CN102507600B - 高速机车受电弓滑板磨损自动检测装置 - Google Patents

Abstract

高速机车受电弓滑板磨损自动检测装置，包括安装在第一支架(101)、第三支架(103)上的两个工业相机和安装在第二支架(102)上的线激光器(401)组成，线激光器(401)用于将线激光打在受电弓滑板(501)上，工业相机(201、202)用于对被检测的受电弓滑板(501)进行拍照。两个相机分别朝向被测的受电弓滑板(501)，俯角为45°；安装在第二支架(102)上的线激光器将线激光打在被测的受电弓滑板(501)上，形成红绿相间的线性激光阵列；红外触发器(301)安装在第二支架上，使得受测滑板到达检测位置时可以使红外触发器触发；本发明的测量结果精确。

Description

高速机车受电弓滑板磨损自动检测装置

技术领域

本发明是一种用于实时检测机车受电弓滑板磨损状态的装置，尤其是一种基于立体视觉的实时机车受电弓滑板磨损检测装置。

背景技术

在高速电气化铁路系统中，机车通过受电弓从机车上方的接触线取电，作为机车动力电源以及其他用电设备的电源。在运行过程中，机车必须保持稳定的电源供应。因此作为直接与接触线相接触的受电弓滑板将成为获取电源的关键设备，受电弓滑板的状态极为关键，它关系到机车是否能够稳定、可靠地从接触线上取电，直接关系到机车运行的可靠性。由于受电弓滑板与接触线保持长期接触，在机车行驶过程中，时刻磨损，从而给机车的取电的性能带来了很多不可靠的因素，甚至在特殊情况下会出现受电弓滑板机械损伤或者滑板表面脱落、缺失等，都会影响机车的行驶状态，严重的会导致发生安全事故。因此需要对受电弓滑板的磨损状态进行实时检测，以保证机车在行驶过程中安全、稳定。

目前国内外受电弓滑板磨损状态的检测方法主要有人工检测、超声波式检测、光纤式检测、图像式检测四种方法。人工检测就是将机车入库并断电，将受电弓降下，然后有相关人员对受电弓滑板进行目测，并用测量装置（如游标卡尺）对滑板上的多个磨损点进行手工测量。人工测量方法要求机车入库并断电，且需要多个工作人员配合操作，效率低、精度低、准确性差，并存在安全事故隐患，这种方法已经不适合现在的机车，将会逐渐被淘汰。

超声波式检测和光纤式检测的方法多见于国外的机车系统，其中超声波式检测的主要方法是：在机车行驶的路段上安装多个超声波传感器发送超声波，超声波通过空气传输到达被测的受电弓滑板上，然后通过相应的超声波传感器可以结束到反射的超声波。根据超声波在空气中传输的时间和设置的波速，可以计算出滑板的厚度，可以实现对受电弓滑板的磨损状态进行动态检测。虽然该方法可以检测到受电弓滑板多个点的磨损状态，但是也存在了很大的不足：一是机车行驶过程中受电弓滑板与超声波的探头表面不能保证保持完全垂直，导致超声波接收传感器接收的检测信号微弱，或者根本就接收不到检测信号；二是电气化的机车系统中存在诸多的电器干扰，而超声波传感器工作距离有一定的限制，必须保证传感器和受测滑板保持较近的测试距离，电气干扰严重，对检测信号的采集带来许多制约，且安装维护过程复杂；三是检测的数据时受电弓滑板的几个点，不能得到受电弓滑板表面所有点的磨损状态。

光纤式检测的主要原理是：将光纤内埋式磨损传感器嵌入受电弓滑板中，当受电弓滑板受到接触网的冲击作用而产生磨损时或者产生缺失时，传感器给出相应的磨损信号。检测信号经过编码传输到光发射机，再由光发射机将信号发射，然后由光接收机接收并最终转换为可检测的电信号，然后系统终端根据不同的信号强度给出不同等级的报警信号，从而得到受电弓滑板的磨损状态。但是这种方法的主要缺点是：一是对于材料的要求比较高，要在受电弓滑板中内嵌传感器，材料工艺要求高，受电弓滑板的材料结构改变降低了受电弓滑板的使用寿命，提高了成本；二是传感器不能布满整个受电弓滑板，因此得到的数据时几个点的，不能得到各个点的磨损状态；三是整个系统装置比较多，比较复杂，系统安装维修不方便。

