CN103863357B - 一种轨道交通接触轨测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道交通接触轨测量装置及测量方法，它包括测量基准车架、图像采集及处理系统，测量基准车架包括测量行走轮、测量车体框架、弹性压紧轮；图像采集和处理系统包括测量摄像机、面光源或一字激光光源、测量悬臂、测量计算机。本发明优点在于：1）测量结果实时显示，测量速度取决于工人的推行速度，大约4公里/小时；2）测量精度误差±0.5mm；3）自动化测量，数据稳定图像采集处理均是实时性的，因此测量密集度理论上无限高；4）单人推动操作即可，操作简单。

Description

一种轨道交通接触轨测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种新型的轨道交通接触轨安装位置测量的装置；该装置基于图像处理，通过识别接触轨在图像中的位置和尺寸信息，测量接触轨的实际安装位置。

背景技术

在轨道交通接触轨的安装和检修作业中，需要使用专用的测量工具，对接触轨在道床上的各项位置信息进行测量,包含接触轨垂直于走行轨顶部平面的垂直高度H，以及接触轨中心距离走行轨中心在走行轨顶部平面方向上的距离L，如图1所示，图中：1是接触轨支架、2是接触轨绝缘罩、3是接触轨、4是接触轨中心线、5是走行轨轨顶面、6是走行轨、7是走行轨中心线。目前，国内现存的测量工具在某些方面存在不足。例如“一种用于轨道交通的接触轨测量道尺”(专利号：CN201605504)以及“接触轨测量安装工具”(专利号：CN201731870U)，专利所述测量工具采用机械式钢尺进行测量，由于自身形变及测量过程中的操作误差、读数误差，以至测量结果精度低，而且操作过程费工费时，效率极低，这些不利因素影响安装和日常维修检测的质量和效率。随着计算机测量的普及，出现了新的基于计算机的测量系统，例如“城市轨道交通接触轨检测系统及其检测方法”(专利号：CN102897192U)以及“城市轨道交通接触轨检测装置”(专利号：CN202080298U)、“地铁第三轨车载在线检测装置”(专利号：CN201261472Y)、“一种城市轨道检测装置”(专利号：CN202974192U)，上述专利中采用安装于车架侧面图形传感器采集接触轨图像，使用计算机采集处理，这种处理方式，由于摄像头安装位置较远，图像复杂程度高，使得提取图像特征难度增加，导致处理精度无法保证；同时上述系统中所使用的基于激光测距或者图像识别的偏移补偿模块，容易受走行轨内侧表面清洁度的影响。在现场考察后发现，列出的行走轮不一定能够接触到走行轨内侧面，因而施工时残留的泥土等杂物会长久保留，这些因素都将导致基于激光测距的方案可靠性不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：是针对现有的测量方式的低效和低精度，提出一种基于图像处理的结构简单，使用方便，省时省力、精度高的轨道交通接触轨测量装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种轨道交通接触轨测量装置，其特征在于：它包括测量基准车架、图像采集及处理系统，测量基准车架包括测量行走轮、测量车体框架、弹性压紧轮，弹性压紧轮中的弹性压紧装置使测量行走轮的两个轮子始终紧贴在左右走行轨内侧，为测量水平距离L提供基准，测量车体框架用于保证测量行走轮、弹性压紧轮中的轮子压在走行轨顶面，为测量垂直高度H提供基准；图像采集和处理系统包括测量摄像机、面光源或一字激光光源、测量悬臂、测量计算机，测量悬臂用于保证测量摄像机相对于测量车架固定不动，同时测量摄像机的摄像头处于接触轨正下方，使用面光源照亮接触轨边沿或者使用一字激光器形成线光斑，测量计算机处理由测量摄像头采集回来的图像数据得到测量数据,并计算得出水平距离L及垂直高度H。

一种轨道交通接触轨测量方法，其特征在于包括以下测量步骤：

1)仅使用一个测量摄像机，将测量摄像机的摄像头置于接触轨正下方，使用面光源照亮接触轨边沿或者使用一字激光器形成线光斑，测量摄像头所成图像中，形成包含接触轨边沿或激光光斑的图像区域；

2)首先锁定接触轨左侧边沿识别区域和右侧边沿识别区域，在这两个区域中使用边沿提取算法，得到左侧接触轨边沿直线、右侧接触轨边沿直线，选择所选区域中心所在的纵坐标，可计算出该纵坐标下左侧接触轨边沿所在点A的坐标(X_A，Y_A),和右侧接触轨边沿所在点B的坐标(X_B，Y_B),则可以得到识别中心C的坐标(X_C，Y_C),同时得到接触轨在图像中的宽度LEN₁，单位为pixel,即为(X_B-X_A)；3)水平间距L、垂直高度H，可由以下方式求出：

