CN102507601B - 电力机车受电弓在线磨损检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

电力机车受电弓在线磨损检测方法与系统，受电弓在线磨损实时检测包括激光投射模块，图像获取模块、光纤触发信号转换和传输模块；还有第一立柱、第二立柱和第三立柱；激光投射模块由两个线激光器阵列组成，每个线激光器阵列包含若干个线激光器，线激光器发出的激光线平行投射到受电弓上，每两条相邻线激光光斑之间的间距保持在毫米量级；第一立柱、第二立柱和第三立柱等间距排列，第一线激光器阵列、第一数码相机和第二数码相机安装在第一立柱，红外触发器安装在第二立柱，第二线激光器阵列、第三数码相机和第四数码相机安装在第三立柱；并且红外触发器安装在第二立柱的位置，数码相机以俯角20-30度向前对准轨道中心对受电弓进行拍摄。

Description

电力机车受电弓在线磨损检测方法与系统

技术领域

本发明是一种用于测量电力机车受电弓磨损情况的监测方法与系统，尤其是一种基于结构光双目立体视觉的受电弓在线磨损检测方法与系统。

背景技术

电力机车受电弓是电气化铁路电力机车从接触网上受取电流的装置，其滑板条与接触网导线直接接触，从接触网导线上受取电流供机车使用。受电弓状态的好坏直接影响到列车的安全运行，受电弓滑板的过度磨耗不仅影响电力机车的正常供电，由此产生的电弧放电还会进一步加剧受电弓滑板和接触网的磨耗。随着高速铁路的飞速发展，对受电弓的可靠运行提出了更高的要求，实现对受电弓磨损状态的智能检测具有重大意义。

目前国内外受电弓磨损状态的检测方法主要包括车载设备检测和在线定点式检测两种方式。车载式检测装置有一定的局限性，在实际运作中的投资规模大，成本高。在线定点式检测方式，国内外有基于超声波传感器的检测、基于激光测距的检测、基于图像的检测等多种实现方法。这些方法中，有的系统结构复杂，可靠性不高；有的系统只能获取受电弓前侧面的状况，不能全面反映受电弓磨损。随着我国高速铁路建设的不断发展，对受电弓运行质量的要求越来越高，研发一种新型在线受电弓磨损状态自动检测系统已成为当务之急。

发明内容

本发明的目的是：提出一种电力机车受电弓磨损状态的在线自动检测方法与检测系统。尤其是利用线激光器发出的激光线检测对象进行检测，该系统能对行进中的电力机车受电弓外形进行非接触式的检测，具有精度高、检测效率高和投资规模小等突出优势。可以使用两个数码相机进行三维成像，在此基础上再加上线结构激光的约束条件，可以实现物体外表面的精密三维立体成像。

本发明的技术方案是：本发明的电力机车受电弓在线磨损检测方法，该受电弓在线磨损实时检测系统包括激光投射模块，图像获取模块、光纤触发信号转换和传输模块；此外，在线检测设备还包括第一立柱、第二立柱和第三立柱；激光投射模块由两个线激光阵列组成，每个线激光阵列包含若干个线激光器，线激光器发出的激光线平行投射到受电弓上，相邻两条线激光光斑之间的间距保持在毫米量级以保证系统精度；第一立柱、第二立柱和第三立柱等间距排列，第一线激光器阵列、第一数码相机和第二数码相机安装在第一立柱，红外触发器安装在第二立柱，第二线激光器阵列、第三数码相机和第四数码相机安装在第三立柱。

并且红外触发器安装在第二立柱的位置（可在受电弓上方或在二轨道的中心线下方）；第一线激光器阵列安装在轨道中心轴线受电弓上方并以俯角20-30度向后对准轨道中心，第一数码相机、第二数码相机安装在轨道中心轴线两侧距轨道中心轴线并在受电弓上方50-70厘米处，并且以俯角20-30度向后对准轨道中心对受电弓进行拍摄；第二线激光器阵列在轨道中心轴线并在受电弓上方并以俯角20-30度向前对准轨道中心，第三数码相机、第四数码相机安装在轨道中心轴线两侧距轨道中心轴线并在受电弓上方50-70厘米处，并且以俯角20-30度向前对准轨道中心对受电弓进行拍摄；