近年来有许多图像式的检测方法出现在国内外的机车受电弓磨损检测中，这种图像式检测的主要方法是：此系统主要有光电传感器和若干台工业摄像机组成，机车受电弓滑板在通过检测系统时挡住对射式光电传感器，以此作为整个检测系统的触发信号，同步出发相机和闪光灯动作，完成受电弓滑板的图像采集，获取受电弓滑板图片信号后通过对图像进行图像滤波、边缘检测、边缘连接等后期处理，然后将图像中的受电弓滑板的边缘的上下边缘做差，按照相应的公式换算出边缘实际的差值，最后将这边缘的差值作为整个受电弓滑板磨损的结果。这样的检测方式的优势是非常明显的，可以在机车行驶过程中做到实时自动检测，检测的精度比较高。但是其缺点也很明显：一是将边缘的磨损程度等同于滑板行驶方向的所有磨损程度，以线代面，不能真正得到受电弓滑板的各个点的磨损程度，如果在受电弓滑板沿机车行驶方向上有机械损伤或者缺失时，不能检测出相应的磨损状态；二是该检测系统所用工业摄像机较多，安装过程比较复杂。 

随着铁路系统电气化进程的加快，机车的行驶速度越来越快，这无疑对受电弓的实时检测的精确性、可靠性提出了更高的要求。针对国内的特殊情况，急需研发一种更高精度并且适应当今铁路系统的受电弓滑板自动实时检测装置。

发明内容

本发明的目的是研制一种用于机车受电弓滑板磨损状态实时自动在线检测系统，能够检测到机车受电弓滑板磨损面的精确磨损状态，具有精度高、可靠性强、效率高、系统便于安装和性价比高等突出优点。

本发明的技术方案是：高速机车受电弓滑板磨损自动检测装置，给出了立体视觉机车受电弓磨损实时检测，可以得到精确的受电弓磨损数据的检测装置。包括激光投影和拍照模块，安装在第一支架101、第三支架103上的两个工业相机201、202和安装在第二支架102上的线激光器401，线激光器401用于将线激光打在受电弓滑板501上，工业相机201、202用于对被检测的受电弓滑板501进行拍照。第一支架101、中间的第二支架102、第三支架103的间距相同，距离铁轨的距离相同并与铁路系统的一般要求相一致，其高度要使得安装的工业相机201、202在给受电弓滑板501拍照时距离被测受电弓滑板501的垂直距离为1-3米，尤其是2米，工业相机201、202要安装在第一支架102、第二支架103的顶部中间位置，两个相机201、202分别朝向被测的受电弓滑板501，俯角为45°。安装在第二支架102上的线激光器401，线激光机401在触发时将线激光打在被测的受电弓滑板501上，形成红绿相间的线性激光阵列；红外触发器301安装在第二支架上，使得受测滑板到达检测位置时可以使红外触发器触发；线激光器401安装在第二支架102的顶部中间位置，使得在检测时，可以将整个受电弓滑板501打上激光阵列。

当高速行驶的机车502到达检测区域时，受电弓滑板501触发红外触发器301，触发器将触发信号传输给控制与图像处理模块2，线激光器401将红绿相间的线激光阵列打在受测受电弓滑板上501，两台工业相机201、202对受测受电弓滑板上501进行拍照，得到原始图像。

本发明装置所用的原理是基于立体视觉，利用工业相机201、202对受电弓滑板501拍照，根据所得图像上的线条进行图像处理（控制与图像处理模块进行）。利用未磨损的表面601、604拟合出一个原始未受损的平面603，将受损面602上的线条和拟合平面603做减法，由此可以得到受损面的各个线条的磨损数据。

该受电弓磨损实时检测装置包括检测显示模块、控制与图像处理模块、激光投影与相机模块、装置触发模块和支架线缆设备。其中激光投影与相机模块是由一个线激光器和两台高分辨率的工业相机组成，线激光器可以将激光光线照射在受电弓滑板上，照射的激光光线是红绿相间的，其中相邻的激光光线之间的间距是毫秒量级，以保证检测的精确度。触发装置是由红外触发器以及传输线缆组成。支架设备有三个相邻的支架组成，沿机车行驶方向，分别为第一支架、第二支架和第三支架，分别安装在被检测路段铁轨旁边，用于安装相应的设备模块。采用该设备可以实现对行驶机车受电弓滑板磨损程度实时检测，可以获得受电弓滑板磨损的三维图形，可以清晰、准确地检测受电弓滑板的磨损程度，有利于实现对受电弓的实时检测，保证机车行驶的安全，有效降低故障以及减少人工操作和安全隐患。

本发明有益效果：本设计使用了与国内外以往受电弓滑板检测不同的检测方法，使用线激光器和少量的工业相机对受电弓滑板的磨损程度做三维图像处理。实现了对受电弓滑板整个受损面的实时在线测量。本设计有以下优点：

