透镜设置于中部测量小车上，将照明光源分别设置于前部测量小车的前方及后部测量小车后方的左右两侧，前排的两台CCD相机采集前部测量小车的前方的照明光源的信号，后排的两台CCD相机采集后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的信号，其特征在于，通过嵌入式处理平台经信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号，然后四台CCD相机将同步拍摄的照明光源对应的光学成像透镜成像后的图像数据一起发送到嵌入式处理平台中进行耦合分析，计算出铁轨线路的几何位置。

在测量之前还包括初始步骤，所述初始步骤为嵌入式处理系统通过以太网接口接收捣固车主控系统发出的指令，完成对CCD相机、照明光源、电源配置，以及轨道参数初始化工作以准备好进行图像采集和处理。

在前部测量小车的前方的照明光源处设置前电子摆，在后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的中间处设置后电子摆；所述初始步骤之后嵌入式处理平台还发出同步工作命令，在四台CCD相机同步采集各照明光源图像的同时嵌入式处理平台还采集前后电子摆和测量小车位置数据。

嵌入式处理平台进行耦合分析包括计算各照明光源相对中部测量小车的位置，组合各照明光源间的相对位置变化，对计算出的照明光源位置进行补偿修正，及计算出中部测量小车所在位置处铁轨的正矢和超高。

还包括终部测量小车，所述照明光源还包括设置于终部测量小车的后方的第四个远端点光源，后排CCD相机还同步采集该第四个远端点光源的信号。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的捣固车光电测量系统，包括光学成像透镜、CCD相机、照明光源、嵌入式处理平台和信号线缆，嵌入式处理平台通过信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号，四台CCD相机同步拍摄各自对应的照明光源经光学成像透镜成像后的图像，并将图像结果统一发送到嵌入式处理平台中耦合在一起分析，即在计算某测量位的相对位置时，也会受到所有已采集到的其它测量位的参与，故在计算时能够抵消由于振动引发的测量位偏移，减少测量参数的误差，可以更好地适应铁路捣固车现场要求，由于该系统并非将前后两个独立的光电系统发送的图像数据单独分析，故即使捣固车在工作过程中会发生振动，该系统能够精确计算得出的线路的方向、线路的纵平和作业后线路的超高等参数。采用光电原理测量轨道纵平和横平参数，可替代原钢丝弦线的轨道参数测量装置，避免了传统的钢丝弦测法存在测量精度低，钢丝易磨损，抗振动环境差，维护较困难的问题，又避免了采用每两个光学透镜组和两个CCD器件形成独立的光电系统测量造成的测量精度低的问题，本发明的该系统提高了测量精度，可以满足捣固车现场要求。

设置第四个远端点光源，使得该系统能够进行四点法测量，同时还能够实现三点法和四点法转换。

设置独立的二次电源模块，实现与火车主电源隔离和滤波。降低主电源由于发动机状态变化引起的电源波动和电磁干扰，可以保护测量系统内各电气模块。

本发明涉及的捣固车光电测量方法，通过嵌入式处理平台经信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号，然后四台CCD相机将同步拍摄的照明光源对应的光学成像透镜成像后的图像数据一起发送到嵌入式处理平台中进行耦合分析，计算出铁轨线路的几何位置，提高了测量精度，很大程度上减少误差。

附图说明

图1为本发明捣固车光电测量系统实施例一俯视结构示意图。

图2为本发明捣固车光电测量系统实施例二的结构示意图。

图3为本发明优选的捣固车光电测量方法的流程图。

图4为BD段铁轨正矢r计算原理图。

图5为中部测量小车超高h计算原理图。

图中各标号列示如下：

1-铁轨；2-终部测量小车；3-后部测量小车；4-中部测量小车；5-前部测量小车；6-测量模组；7-CCD相机；8-CCD相机；9-CCD相机；10-CCD相机；11-镜头；12-镜头；13-镜头；14-镜头；15-嵌入式处理平台；16-信号线缆；17-以太网接口；18-前电子摆；19-后电子摆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