红外触发器负责对工业相机的照相触发进行控制；光纤触发信号转换和传输模块包括一个电-光信号转换仪和一个光-电信号转换仪，和光纤数据传输线。

所述磨损在线测量过程为：当高速列车的受电弓通过所述在线监测点设备时，红外触发器（101）被触发并发出触发电信号，所述线激光器阵列（201）被触发后将线激光投影在受电弓石墨条301上，然后由所述位于立柱1上的数码相机（401、402），以共同视场拍摄受电弓石墨条301。线激光器阵列（202）被触发后将线激光投影在受电弓石墨条302上，位于立柱3上的数码相机（403、404），以共同视场拍摄受电弓石墨条302。最后，数码相机（401、402、403、404）把获取的图像信息通过以太网传输到所述检测中心设备；所述受电弓图像数据处理的处理方法为：对受电弓石墨条采用相同的方法进行单独处理，首先从由所述数码相机获取的图像信息中把激光线条从背景中提取出来；然后再按照提取出来的激光线条的转折情况把激光线条划分成投影在受电弓上表面部分线条和投影在受电弓侧面部分线条（受电弓石墨条301的激光线条投影在上表面和前侧面，受电弓石墨条302的激光线条投影在上表面和后侧面），其中，受电弓侧面部分线条的长度可认为是该激光线投影处受电弓的平均厚度；此后，对侧面激光线条进行单独处理，利用双目视差成像的原理，精确计算出每条激光线条的长度，该长度即为受电弓厚度；通过设定一定的受电弓磨损标准，与测量结果进行比对，若判断受测受电弓磨损超出标准，则发出报警指示并提示更换受电弓，若受电弓磨损未超出标准，检测过程结束。

所述红外触发器的触发信号通过电-光转换器转换成光信号，通过光纤连接到第一立柱和第三立柱的光-电转换器上，光-电转换器将光信号转化成电信号，并且连接到第一线激光器、第二线激光器、第一数码相机、第二数码相机、第三数码相机和第四数码相机的触发端口；第一数码相机、第二数码相机、第三数码相机和第四数码相机的图像数据通过以太网接口连接到所述数据处理模块。

所述检测中心设备包括数据处理模块和检测结果显示模块。其中，数据处理模块与检测结果显示模块连接。

采用此在线监控系统实现对电动机车受电弓的实时监控，可以获取受电弓的空间三维图形，及时准确地检测受电弓的磨损程度，有利于接触网和受电弓的维护，减少电动机车受电弓故障的发生。

本发明的有益效果是：本发明使用了与传统受电弓磨损情况测量不同的方法，使用线激光器和数码相机对受电弓进行三维成像测量。实现了对受电弓磨损情况的在线检测。本发明还有以下优点：

1、使用线激光器和数码相机对受电弓进行三维成像。单个数码相机获取的只是二维的图像信息，但是利用双目视差原理，可以使用两个数码相机进行三维成像，在此基础上再加上线结构激光的约束条件，可以实现物体外表面的精密三维立体成像。

2、通过测量投影在受电弓侧面的激光线长度，可以获取从受电弓表面到受电弓底部的厚度信息，由此综合分析受电弓表面的稠密激光线阵，就可以得出整条受电弓的磨损情况。

3、通过光纤来传输触发信号，减少了高压电网对触发信号的干扰。列车的在线运行需要有高压电网的支持，电网的电磁场会对电信号有较大的干扰，采用光纤来传输红外触发信号，大大地提高了触发的准确性和实时性，从而使得列车不需要在静止或低速状态下进行检测。

4、系统可以连续工作，不需要在工作状态和检测状态之间切换。

5、系统对相机图像信息中的激光条纹提取处理采用灰度重心算法，能够得到最准确的结果。

6、不受受电弓具体位置的影响。不论受电弓是否处于水平状态，也不论受电弓是否偏离了列车运行方向，只要受电弓在数码相机的视场范围以内，而且线激光器发出到线结构激光有效投影在受电弓表面，就可以实现受电弓的三维成像并对其磨损情况进行检测。

