CN104048646A - 基于激光图像测量的脱轨检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于激光图像测量的脱轨检测装置，包括设置于牵引车上的控制单元和检测部件，控制单元包括中央处理器、指示灯和串行解码器，检测部件包括摄像头、串行编码器和用于产生“一字形”光束的激光器。检测方法包括：a).采集静止时图像；b).建立直角坐标系；c).求取激光束图像坐标，激光束下、上边沿的坐标为、；d).建立颠覆程度界限、；e).实时采集图像；f).求取超出颠覆界限的像素点；g).判断是否脱轨。本发明的脱轨检测装置和检测方法，可有效、准确地判断出牵引车是否发生脱轨，当判断出脱轨现象出现时通过指示灯发出报警信号，可靠性、准确性更高，有益效果显著，便于应用推广。

Description

基于激光图像测量的脱轨检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光图像测量的脱轨检测装置及方法，更具体的说，尤其涉及一种通过对比牵引车运行与静止状态下的图像来判断是否脱轨的基于激光图像测量的脱轨检测装置及方法。 

背景技术

目前煤矿井下的辅助运输系统中，较多采用无极绳连续牵引车的运输方式。无极绳连续牵引车在运行过程中受煤矿井下巷道起伏变化及拐弯等运输条件的影响，牵引车脱轨的事故时有发生。牵引车一旦出现脱轨未能及时发现和停车，轻者将造成钢丝绳及牵引车设备损坏，重者出现断绳跑车事故，后果不堪设想，为矿井安全生产埋下巨大的安全隐患。目前，已有的脱轨检测装置，多采用以下几种方法实现：

1、机械振动加速度检测原理无极绳连续牵引车脱轨检测报警装置。

2、超声波测距检测原理无极绳连续牵引车检测报警装置。

对于第1种装置的检测方法，由于煤矿井下巷道起伏变化较大，颠覆厉害，很容易产生比较大的机械加速度，这种运用机械加速度检测的方法易出现误判，很难实现脱轨检测的目的。

对于第2种装置的检测方法，超声波受环境影响太大，加之矿井轨道内经常会有大量的煤块，这样很大程度上使超声波测距原理检测装置不能完成脱轨检测的目的。 

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种通过对比牵引车运行与静止状态下的图像来判断是否脱轨的基于激光图像测量的脱轨检测装置及方法。

本发明的基于激光图像测量的脱轨检测装置，包括设置于牵引车上的控制单元和检测部件，其特别之处在于：所述控制单元包括中央处理器、指示灯和串行解码器，检测部件包括摄像头、串行编码器和用于产生“一字形”光束的激光器；激光器用于将光束照射在行车轨道上，摄像头与串行编码器通过并行总线相连接，串行解码器与中央处理器通过并行总行相连接，串行编码器与串行解码器通过串行差分总线相连接，指示灯与中央处理器的输出端相连接。

本发明的基于激光图像测量的脱轨检测装置，所述摄像头的轴线垂直并对准于行车轨道的上表面，激光器固定于摄像头的一侧且照射于摄像头下方的行车轨道上，激光器的轴线与摄像头的轴线位于同一平面内。

本发明的基于激光图像测量的脱轨检测装置的检测方法，其特别之处在于，通过以下步骤来实现：a).采集静止时图像，保持牵引处于静止状态，打开激光器，使“一字形”激光束照射于行车轨道上，通过摄像头采集包含激光照射区域在内的图像；b).建立直角坐标系， 中央处理器对摄像头采集的图像进行处理，得到图像的灰度值信息，以图像左下角的像素点为原点、水平向右为x轴正方向、竖直向上为y轴正方向，建立图像的o-xy坐标系，以获取每个像素的坐标信息；c).求取激光束图像坐标，根据激光照射到行车轨道上与其它区域所形成图像的灰度值不同，求出激光束的坐标；设行车轨道上激光束图像下边沿、上边沿的坐标分别为                                               、，激光束宽度方向上的中点坐标为；d).建立颠覆程度界限，以x=为中线向左右两侧平移相同的宽度，获取x1=、x2=，、即为牵引车运动过程中的颠覆程度界限值；e).实时采集图像，在牵引车运动的过程中，通过摄像头周期性地采集图像，采用与步骤a)、b)和c)相同的方法对图像进行处理，获取激光束图像坐标；设行车轨道上激光束图像中像素的个数为个；f).求取超出颠覆界限的像素点，根据步骤e)中获取的激光束图像坐标，计算对于中的像素点超出区间的数目；

g).判断是否脱轨，由超出颠覆界限的像素点数目和行车轨道上激光束图像中总像素，如果0≤＜，表示激光图像上大部分的像素点处于颠覆界限之内，牵引车没有脱轨；如果≤≤1，表示激光图像上大部分的像素点处于颠覆界限之外，牵引车已发生脱轨。

