CN108009484B - 基于机器视觉技术的智能光条采集系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于机器视觉技术的智能光条采集系统及获取铁路轨道外轮廓的方法，包括检测小车、UPS电源模块、图像采集模块、控制系统、软件系统，本发明可用于检测轨道的常规检测参数，引入自动采集和自动控制，能大大降低工作强度，通过滑块调整激光调整支架左右滑动，可直接对轨道的两侧进行检测，编码器能够准确采集检测小车的运动距离，记录检测距离和检测位置，根据检测距离控制小车的运动与停止，实现小车的自动控制；当检测小车停止后，图像采集模块将采集目标图像和背景图像；图像处理方法采用差分法，提高了检测小车对复杂环境的适应性；控制系统采用ARDUINO UNO，具有控制准确、速度快和成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及轨道检测领域，具体为一种基于机器视觉技术的智能光条采集系统及利用该系统获取铁路轨道外轮廓的方法。
背景技术
轨道是铁路系统的重要组成部分，是日常检测维护的重中之重，一旦出现故障，将严重影响铁路的安全运行。为保证轨道的安全可靠运行，日常的检测和维护至关重要。目前，国内铁路检测以人工检测为主，具有效率低、劳动强度大和存在机械磨损等特点。基于机器视觉的检测方法是一种新型非接触检测手段，具有精度高和可视化好等特点。本发明主要涉及激光检测。
激光检测原理是，线激光器发出的激光平面投射到轨道表面，形成轨道的轮廓。通过拍照法，记录下轨道的轮廓信息。将采集的图像数据还原为标准轮廓，从而获取待测轨道的轮廓信息。然而，由于轨道检测现场的复杂性，如：油污、锈蚀和反光等因素，导致无法提取激光光条或提取的光条不完整，这将严重影响轨道轮廓提取精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于机器视觉的智能光条采集系统及利用该系统获取铁路轨道外轮廓的方法。该系统能够自动获取高质量的激光光条，提高了检测精度，增强复杂环境的普遍适用性，降低了检测时的劳动强度。
为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于机器视觉技术的智能光条采集系统，包括检测小车、UPS电源模块、图像采集模块、控制系统、软件系统。
检测小车：包括底部的车架，与车架铰接的电脑托盘架、车架一侧端部可拆卸式连接的车架端盖、固定在车架端盖上的导杆、固定在车架内部平行于导杆的导轨、穿套在导杆上的滑块、与滑块固定连接的调节支架、车架底部的车轮和导向车轮，车架端盖上通过轴承端盖连接驱动电机，驱动电机驱动车轮转动；
UPS电源模块：用于给电脑托盘架的电脑、CCD相机、驱动电机和激光器供电；包括固定在车架上的UPS电源框、放置在UPS电源框上的UPS电源；
图像采集模块：用于采集激光线条图像，其固定连接在调节支架上，包括：壳体、壳体上的固定块、固定在固定块上的用于拍摄激光线条图像的CCD相机、固定于固定块上的用于发射激光平面的激光器；
控制系统：用于测量小车行进距离、控制继电器、并将小车行进距离信息发送给软件系统，包括编码器、放置在电脑托盘架的电脑、控制激光器开关的继电器，编码器通过轴承端盖固定在导向车轮上；编码器的电机轴与导向车轮的轴通过联轴器直接连接，用于测量检测小车行进距离；所述电脑用于控制CCD相机的开关，发出指令采集激光线条图像，CCD相机将采集的激光线条图像传递到电脑；
软件系统：用于使检测小车运动到设定位置，采集设定截面的激光线条；激光线条图像采集结束后，继续前进，待行驶到设定距离后停止前进，准备下一次图像采集，并将采集的激光线条图像处理成二值化光条图像并获取铁路轨道的准确轮廓。
作为优选方式，软件系统在激光线条图像采集结束后，采用差分法，获取差分后的图像；采用OTSU自适应阈值分割，获取二值化光条图像；采用燃烧法提取二值化光条图像的中心点像素坐标；根据相机标定结果，将中心点还原为标准轮廓。