附图说明

图1为电力机车受电弓在线磨损检测系统的原理框图；

图2为在线检测点设备的现场安装图；

图3为在线检测点设备的俯视图；

图4为受电弓石墨条激光投射示意图；

图5为检测中心设备的软件流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种电力机车受电弓在线磨损检测系统，包括在线监测点设备和检测中心设备。

图2是在线检测点设备的示意图。立柱1、立柱2和立柱3的高度相同，红外触发器101安装在立柱2上，数码相机401、402以及线激光器阵列201安装在立柱1上，数码相机403、404以及线激光器阵列202安装在立柱3上。

图3是在线检测点设备的俯视图。一个受电弓包括两个受电弓石墨条301和302。数码相机401、402以向后、向下的方式进行拍照，两者的视场重叠范围包括受电弓石墨条301。数码相机403、404以向前、向下的方式进行拍照，两者的视场重叠范围包括受电弓石墨条302。线激光器201以向后、向下的角度投影线激光于受电弓石墨条301上。线激光器202以向前、向下的方式投影线激光于受电弓石墨条302上。

所述图像获取模块由四个数码相机（401、402、403、404）组成，所述激光投射模块由两个线激光器阵列（201、202）组成，所述光纤触发信号转换和传输模块由一个电-光转换器（501）和两个光-电转换器（502、503）组成。所述在线检测点设备包括立柱1，立柱2和立柱3。所述红外触发器（101）安装在立柱2上，所述电-光转换器（501）安装在立柱2的红外触发器旁，所述两个光-电转换器（502、503）分别安装在立柱1和立柱2的所述两个线激光器阵列（201、202）旁。所述四个数码相机（401、402、403、404），其中两个（401、402）安装在立柱1，并以向后，向下的拍摄角度对受电弓进行拍照，另外两个（403、404）安装在立柱3，并以向前，向下的拍摄角度对受电弓进行拍照。

所述磨损在线测量过程为：当高速列车的受电弓通过所述在线监测点设备时，红外触发器（101）被触发并发出触发电信号，触发电信号通过电-光转换器501转换为触发光信号，该光信号通过光纤传输到光-电转换器（502、503）并转化为触发电信号，该电信号使线激光器阵列（201、202）和数码相机（401、402、403、404）触发。所述线激光器阵列201触发后将线激光投影在受电弓石墨条301上，然后由所述位于立柱1上的数码相机（401、402），以共同视场拍摄受电弓石墨条301。所述线激光器阵列202触发后将线激光投影在受电弓石墨条302上，然后由所述位于立柱3上的数码相机（403、404），以共同视场拍摄受电弓石墨条302。最后，数码相机（401、402、403、404）把获取的图像信息通过以太网传输到所述检测中心设备。

所述受电弓图像数据处理的处理方法为：对受电弓石墨条301、302采用相同的方法进行单独处理，首先从由所述数码相机（401、402、403、404）获取的图像信息中把激光线条从复杂背景中提取出来；然后再按照提取出来的激光线条的转折情况把激光线条划分成投影在受电弓上表面部分线条和投影在受电弓侧面部分线条，其中，受电弓侧面部分线条的长度可认为是该激光线投影处受电弓的平均厚度；此后，对侧面激光线条进行单独处理，利用双目视差成像的原理，精确计算出每条激光线条的长度，该长度即为受电弓厚度；最后，通过设定一定的受电弓磨损标准，与测量结果进行比对，若判断受测受电弓磨损超出标准，则发出报警指示并提示更换受电弓，若受电弓磨损未超出标准，检测过程结束。

在实际测量中，火车以高速通过检测立柱，在受电弓通过立柱2的瞬间，红外触发器101被触发并发出触发信号，通过电-光转换器501转换成光信号（或者直接产生角发光信号），光信号通过光纤传输到位于立柱1、立柱3上的光-电转换器502、503上，光-电转换器502把光信号转化成电信号（或者直接产生角发电信号）以后，分别连接到数码相机401、402和线激光器阵列201的触发接口。可通过光-电转换器503把光信号转化成电信号以后（或者直接产生角发电信号），分别连接到数码相机403、404和线激光器阵列202的触发接口。