一、与以往只测试受损面的几个点或者利用边缘的磨损程度代替整个面的受损程度的检测方法不同，本设计可以得到整个受电弓滑板磨损面的磨损程度，可以形成三维成像，对磨损面的各个点都可以做到检测，并且可以检测磨损面是否有机械损伤和部件缺失。

二、本设计所得到的数据精度比以往的测试方法提高了很多，工业相机的分辨率和激光线条的彼此间隔决定了所测数据的精确度，现在的工业相机分辨率很大，而且所照射的激光线条的间隔达到了毫米级别，这样就保证了很高的精确度。

三、就本设计的成本而言性价比非常高，以往的图像检测所使用的摄像机都非常多，这样就提高了成本价格，而且在组装时也比较复杂，而本设计只使用两个工业相机和一个线激光器，组装过程简单，易于实现。

四、在抗干扰方面，可以通过光纤传输相应的控制信号和数据，这样就有效的减少了电路系统中的电磁干扰；红外触发装置具有很高的灵敏度，可以更高速度的机车速度。本系统可以在多种天气环境下使用，抗外界干扰能力较强；可以识别多种受电弓状态，如倾斜、反光、振动等。

五、本设计比较节能，可以在非检测时段，将工业相机和相应的设备休眠，仅仅打开触发装置即可，有效减少了电量的使用，延长了机器设备的使用寿命。

六、本设计的数据全部有相关芯片做计算，可以在软件上做相应的修改，可以使用各种机车系统和检测环境，而且大大减少了人工操作，提高了数据测量的准确度，可以对所量到的数据做多次运算，减小误差。

附图说明

图1为受电弓滑板磨损实时检测装置原理框图。

图2为受电弓滑板磨损实时检测装置立体图。

图3为受电弓滑板磨损实时检测装置侧面图。

图4为受电弓滑板磨损实时检测装置俯视图。

图5为受电弓滑板激光线条三维示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种受电弓滑板磨损实时检测装置原理框图，主要包括检测显示模块、控制与图像处理模块、激光投影与拍照模块和触发模块，其中还包括许多用于信号和数据传输的线缆以及支架设备等。

图2是受电弓滑板磨损实时检测装置立体图，支架101、102、103分别是第一支架、第二支架和第三支架，三个支架与铁轨的距离和铁路系统中的要求一致即可，高度要式相机与被测受电弓滑板的垂直高度达到2米；工业相机201安装在101上，红外触发器301和线激光器401安装在102上，且401要在102上部中间位置，保证线激光可以很好的打在受电弓滑板上，工业相机202安装在103上，201、202均安装在支架中部，俯角45°；501为被测受电弓，502为机车车厢。

图3是受电弓滑板磨损实时检测装置侧面图，在拍照时，401将红绿相间的线激光打在501上，201和202可以将501磨损表面拍下来，然后将图片传输到图片处理模块。在安装该装置时，要保证201、202与501的垂直高度达到2米，201、202的俯角为45°。

图4是受电弓滑板磨损实时检测装置俯视图，当行驶的机车到达被测区域时，当501经过301时，触发301，此时301将触发信号经过线缆传输到控制和图像处理模块，控制和图像处理模块将控制信号分别传输到201、202、401，打开线激光器401，将线激光打在501磨损的表面，201、202对501磨损表面进行拍摄，得到受电弓滑板磨损的原始图像，并将这些图像数据传输到控制和图像处理模块进行图片处理。此后控制和图像处理模块将一些控制信号发送给301、401、201和202，分别关闭201、202和401,301保持在待触发阶段。

图5是受电弓滑板激光线条三维示意图，线激光器发出的是红绿相间的相互平行线激光，其中相邻激光线之间的间隔达到毫米级，相邻激光线的间隔决定了在线条垂直方向上的检测精度。由该图可以看出，受电弓滑板在受磨损的部位（603），激光线条之间呈现不同的间隔，每个线条有自己不同的曲线；而滑板未受损的部位上（601）的激光线条呈现规律性，彼此间隔一致。这样通过受损部位和未受损部位的激光线条的不同特征可以做匹配，有受电弓两端601的线条可以拟合出一个未受损的平面（602）。然后通过计算603上面的激光线条和602的垂直差值，几个得到每条激光线与602的差值h，受电弓滑板的原始厚度H是已知的，这样就可以算出受电弓滑板的厚度:

h’=H-h

    这样就可以得到受电弓滑板上各个线条的磨损程度以及被测受电弓滑板的厚度，就可以知道受电弓滑板是否工作在安全状态。同行线条之间的间隔距离也可以推断出受电弓滑板是否有机械损伤和部件缺失。