作为优选方式，驱动电机、编码器和继电器均通过ARDUINO UNO的指令控制。
作为优选方式，电脑与ARDUINO UNO通过串口连接，由电脑将指令传递到ARDUINO，然后ARDUINO将编码器采集的数据传输到电脑，ARDUINO获取串口传递的指令，控制驱动电机、继电器和编码器。
作为优选方式，车架左右两端分别固定一导轨支座，导杆的两端分别固定在左右导轨支座上。
作为优选方式，UPS电源经降压模块降压后稳定输出到驱动电机。
作为优选方式，激光器通过弹片固定到固定块上。
作为优选方式，车架内导杆的两侧分别设有平行于导杆的一条导轨。
作为优选方式，车架左右两侧各设一个驱动电机，共同控制检测小车的前进和后退。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述系统获取铁路轨道外轮廓的方法，包括如下步骤：
先调整调节支架，以保证图像采集模块的激光器发射出的激光平面与铁路轨道轴线垂直；设定采集间隔距离和采集次数，运行系统；检测小车开始前进，编码器实时检测行进距离，当行进距离与设定的间隔距离相等时，停止运动，开始采集图像；通过继电器控制激光器开一次并关一次，在关闭继电器前后，分别采集两幅图像，即目标图像和背景图像；当图像采集结束后，检测小车继续前进，并准备下一次检测；当采集完一侧的数据后，滑动滑块至另一侧，对轨道的另一侧进行检测；当所有的图像采集结束后，开始图像处理，将采集到的目标图像和背景图像直接差分，即得到初步的激光光条；采用OTSU阈值分割方法，即获取二值化光条图像；再提取光条中心，获取光条中心线，再轮廓还原，获得铁路轨道准确的检测轮廓。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1：本发明可用于检测轨道检测的常规参数，比如：磨损、高低等。2：引入自动采集和自动控制，能够大大降低工作强度。3：通过滑块调整激光调整支架左右滑动，可直接对轨道的两侧进行检测。4：编码器安装在车轮上，能够准确采集检测小车的运动距离，可以记录检测距离和检测位置。5：根据检测距离，控制小车的运动与停止，实现小车的自动控制。6：当检测小车停止后，图像采集模块将采集两张图像，分别是目标图像和背景图像。7：图像处理方法采用差分法，提高了检测小车对复杂环境的适应性。8：控制系统采用ARDUINO UNO，具有控制准确、速度快和成本低等特点。
附图说明
图1为检测小车结构示意图；
图2为驱动电机的安装示意图；
图3为图像采集模块内部示意图；
图4为编码器的安装示意图；
图5为控制系统的流程图；
图6为图像采集流程图；
图7为软件系统流程图。
1为电脑托盘架；2为导轨；3为编码器；4为车架端盖；5为导杆；6为滑块；7为图像采集模块；8为调节支架；9为车架；10为UPS电源框；11为端盖体；12为导轨支座；13为轴承端盖；14为驱动电机；15为车轮；21为激光器；22为壳体；23为固定块；24为弹片；25为CCD相机；32为导向车轮；33为轴承端盖。
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。
一种基于机器视觉技术的智能光条采集系统，包括检测小车、UPS电源模块、图像采集模块、控制系统、软件系统；
如图1所示，检测小车包括底部的车架9，与车架9铰接的电脑托盘架1、车架9一侧端部用螺栓连接的车架端盖4、通过车架9两端的导轨支座12固定的导杆5、通过螺栓固定在车架内部平行于导杆5的导轨2、穿套在导杆5上的滑块6、与滑块6固定连接的调节支架8、车架底部的车轮15和导向车轮32，检测小车整体由车架9承重；电脑托盘架1铰接在车架9上，通过销可以调节电脑托盘架的角度，用于放置电脑等部件；滑块6用蝴蝶螺母固定，用于固定调节支架8及调整调节支架8相对于车架9的位置；车架端盖4上通过轴承端盖13连接驱动电机14，驱动电机14通过联轴器驱动车轮15转动；车架9左右两侧各设一个驱动电机14，共同控制检测小车的前进和后退。