图1为本发明捣固车光电测量系统实施例一俯视结构示意图，包括随捣固车在铁轨1上一起运动的四个测量小车，即终部测量小车2、后部测量小车3、中部测量小车4及前部测量小车5，在测量小车2、3、5上依次设置四个测量点A、B1、B2、D，在测量点处分别设置有照明光源，该光源为远程点光源，照明光源提供用于测量的高亮度可控光源，是测量的基准点，可采用光点小、亮度高的激光光源，其中照明光源A和D位于铁轨断面的中线上，照明光源B1和B2以铁轨中线左右对称，间隔600毫米放置。A、B1和B2位于捣固车测量小车后方，D位于捣固车测量小车前方。此外，照明光源可通过嵌入式处理平台15远程控制实现三点法（B1、B2、D）和四点法（A、B1、B2、D）转换。

测量模组6设置在中部测量小车4上，用于收集照明光源发出的光线角度，计算出照明光源相对于测量点的位置信息，是测量的核心部件。测量模组6包括光学成像透镜、CCD相机和嵌入式处理平台，其中，光学成像透镜和CCD相机均设置有四个，每台CCD相机前端均设置有一个光学成像透镜，四个CCD相机呈2*2阵列前后并排排列，前排两台CCD相机采集前部测量小车5的前方的照明光源（即D处）的信号，后排两台CCD相机采集后部测量小车3后方的左右两侧（即B1和B2处）的照明光源的信号，四台CCD相机在嵌入式处理平台的控制下同步拍摄照明光源对应的光学成像透镜成像后的图像，并各自得到的图像数据一起发送到嵌入式处理平台中进行耦合分析，计算出照明光源的精确位置，从而计算出轨道的曲率和高度差以得到铁轨线路的方向、纵平和作业后线路的超高等铁轨线路参数，可以更好地适应铁路捣固车现场要求，提高测量精度。

图2为本发明捣固车光电测量系统实施例二的结构示意图，该测量系统包括四个远端点照明光源A、B1、B2、D，设置在中部测量小车4上的测量模组6可随捣固车一起运动，也可以相对捣固车前后移动，包括四台带镜头的CCD相机、嵌入式处理平台15、信号线缆16、以太网接口17，其中，四台带镜头的CCD相机为CCD相机7-10及各自对应的镜头11-14，该CCD相机优选采用数字输出式线阵CCD相机，图像数据通过高速通道输入嵌入式处理平台处理，CCD相机具有外触发模式，可根据外部命令控制拍摄时刻。使用相互倾斜45度放置的CCD相机7、8拍摄照明光源D，另两台CCD相机9、10也是相互倾斜45度放置用于拍摄照明光源A、B1、B2，通过四台线阵CCD相机实时采集由照明光源D、B和A生成的图像，计算A、B1、B2、D相对于中部测量小车（或C处）的精确位置，进而计算出C处位置轨道的曲率、高度差等重要参数。在计算某测量位的相对位置时，也会受到所有已采集到的其它测量位的参与：假设由于捣固车的振动D点发生偏移，如高度方向存在向下偏差时，此时A、B1、B2点高度方向相应抬高，则在计算时会通过对A、B1、B2高度方向的位置差来修正D点高度方向的偏差，故在计算时能够抵消由于振动引发的测量位偏移，减少测量参数的误差，可以更好地适应铁路捣固车现场要求。为实现数据高速采集，照明光源可以通过光学成像透镜如柱透镜配合线阵CCD相机采样，通过两个分别与水平面左右倾斜45°的柱面镜将照明光源成像为左右倾斜45°的光条纹，而两个线阵CCD相机与柱面镜方向（光条纹方向）垂直布置，成像镜头再将线聚焦到并排排列且相互倾斜45度的CCD相机的靶面上。根据两个方向的光条纹与对应线阵CCD的交点，结合视觉系统参数，可以计算出被观测照明光源的位置。

图1中所示A、C、D之间相对位置不变，AB从12.615～11.415米变化，BC从5.88～7.08米变化，其中B为B1与B2连线的中点；测量范围±450mm×±450mm；测量精度D、B点均为0.2mm。图2中所示实施例，该测量系统中还设置有独立的二次电源模块，实现与火车主电源隔离和滤波。降低主电源由于发动机状态变化引起的电源波动和电磁干扰，可以保护测量系统内各电气模块。还包括前后电子摆，前电子摆18与D点在同一位置，后电子摆19设置在B1和B2中间。嵌入式处理平台15是测量系统的控制核心，它通过信号线缆16发出四台CCD相机同步采图信号，同时同步采集前后电子摆18、19的数据和各测量小车位移数据，组合所有的数据计算测量装置所在位置的轨道参数，并通过以太网接口17向捣固车主控系统发送计算结果。