在第一支架上安装第一台工业相机和相应线缆；第二支架上安装装置触发装置、线激光器和相应线缆；第三支架上安装第二台工业相机和相应线缆，其中支架的高度要保证摄像机与被测受电弓的垂直高度为2米。第一台工业相机的俯角为45°，安装在第一支架底部最中间处，方向是朝向受电弓滑板，保证可以拍摄到受电弓滑板磨损表面的全部。第二台工业相机的俯角为45°，安装在第二支架顶部中间处，方向朝向受电弓滑板，保证可以拍摄到受电弓滑板磨损表面全部。第一支架和第三支架关于第三支架对称，两台工业相机关于第二支架对称。第二支架上装有光电触发器和线激光器，红外触发器可以判定机车受电弓位置并触发拍照装置拍照，线激光器安装在第二支架顶部中间处，使得当受电弓在支架下时，线激光器可以将激光阵列清晰、垂直打在受电弓滑板上，红外触发装置要配合工业相机角度和线激光器安装，使得拍照装置被触发时，满足工业相机的拍摄角度和位置，并且满足线激光器可以将激光阵列清晰、垂直打在受电弓滑板上。

首先是当被检测的受电弓滑板到达被测位置时，红外触发装置被触发，触发信号通过传输模块传输到控制模块，控制模块将控制信号传输给两台工业相机和线激光器，打开线激光器，使得线激光器将激光阵列打在受电弓滑板上，打开两台工业相机，两台工业相机对受电弓滑板拍照，拍完照片后，关闭两台工业相机和线激光器，然后所得到的图片通过传输模块传输到图片处理和控制模块中，图像处理模块对两张图片的匹配和对激光线条计算，可以得到相应的磨损程度数据，最终图像处理和控制模块将所得到的数据传输到显示模块，将数据以图片或者表格的方式显示，并给出受电弓滑板磨损程度是否达到限制磨损程度。

本发明装置大大改善了以往的检测方法，利用先进的立体视觉图像处理方法和线激光线条增加了精确度，与以往的检测方法不同，利用少量的工业相机、一个触发器、线激光器和少量的线缆就可以完成高精度的滑板磨损检测，提高了受电弓滑板磨损检测的精确度、准确度以及在线抗干扰能力、实时检测能力，大大降低了检测的成本。

Claims (3)

1.基于立体视觉机车受电弓滑板自动检测装置，其特征在于包括安装在第一支架(101)、第三支架（103）上的两个工业相机（201、202）和安装在第二支架（102）上的线激光器（401），线激光器（401）用于将线激光打在受电弓滑板（501）上，工业相机（201、202）用于对被检测的受电弓滑板（501）进行拍照；第一支架（101）、中间的第二支架（102）、第三支架（103）的间距相同，支架高度要使得安装的工业相机（201、202）在给受电弓滑板（501）拍照时距离被测受电弓滑板（501）的垂直距离为1-3米，工业相机（201、202）要安装在第一支架（102）、第三支架（103）的顶部中间位置，两个相机（201、202）分别朝向被测的受电弓滑板（501），俯角为45°；安装在第二支架（102）上的线激光器（401），线激光器（401）在触发时将线激光打在被测的受电弓滑板（501）上，形成红绿相间的线性激光阵列；红外触发器（301）安装在第二支架上，使得受测滑板到达检测位置时可以使红外触发器触发；线激光器（401）安装在第二支架（102）的顶部中间位置，使得在检测时，将整个受电弓滑板（501）打上激光阵列；所述红外触发器（301）是当高速行驶的机车（502）到达检测区域时，受电弓滑板（501）触发红外触发器并触发信号传输给控制与图像处理模块（2）的装置；线激光器（401）将红绿相间的线激光阵列打在受测受电弓滑板上（501），两台工业相机（201、202）对受测受电弓滑板上（501）进行拍照，得到原始图像。

2.根据权利要求1所述的基于立体视觉机车受电弓滑板自动检测装置，其特征在于设有图像处理模块，对两个工业相机得两张图片的匹配和对激光线条计算，得到相应的磨损程度数据，最终图像处理和控制模块将所得到的数据传输到显示模块，将数据以图片或者表格的方式显示，并给出受电弓滑板磨损程度是否达到限制磨损程度。

3.根据权利要求1所述的基于立体视觉机车受电弓滑板自动检测装置，其特征在于设有图像处理模块，利用未磨损的表面（601、604）拟合出一个原始未受损的平面（603），将受损面（602）上的线条和拟合平面即拟合出原始未受损的平面（603）做减法，由此得到受损面的各个线条的磨损数据。

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