CN106338335A - 一种基于图像的轨枕振动在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像的轨枕振动在线监测方法,所述的图像采集模块包括CMOS成像传感器和镜头；光斑位置P(i)的采集和处理方式如下：第一步，扫描全部像素，直到寻找光斑位置，计算并记录位置P(i)；第二步，间隔一个采样周期，采集新的图片，以P(i)为中心，设定矩形区域内寻找新的位置P(i+1)，记录位置P(i+1)，重复本步骤，直到采集停止；如果在本步骤中不能发现激光光斑，或激光光斑位置偏移大于设定值，则执行第三步；第三步，扩大设定的矩形区域搜索范围，找到新的激光光斑位置，记录位置P(i+1)，回到第二步。本发明的基于图像的轨枕振动在线监测方法，简化了轨道振动的测量，提高了测量精度。

Description

一种基于图像的轨枕振动在线监测方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种基于图像的轨枕振动在线监测方法。

背景技术

近年来，随着高速铁路和城市轨道交通的快速发展，铁路的基础研究也越来越得到重视，如何为这些研究提供第一手数据资料就显得更加重要。在轨道交通中，交通工具运动引起的振动对于轨道设施以及车辆本身都有重要意义。

短期内的振动数据，可以体现出轨道的健康运行情况，轨道结构合理性，环境影响等。长期的振动数据，可以体现出轨道随时间的老化情况，沉降特性，以及根据数据做出维护保养计划等。因此，如何得到有效的振动数据对于轨道交通有着重要意义。

目前的振动测量主要采用多轴加速度仪进行测量，测量的数据是加速度参数，如果要得到正确的振动幅度数据，则需要对加速度进行两次积分。对于有限精度的数字系统，经过两次积分后，数据有严重的失真，对于需要得到比较精确的振动幅度序列/波形的场合，这种测量方法无法完成需要的数据。

此外还有利用轨枕与路基的相对位移测量的方法，使用涡流、超声波等位移传感器进行测量，这种方式设备安装非常麻烦，系统测量精度受环境和安装工艺影响大，不容易有效实施。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中存在的问题，提供一种基于图像的轨枕振动在线监测方法，采用了图像采集和处理技术，结合轨道特性，通过激光成像直接得到振动幅度数据，大大简化了轨道振动的测量，提高了测量精度，即适合短期测量又适合长期测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于图像的轨枕振动在线监测方法，包括以下步骤：在轨枕侧面固定激光发射模块，轨枕侧面的路基上设置激光光斑成像模块、图像采集模块、图像处理模块和通讯模块；图像处理模块接收图像采集模块输出的数字图像信号，并对信号进行逐帧分析，提取光斑的位置信息，光斑位置Px，Py计算公式如下：

$Px=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{P}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i},Py=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i{P}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i};$

所述的图像采集模块包括CMOS成像传感器和镜头；光斑位置P(i)的采集和处理方式如下：

第一步，扫描全部像素，直到寻找光斑位置，计算并记录位置P(i)；

第二步，间隔一个采样周期，采集新的图片，以P(i)为中心，设定矩形区域内寻找新的位置P(i+1)，记录位置P(i+1)，重复本步骤，直到采集停止；如果在本步骤中不能发现激光光斑，或激光光斑位置偏移大于设定值，则执行第三步；

第三步，扩大设定的矩形区域搜索范围，找到新的激光光斑位置，记录位置P(i+1)，回到第二步。

优选地，将得到光斑坐标Px和Py的坐标信息通过坐标变换后，得到位移信息为：

Mx＝(Px-Cx)×ax；

My＝(Py-Cy)×ay；

式中，Cx和Cy是无振动时，从COMS成像传感器中提取出来的水平和垂直坐标，即为振动的零点位置；ax和ay为矩阵运算系数。

优选地，轨枕侧面的路基上还设置有电源模块，电源模块输入220V交流电，输出供激光发射模块的使用供电DC5V，供图像采集模块、图像处理模块和通讯模块的使用供电DC3.3V。

优选地，所述的通讯模块中设置有有线通讯电路单元和无线通讯电路单元。

优选地，所述的激光光斑成像模块为毛玻璃。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明采用的监测方法为非接触式检测；

2.在轨枕上安装轻巧的半导体激光发生器，将光斑投射到距离轨道几米甚至十几米外的激光光斑成像模块上。在激光发射器大体位置安装好后，只需要调整好激光光斑在成像模块上的成像位置，这可以微调成像模块的水平偏移和垂直偏移以达到无列车过往时，光斑在成像模块的中心位置。这避免了在现场进行复杂的设备安装和调试；

3.采用了激光作为振动位移的传递方式，避免了气流的影响；

4.激光光斑投射到十多米的距离上光斑的直径大约为10-15mm，采用5OO万像素(2592*1944像素)的图像传感器来对其量化，则在200*200mm的成像模块上，可达到0.1mm的精度；通过本发明的光斑位置P(i)采集算法进行处理后，像素的精度可提升到0.3个像素精度水平，即可以达到0.03mm精度。