本发明还公开一种捣固车光电测量方法，该方法将四台CCD相机和各自前端对应的光学成像透镜设置于中部测量小车上，将照明光源分别设置于前部测量小车的前方及后部测量小车后方的左右两侧，前排的两台CCD相机采集前部测量小车的前方的照明光源的信号，后排的两台CCD相机采集后部测量小车后方的左右两侧及终部测量小车的后方的照明光源的信号；在前部测量小车的前方的照明光源处设置前电子摆，在后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的中间处设置后电子摆；通过嵌入式处理平台经信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号，同时同步采集前后电子摆的数据和小车位移数据，然后四台CCD相机将同步拍摄的照明光源对应的光学成像透镜成像后的图像数据一起发送到嵌入式处理平台中进行耦合分析，组合所有的数据计算出铁轨线路的几何位置的轨道参数，并通过以太网接口向捣固车主控系统发送计算结果。其流程图如图3所示，具体步骤如下：

（1）通过以太网接口接收捣固车主控系统发出的指令，完成对CCD相机、照明光源、二次电源模块配置，以及轨道参数初始化等工作，准备好进行图像采集和处理。

（2）嵌入式处理平台发出同步工作命令，四台CCD相机同步采集各照明光源图像；同时采集前后电子摆和各测量小车位置数据。

（3）组合CCD相机7和CCD相机8的图像，计算照明光源D在铁轨断面上相对中部测量小车4位置；组合CCD相机9和CCD相机10图像，计算照明光源B1、B2，以及A（四点法时）在铁轨断面上相对中部测量小车4位置；组合四个照明光源间的相对位置变化，计算中部测量小车的姿态变化，对计算出的照明光源位置进行补偿修正。

（4）通过前后电子摆的数据获得轨道断面与当地垂线的夹角。

（5）由于光源间相对位置是固定的，根据中部测量小车4的位置，可以计算出中部测量小车4与各照明光源的距离。组合四个光源在铁轨断面上相对中部测量小车4的位置，可以计算出中部测量小车4所在位置处铁轨的正矢。

（6）根据电子摆指示的角度，组合照明光源B1和B2高度差，以及中测量小车4与照明光源B1、B2小车距离，可以计算出中测量小车4位置两侧铁轨的超高。

（7）将计算得到的正矢和超高，通过以太网发送到捣固车主控系统。

图4为BD段铁轨正矢r计算原理图。通过CCD相机9和10拍摄的图像分别计算出照明光源B1和B2相对C处CCD相机9和10的位置在水平上投影，求平均后获得后部测量小车铁轨中心处与中部测量小车铁轨中心在水平方向位置差Rb；通过CCD相机7和8拍摄的图像计算出照明光源D相对C处CCD相机7和8的位置在水平方向投影，得到前部测量小车铁轨中心处与中部测量小车铁轨中心在水平方向位置差Rd；

中部测量小车的C处正矢（矢距）r=(Rb-Rd)*Ldc/(Ldc+Lbc)+Rd

图5为中部测量小车超高h计算原理图。假设电子摆测量的后测量小车倾斜角为θ，L12为照明光源B1和B2的安装间距，Lr为铁轨轨距，H12为B1和B2相对中部测量小车C处测量得到的高度差。

中部测量小车C处超高h=Lr*(tgθ+H12/L12)

采用本发明的光电测量方法可以克服钢丝磨损后产生系统测量误差的缺点，提供高精度、高速度的铁轨参数测量结果。由于测量速度快，可以利用多次测量结果进行分析和处理后再给出最终测量值，提高测量结果对环境振动的抗干扰能力。

优选地，将四台带镜头的CCD相机、嵌入式处理平台、信号线缆、以太网接口等统一密闭封装到一个箱体中，可满足火车车体外部安装要求。每个照明光源都单独密闭封装，可满足火车车体外部安装要求。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (12)