本发明的有益效果是：本发明的脱轨检测装置，通过在牵引车的底部设置由摄像头和激光器组成的检测部件，实现了对轨道上表面的激光照射和图像采集；通过中央处理器对含有激光照射区域图像的分析，可有效、准确地判断出牵引车是否发生脱轨，当判断出脱轨现象出现时通过指示灯发出报警信号。

本发明的脱轨检测方法，首先采集牵引车静止时的图像，并根据图像建立o-xy坐标系，利用激光照射区域与其它区域之间的灰度值差别，求出牵引车静止时轨道上的激光照射区域，并建立牵引车的颠覆界限；在之后的检测过程中，通过检测轨道上激光图像的像素点位于中的数目，当越过颠覆界限的像素点超过一定数量时，则认为牵引车已脱轨，否则，认为牵引车未脱轨。本发明的脱轨检测方法，避免了机械振动加速度检测、超声波测距检测易出现误判的弊端，可靠性、准确性更高，有益效果显著，便于应用推广。

附图说明

图1为本发明的基于激光图像测量的脱轨检测装置的原理图；

图2为本发明中测量部件的布设原理图；

图3为本发明的基于激光图像测量的脱轨检测方法的原理图；

图4、图5为本发明中牵引车脱轨检测的原理图。

图中：1 中央处理器，2指示灯，3摄像头，4激光器，5串行编码器，6串行解码器，7行车轨道，8激光器轴线，9摄像头轴线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的基于激光图像测量的脱轨检测装置的原理图，其由控制单元和检测部件组成，控制单元包括中央处理器1、指示灯2和串行解码器，检测部件包括摄像头3、激光器4和串行编码器5；摄像头3和激光器4均固定于牵引车的底部，激光器4用于对行车轨道的上表面进行照射，以使激光照射部分与其它区域的图像存在灰度值差异。摄像头3进行图像数据的采集，并将采集的图像数据经并行总线发送至串行编码器5中；串行编码器5对图像编码后经串行差分总线发送至串行解码器6中，串行解码器6对图像数据解码后经并行总线传输至中央处理器1中。RAM处理器1实现对采集图像的处理，并通过图像的对比，判断出牵引车是否脱轨，如果脱轨则通过指示灯2发出报警信号。中央处理器1可采用ARM处理器。

如图2所示，给出了本发明中检测部件的布设原理图，所示的摄像头轴线9与行车轨道7的上表面相垂直，且摄像头3位于行车轨道7的正上方。所示的激光器4位于摄像头3的正前方，激光器4的照射方向朝向摄像头3的正下方，摄像头轴线9与激光器轴线8位于同一平面内；激光器4发出的激光为“一字形”，这样，通过摄像头3即可采集包含“一字形”激光在内的图像信息。

如果3所示，给出了本发明的基于激光图像测量的脱轨检测方法的原理图，其通过以下步骤来实现：

a).采集静止时图像，保持牵引处于静止状态，打开激光器4，使“一字形”激光束照射于行车轨道7上，通过摄像头3采集包含激光照射区域在内的图像；

b).建立直角坐标系， 中央处理器1对摄像头3采集的图像进行处理，得到图像的灰度值信息，以图像左下角的像素点为原点、水平向右为x轴正方向、竖直向上为y轴正方向，建立图像的o-xy坐标系，以获取每个像素的坐标信息；

c).求取激光束图像坐标，根据激光照射到行车轨道上与其它区域所形成图像的灰度值不同，求出激光束的坐标；设行车轨道上激光束图像下边沿、上边沿的坐标分别为、，激光束宽度方向上的中点坐标为；

d).建立颠覆程度界限，以x=为中线向左右两侧平移相同的宽度，获取x1=、x2=，、即为牵引车运动过程中的颠覆程度界限值；

如图3所示，x1=、x2=区域之间的实线为“一字形”激光束的图像，在牵引车稳定行驶的过程中，通过摄像头3所采集的“一字形”激光束的图像应始终位于与之间的中心位置；由于牵引车在运行的过程中难免发生颠覆和晃动，应允许“一字形”激光束在一定区间范围内活动，区间即为“一字形”激光束的颠覆界限；

