CN107554552B - 一种基于机器视觉的轨道综合检测平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，包括激光垂直调节模块、激光数据采集模块、结构光检测模块、电机模块以及搭载小车；激光垂直调节模块用于采集激光检测数据并能调节激光器发射的光刀相对铁轨轴线的垂直位置；激光数据采集模块用于通过相机采集激光切割铁轨得到的轮廓数据，并能调节相机与激光发射器相对于铁轨的位置；结构光检测模块基于结构光对铁轨进行检测并能对结构光检测仪进行多自由度调节；电机模块用于带动结构光检测模块沿丝杠移动，搭载小车用于承载各模块沿轨道运动实现轨道检测，小车上固定连接推杆。该检测平台可以对铁路轨道的各项参数进行检测。

Description

一种基于机器视觉的轨道综合检测平台

技术领域

本发明涉及铁路轨道检测的装置，尤其是一种基于机器视觉(激光和结构光)的铁路轨道综合检测平台。

背景技术

随着铁路事业的迅猛发展，轨道的检测成为保障铁路安全的重中之重。传统的铁路轨道检测方法已不能满足日益艰巨的检测任务。铁轨的降低值、磨耗、高度差以及轨距等参数的检测，如果采用人工检测，难以保证精度和效率。随着检测手段和技术的不断进步，采用光学测量对铁轨进行检测，已经成为了越来越重要的发展方向。这里主要涉及激光和三维结构光检测。

三维结构光检测方法的原理是，通过结构光检测仪向铁轨投射光栅图案，由于铁轨高度的调制，光栅条纹会产生相应的变形，利用摄像机采集变形条纹，得到图像。对光栅条纹进行调解，可以得到包含高度信息的相位变化。结构光检测具有非接触，精度高，检测效率高等优势。但同时，受限于实际检测环境，结构光检测受周围光线因素影响大，易被遮挡，采集完整幅面受限。对检测的环境要求较高，适应性亟待提高。针对这一问题，补充安置激光检测设备，对结构光检测的限制进行了补充。激光检测的原理是：激光发射器发射出的光刀，垂直切割铁轨，得到铁轨的轮廓。工业相机拍摄铁轨轮廓，经过图像处理算法，将轮廓数据的坐标转为世界坐标系。然后拼接轮廓数据，得到完整的铁轨轮廓。将实测轮廓与标准铁轨轮廓进行配准比对，得到待检参数的数值。

同时配置激光和结构光检测设备，面对不同的现场状况，采用不同的检测方案和方法，提高了检测平台的适应性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于机器视觉可以对铁路轨道进行综合检测的平台。该检测平台可以对铁路轨道的各项参数(磨耗值、降低值、轨距、尖轨开口值等)进行检测。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，包括激光垂直调节模块、激光数据采集模块、结构光检测模块、电机模块以及搭载小车；

激光垂直调节模块用于采集激光检测数据并能调节激光器发射的光刀相对铁轨轴线的垂直位置；激光垂直调节模块包括：固定在搭载小车上的基座、垂直固定在基座上的支撑杆、穿套在支承杆上与支撑杆构成圆柱副的悬臂、悬臂末端通过光孔与平行于基座的悬杆进行销联接；悬杆上表面设有垂直于悬杆的安装架，安装架与悬杆构成移动副；安装架下方连接激光数据采集模块；

激光数据采集模块用于通过相机采集激光切割铁轨得到的轮廓数据，并能调节相机与激光发射器相对于铁轨的位置；激光数据采集模块包括：连接于安装架下方的模块壳体、固定在模块壳体上的背包连接板、块壳体上设有用于发出垂直于铁轨轴线光刀的激光发射器和能拍摄到完整激光轮廓的相机；

结构光检测模块基于结构光对铁轨进行检测并能对结构光检测仪进行多自由度调节；结构光检测模块包括：固定在丝杠滑块上的支撑杆基座、垂直连接于支撑杆基座上方的竖直支撑杆、平行于竖直支撑杆的万向节杆、连接于竖直支撑杆和竖直支撑杆之间的水平支撑杆，结构光检测仪通过万向节安装在万向节杆上，万向节杆固定在水平支撑杆一端的套筒中，水平支撑杆另外一端套接在竖直支撑杆上；