附图说明

图1是本发明的基于图像的轨枕振动在线监测系统结构简图。

附图标记：1-激光发射模块，2-轨枕，3-激光光斑成像模块，4-图像采集模块，5-图像处理模块，6-通讯模块，7-电源模块，8-路基。

具体实施方式

参照图1，本发明的基于图像的轨枕振动在线监测系统包括在轨枕2侧面固定激光发射模块1，轨枕2侧面的路基8上设置激光光斑成像模块3、图像采集模块4、图像处理模块5和通讯模块6；其中激光光斑成像模块3为毛玻璃，尺寸由测量的最大幅度而定，一般情况下为200mm×200mm。图像采集模块4由一个CMOS成像传感器和镜头组构成，所采集的图像能够覆盖激光光斑成像模块3区域。

轨枕2侧面的路基8上还设置有电源模块7，电源模块7输入220V交流电，输出供激光发射模块1的使用供电DC5V，供图像采集模块4、图像处理模块5和通讯模块6的使用供电DC3.3V。

激光发射模块1发射的激光照射到激光光斑成像模块3上，通过图像采集模块4采集激光光斑成像模块3上的光信号。

图像处理模块5接收图像采集模块4输出的数字图像信号，并对信号进行逐帧分析，提取光斑的位置信息，光斑位置Px，Py计算公式如下：

$Px=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{P}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i},Py=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i{P}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i};$

将得到光斑坐标Px和Py的坐标信息通过坐标变换后，得到位移信息为：

Mx＝(Px-Cx)×ax；

My＝(Py-Cy)×ay；

式中，Cx和Cy是无振动时，从COMS成像传感器中提取出来的水平和垂直坐标，即为振动的零点位置；ax和ay为矩阵运算系数。通过畸变矩阵运算后，克服了镜头畸变情况，得到的光斑位置更加准确、可靠。

由于传感器的感光元件的数量巨大，如果直接处理所有像素信息，将造成后端处理的数据量巨大，为了避免这种产生。图像采集模块4采用CMOS成像传感器和镜头组成，利用COMS成像传感器的特性，对光斑位置P(i)的采集和处理进行如下处理：

第一步，扫描全部像素，直到寻找光斑位置，计算并记录位置P(i)；

第二步，间隔一个采样周期，采集新的图片，以P(i)为中心，设定矩形区域内寻找新的位置P(i+1)，记录位置P(i+1)，重复本步骤，直到采集停止；如果在本步骤中不能发现激光光斑，或激光光斑位置偏移大于设定值，则执行第三步；设定的矩形区域可根据需要设置，例如以P(i)为中心，左右上下64个像素的区域即128×128像素的矩形区域；

第三步，扩大设定的矩形区域搜索范围，找到新的激光光斑位置，记录位置P(i+1)，回到第二步。

通过上述处理方法，能够在进行光斑位置采集时能够在特定的区域中进行寻找，而不是在整个成像模块中进行寻找，有效的提高了采集效率，以及数据处理效率，后端的数据处理量极大的减小。

通讯模块6中设置有有线通讯电路单元和无线通讯电路单元，通讯模块6实现位移坐标实时传输给其他需要连接的设备。

Claims (5)

1.一种基于图像的轨枕振动在线监测方法，包括以下步骤：在轨枕(2)侧面固定激光发射模块(1)，轨枕(2)侧面的路基(8)上设置激光光斑成像模块(3)、图像采集模块(4)、图像处理模块(5)和通讯模块(6)；图像处理模块(5)接收图像采集模块(4)输出的数字图像信号，并对信号进行逐帧分析，提取光斑的位置信息，光斑位置Px，Py计算公式如下：

$Px=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{P}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i},Py=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i{P}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i};$

其特征在于，所述的图像采集模块(4)包括CMOS成像传感器和镜头；光斑位置P(i)的采集和处理方式如下：

第一步，扫描全部像素，直到寻找光斑位置，计算并记录位置P(i)；

第二步，间隔一个采样周期，采集新的图片，以P(i)为中心，设定矩形区域内寻找新的位置P(i+1)，记录位置P(i+1)，重复本步骤，直到采集停止；如果在本步骤中不能发现激光光斑，或激光光斑位置偏移大于设定值，则执行第三步；

第三步，扩大设定的矩形区域搜索范围，找到新的激光光斑位置，记录位置P(i+1)，回到第二步。

2.根据权利要求1所述的基于图像的轨枕振动在线监测方法，其特征在于，将得到光斑坐标Px和Py的坐标信息通过坐标变换后，得到位移信息为：

Mx＝(Px-Cx)×ax；

My＝(Py-Cy)×ay；

式中，Cx和Cy是无振动时，从COMS成像传感器中提取出来的水平和垂直坐标，即为振动的零点位置；ax和ay为矩阵运算系数。

3.根据权利要求1所述的基于图像的轨枕振动在线监测方法，其特征在于，轨枕(2)侧面的路基(8)上还设置有电源模块(7)，电源模块(7)输入220V交流电，输出供激光发射模块(1)的使用供电DC5V，供图像采集模块(4)、图像处理模块(5)和通讯模块(6)的使用供电DC3.3V。

4.根据权利要求1所述的基于图像的轨枕振动在线监测方法，其特征在于，所述的通讯模块(6)中设置有有线通讯电路单元和无线通讯电路单元。

5.根据权利要求1所述的基于图像的轨枕振动在线监测方法，其特征在于，所述的激光光斑成像模块(3)为毛玻璃。