CN104501724A - 适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法，包括如下步骤：a1准备9点标定板：利用铝合金型材定制标定板，在标定板的表面上等间距均匀设置九个水泥电阻高温热点，设定九个水泥电阻高温热点的现实坐标(u,v,w)；a2安装9点标定板；a3对安装好的9点标定板成像：在高速动车静止状态下，利用安装在高速动车顶部的红外相机采集此时的9点标定板视频，得出九个水泥电阻高温热点的像素坐标(x',y',w')；a4对红外相机成像的像素坐标(x',y',w')进行矫正，根据矫正后的像素坐标x，y精确算出导高值和拉出值。本方案通过上述标定方法，无需安装传感器，且能够对高速相机、工业镜头产生畸变进行矫正，对相机靶面与弓升降平面不平行事实进行纠正，测量结果更准确。

Description

适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法

技术领域

本发明涉及接触网运行监控领域，具体地，涉及适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法。

背景技术

铁路接触网供电线的导高值和拉出值是接触网运行监控的重要参数，利用车载设备进行接触网的动态几何参数测量的主要方法是接触式测量，即在受电弓上安装传感器，有压力传感器、光电传感器、微波传感器等，通过传感器的各项参数来检测接触线的导高值和拉出值。

动车运行速度快，安全性要求较高，目前不允许在受电弓上安装额外的传感器，所以目前常用的在受电弓上安装传感器的方法不适用于动车机载设备，同时因安装场地是动车车顶，安装位置和安装空间受限，无法安装激光测距仪等测量设备，现有的基于单目相机的测量主法存在测量精度低(误差在10mm左右)，车顶标定不方便等问题。此外，原有测量方法未对高速相机、工业镜头产生畸变进行矫正；也未对相机靶面与弓升降平面不平行事实进行纠正，导致最终的测量结果不准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法，无需安装传感器，且能够对高速相机、工业镜头产生畸变进行矫正，对相机靶面与弓升降平面不平行事实进行纠正，导高值和拉出值的测量结果更准确。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法，包括如下步骤：

a1准备9点标定板：利用铝合金型材定制标定板，在标定板的表面上等间距均匀设置九个水泥电阻高温热点，每个水泥电阻底部与标定板之间均设置尼龙卡子，同时设定九个水泥电阻高温热点的现实坐标(u,v,w)；

a2安装9点标定板：使9点标定板与被测受电弓台升平面重合，并用全站仪对9点标定板的九个水泥电阻高温热点进行校正；

a3对安装好的9点标定板成像：在高速动车静止状态下，对安装好的9点标定板通电一分钟，水泥电阻发热均匀后，利用安装在高速动车顶部的红外相机采集此时的9点标定板视频，并选取视频中清晰的图像作为像素坐标图像，并通过图像处理中角点检测方法找出九个水泥电阻高温热点在图像中对应的位置，得出九个水泥电阻高温热点的像素坐标(x',y',w')；

a4对红外相机成像的像素坐标(x',y',w')进行矫正，根据矫正后的像素坐标x，y精确算出导高值和拉出值。

进一步的，步骤a2中校正要求为标定板上最上一行三个水泥电阻高温热点的高度在轨道平面6300±1mm处，中间一行三个水泥电阻高温热点在5800±1mm，最下一排水泥电阻高温热点在5300±1mm位置。

进一步的，步骤a4中红外相机成像的像素坐标(x',y',w')进行矫正的具体方法如下：

a41计算映射系数：根据受电弓升降的平面与相机靶面平面相对固定，故红外相机成像的像素坐标(x',y',w')与受电弓升降平面的现实坐标(u,v,w)存在映射关系满足如下公式：

$[x^{\′},y^{\′,}{w}^{\′}]=[u,v,w]\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]---\left(1\right),$

公式(1)中，现实坐标中的w为常量，a11、a12、a13、a21、a22、a23、a31、a32和a33均为映射系数；

a42通过映射系数进行矫正：采集高速动车红外相机所采集的原始像素坐标图像，即公式(1)中的[u,v,w],结合公式(1)对应得到矫正后的像素坐标x，y，满足如下公式：