电机模块用于带动结构光检测模块沿丝杠移动，电机模块包括设置在搭载小车主车架内部中轴线上的丝杠、与丝杠配合的丝杠滑块、固定在车架上的带动丝杠旋转的电机；

搭载小车用于承载各模块沿轨道运动实现轨道检测，小车上固定连接推杆。

作为优选方式，搭载小车包括：主车架、主车架两侧的侧轮架、安装在侧轮架末端的车轮、安装在侧轮架下的定位轮，所述主车架和侧轮架通过定位孔进行销联接；当小车处于工作状态时，侧轮架在主车架两侧下方斜向延伸与主车架构成Y字型；当小车处于折叠状态时，侧轮架收拢紧贴于主车架两侧使搭载小车呈一字型。

作为优选方式，激光垂直调节模块的基座上套接基座套筒，基座套筒设有内螺纹，支撑杆与基座套筒螺纹连接，悬臂通过悬臂套筒内的螺纹孔与支撑杆构成圆柱副。

作为优选方式，在悬臂下部设有加强筋。

作为优选方式，安装架下方开有用于连接激光数据采集模块的安装孔，模块壳体通过背包框上的销轴安装在安装孔中，并用蝴蝶螺钉夹紧。激光数据采集模块通过沿销轴的移动可以实现平移。

作为优选方式，通过蝴蝶螺钉将万向节杆固定在水平支撑杆一端的套筒中，水平支撑杆另外一端固定在竖直支撑杆上，使用螺母压紧固定；竖直支撑杆与支撑杆基座螺纹连接。

作为优选方式，电机的输出轴通过联轴器与丝杠连接。

作为优选方式，悬杆上设有用于安装架移动的滑槽。

作为优选方式，搭载小车的主车架侧面通过法兰盘连接推杆，推杆上设置有电脑托板。

作为优选方式，相机轴线与激光发射器的轴线的夹角为30度。这样相机的畸变最小，图像质量最好。

本发明的工作过程和原理是：在进行钢轨检测的时候，推动小车推杆，使小车在轨道上行进，车轮紧贴钢轨工作面，打开电机，通过联轴器实现丝杠运动，使结构光检测模块沿着丝杠轴向运动，实现结构光检测仪左右移动；万向节杆可以沿水平支撑杆套筒轴线实现上下移动；结构光检测仪可以绕着竖直支撑杆轴线旋转，从而实现了结构光检测仪的三自由度调整；相机和激光发射器组成图像获取单元，水平支撑杆可以沿竖直支撑杆调节高度，同时可以绕支撑杆旋转；安装架可以在悬杆上平移，调节物距。激光数据采集模块可以在安装架的安装孔进行轴向旋转，调节角度。

激光垂直调节模块具有如下六个自由度：1.悬臂可以沿支撑杆调节高度；2.同时悬臂可以绕支撑杆旋转；3.悬杆可以绕着悬臂轴线旋转；4.安装架可以在悬杆上平移，调节物距；5.数据采集模块能通过安装架的安装孔进行轴向旋转，调节角度；6.激光数据采集模块能通过背包框结构实现平移。以上六个自由度的调节可以实现激光光刀垂直于铁轨，并调节到最佳物距。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该检测平台可以对铁路轨道的各项参数(磨耗值、降低值、轨距、尖轨开口值等)进行检测，1试验台各部分实现模块化，方便拆卸和改装。激光垂直调节模块与结构光检测模块，相互独立，可以同时进行检测，提高了整体的检测效率，根据现场情况，选择相应的检测方法，提高了适应性。2、增加结构光检测的自动化。电机连接丝杠，可实现结构光检测仪的自动调整，且电机可以精确控制位移。3、实现了结构光检测的多自由度调整。便于调整结构光检测仪的位置，避免遮挡，寻找最佳拍摄距离和位置。4、实现了激光发射器与相机的模块化。5、实现激光垂直检测对象的快速调节。6、主车架与侧轮架通过定位孔连接，可改变小车姿态。工作姿态呈Y型，小车结构为对称三轮结构，增加了小车整体的平稳性；折叠后的运输姿态呈一字型，大大缩短了小车的长度，便于搬运。

附图说明

图1是本发明整体装配后的三维图；

图2是本发明激光垂直调节模块的装配图；

图3是激光数据采集模块的结构示意图；

图4是本发明结构光检测模块的装配图；

图5是本发明电机模块的示意图；

图6是本发明轮主车架和侧轮架连接处的放大图；

图7是本发明车架工作时示意图；

图8是本发明车架折叠时示意图。

1为激光垂直调节模块，2为激光数据采集模块，3为结构光检测模块，4为电机模块，5为搭载小车，6为基座，7为基座套筒，8为支撑杆，9为螺纹孔，10为悬臂套筒，11为加强筋，12为悬臂，13为光孔，14为悬杆，15为安装架，16为安装孔，17为模块壳体，18为背包框，19为背包连接板，20为蝴蝶螺钉，21为激光发射器，22为相机，23为结构光检测仪；24为万向节，25为万向节杆，26为水平支撑杆，27为竖直支撑杆，28为螺母，29为支撑杆基座，30为电机，31为联轴器，32为丝杠，33为丝杠滑块，34为主车架，35为侧轮架，36为定位孔，37为车轮，38为定位轮。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，包括激光垂直调节模块1、激光数据采集模块2、结构光检测模块3、电机模块4以及搭载小车5；