图2示，为驱动电机的安装示意图。车架端盖4通过螺栓将端盖体11固定到车架9上；驱动电机14通过轴承端盖13固定到车架端盖4上；驱动电机14与车轮15通过联轴器直接连接，驱动车轮15转动；导轨支座12固定在车架端盖11上，用于固定导杆5。车架左右两端分别固定一导轨支座12，导杆5的两端分别固定在左右导轨支座上。车架内导杆5的两侧分别设有平行于导杆5的一条导轨2。
UPS电源模块：用于给电脑托盘架1的电脑、CCD相机25、驱动电机14和激光器21供电；包括固定在车架9上的UPS电源框10、放置在UPS电源框10上的UPS电源；UPS电源经降压模块降压后稳定输出到驱动电机。
如图3所示，图像采集模块7：用于采集激光线条图像，其固定连接在调节支架8上，包括：壳体22、壳体22上的固定块23、固定在固定块23上的用于拍摄激光线条图像的CCD相机25、用于发射激光平面的激光器21；激光器21通过弹片24固定到固定块23上。
控制系统：用于测量小车行进距离、控制继电器、并将小车行进距离信息发送给软件系统，包括编码器3、放置在电脑托盘架1的电脑、控制激光器开闭的继电器，如图4所示，编码器3通过轴承端盖33固定在导向车轮32上；编码器3的电机轴与导向车轮32的轴通过联轴器直接连接，用于测量检测小车行进距离；所述电脑用于控制CCD相机的开关，发出指令采集激光线条图像，CCD相机将采集的激光线条图像传递到电脑；
软件系统：用于使小车行驶指定距离后停止，采集激光线条；激光线条图像采集结束后，继续前进，待行驶到设定距离后停止前进，准备下一次图像采集，并将采集的激光线条图像处理成二值化光条图像并获取铁路轨道的准确轮廓。
如图7所示，软件系统在激光线条图像采集结束后，采用差分法，获取差分后的图像；采用OTSU自适应阈值分割，获取二值化光条图像；采用燃烧法提取二值化光条图像的中心点像素坐标；根据相机标定结果，将中心点还原为标准轮廓。
如图5所示，UPS电源模块用于给电脑托盘架1的电脑、CCD相机25、驱动电机14和激光器21供电；驱动电机14、编码器3和继电器均通过ARDUINO UNO的指令控制。电脑与ARDUINO UNO通过串口连接，由电脑将指令传递到ARDUINO，然后ARDUINO将编码器采集的数据传输到电脑，ARDUINO获取串口传递的指令，控制驱动电机、继电器和编码器。
图6为图像采集流程流程图。图像采集过程可采用自动采集。在采集之前，应输入图像采集间距D和图像采集的次数N。在输入D和N后，依次打开CCD相机和ARDUINO UNO串口。ARDUINO UNO此时输出指令控制驱动电机前进，编码器实时检测行进里程，将里程通过串口传递给电脑。当行进里程与设定间距到达指定间距误差范围内，立刻发出驱动电机停止指令，检测小车停止，准备采集目标图像和背景图像。当检测小车停止后，串口输出指令，打开继电器，从而打开激光器。当激光器打开后，立刻采集含有激光线条的目标图像。等待图像保存，图像保存后立刻关闭继电器，关闭激光器，然后采集不含有激光线条的背景图像。当采集背景图像后，如果采集次数小于设定采集次数，那么再次打开驱动电机，小车继续前进，准备下一次图像采集。直到采集次数等于设定采集次数，彻底停止驱动电机。
使用上述系统获取铁路轨道外轮廓的方法，包括如下步骤：
先调整调节支架8，以保证图像采集模块7的激光器21发射出的激光平面与铁路轨道轴线垂直；设定采集间隔距离和采集次数，运行系统；检测小车开始前进，编码器实时检测行进距离，当行进距离与设定的间隔距离相等时，停止运动，开始采集图像；通过继电器控制激光器开一次并关一次，在关闭继电器前后，分别采集两幅图像，即目标图像和背景图像；当图像采集结束后，检测小车继续前进，并准备下一次检测；当采集完一侧的数据后，滑动滑块6至另一侧，对轨道的另一侧进行检测；当所有的图像采集结束后，开始图像处理，将采集到的目标图像和背景图像直接差分，即得到初步的激光光条；采用OTSU阈值分割方法，即获取二值化光条图像；再提取光条中心，获取光条中心线，再轮廓还原，获得铁路轨道准确的检测轮廓。
