CN104406521A - 基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器及检测方法，包括一个测量小车，在所述的测量小车上水平设有一个与其相连的基线，在基线的两端各安装一个与其相连的且用于采集接触网信息的相机，在所述的测量小车上垂直设有一个与其相连的竖杆，在所述的竖杆的顶部安装一个角度可调的且与相机进行通讯的工业电脑。本发明以精密机械设计为基础，以计算机视觉测量为核心，结合工业现场环境要求，开发出可在现场使用的精密测量仪器；通过分析现场采集的海量数据，构建接铁路触网状态模型，实现对接触网状态的深层精密测量，构成接触网系统行车安全预警系统。

Description

基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器及检测方法

技术领域

本发明公开了一种基于视觉测量技术的铁路接触网几何参数测量仪器及检测方法。

背景技术

在我国铁路基础建设中用到不少的国外先进的测绘仪器，多为全站仪。但在铁路接触网的三维空间中，通用测绘仪器则不再适用，无法将轨道的状态变化与测绘工作有机结合起来，所以轨道与接触网的测量需要专门的仪器来完成。接触网空间的位置状态的好坏直接决定着电力机车的受流质量，最终影响列车的运行速度和安全。据统计分析，铁路行车事故中，70％的事故是由于接触网状态不良引起的，电力机车沿接触网高速滑行取流，两者在相对的高速滑行磨擦运动中完成输电和受电的任务。这种紧密的联系和相对的高速运动日夜存在从不间断，所以接触网的状态需要频繁的测量和维修。

在国外对轨道、接触网的测量往往是使用大型的检查车(就是一节火车)，进行全面检查，而且欧洲国家的铁路运行模式与我国不同，比如德国和法国一般都是双向三条铁路，两条运营，一条备用，如需维修，启用备用线路，故障铁路断电封闭进行维修。而我国铁路的一般都是“天窗点”进行维护，也就是在没有列车通过的时间段进行作业。大型检查车因其造价高在我国一般只用于铁路大修，不适用于“天窗点”工作。

近年来，国内也有高校和科研机构在做车载视觉测量方式的研究，即将相机(或单目或双目，或可见光或红外)置于检测车、作业车或机车车顶对接触网的拍照来检测接触网参数，但都因其不能克服机车的颠簸、冲击和震动，测量结果误差大，数据仅作为参考，不能成为可靠的计量数据，这样的设备也不便于接触网的施工和应急抢修使用。加之我国高速铁路已居世界领先地位，要求的测量精度也最高，目前国内外还没有适合日常维护用的精密测量小车。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，以便携小车为直接测量载体，以计算机视觉测量为核心的全新的接触网状态精密测量方式，实现了对接触网状态的连续测量；且本发明将连续测量与静态定点测量相结合，方便作业现场维修与验证，能够应用于接触网建设和应急抢修。本发明应用接触网点云数据分析接触网状态几何参数的方法，对接触网状态进行深层精确测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，包括一个测量小车，在所述的测量小车上水平设有一个与其相连的基线，在基线的两端各安装一个与其相连的且用于采集接触网信息的相机，在所述的测量小车上垂直设有一个与其相连的竖杆，在所述的竖杆的顶部安装一个角度可调的且与相机进行通讯的工业电脑。

在所述的测量小车还上安装一个线形激光光源。

所述的测量小车的底部安装有导向轮和行走轮。

所述的竖杆的顶部安装一个推把，在所述的推把与工业电脑通过一个调整手轮相连。

在所述的测量小车上还设有轨距测量、里程测量、水平测量的传感器，用于测量所行进的里程及铁路轨道的轨距和水平两个几何参数。为接触网的测量提供真实的轨道面基准。

所述的基线，其材料采用50mmX5mm硬铝合金厚壁方管，强度高、刚性好，可以承受2100N.m的弯矩不会产生永久变形，基线搭建在测量小车上，与之刚性连接。

所述的两相机通过千兆网线分别与工业电脑的两个千兆网口连接，工业电脑为整个系统的数据处理中心，用于采集的两个相机的图像并做图像预处理识别接触网，采集各个传感器的数据，利用双目视觉测量的原理，根据预先标定的相机参数，解算出所测目标(接触网)相对于轨道面坐标系的空间三维坐标。(注在铁路轨道坐标系中的三维坐标X,Y,Z.其中X值即为接触网的拉出值，Z值为接触网的高度值，Y值铁路部门测量不需要)

