CN107678036A - 一种车载非接触式接触网几何参数动态检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，公开了一种车载非接触式接触网几何参数动态检测系统及方法。检测系统包括设置于车顶用于检测接触网的几何检测单元、设置于车体内的控制单元以及设置于车底的用于检测车体振动的振动补偿单元；所述几何检测单元包括激光雷达、线阵相机和光源；所述激光雷达设置于几何检测单元中央；所述线阵相机设有两组，每组两个，两组线阵相机分别设置于激光雷达的两侧，同组的线阵相机相对车顶倾斜设置；所述激光雷达、线阵相机分布在同一直线上，激光雷达的扫描区域和线阵相机的检测区域处于同一检测平面；所述光源设置于激光雷达两侧。本检测系统及方法检测精度高、结构简单、安装简便。

Description

一种车载非接触式接触网几何参数动态检测系统及方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，更具体地，涉及一种车载非接触式接触网几何参数动态检测系统及方法。

背景技术

接触网是在电气化铁道中，沿钢轨上空“之”字形架设的，供受电弓取流的高压输电线。接触线与受电弓之间的良好接触是保证电力机车取流质量的关键。随着中国铁路事业的快速发展，电气化铁路里程的不断增加，接触网检修的强度与难度都不断增大。为提高故障检测速度、保障线路的安全运营，研制一种高速高精度接触网检测设备便显得尤为迫切。铁路总公司于2012年7月推出了《高速铁路供电安全检测监测系统及方法(6C系统及方法)总体技术规范》，在该文件中，详细阐述了对接触网几何参数的检测要求，即接触导线高度为5000~7000mm，精度<10mm；拉出值为-600~+600mm，精度25mm。

目前车载接触网几何参数动态检测设备系统有以下几种：

（1）采用接触式检测，安装困难、结构复杂、精度低；

（2）采用非接触式单一传感器，检测效果差、精度低；

（3）无车体振动补偿、或车体振动补偿不到位，检测结果与实际测量值偏差较大。

以上方案无法实现指导电气化铁路状态修的目的，不能满足电气化铁路运用的要求。

本文中接触网：铁路沿线上空架设的特殊形式的输电线路，主要为机车提供动力，是轨道交通的重要组成部分。几何参数：接触网对于轨道中心点的垂直和水平距离分别称为导高和拉出值，都称为接触网的几何参数。轨距和轨距点：轨距指钢轨顶面以下10-16mm范围内两股钢轨之间的最小距离；取钢轨顶面以下16mm处的圆弧拐点为轨距点。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种结构简单、安装简便、高精度的车载非接触式接触网几何参数动态检测系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种车载非接触式接触网几何参数动态检测系统，包括设置于车顶用于检测接触网的几何检测单元、设置于车体内的控制单元以及设置于车底的用于检测车体振动的振动补偿单元；所述几何检测单元包括激光雷达、线阵相机和光源；所述激光雷达设置于几何检测单元中央；所述线阵相机设有两组，每组两个，两组线阵相机分别设置于激光雷达的两侧，同组的线阵相机相对车顶倾斜设置；所述激光雷达、线阵相机分布在同一直线上，激光雷达的扫描区域和线阵相机的检测区域处于同一检测平面；所述光源设置于激光雷达两侧；

在所述两组线阵相机中，由同组的两个线阵相机形成对接触网的双目测量，再由左右两组线阵相机形成对接触网的双-双目测量；所述控制单元结合几何检测单元和振动补偿单元检测的数据进行计算，得到接触网的导高和拉出值几何参数。