水平间距L:L＝L₀+α*(X₀-X_C)；

垂直间距H:H＝H₀+H₁*LEN₀*β/LEN₁；

L₀—测量摄像头CCD传感器的中心距离走行轨内侧的距离，

X₀—接触轨在标准水平位置时，其中心在图像中的实际水平位置，

α—接触轨在当前高度时X方向测量摄像头图像中每个像素对应的毫米值，

X_C—中点坐标，即为(X_B+X_A)/2；

H₀—测量摄像头镜头的中心距离走行轨顶面的垂直距离,

H₁—测量摄像头镜头的中心距离图像传感器表面的垂直距离，

β—所用图像传感器每像素对应的实际宽度，

LEN₁—接触轨所成图像的宽度，单位为pixel,

LEN₀—接触轨实际宽度。

本发明与现有技术相比具有以下有效益果：1)测量结果实时显示，测量速度取决于工人的推行速度，大约4公里/小时；2)测量精度误差±0.5mm；3)自动化测量，数据稳定图像采集处理均是实时性的，因此测量密集度理论上无限高；4)单人推动操作即可，操作简单。

附图说明

图1为轨道交通接触轨的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明测量摄像头所成的图像。

图中：1接触轨支架、2接触轨绝缘罩、3接触轨、4接触轨中心线、5走行轨轨顶面、6走行轨、7走行轨中心线、21面光源或一字激光光源、22测量摄像机、23测量悬臂、24测量行走轮、25测量车体框架、26测量计算机、27弹性压紧轮、31接触轨图像区域、32左侧边沿识别区域、33右侧边沿识别区域、34左侧接触轨边沿直线、35右侧接触轨边沿直线、36左侧识别点A、37右侧识别点B、38识别中心C。

具体实施方式

参见图2，本发明主要包含两部分：测量基准车架、图像采集及处理系统。测量基准车架包括测量行走轮、测量车体框架、弹性压紧轮，弹性压紧轮中的弹性压紧装置使测量行走轮的2个轮子始终紧贴在左右走行轨内侧，为测量水平距离L提供基准，L为接触轨中心距离走行轨中心在走行轨顶部平面方向上的距离，测量车体框架用于保证测量行走轮、弹性压紧轮中的轮子压在走行轨顶面，为测量垂直高度H提供基准，H为接触轨垂直于走行轨顶部平面的垂直高度。

图像采集和处理系统包括测量摄像机、面光源或一字激光光源、测量悬臂、测量计算机，测量悬臂用于保证测量摄像机相对于测量车架固定不动，同时测量摄像机的摄像头处于接触轨正下方，测量计算机处理由测量摄像头采集回来的图像数据得到测量数据，并计算得出水平距离L及垂直高度H。将测量装置置于走行轨上，仅使用一个测量摄像机，伸出测量悬臂，将测量摄像机的摄像头置于接触轨正下方，使用面光源照亮接触轨边沿或者使用一字激光器形成线光斑，打开测量计算机，运行测量计算机中的测量软件,即可得到测量接触轨的实时图像，本测量系统中所用图像传感器的像素精度为X方向1024pixels，Y方向768pixels，如图3所示。

在图3所示的测量摄像机所成的图像中，形成了接触轨图像区域，首先锁定接触轨左侧边沿识别区域和右侧边沿识别区域，在这两个区域中使用边沿提取算法，得到左侧接触轨边沿直线、右侧接触轨边沿直线，选择所选区域中心所在的纵坐标，可计算出该纵坐标下左侧接触轨边沿所在点A的坐标(X_A，Y_A),和右侧接触轨边沿所在点B的坐标(X_B，Y_B),则可以得到识别中心C的坐标(X_C，Y_C),同时得到接触轨在图像中的宽度LEN₁，单位为pixel,即为(X_B-X_A)，其中点A对应图3中的左侧识别点A36，点B对应图3中的右侧识别点B37。