$x=\frac{x^{\′}}{w^{\′}}=\frac{a_{11}u+a_{21}v+a_{31}}{a_{13}u+a_{23}v+a_{33}}$

$y=\frac{y^{\′}}{w^{\′}}=\frac{a_{12}u+a_{22}v+a_{32}}{a_{13}u+a_{23}v+a_{33}}---\left(2\right)$

a43根据矫正后的像素坐标x，y精确算出导高值和拉出值：根据矫正后的像素坐标得到受电弓中心点坐标(xa,ya,za)，接触线与受电弓的接触点坐标(xb,yb,zb)，得出拉出值为xb-xa，导高值为yb。

进一步的，步骤a4中计算映射系数的过程包括如下步骤：

a411、根据矩阵乘法定义，变换公式(1)即可得到如下公式：

x'＝u*a₁₁+v*a₂₁+w*a₃₁；

y'＝u*a₁₂+v*a₂₂+w*a₃₂；

w'＝u*a₁₃+v*a₂₃+w*a₃₃；

同理根据九个水泥电阻高温热点的像素坐标得到九组(x',y',w')与u，v，w的关系式，得到27个方程式；

a412、根据现有的matlab工具中的pinv函数求得27个方程中的九个未知数的最优解。

进一步的，步骤a3中红外相机为单目热红外相机。

综上，本发明的有益效果是：

1、本方案通过特有的9点标定板找出映射系数，红外相机对已知的分布均匀九点高温标定板成像，获取映射的原始数据；然后通过原始数据，进行数学分析方法得出映射系数；然后再通过映射系数，进行数学分析方法得出映射变化后矫正的图像；最后对矫正后的图像进行图像分析，得出精确的导高值、拉出值，避免红外相机工业镜头产生畸变以及相机靶面与弓升降平面不平行对测量结果的影响，测量结果更精确。

2、消除因车顶红外相机在车顶安装位置不同而导致的图像畸变，进而影响测量精度降低的问题。

3、消除动车列车运行时受电弓震动、抬升、下降、红外图象中接触线尺寸较大引起的测量点识别不准确，导致的精度降低问题。

4、解决因动车车顶安装场所限制，导致的难以标定的问题。

附图说明

图1是受电弓矫正前成像图像；

图2为受电弓矫正后成像图像；

图3为9点高温标定板；

图4为9点高温标定板畸变后的图像；

图5为9点标定板的9个现实坐标点的一种标定方法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1-5所示，本发明包括如下步骤：

A1准备9点标定板：利用铝合金型材定制标定板，在标定板的表面上等间距均匀设置九个水泥电阻高温热点，每个水泥电阻底部与标定板之间均设置尼龙卡子，以防止水泥电阻发热传导到标定板上，影响热成像精度，其中的9点标定板的制作和装配精度控制在1mm以下。另外设定九个水泥电阻高温热点的现实坐标(u,v,w)，其中的w为常数。如图5所示，设定9个现实坐标中u,v的方法为:假定图中点1为(0，0)，点1与点2相差的实际距离为Δx,点4与点1相差的实际距离为Δy，则点2的坐标为(Δx，0)，点4的坐标为(0，Δy)，……，点9的坐标为(2Δx，2Δy)，而Δx和Δy的值在定制好标定板时长度就是确定的，则得到了9点相当于某固定位置的现实坐标系。

a2安装9点标定板：使9点标定板与被测受电弓台升平面重合，并用全站仪对9点标定板的九个水泥电阻高温热点进行校正，注意装配精度、绝缘和水泥电阻的通电线路布线。

a3对安装好的9点标定板成像：在高速动车静止状态下，对安装好的9点标定板通电一分钟，水泥电阻发热均匀后，利用安装在高速动车顶部的红外相机采集此时的9点标定板视频，并选取视频中清晰的图像作为像素坐标图像，并通过图像处理中角点检测方法找出九个水泥电阻高温热点在图像中对应的位置，得出九个水泥电阻高温热点的像素坐标(x',y',w')。