为了提高检测精度，所述振动补偿单元包括两只二维轮廓扫描传感器，分别扫描左右钢轨；所述二维轮廓扫描传感器与所述几何检测单元处于车体的同一横截面上。

所述控制单元包括工控机、数据采集卡以及显示器，所述工控机通过数据采集卡采集几何检测单元和振动补偿单元的数据并进行计算以得出导高和拉出值，并在显示器上显示。

本发明的另一目的在于提供一种应用了上述车载非接触式接触网几何参数动态检测系统的检测方法，包括以下步骤，

S1.使用激光雷达和线阵相机检测接触网对于车顶的空间位置；

S2.通过检测车体振动进行振动补偿，得到接触网的几何参数。

其中，所述步骤S1具体为，所述激光雷达对接触网进行识别得到一次相对位置后，由线阵相机进行二次细化识别，得到接触网相对车顶的距离。

进一步地，所述步骤S2具体为采用二维轮廓扫描传感器作为车体振动补偿数据来源。

进一步地，所述步骤S2中，采用车体水平偏移、车体倾斜角度、车体高度、轨距的车顶至车底的换算方法，计算车体对轨道中心点的水平和垂直偏移。

进一步地，所述激光雷达的检测零点相对于轨道中心点的水平偏移、垂直偏移以及车体倾斜角度，根据车辆静态动态对比后的车体左右两端垂直偏移和水平偏移得出。

本发明的有益效果：

本车载接触网检测系统采用非接触式、多传感器融合检测、自带振动补偿的设计思路；具体地采用激光雷达居于车顶中央、线阵相机左右分布，激光雷达和线阵相机均检测接触网对于车顶的空间位置，采用二维轮廓扫描传感器检测轨道关键点以修正车体振动补偿的解决方案。该系统结构简单，并且可以在不改变车体结构的情况下进行安装，安装简便，通用性广。再者，由于采用了激光雷达对接触网导线位置预判，线阵相机二次细化判别的模式，并且在二次细化判别中采用双-双目测量的方法；同时，使用二维轮廓传感器进行振动补偿，该检测方法对接触网位置的检测精度高，能够在车辆运行过程中，通过电脑端程序解析、准确地实时输出当前接触网的几何参数。本申请对于接触网几何参数的检测结果能为接触网的检修提供切实的可参照依据、真正实现指导状态修的目的、满足电气化铁路运用的要求。

附图说明

图1为本发明具体实施例的系统结构示意图。

图2为几何检测单元检测安装示意图。

图3为几何检测单元检测原理图。

图4为振动补偿单元检测原理图。

图5为车体对于轨道中心点偏移对比图。

图6为车顶车底换算示意图。

图7为在某一视觉下四台摄像机对21条标定物拍摄所得的图像。

图8为某段时间内一台相机所拍摄得到的接触线图像。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种车载非接触式接触网几何参数动态检测系统。如图1所示，包括位于车体顶部用于检测接触网的几何检测单元、设置于车体内部的控制单元以及位于车体底部用于检测车体振动的振动补偿单元。

振动补偿单元位于车底、由两只二维轮廓扫描传感器构成；且几何检测单元和振动补偿单元安装在垂直于钢轨的同一车体横截面内。

如图2、图3所示，几何检测单元位于车体中央，包括一个激光雷达和四个线阵相机、光源及安装支架，激光雷达和线阵相机通过安装支架安装在车体顶部。激光雷达位于几何检测单元中央,线阵相机A、B、C、D分为AC、BD两组，两组对称分布在激光雷达左右两侧；激光雷达两侧各设有光源；激光雷达和线阵相机位于同一直线上分布,同时检测接触网。

如图4所示，振动补偿单元由两个二维轮廓扫描传感器及安装支架组成；左右二维轮廓扫描传感器通过安装支架安装在车体底部，并且两者位于同一直线上，与车顶的几何检测单元位于同一车体截面内，分别扫描左右钢轨。

控制单元由工控机、数据采集卡、显示器、鼠标、键盘及控制柜等组成，对整个装置的操作和计算进行控制，结合几何检测单元和补偿单元采集的数据进行计算，动态得到接触网的导高和拉出值几何参数。

该系统结构简单，并且可以在不改变车体结构的情况下进行安装，安装简便，通用性广。

实施例2

本实施例提供一种应用了实施例1的检测方法。

包括以下步骤：

S1.使用激光雷达和线阵相机检测接触网对于车顶的空间位置。

在进行实际检测前，对线阵相机进行标定，过程如下。

S11.利用回归技术，预先对用于测量接触网的线阵相机进行相机标定。

S111获取训练数据，得到世界坐标与线阵相机像素坐标的对应关系；

在标定过程中，通常用空间位置信息已知的物体作为景物进行拍摄，这样的物体称为标定物。本实施例采用黑色条状物作为标定物，从若干视觉进行拍摄。考虑到线阵相机的靶面较大，同时为了标定过程更加方便，本实施例中同时采用21条相同长宽的黑色条状物作为标定物。标定物左侧边缘的空间位置信息已知。一台相机在一个视角下拍摄，即可得到21条标定物的图像，拍摄结果为黑白图像，如图7所示。

由于系统中使用了四台线阵摄像机对接触网进行检测，图7至上而下分为四个部分，每一部分表示一个相机的拍摄结果。为了便于观察，将每台相机的拍摄结果重复了100帧。同时为了更方便地确定中心位置，采用邻近的双条黑线作为标记，如图7第一部分方框中的两条黑线。除21条标定物的影像外，其余黑白部分都是背景杂波。在图像中找出相应标定物对应的像素，可得到21组世界坐标与像素坐标的对应关系。通过在不同的视角拍摄，总共得到272组对应关系。