最终接触轨在相对于走行轨的实际位置数据：水平间距L、垂直高度H，可由以下方式求出：

水平间距L:L＝L₀+α*(X₀-X_C)；

垂直间距H:H＝H₀+H₁*LEN₀*β/LEN₁；

注：

L₀—测量摄像头CCD传感器的中心距离走行轨内侧的距离，本测量系统中为683.5mm；

X₀—接触轨在标准水平位置时，其中心在图像中的实际水平位置，本测量系统中为图像的中心，即1024/2＝512；

α—接触轨在当前高度时X方向测量摄像头图像中每个像素对应的毫米值，在每次测量中均不同，通过固定轨面宽度92mm对应的图像像素宽度得到，即92/LEN₁；

X_C—中点坐标，在此测量系统中即为(X_B+X_A)/2；

H₀—测量摄像头镜头的中心距离走行轨顶面的垂直距离,本测量系统中为62mm；

H₁—测量摄像头镜头的中心距离图像传感器表面的垂直距离，本测量系统中为4mm；

β—所用图像传感器每像素对应的实际宽度，本测量系统采用1/3英寸CCD传感器，靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对应像素1024*768，因此β取值为4.8/1024，单位是mm/pixle；

LEN₁—接触轨所成图像的宽度，单位为pixel,该测量系统中即为(X_B-X_A)；

LEN₀—接触轨实际宽度，单位mm，本测量系统针对的接触轨宽度为92mm；

根据以上参数，可将水平间距L及垂直间距H的计算总结成如下方式：

水平间距L： $L=683.5+\frac{92}{X_B-X_A}*(512-\frac{X_A+X_B}{2})$

垂直间距H： $H=62+\frac{92*4*1024}{(X_B-X_A)*4.8};$

举例：若图像传感器采集到的图像经处理后得到A点坐标为(320,80)，B点坐标为(320,900)，带入以上公式得到水平间距L为685.97mm,垂直高度H为157.74mm。

发明实施效果的数据对比

发明装置在中体某电气化局的施工现场进行了使用，使用中将测量数据与该公司现有的机械式测量尺的测量结果进行了对比，数据对比如下。

通过现场使用做出了如下对比：

Claims (2)

1.一种轨道交通接触轨测量装置，其特征在于：它包括测量基准车架、图像采集及处理系统，测量基准车架包括测量行走轮（24）、测量车体框架（25）、弹性压紧轮（27），弹性压紧轮中的弹性压紧装置使测量行走轮（24）的两个轮子始终紧贴在左右走行轨内侧，为测量水平距离L提供基准，测量车体框架（25）用于保证测量行走轮(24)、弹性压紧轮(27)中的轮子压在走行轨顶面，为测量垂直高度H提供基准；图像采集和处理系统包括测量摄像机(22)、面光源或一字激光光源（21）、测量悬臂(23)、测量计算机(26)，测量悬臂(23)用于保证测量摄像机(22)相对于测量车架固定不动，同时测量摄像机的摄像头处于接触轨正下方，使用面光源照亮接触轨边沿或者使用一字激光器形成线光斑，测量计算机(26)处理由测量摄像头采集回来的图像数据得到测量数据，并计算得出水平距离L及垂直高度H。

2.一种轨道交通接触轨测量方法，其特征在于包括以下测量步骤：

1）仅使用一个测量摄像机，将测量摄像机的摄像头置于接触轨正下方，使用面光源照亮接触轨边沿或者使用一字激光器形成线光斑，测量摄像头所成图像中，形成包含接触轨边沿或激光光斑的图像区域；

2）首先锁定接触轨左侧边沿识别区域和右侧边沿识别区域，在这两个区域中使用边沿提取算法，得到左侧接触轨边沿直线、右侧接触轨边沿直线，选择所选区域中心所在的纵坐标，可计算出该纵坐标下左侧接触轨边沿所在点A的坐标（X_A，Y_A）,和右侧接触轨边沿所在点B的坐标（X_B，Y_B）,则可以得到识别中心C的坐标（X_C，Y_C）,同时得到接触轨在图像中的宽度LEN₁，单位为pixel,即为(X_B-X_A)；

3）水平间距L、垂直高度H，可由以下方式求出：

水平间距L:L=L₀+α*（X₀-X_C）;

垂直间距H:H=H₀+H₁*LEN₀*β/LEN₁;

L₀—测量摄像头CCD传感器的中心距离走行轨内侧的距离，

X₀—接触轨在标准水平位置时，其中心在图像中的实际水平位置，

α—接触轨在当前高度时X方向测量摄像头图像中每个像素对应的毫米值，

X_C—中点坐标，即为（X_B+X_A）/2;

H₀—测量摄像头镜头的中心距离走行轨顶面的垂直距离,

H₁—测量摄像头镜头的中心距离图像传感器表面的垂直距离，

β—所用图像传感器每像素对应的实际宽度，

LEN₁—接触轨所成图像的宽度，单位为pixel,

LEN₀—接触轨实际宽度。