1.一种捣固车光电测量系统，包括前、中、后三部测量小车，还包括光学成像透镜、CCD相机和照明光源，所述光学成像透镜和CCD相机均设置于中部测量小车中，所述照明光源为三个远端点光源，分别设置于前部测量小车的前方及后部测量小车后方的左右两侧；所述CCD相机呈2*2前后并排排列，每台CCD相机前端均设置有一个光学成像透镜，前排CCD相机采集前部测量小车的前方的照明光源的信号，后排CCD相机采集后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的信号，其特征在于，还包括嵌入式处理平台和信号线缆，所述CCD相机均通过信号线缆与嵌入式处理平台相连，所述信号线缆中含有保证四台CCD相机在同一时刻开始拍摄图像的同步信号线，所述嵌入式处理平台通过信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号，所述四台CCD相机将同步拍摄的照明光源对应的光学成像透镜成像后的图像数据一起发送到嵌入式处理平台中进行耦合分析，计算出铁轨线路的几何位置；所述计算铁轨线路的几何位置包括计算各照明光源相对中部测量小车的位置，组合各照明光源间的相对位置变化，对计算出的照明光源位置进行补偿修正，从而计算出轨道的曲率和高度差以得到铁轨线路参数，所述铁轨线路参数包括线路的方向、线路的纵平和作业后线路的超高。

2.根据权利要求1所述的捣固车光电测量系统，其特征在于，还包括终部测量小车，所述照明光源还包括设置于终部测量小车的后方的第四个远端点光源，后排CCD相机还同步采集该第四个远端点光源的信号。

3.根据权利要求2所述的捣固车光电测量系统，其特征在于，所述照明光源为激光光源。

4.根据权利要求1所述的捣固车光电测量系统，其特征在于，所述CCD相机采用数字输出式线阵CCD相机。

5.根据权利要求4所述的捣固车光电测量系统，其特征在于，所述CCD相机具有可根据外部命令控制拍摄时刻的外触发模式。

6.根据权利要求1所述的捣固车光电测量系统，其特征在于，所述光学成像透镜包括标准成像镜头和柱透镜，所述柱透镜先将接收到的照明光源的光锥面汇聚成一条线，标准成像镜头再将线聚焦到并排排列且相互倾斜45度的CCD相机的靶面上。

7.根据权利要求1所述的捣固车光电测量系统，其特征在于，还包括独立的用于实现与火车主电源隔离和滤波的二次电源模块。

8.根据权利要求1所述的捣固车光电测量系统，其特征在于，还包括前后电子摆，前电子摆与前部测量小车的前方的照明光源在同一位置，后电子摆在后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的中间，嵌入式处理平台通过信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号的同时，同步采集前后电子摆的数据和测量小车位移数据，组合所有的数据计算照明光源所在位置的轨道参数，并通过以太网接口向捣固车主控系统发送计算结果。

9.一种捣固车光电测量方法，将四台CCD相机和各自前端对应的光学成像透镜设置于中部测量小车上，将照明光源分别设置于前部测量小车的前方及后部测量小车后方的左右两侧，前排的两台CCD相机采集前部测量小车的前方的照明光源的信号，后排的两台CCD相机采集后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的信号，其特征在于，通过嵌入式处理平台经信号线缆发出四台CCD相机同步采图信号，然后四台CCD相机将同步拍摄的照明光源对应的光学成像透镜成像后的图像数据一起发送到嵌入式处理平台中进行耦合分析，计算出铁轨线路的几何位置；所述嵌入式处理平台进行耦合分析包括计算各照明光源相对中部测量小车的位置，组合各照明光源间的相对位置变化，对计算出的照明光源位置进行补偿修正，及计算出中部测量小车所在位置处铁轨的正矢和超高。

10.根据权利要求9所述的捣固车光电测量方法，其特征在于，在测量之前还包括初始步骤，所述初始步骤为嵌入式处理平台通过以太网接口接收捣固车主控系统发出的指令，完成对CCD相机、照明光源、电源配置，以及轨道参数初始化工作以准备好进行图像采集和处理。

11.根据权利要求10所述的捣固车光电测量方法，其特征在于，在前部测量小车的前方的照明光源处设置前电子摆，在后部测量小车后方的左右两侧的照明光源的中间处设置后电子摆；所述初始步骤之后嵌入式处理平台还发出同步工作命令，在四台CCD相机同步采集各照明光源图像的同时嵌入式处理平台还采集前后电子摆和测量小车位置数据。

12.根据权利要求9所述的捣固车光电测量方法，其特征在于，还包括终部测量小车，所述照明光源还包括设置于终部测量小车的后方的第四个远端点光源，后排CCD相机还同步采集该第四个远端点光源的信号。

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