激光垂直调节模块1用于采集激光检测数据并能调节激光器发射的光刀相对铁轨轴线的垂直位置；激光垂直调节模块包括：固定在搭载小车5上的基座6、垂直固定在基座6上的支撑杆8、穿套在支承杆8上与支撑杆8构成圆柱副的悬臂12、悬臂12末端通过光孔13与平行于基座6的悬杆14进行销联接；激光垂直调节模块的基座6上套接基座套筒7，基座套筒7设有内螺纹，支撑杆8与基座套筒7螺纹连接，悬臂12通过悬臂套筒10内的螺纹孔9与支撑杆8构成圆柱副，悬杆14上表面设有垂直于悬杆14的安装架15，悬杆14上设有用于安装架15移动的滑槽，安装架15与悬杆14构成移动副；安装架15下方连接激光数据采集模块2；在悬臂12下部设有加强筋11。

激光数据采集模块2用于通过相机采集激光切割铁轨得到的轮廓数据，并能调节相机22与激光发射器21相对于铁轨的位置；激光数据采集模块包括：连接于安装架15下方的模块壳体17、固定在模块壳体17上的背包连接板19、块壳体17上设有用于发出垂直于铁轨轴线光刀的激光发射器21和能拍摄到完整激光轮廓的相机22；安装架15下方开有用于连接激光数据采集模块2的安装孔16，模块壳体17通过背包框18上的销轴安装在安装孔16中，并用蝴蝶螺钉20夹紧。激光数据采集模块通过沿销轴的移动可以实现平移。相机轴线与激光发射器的轴线的夹角为30度，这样相机的畸变最小，图像质量最好。

结构光检测模块3基于结构光对铁轨进行检测并能对结构光检测仪23进行多自由度调节；结构光检测模块3包括：固定在丝杠滑块上的支撑杆基座29、垂直连接于支撑杆基座29上方的竖直支撑杆27、平行于竖直支撑杆27的万向节杆25、连接于竖直支撑杆27和竖直支撑杆27之间的水平支撑杆26，结构光检测仪23通过万向节24安装在万向节杆25上，通过蝴蝶螺钉将万向节杆25固定在水平支撑杆26一端的套筒中，水平支撑杆26另外一端套接在竖直支撑杆27上，使用螺母28压紧固定；竖直支撑杆27与支撑杆基座29螺纹连接。

电机模块4用于带动结构光检测模块沿丝杠移动，电机模块包括设置在搭载小车5主车架35内部中轴线上的丝杠32、与丝杠配合的丝杠滑块33、固定在车架上的带动丝杠旋转的电机30；电机30的输出轴通过联轴器31与丝杠32连接。

搭载小车5用于承载各模块沿轨道运动实现轨道检测，搭载小车5的主车架34侧面通过法兰盘连接推杆，推杆上设置有电脑托板。搭载小车5包括：主车架34、主车架34两侧的侧轮架35、安装在侧轮架35末端的车轮37、安装在侧轮架35下的定位轮38，所述主车架34和侧轮架35通过定位孔36进行销联接；当小车处于工作状态时，侧轮架35在主车架34两侧下方斜向延伸与主车架34构成Y字型；当小车处于折叠状态时，侧轮架35收拢紧贴于主车架34两侧使搭载小车呈一字型。

本发明的工作过程和原理是：在进行钢轨检测的时候，推动小车推杆，使小车在轨道上行进，车轮紧贴钢轨工作面，打开电机，通过联轴器实现丝杠运动，使结构光检测模块沿着丝杠轴向运动，实现结构光检测仪左右移动；万向节杆可以沿水平支撑杆套筒轴线实现上下移动；结构光检测仪23可以绕着竖直支撑杆轴线旋转，从而实现了结构光检测仪的三自由度调整；相机和激光发射器组成图像获取单元，水平支撑杆可以沿竖直支撑杆调节高度，同时可以绕支撑杆旋转；安装架可以在悬杆上平移，调节物距。激光数据采集模块可以在安装架的安装孔进行轴向旋转，调节角度。