S112.训练支持向量回归机，得到接触网的相对导高值模型及相对拉出值模型。

利用世界坐标与像素坐标的对应关系完成相机的标定是最为关键的一个步骤。由于系统中采用了四台线阵相机，为了能同时方便地融合四台摄像机的信息，利用回归技术完成摄像机的标定过程。相对一般机器学习方法中的回归方法，支持向量回归技术在小样本、非线性问题处理有独特的优势。因此将四台摄像机中标定物的像素信息作为输入，对应的导高和拉出值作为输出值，分别训练两个支持向量回归机，实现对导高和拉出值的预测。

支持向量回归机(Support Vector Regression, SVR)是支持向量在函数回归领域的应用，其样本点只有一类，所寻求的最优超平面使得所有样本点距离超平面的总偏差最小。同时引入径向基核函数，将低维数据映射到高维，使其线性可分。选用合理的支持向量回归机类型，并且采用标准差衡量参数选择后支持向量回归机的性能，将数据归一化后通过交叉验证法求解最优参数。本实施例中选择使用ε类支持向量回归机，对应的最优参数如表1所示。

	惩罚因子C	误差距离p	核函数参数gamma
				预测拉出值	200	0.015	0.18
预测导高值	100	0.014	0.91

表1交叉验证得到的最优参数值

最优参数下对样本进行训练，拉出值和导高值各得到的一个模型，即线阵相机的标定结果，与以往的摄像机标定方法不同，支持向量回归机得到的模型不是由多个拥有几何意义的参数构成，而是由若干“支持向量”构成。

S12.使用其扫描区域与所述线阵相机的检测区域处于同一检测平面的激光雷达对接触网的位置进行判别，得到接触网的一次相对位置值。

激光雷达通过扫描和识别接触网导线，得到接触网相对于激光雷达安装平面的水平和垂向距离值，以确定接触网的一次相对位置值。

如图3所示，其中激光雷达位于几何检测单元中央，接触网对于激光雷达的零点中心位置反映为距离Z和角度值K，水平距离L=Z*cosK、垂直距离H=Z*sinK；线阵相机位于激光雷达两侧，左右各两个线阵相机，左右均匀分布、且视场范围覆盖接触网导线的常规高度；激光雷达识别到接触网并得到某一参考水平和垂直距离后、由线阵相机进行二次细化识别、最终输出精确的接触网对于激光雷达中心点的水平距离和垂直距离。

S13.根据一次相对位置值，使用所述线阵相机对接触网进行二次位置细化识别，得到接触网的相对位置。

线阵相机分为分别设置在激光雷达的左右两组，每组两个；每一组线阵相机各自采用双目测距原理对接触网进行测量，左右两组再次利用双目测距原理进行计算，实现整体上的双-双目测距，在激光雷达得到的一次相对位置的基础上得到更精确的接触网相对位置。

控制单元实时采集激光雷达信号和线阵相机中的接触网高清图像信息；对图像信息进行处理，从图像信息中获取接触线导线像素信息。本实施例中采用的是线阵相机，所拍摄的图像每一帧的大小为1*4096像素，为了方便进行图像处理找到标定物在图像上的像素信息，将一个时间段内的视频帧拼接成图像。如图8显示的是某段时间内一台相机所拍摄得到的接触线图像，该段时间内图像质量较好。一条接触线在一帧中有个像素坐标，通过滤波对图像进行降噪处理，再进行卷积操作，然后利用正向跟踪和反向跟踪技术，在图像中找到完整的导线。某一时刻下四台相机对应四个像素坐标，将导线在四台摄像机中所有时刻的像素坐标信息记录下，即获得了完整的导线像素信息。

控制单元实时地将相机获取的文件读入并得到图像信息，通过处理图像，一条接触线能得到四个像素坐标，将其作为支持向量回归机的输入，用训练得到的两个支持向量回归机模型用回归预测，分别得到接触线的相对导高值和相对拉出值。

S2.通过检测车体振动进行振动补偿，得到接触网的几何参数。

采用二维轮廓扫描传感器作为车体振动补偿数据来源。采用车体水平偏移、车体倾斜角度、车体高度、轨距的车顶至车底的换算方法，计算车体对轨道中心点的水平和垂直偏移。

如图4所示，车底的左右二维轮廓扫描传感器，分别对左右钢轨轨距点进行识别，识别到轨距点并计算出轨距后、根据二分之一轨距即轨道中心点为参考、计算车体对于轨道中心点的水平和垂向偏移值。