工业电脑为测量系统的人机界面，工作状态时实时显示两相机所拍摄的接触网附件的视频图像。同时显示接触网的三维坐标值，绘制坐标值的变化曲线。工业电脑内置固态硬盘，用于数据存储，固体硬盘表现出良好的野外现场使用特性。

视频图像上有瞄准指示线，用于静态定点测量模式下精确对准目标，只输出目标点的参数。

本发明主要测量组件由两台高分辨率数字相机、线形激光光源、工业电脑所组成，两相机集成在基线上，小车可以测量轨道基本参数(轨距、水平、里程等)。白天时候，利用自然光进行照明(镜头可加滤光片)，通过图像处理解算特征；夜晚时候，利用线形激光光源进行照明，相机拍照时同时触发照明光源。

本发明的检测方法如下：

步骤1在生产安装完各零部件后将整个小车放置在参数标定控制场中对小车进行标定；使测量小车被置于模拟铁路轨道上，小车能够在延模拟轨道中心线垂直于轨道面向上5～7m处，能形成一个有效测量空间；

步骤2在小车标定完成后，将小车放置在铁路轨道上，以设定的速度推行小车前进，两个相机自动连续不断的采集接触网的图像，并将所采集的图像传给工业电脑，实现接触网的连续测量；

步骤3在小车行进的过程中，对于需要特别关注的测量点，启用静态测量模式，观察主控机界面上的视频图像，前后移动小车使相机对准目标进行拍摄，并将所采集的图像传给工业电脑，实现接触网的静态定点测量；

步骤4通过两个相机的图像和两相机连续不断的向前行进得到接触网位置参数的海量数据，通过工业电脑的处理构成了接触网三维空间的姿态点云。

所述的工业电脑对所测得的数据进行处理，系统输出接触网的高度和拉出值。

数据采集密度可以通过相机进行设置，小车所行进的里程值对接触网的测量结果数据进行定位。

连续测量主要用于接触网日常维护，只需推行小车在轨道上行走一遍，便可测量完线路上接触网参数。连续测量也用于接触网状态的测绘工程，设置测量密度，调整行进速度便可得出接触网的姿态点云数据。

静态定点测量即为测量指定目标点。常用测量铁路部门最关心的位置(如线夹)数据。也可用于接触网的架设施工和应急抢修工作。

步骤1所述的参数标定控制场，包括模拟轨道和距离模拟轨道面5～7m的处的2m×2m×2m的立体空间；立体空间中设置若干坐标点，先用高测量精度的仪器(如激光扫描仪、激光跟踪仪等)测量出坐标点的参数，通过这些参数计算坐标点的相互位置关系，从而建立起了一个坐标值已知的立体空间，在将这些坐标值转换到模拟轨道坐标系中，就完成了标定控制场的建立；用这个坐标值已知的控制场来标定所述的测量小车。

本发明所选用的测量相机指标如下：500万像素，5×5um左右像元大小，CCD尺寸2/3英寸，帧率10fps以上，帧存128MB，千兆以太网接口；镜头选用焦距25mm的定焦镜头。

应用计算机视觉测量技术实现了对接触网状态的连续测量，高密度测量数据，构成了接触网三维空间姿态点云；姿态点云就是接触网几乎每个点的三维坐标，系统中所拍摄的接触网的照片，照片上每个像素点的三维坐标值都可以计算出来，一个像素点对应空间的实际位置变化约为3mm。所以通过两个相机的图像和两相机连续不断的向前行进就会得到接触网位置参数的海量数据，从而构成了接触网三维空间的姿态点云。