a4对红外相机成像的像素坐标(x',y',w')进行矫正，根据矫正后的像素坐标x，y精确算出导高值和拉出值。

该方案非常适合应用于铁路行业电气化铁路弓网运行状态安全监测，特别适合于像动车运行速度快，对安全性要求较高，又不允许在受电弓上安装额外的传感器上应用。本发明通过设置一个专门的9点标定板，无需在受电工上安装传感器，利用高速动车顶部安装的红外相机，在静止状态下采集9点标定板与被测受电弓台升平面重合时成像的像素坐标(u,v,w)，而由于红外相机、工业镜头在摄像的过程中容易发生畸变且相机靶面与弓升降平面不平行的情况发生，导致红外相机成像的像素坐标(u,v,w)发生了变形如图4所示，而该变形必然是由于实际像素坐标(x,y,z)如图3所示发生x/y方向平移，或者是x/y方向缩放，旋转线性变化而得到红外相机上成像的像素坐标(u,v,w)，则必有(u,v,w)＝f(x,y,z)，而该方案则是通过红外相机对9点标定板透视成像的像素坐标和实际像素坐标进行量化标定，计算出畸变系数，在后期使用时，只需通过红外相机拍摄受电弓成像的像素坐标，然后带入该畸变系数，即可推出没有变形的实际的像素坐标，通过对成像的像素坐标进行畸变矫正，最后根据实际的像素坐标计算出的导高值和拉出值更精确，而利用红外相机像素级图像还原与呈现技术对成像的像素坐标进行矫正，在该领域中还没有使用过。

如图1即为受电弓矫正前的成像图像，左高右低且呈不均匀变化，图2即为受电弓通过该方法矫正后的成像图像，左右对称。通过该种方法，消除因车顶红外相机在车顶安装位置不同而导致的图像畸变，进而影响测量精度降低的问题。解决因动车车顶安装场所限制，导致的难以标定的问题。消除动车列车运行时受电弓震动、抬升、下降，红外图象中接触线尺寸较大引起的测量点识别不准确，导致的精度降低问题。

实施例2：

本方案在实施例1的基础上优选如下：步骤a2中校正要求为标定板上最上一行三个水泥电阻高温热点的高度在轨道平面6300±1mm处，中间一行三个水泥电阻高温热点在5800±1mm，最下一排水泥电阻高温热点在5300±1mm位置。使9点标定板能更好的反应受电弓抬升平面上点的情况，从而根据9点标定板计算出的畸变系数更准确，后期计算出的导高值和拉出值也更准确。

实施例3：

本方案在上述实施例的基础上优选如下：步骤a4中红外相机成像的像素坐标(x',y',w')进行矫正的具体方法如下：

a41计算映射系数：根据受电弓升降的平面与相机靶面平面相对固定，故红外相机成像的像素坐标(x',y',w')与受电弓升降平面的现实坐标(u,v,w)存在映射关系满足如下公式：

$[x^{\′},y^{\′,}{w}^{\′}]=[u,v,w]\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]---\left(1\right),$

公式(1)中，由于需要测出的受电弓与接触线接触点的导高值和拉出值，此接触点只在垂直与动车行进方向的水平垂直方向和竖直方向运动，因此现实坐标中的w为常量，所以标定时，只需标定好这两个方向的相对值即可，水平方向只需标定出受电弓抬升平面内，轨道平面平行方向上，任意两个成像像素点在受电弓抬升平面处代表的实际物理距离即可，垂直方向同理。而公式(1)中涉及到的a11、a12、a13、a21、a22、a23、a31、a32和a33均为映射系数， $\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]$ 表示线性变换，[a31 a32]用于平移，[a₁₃ a₂₃]^T产生透视变换。

a42通过映射系数进行矫正：采集高速动车红外相机所采集的原始像素坐标图像，即公式(1)中的[u,v,w],结合公式(1)对应得到矫正后的像素坐标x，y，满足如下公式：

$x=\frac{x^{\′}}{w^{\′}}=\frac{a_{11}u+a_{21}v+a_{31}}{a_{13}u+a_{23}v+a_{33}}$

$y=\frac{y^{\′}}{w^{\′}}=\frac{a_{12}u+a_{22}v+a_{32}}{a_{13}u+a_{23}v+a_{33}}---\left(2\right)$

a43根据矫正后的像素坐标x，y精确算出导高值和拉出值：如图2中所示，根据矫正后的像素坐标得到受电弓中心点坐标(xa,ya,za)，接触线与受电弓的接触点坐标(xb,yb,zb)，得出拉出值为xb-xa，导高值为yb。