当接收到触发信号，线激光器阵列201将密集的激光线投影到受电弓石墨条301上，同时数码相机401、402进行拍照。与此同时，线激光器阵列202将密集的激光线投影到受电弓石墨条302上，同时数码相机403、404进行拍照。各个数码相机拍照完成以后，图像信息通过以太网传输到检测中心设备，并通过一定的软件流程对受电弓的磨损情况进行判断。

图4为受电弓石墨条激光投射三维成像的示意图，受电弓石墨条301的上表面、前侧面投射了激光线条，受电弓石墨条301的上表面、后侧面投射了激光线条。受电弓石墨条301的磨损情况由数码相机401、402进行获取并判断，受电弓石墨条301的磨损情况由数码相机403、404进行获取并判断。

软件流程：

在线检测点设备和检测中心设备组装完成后，还应编写相应的软件实现流程才能工作。图5为检测中心设备的软件流程。由于数码相机401、402获取的是投影在受电弓石墨条301的激光线条，数码相机403、404获取的是投影在受电弓石墨条302的激光线条，所以对两条受电弓301、302采用同样的处理方法单独处理。软件处理流程为：首先将调用从检测点设备接收到的现场图像，然后提取图像中的激光线条，去除图像中的背景干扰并将激光线条提取到亚像素级别。其次，利用激光线条的转折情况，把投射在受电弓上的激光线条划分成投影在受电弓上表面部分线条和投影在受电弓侧面部分线条（受电弓石墨条301的激光线条投影在上表面和前侧面，受电弓石墨条302的激光线条投影在上表面和后侧面），识别出来的受电弓侧面部分线条的长度就是该激光线投影处受电弓的平均厚度；再次，对侧面激光线条进行单独处理，利用双目视差成像的原理精确计算出每条激光线条的长度，该长度即为受电弓厚度；最后，通过设定一定的受电弓磨损标准，与测量结果进行比对，若判断受测受电弓磨损超出标准，则发出报警指示并提示更换受电弓，若受电弓磨损未超出标准，检测过程结束。

本发明跳出了传统受电弓在线磨损检测的设计思路，提出了一种全新的基于双目视觉的受电弓检测设计方案。该方案在双目视差成像原理的基础上，加入了线激光的约束条件，从而能够把精确的受电弓的三维立体坐标还原出来，通过设置检测阈值，可以检测受电弓的使用是否已达使用极限。

本方案相对于传统受电弓磨损检测技术来说，具有安装方便，可测范围大，精度较高，结构简单，成本低廉的优点。可以广泛地应用于各种电力机车的受电弓磨损检测的系统设计中。

Claims (4)

1.电力机车受电弓在线磨损检测方法，其特征是受电弓在线磨损实时检测采用在线检测设备，在线检测设备包括激光投射模块，图像获取模块、光纤触发信号转换和传输模块、红外触发器；图像获取模块包括第一数码相机、第二数码相机和第三数码相机、第四数码相机；其中，在线检测设备还包括第一立柱、第二立柱和第三立柱；激光投射模块由两个线激光器阵列组成、两个线激光器阵列包括第一线激光器阵列和第二线激光器阵列，每个线激光器阵列包含若干个线激光器，线激光器发出的激光线平行投射到受电弓上，每两条相邻线激光光斑之间的间距保持在毫米量级以保证系统精度；第一立柱、第二立柱和第三立柱等间距排列，第一线激光器阵列、第一数码相机和第二数码相机安装在第一立柱，红外触发器安装在第二立柱，第二线激光器阵列、第三数码相机和第四数码相机安装在第三立柱；