本发明的有益效果如下：

1、本发明选用高像素的测量相机，使得测量数据精度高，系统综合精度达到毫米级；

2、测量参数多，基本涵盖了接触网全部几何参数，也可得出接触网与周围物体的位置关系。仪器可拍照，并存储照片，用于病害记录及取证，图像清晰、方便操作，快速准确、大大降低了劳动强度，提高了工作效率，方便施工、日常维护及应急抢修；

3、“T”字形车体本体设计，方便推行及测量，配有照明，可夜间作业；

4、点云数据处理得出轨道与接触网空间三维图，通过静态数据分析对目前测量比较困难的参数(如硬点)做出预测；在对大量历史数据分析的基础上，通过对数据横向、纵向对比建立安全预警系统。

5.仪器在保证测量精度的基础上充分考虑便携性和实用性，克服震动、惯性影响，方便快速上下轨道；全天候使用要求设计，能够在第一灾害现场应急抢修使用；充分考虑用户使用体验，从根本上解决了传统架子式测量仪器需要人力携带，测量时需要弯腰、下蹲，抬头向6米多高空的正上方瞄准接触线等操作困难且效率低的问题。本发明只需要测量人员推行小车在轨道上以正常速度行走即可，所有参数自动输出，可通过无线网络传输，现场绘制接触网状态曲线，报警提示硬点，是一个适合我国国情的铁路接触网专业测量仪器。

附图说明

图1为测量仪器主视图，

图2为测量仪器俯视图；

图中：1左相机 2基线 3电器盒 4工业电脑 5推把 6调整手轮 7线形激光光源8右相机 9测量小车 10导向轮 11走行轮。

具体实施方式

本发明以精密机械设计为基础，以计算机视觉测量为核心，结合工业现场环境要求，开发出可在现场使用的精密测量仪器；通过分析现场采集的海量数据，构建接铁路触网状态模型，实现对接触网状态的深层精密测量，构成接触网系统行车安全预警系统。

本测量系统由双目立体测量组件和推行小车组成，并配有用于轨道测量的轨距测量、里程测量、水平测量等传感器，以工业电脑作为数据处理中心和人机界面；具体结构如下：

基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，包括一个测量小车9，在所述的测量小车9上水平设有一个与其相连的基线2，在基线2的两端各安装一个与其相连的左相机1和右相机8，在所述的测量小车9上垂直设有一个与其相连的竖杆，在所述的竖杆的顶部安装一个角度可调的工业电脑4，在所述的竖杆的顶部安装一个角度可调的且与相机进行通讯的工业电脑。在所述的测量小车还上安装一个线形激光光源7。在小车上还安装有电器盒3，为工业电脑和相机供电。

所述的测量小车的底部安装有导向轮10和行走轮11。

所述的竖杆的顶部安装一个推把5，在所述的推把5与工业电脑4通过一个调整手轮6相连。

在测量小车9上还设有轨距测量、里程测量、水平测量的传感器，用于测量所行进的里程及铁路轨道的轨距和水平两个几何参数。为接触网的测量提供真实的轨道面基准。

基线2，其材料采用50mmX5mm硬铝合金厚壁方管，强度高、刚性好，可以承受2100N.m的弯矩不会产生永久变形，基线搭建在测量小车上，与之刚性连接。

两相机通过千兆网线分别与工业电脑的两个千兆网口连接，工业电脑为整个系统的数据处理中心，用于采集的两个相机的图像并做图像预处理识别接触网，采集各个传感器的数据，利用双目视觉测量的原理，根据预先标定的相机参数，解算出所接触网相对于轨道面坐标系的空间三维坐标。(注在铁路轨道坐标系中的三维坐标X,Y,Z.其中X值即为接触网的拉出值，Z值为接触网的高度值，Y值铁路部门测量不需要)