如图4至图6所示，其中，A点为左侧钢轨轨距点，B点为右侧钢轨轨距点，O点为轨道中心点。轨距点A、B在二维轮廓扫描传感器的量程内以笛卡尔坐标形式输出为：A（Xa，Ya）、B（Xb，Yb），车辆静止时存在线段A’B’，车辆运动时的任一时刻存在线段AB。将两条线段进行对比并计算，即可得出车体运动时相对于轨道中心点的水平偏移Xoo’=abs（Xo-Xo’）=abs（(Xa+Xb-Xa’-Xb’）/2）、垂直偏移Yoo’= abs（Yo-Yo’）=abs（(Ya+Yb-Ya’-Yb’）/2）。

由于车顶和车底的单元安装在车体的同一横截面，故利用采集装置和软件对左右二维轮廓扫描传感器和激光雷达及线阵相机输出的数据进行同步采集，通过车辆高度完成从车顶到车底的换算、通过车体相对于轨距点连线AB的倾斜角度、通过车体相对于轨道中心点的水平偏移等，利用软件的计算得到接触网对于轨道中心点的距离。

其中，安装与车顶的激光雷达的检测零点相对于轨道中心点的水平偏移、垂直偏移以及车体的倾斜角度，根据车辆静态动态对比后的车体左右两端垂直偏移和水平偏移得出。

实时采集二维轮廓传感器的数据信息，通过以上方法得到车体的振动偏移。由于之前得到接触线的相对导高值和相对拉出值，即接触网相对车顶的位置关系；再通过进行振动补偿，得到接触网相对于轨道的位置关系，即导高值和拉出值。

本检测方法能有效解决车体振动带来的检测误差，检测精度高，实时检测，检测效率高。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种车载非接触式接触网几何参数动态检测系统，包括设置于车顶用于检测接触网的几何检测单元、设置于车体内的控制单元，其特征在于，还包括设置于车底的用于检测车体振动的振动补偿单元；所述几何检测单元包括激光雷达、线阵相机和光源；所述激光雷达设置于几何检测单元中央；所述线阵相机设有两组，每组两个，两组线阵相机分别设置于激光雷达的两侧，同组的线阵相机相对车顶倾斜设置；所述激光雷达、线阵相机分布在同一直线上，激光雷达的扫描区域和线阵相机的检测区域处于同一检测平面；所述光源设置于激光雷达两侧；

在所述两组线阵相机中，由同组的两个线阵相机形成对接触网的双目测量，再由左右两组线阵相机形成对接触网的双-双目测量；所述控制单元结合几何检测单元和振动补偿单元检测的数据进行计算，得到接触网的导高和拉出值几何参数。

2.根据权利要求1所述的车载非接触式接触网几何参数动态检测系统，其特征在于，所述振动补偿单元包括两只二维轮廓扫描传感器，分别扫描左右钢轨；所述二维轮廓扫描传感器与所述几何检测单元处于车体的同一横截面上。

3.根据权利要求2所述的车载非接触式接触网几何参数动态检测系统，其特征在于，所述控制单元包括工控机、数据采集卡以及显示器，所述工控机通过数据采集卡采集几何检测单元和振动补偿单元的数据并进行计算以得出导高和拉出值，并在显示器上显示。

4.一种应用了权利要求1至3任意一项所述的车载非接触式接触网几何参数动态检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.使用激光雷达和线阵相机检测接触网对于车顶的空间位置；

S2.通过检测车体振动进行振动补偿，得到接触网的几何参数。

5.根据权利要求4所述的车载非接触式接触网几何参数动态检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为采用二维轮廓扫描传感器作为车体振动补偿数据来源。

6.根据权利要求4所述的车载非接触式接触网几何参数动态检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用车体水平偏移、车体倾斜角度、车体高度、轨距的车顶至车底的换算方法，计算车体对轨道中心点的水平和垂直偏移。

7.根据权利要求5或6所述的车载非接触式接触网几何参数动态检测方法，其特征在于，所述激光雷达的检测零点相对于轨道中心点的水平偏移、垂直偏移以及车体倾斜角度，根据车辆静态动态对比后的车体左右两端垂直偏移和水平偏移得出。

8.根据权利要求7所述的车载非接触式接触网几何参数动态检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为，所述激光雷达对接触网进行识别得到一次相对位置后，由线阵相机进行二次细化识别，得到接触网相对车顶的距离。