e).实时采集图像，在牵引车运动的过程中，通过摄像头3周期性地采集图像，采用与步骤a)、b)和c)相同的方法对图像进行处理，获取激光束图像坐标；设行车轨道上激光束图像中像素的个数为个；

f).求取超出颠覆界限的像素点，根据步骤e)中获取的激光束图像坐标，计算对于中的像素点超出区间的数目；

g).判断是否脱轨，由超出颠覆界限的像素点数目和行车轨道上激光束图像中总像素，如果0≤＜，表示激光图像上大部分的像素点处于颠覆界限之内，牵引车没有脱轨；如果≤≤1，表示激光图像上大部分的像素点处于颠覆界限之外，牵引车已发生脱轨。

如图4和图5所示，给出了牵引车发生脱轨的两种情形示意图，图4中，如果牵引车的颠覆程度比较大，使摄像头3和激光器4相对于静止位置向上位移的幅度比较大，处于图4中的、位置处，此时，激光器4发射出的“一字形”激光就照射到了区域之外，可判断牵引车已脱轨。图5中，摄像头3和激光器4脱轨后，相对于静止位置产生向下的位移，处于图4中的、位置处，此时，激光器4发射出的“一字形”激光也照射到了区域之外，可判断牵引车已脱轨。

本发明的基于激光图像测量的脱轨检测装置，设置于牵引车上，而不是一般的矿车上，由于矿车的数量较多（一般有一千辆左右）且位置不固定，而牵引车的数量较少，且位置相对来说较为确定，在牵引车上增设本发明的脱轨检测装置是可行的。 

Claims (3)

1.一种基于激光图像测量的脱轨检测装置，包括设置于牵引车上的控制单元和检测部件，其特征在于：所述控制单元包括中央处理器（1）、指示灯（2）和串行解码器（6），检测部件包括摄像头（3）、串行编码器（5）和用于产生“一字形”光束的激光器（4）；激光器用于将光束照射在行车轨道（7）上，所述摄像头（3）的轴线垂直并对准于行车轨道（7）的上表面，激光器（4）固定于摄像头的一侧且照射于摄像头下方的行车轨道上，激光器的轴线与摄像头的轴线位于同一平面内，指示灯与中央处理器的输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的基于激光图像测量的脱轨检测装置及方法，其特征在于：所述摄像头（3）与串行编码器（5）通过并行总线相连接，串行解码器（6）与中央处理器（1）通过并行总行相连接，串行编码器与串行解码器通过串行差分总线相连接。

3.一种基于权利要求1所述的基于激光图像测量的脱轨检测装置的检测方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).采集静止时图像，保持牵引处于静止状态，打开激光器，使“一字形”激光束照射于行车轨道上，通过摄像头采集包含激光照射区域在内的图像；

b).建立直角坐标系， 中央处理器对摄像头采集的图像进行处理，得到图像的灰度值信息，以图像左下角的像素点为原点、水平向右为x轴正方向、竖直向上为y轴正方向，建立图像的o-xy坐标系，以获取每个像素的坐标信息；

c).求取激光束图像坐标，根据激光照射到行车轨道上与其它区域所形成图像的灰度值不同，求出激光束的坐标；设行车轨道上激光束图像下边沿、上边沿的坐标分别为                                               、，激光束宽度方向上的中点坐标为；

d).建立颠覆程度界限，以x=为中线向左右两侧平移相同的宽度，获取x1=、x2=，、即为牵引车运动过程中的颠覆程度界限值；

e).实时采集图像，在牵引车运动的过程中，通过摄像头周期性地采集图像，采用与步骤a)、b)和c)相同的方法对图像进行处理，获取激光束图像坐标；设行车轨道上激光束图像中像素的个数为个；

f).求取超出颠覆界限的像素点，根据步骤e)中获取的激光束图像坐标，计算对于中的像素点超出区间的数目；

g).判断是否脱轨，由超出颠覆界限的像素点数目和行车轨道上激光束图像中总像素，如果0≤＜，表示激光图像上大部分的像素点处于颠覆界限之内，牵引车没有脱轨；如果≤≤1，表示激光图像上大部分的像素点处于颠覆界限之外，牵引车已发生脱轨。