工业电脑4为测量系统的人机界面，工作状态时实时显示两相机所拍摄的接触网附件的视频图像。同时显示接触网的三维坐标值，绘制坐标值的变化曲线。工业电脑内置固态硬盘，用于数据存储，固体硬盘表现出良好的野外现场使用特性。

视频图像上有瞄准指示线，用于静态定点测量模式下精确对准目标，只输出目标点的参数。

本发明主要测量组件由两台高分辨率数字相机、线形激光光源、工业电脑所组成，两相机集成在基线上，小车可以测量轨道基本参数(轨距、水平、里程等)。白天时候，利用自然光进行照明(镜头可加滤光片)，通过图像处理解算特征；夜晚时候，利用线形激光光源进行照明，相机拍照时同时触发照明光源。

本发明的检测方法如下：

步骤1在生产安装完各零部件后将整个小车放置在参数标定控制场中对小车进行标定；使测量小车被置于模拟铁路轨道上，小车能够在延模拟轨道中心线垂直于轨道面向上5～7m处，能形成一个2m×2m×2m的有效测量空间；

2m×2m×2m为测量小车能够测量的有效空间，只要是轨道中心线垂直于轨道面向上(坐标Z向)5～7米处，左右方向(坐标X向)和前后方向(坐标Y向)各2米的三维空间范围内，只要两个相机能共同拍摄到的目标点就能计算出其坐标值，接触网的位置就在这一范围内(接触网的高度5.2～6.8米范围，拉出值在轨道中心两侧±0.6米的范围内)，且具有两个相机始终能同时拍到的特征，就能够实现了对接触网几何参数的测量。

步骤2在小车标定完成后，将小车放置在铁路轨道上，以设定的速度推行小车前进，两个相机自动连续不断的采集接触网的图像，并将所采集的图像传给工业电脑，实现接触网的连续测量；

步骤3在小车行进的过程中，对于需要特别关注的测量点，启用静态测量模式，观察主控机界面上的视频图像，前后移动小车使相机对准目标进行拍摄，并将所采集的图像传给工业电脑，实现接触网的静态定点测量；

步骤4通过两个相机的图像和两相机连续不断的向前行进得到接触网位置参数的海量数据，通过工业电脑的处理构成了接触网三维空间的姿态点云。

所述的工业电脑对所测得的数据进行处理，系统输出接触网的高度和拉出值。

数据采集密度可以通过相机进行设置，小车所行进的里程值对接触网的测量结果数据进行定位。

连续测量主要用于接触网日常维护，只需推行小车在轨道上行走一遍，便可测量完线路上接触网参数。连续测量也用于接触网状态的测绘工程，设置测量密度，调整行进速度便可得出接触网的姿态点云数据。

静态定点测量即为测量指定目标点。常用测量铁路部门最关心的位置(如线夹)数据。也可用于接触网的架设施工和应急抢修工作。

步骤1所述的参数标定控制场，包括模拟轨道和距离模拟轨道面5～7m的处的2m×2m×2m的立体空间；立体空间中设置若干坐标点，先用高测量精度的仪器(如激光扫描仪、激光跟踪仪等)测量出坐标点的参数，通过这些参数计算坐标点的相互位置关系，从而建立起了一个坐标值已知的立体空间，在将这些坐标值转换到模拟轨道坐标系中，就完成了标定控制场的建立；用这个坐标值已知的控制场来标定所述的测量小车。

本发明所选用的测量相机指标如下：500万像素，5×5um左右像元大小，CCD尺寸2/3英寸，帧率10fps以上，帧存128MB，千兆以太网接口；镜头选用焦距25mm的定焦镜头。

应用计算机视觉测量技术实现了对接触网状态的连续测量，高密度测量数据，构成了接触网三维空间姿态点云；姿态点云就是接触网几乎每个点的三维坐标，系统中所拍摄的接触网的照片，照片上每个像素点的三维坐标值都可以计算出来，一个像素点对应空间的实际位置变化约为3mm。所以通过两个相机的图像和两相机连续不断的向前行进就会得到接触网位置参数的海量数据，从而构成了接触网三维空间的姿态点云。