激光垂直调节模块具有如下六个自由度：1.悬臂可以沿支撑杆调节高度；2.同时悬臂可以绕支撑杆旋转；3.悬杆可以绕着悬臂轴线旋转；4.安装架可以在悬杆上平移，调节物距；5.数据采集模块能通过安装架的安装孔进行轴向旋转，调节角度；6.激光数据采集模块能通过背包框结构实现平移。以上六个自由度的调节可以实现激光光刀垂直于铁轨，并调节到最佳物距。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：包括激光垂直调节模块(1)、激光数据采集模块(2)、结构光检测模块(3)、电机模块(4)以及搭载小车(5)；

激光垂直调节模块(1)用于采集激光检测数据并能调节激光发射器发射的光刀相对铁轨轴线的垂直位置；激光垂直调节模块包括：固定在搭载小车(5)上的基座(6)、垂直固定在基座(6)上的支撑杆(8)、穿套在支撑杆(8)上与支撑杆(8)构成圆柱副的悬臂(12)、悬臂(12)末端通过光孔(13)与平行于基座(6)的悬杆(14)进行销联接；悬杆(14)上表面设有垂直于悬杆(14)的安装架(15)，安装架(15)与悬杆(14)构成移动副；安装架(15)下方连接激光数据采集模块(2)；

激光数据采集模块(2)用于通过相机采集激光切割铁轨得到的轮廓数据，并能调节相机(22)与激光发射器(21)相对于铁轨的位置；激光数据采集模块包括：连接于安装架(15)下方的模块壳体(17)、固定在模块壳体(17)上的背包连接板(19)、模块壳体(17)上设有用于发出垂直于铁轨轴线光刀的激光发射器(21)和能拍摄到完整激光轮廓的相机(22)；

结构光检测模块(3)基于结构光对铁轨进行检测并能对结构光检测仪(23)进行多自由度调节；结构光检测模块(3)包括：固定在丝杠滑块上的支撑杆基座(29)、垂直连接于支撑杆基座(29)上方的竖直支撑杆(27)、平行于竖直支撑杆(27)的万向节杆(25)、连接于竖直支撑杆(27)和竖直支撑杆(27)之间的水平支撑杆(26)，结构光检测仪(23)通过万向节(24)安装在万向节杆(25)上，万向节杆(25)固定在水平支撑杆(26)一端的套筒中，水平支撑杆(26)另外一端套接在竖直支撑杆(27)上；

电机模块(4)用于带动结构光检测模块沿丝杠移动，电机模块包括设置在搭载小车(5)主车架(34)内部中轴线上的丝杠(32)、与丝杠配合的丝杠滑块(33)、固定在车架上的带动丝杠旋转的电机(30)；

搭载小车(5)用于承载各模块沿轨道运动实现轨道检测，小车上固定连接推杆。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：搭载小车(5)包括：主车架(34)、主车架(34)两侧的侧轮架(35)、安装在侧轮架(35)末端的车轮(37)、安装在侧轮架(35)下的定位轮(38)，所述主车架(34)和侧轮架(35)通过定位孔(36)进行销联接；当小车处于工作状态时，侧轮架(35)在主车架(34)两侧下方斜向延伸与主车架(34)构成Y字型；当小车处于折叠状态时，侧轮架(35)收拢紧贴于主车架(34)两侧使搭载小车呈一字型。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：激光垂直调节模块的基座(6)上套接基座套筒(7)，基座套筒(7)设有内螺纹，支撑杆(8)与基座套筒(7)螺纹连接，悬臂(12)通过悬臂套筒(10)内的螺纹孔(9)与支撑杆(8)构成圆柱副。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：在悬臂(12)下部设有加强筋(11)。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：安装架(15)下方开有用于连接激光数据采集模块(2)的安装孔(16)，模块壳体(17)通过背包框(18)上的销轴安装在安装孔(16)中，并用蝴蝶螺钉(20)夹紧。

6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：通过蝴蝶螺钉将万向节杆(25)固定在水平支撑杆(26)一端的套筒中，水平支撑杆另外一端固定在竖直支撑杆(27)上，使用螺母(28)压紧固定；竖直支撑杆(27)与支撑杆基座(29)螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：电机(30)的输出轴通过联轴器(31)与丝杠(32)连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：悬杆(14)上设有用于安装架(15)移动的滑槽。

9.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：搭载小车(5)的主车架(34)侧面通过法兰盘连接推杆，推杆上设置有电脑托板。

10.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道综合检测平台，其特征在于：相机轴线与激光发射器的轴线的夹角为30度。