步骤a4中计算映射系数的过程包括如下步骤：

a411、根据矩阵乘法定义，变换公式(1)即可得到如下公式：

x'＝u*a₁₁+v*a₂₁+w*a₃₁；

y'＝u*a₁₂+v*a₂₂+w*a₃₂；

w'＝u*a₁₃+v*a₂₃+w*a₃₃；

同理根据九个水泥电阻高温热点的像素坐标得到九组(x',y',w')与u，v，w的关系式，得到27个方程式；

a412、根据现有的matlab工具中的pinv函数求得27个方程中的九个未知数的最优解。

步骤a3中红外相机为单目热红外相机，为消除红外图象中接触线尺寸较大引起的测量点识别不准确，导致的精度降低问题。并采用对成像图像像素进行细分的亚像素技术提高对识别精度。

该图像处理及几何参数测量算法较复杂，对算法进行优化，采用GPU运算来提高大量数据的逻辑运算，大大降低了CPU的使用率，从而满足高速运行时测量实时性要求，以解决在提高精度的情况下满足在动车高速运行时的测量实时性的要求。

如上所述，可较好的实现本发明。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

a1准备9点标定板：利用铝合金型材定制标定板，在标定板的表面上等间距均匀设置九个水泥电阻高温热点，每个水泥电阻底部与标定板之间均设置尼龙卡子，同时设定九个水泥电阻高温热点的现实坐标(u,v,w)；

a2安装9点标定板：使9点标定板与被测受电弓台升平面重合，并用全站仪对9点标定板的九个水泥电阻高温热点进行校正；

a3对安装好的9点标定板成像：在高速动车静止状态下，对安装好的九点标定板通电一分钟，水泥电阻发热均匀后，利用安装在高速动车顶部的红外相机采集此时的9点标定板视频，并选取视频中清晰的图像作为像素坐标图像，并通过图像处理中角点检测方法找出九个水泥电阻高温热点在图像中对应的位置，得出九个水泥电阻高温热点的像素坐标(x',y',w')；

a4对红外相机成像的像素坐标(x',y',w')进行矫正，根据矫正后的像素坐标x，y精确算出导高值和拉出值。

2.根据权利要求1所述的适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法，其特征在于，步骤a2中校正要求为标定板上最上一行三个水泥电阻高温热点的高度在轨道平面6300±1mm处，中间一行三个水泥电阻高温热点在5800±1mm，最下一排水泥电阻高温热点在5300±1mm位置。

3.根据权利要求1或2所述的适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法，其特征在于，步骤a4中红外相机成像的像素坐标(x',y',w')进行矫正的具体方法如下：

a41计算映射系数：根据受电弓升降的平面与相机靶面平面相对固定，故红外相机成像的像素坐标(x',y',w')与受电弓升降平面的现实坐标(u,v,w)存在映射关系满足如下公式：

$[x^{\′},y^{\′},w^{\′}]=[u,v,w]\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]---\left(1\right),$

公式(1)中，现实坐标中的w为常量，a11、a12、a13、a21、a22、a23、a31、a32和a33均为映射系数；

a42通过映射系数进行矫正：采集高速动车红外相机所采集的原始像素坐标图像，即公式(1)中的[u,v,w],结合公式(1)对应得到矫正后的像素坐标x，y，满足如下公式：

$x=\frac{x^{\′}}{w^{\′}}=\frac{a_{11}u+a_{21}v+a_{31}}{a_{13}u+a_{23}v+a_{33}}$

$y=\frac{y^{\′}}{w^{\′}}=\frac{a_{12}u+a_{22}v+a_{32}}{a_{13}u+a_{23}v+a_{33}}---\left(2\right)$

a43根据矫正后的像素坐标x，y精确算出导高值和拉出值：根据矫正后的像素坐标得到受电弓中心点坐标(xa,ya,za)，接触线与受电弓的接触点坐标(xb,yb,zb)，得出拉出值为xb-xa，导高值为yb。

4.根据权利要求3所述的适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法，其特征在于，步骤a4中计算映射系数的过程包括如下步骤：

a411、根据矩阵乘法定义，变换公式(1)即可得到如下公式：

x'＝u*a₁₁+v*a₂₁+w*a₃₁；

y'＝u*a₁₂+v*a₂₂+w*a₃₂；

w'＝u*a₁₃+v*a₂₃+w*a₃₃；

同理根据九个水泥电阻高温热点的像素坐标得到九组(x',y',w')与u，v，w的关系式，得到27个方程式；

a412、根据现有的matlab工具中的pinv函数求得27个方程中的九个未知数的最优解。

5.根据权利要求3所述的适用于高速动车的接触网几何参数测量与标定方法，其特征在于，步骤a3中红外相机为单目热红外相机。