本发明从接触网的实际测量要求出发，结合对接触网测量技术，应用计算机视觉测量技术，开发出一款既能满足铁路接触网的建设、日常维护和应急抢修使用，达到计量工具的要求，又能对轨道接触网空间全方位测量，获得接触网空间状态的点云，构建轨道接触网空间的三维图形，进行历史大数据分析对比，构建数据管理平台及安全预警系统的测量仪器，通过接触网点云数据分析实现深层精密测量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，其特征在于：包括一个测量小车，在所述的测量小车上水平设有一个与其相连的基线，在基线的两端各安装一个与其相连的且用于采集接触网信息的相机，在所述的测量小车上垂直设有一个与其相连的竖杆，在所述的竖杆的顶部安装一个角度可调的且与相机进行通讯的工业电脑。

2.如权利要求1所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，其特征在于：所述的测量小车的底部安装有导向轮和行走轮。

3.如权利要求1所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，其特征在于：所述的竖杆的顶部安装一个推把，在所述的推把与工业电脑通过一个调整手轮相连。

4.如权利要求1所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，其特征在于：在所述的测量小车上还设有轨距测量、里程测量、水平测量的传感器，用于测量所行进的里程及铁路轨道的轨距和水平两个几何参数，为接触网的测量提供真实的轨道面基准。

5.如权利要求4所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，其特征在于：所述的两相机通过千兆网线分别与工业电脑的两个千兆网口连接，工业电脑为整个系统的数据处理中心，用于采集的两个相机的图像并做图像预处理识别接触网，采集各个所述传感器的数据，利用双目视觉测量的原理，根据预先标定的相机参数，解算出接触网相对于轨道面坐标系的空间三维坐标。

6.如权利要求1所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，其特征在于：所述的基线与测量小车刚性连接，其采用硬铝合金厚壁方管，能承受设定的弯矩且不会产生永久变形，。

7.如权利要求1所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器，其特征在于：在所述的测量小车还上安装一个为相机夜间工作提供照明的线形激光光源。

8.如权利要求1所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器的检测方法，其特征在于，如下：

步骤1在生产安装完各零部件后将整个小车放置在参数标定控制场中对小车进行标定；使测量小车被置于模拟铁路轨道上，小车能够在延模拟轨道中心线垂直于轨道面向上设定距离处，能形成一个有效测量空间；

步骤2在小车标定完成后，将小车放置在铁路轨道上，以设定的速度推行小车前进，两个相机自动连续不断的采集接触网的图像，并将所采集的图像传给工业电脑，实现接触网的连续测量；

步骤3在小车行进的过程中，对于需要静态测量的测量点，启用静态测量模式，观察主控机界面上的视频图像，前后移动小车使相机对准目标进行拍摄，并将所采集的图像传给工业电脑，实现接触网的静态定点测量；

步骤4通过两个相机的图像和两相机连续不断的向前行进得到接触网位置参数的海量数据，通过工业电脑的处理构成了接触网三维空间的姿态点云。

9.如权利要求1所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器的检测方法，其特征在于，数据采集密度能通过相机进行设置，小车所行进的里程值对接触网的测量结果数据进行定位。

10.如权利要求1所述的基于视觉测量技术的接触网几何参数测量仪器的检测方法，其特征在于，步骤1所述的参数标定控制场，包括模拟轨道和距离模拟轨道面5～7m的处的2m×2m×2m的立体空间；立体空间中设置若干坐标点，先用高测量精度的仪器测量出坐标点的参数，通过这些参数计算坐标点的相互位置关系，进而建立起了一个坐标值已知的立体空间，再将这些坐标值转换到模拟轨道坐标系中，完成标定控制场的建立；用这个坐标值已知的控制场来标定所述的测量小车。