第一线激光器阵列安装在轨道中心轴线受电弓上方并以俯角20-30度向后对准轨道中心，第一数码相机、第二数码相机安装在轨道中心轴线两侧距轨道中心轴线并在受电弓上方50-70厘米处，并且以俯角20-30度向后对准轨道中心对受电弓进行拍摄；第二线激光器阵列在轨道中心轴线并在受电弓上方并以俯角20-30度向前对准轨道中心，第三数码相机、第四数码相机安装在轨道中心轴线两侧距轨道中心轴线并在受电弓上方50-70厘米处，并且以俯角20-30度向前对准轨道中心对受电弓进行拍摄；

磨损在线测量过程为：当高速列车的受电弓通过所述在线检测设备时，红外触发器（101）被触发并发出触发电信号，所述第一线激光器阵列（201）被触发后将线激光投影在第一受电弓石墨条（301）上，然后由所述位于第一立柱上的第一、第二数码相机（401、402），以共同视场拍摄第一受电弓石墨条（301）；所述第二线激光器阵列（202）被触发后将线激光投影在第二受电弓石墨条（302）上，位于第三立柱上的第三、第四数码相机（403、404），以共同视场拍摄第二受电弓石墨条（302）；最后，第一至第四数码相机（401、402、403、404）把获取的图像信息通过以太网传输到检测中心设备；

受电弓图像数据处理的处理方法为：对受电弓石墨条采用相同的方法进行单独处理，首先从由所述数码相机获取的图像信息中把激光线条从背景中提取出来；然后再按照提取出来的激光线条的转折情况把激光线条划分成投影在受电弓上表面部分线条和投影在受电弓侧面部分线条；其中，受电弓侧面部分线条的长度可认为是该激光线投影处受电弓的平均厚度；此后，对侧面激光线条进行单独处理，利用双目视差成像的原理，精确计算出每条激光线条的长度，该长度即为受电弓厚度；通过设定受电弓磨损标准，与测量结果进行比对，若判断受测受电弓磨损超出标准，则发出报警指示并提示更换受电弓，若受电弓磨损未超出标准，检测过程结束。

2.根据权利要求1所述的电力机车受电弓在线磨损检测方法,其特征在于红外触发器位于受电弓上方或在二轨道的中心线下方。

3.根据权利要求1所述的电力机车受电弓在线磨损检测方法,其特征在于所述磨损在线测量过程为：当高速列车的受电弓通过所述在线检测设备时，红外触发器（101）被触发并发出触发电信号，触发电信号通过光纤触发信号转换和传输模块的电-光转换器（501）转换为触发光信号，该光信号通过光纤传输到光纤触发信号转换和传输模块的光-电转换器（502、503）并转化为触发电信号，该电信号使第一、第二线激光器阵列（201、202）和数码相机（401、402、403、404）触发。

4.电力机车受电弓在线磨损检测系统，其特征是所述检测系统包括激光投射模块，图像获取模块、光纤触发信号转换和传输模块、红外触发器；图像获取模块包括第一数码相机、第二数码相机和第三数码相机、第四数码相机；其中，所述检测系统还包括第一立柱、第二立柱和第三立柱；激光投射模块由两个线激光器阵列组成，两个线激光器阵列包括第一线激光器阵列和第二线激光器阵列，每个线激光器阵列包含若干个线激光器，线激光器发出的激光线平行投射到受电弓上，每两条相邻线激光光斑之间的间距保持在毫米量级以保证系统精度；第一立柱、第二立柱和第三立柱等间距排列，第一线激光器阵列、第一数码相机和第二数码相机安装在第一立柱，红外触发器安装在第二立柱，第二线激光器阵列、第三数码相机和第四数码相机安装在第三立柱；

第一线激光器阵列安装在轨道中心轴线受电弓上方并以俯角20-30度向后对准轨道中心，第一数码相机、第二数码相机安装在轨道中心轴线两侧距轨道中心轴线并在受电弓上方50-70厘米处，并且以俯角20-30度向后对准轨道中心对受电弓进行拍摄；第二线激光器阵列在轨道中心轴线并在受电弓上方并以俯角20-30度向前对准轨道中心，第三数码相机、第四数码相机安装在轨道中心轴线两侧距轨道中心轴线并在受电弓上方50-70厘米处，并且以俯角20-30度向前对准轨道中心对受电弓进行拍摄。

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