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 (8)
1.一种基于机器视觉技术的智能光条采集系统，包括检测小车、UPS电源模块、图像采集模块、控制系统、软件系统，其特征在于：
检测小车：包括底部的车架(9)，与车架铰接的电脑托盘架(1)、车架(9)一侧端部可拆卸式连接的车架端盖(4)、固定在车架端盖上的导杆(5)、固定在车架内部平行于导杆(5)的导轨(2)、穿套在导杆(5)上的滑块(6)、与滑块(6)固定连接的调节支架(8)、车架底部的车轮(15)和导向车轮(32)，车架端盖上通过轴承端盖(13)连接驱动电机(14)，驱动电机(14)驱动车轮(15)转动；
UPS电源模块：用于给电脑托盘架(1)的电脑、CCD相机(25)、驱动电机(14)和激光器(21)供电；包括固定在车架(9)上的UPS电源框(10)、放置在UPS电源框(10)上的UPS电源；
图像采集模块(7)：用于采集激光线条图像，其固定连接在调节支架(8)上，包括：壳体(22)、壳体(22)上的固定块(23)、固定在固定块(23)上的用于拍摄激光线条图像的CCD相机(25)、固定于固定块(23)上的用于发射激光平面的激光器(21)；
控制系统：用于测量小车行进距离、控制继电器、并将小车行进距离信息发送给软件系统，包括编码器(3)、放置在电脑托盘架(1)的电脑、控制激光器开关的继电器，编码器(3)通过轴承端盖(33)固定在导向车轮(32)上；编码器(3)的电机轴与导向车轮(32)的轴通过联轴器直接连接，用于测量检测小车行进距离；所述电脑用于控制CCD相机的开关，发出指令采集激光线条图像，CCD相机将采集的激光线条图像传递到电脑；驱动电机、编码器和继电器均通过ARDUINO UNO的指令控制；电脑与ARDUINO UNO通过串口连接，由电脑将指令传递到ARDUINO，然后ARDUINO将编码器采集的数据传输到电脑，ARDUINO获取串口传递的指令，控制驱动电机、继电器和编码器；
软件系统：用于使检测小车运动到设定位置，采集设定截面的激光线条；激光线条图像采集结束后，继续前进，待行驶到设定距离后停止前进，准备下一次图像采集，并将采集的激光线条图像处理成二值化光条图像并获取铁路轨道的准确轮廓。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的智能光条采集系统，其特征在于：软件系统在激光线条图像采集结束后，采用差分法，获取差分后的图像；采用OTSU自适应阈值分割，获取二值化光条图像；采用燃烧法提取二值化光条图像的中心点像素坐标；根据相机标定结果，将中心点还原为标准轮廓。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的智能光条采集系统，其特征在于：车架左右两端分别固定一导轨支座(12)，导杆(5)的两端分别固定在左右导轨支座上。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的智能光条采集系统，其特征在于：UPS电源经降压模块降压后稳定输出到驱动电机。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的智能光条采集系统，其特征在于：激光器(21)通过弹片(24)固定到固定块(23)上。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的智能光条采集系统，其特征在于：车架内导杆(5)的两侧分别设有平行于导杆(5)的一条导轨(2)。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉技术的智能光条采集系统，其特征在于：车架(9)左右两侧各设一个驱动电机(14)，共同控制检测小车的前进和后退。
8.利用权利要求1至7任意一项所述系统获取铁路轨道外轮廓的方法，其特征在于包括如下步骤：
先调整调节支架(8)，以保证图像采集模块(7)的激光器(21)发射出的激光平面与铁路轨道轴线垂直；设定采集间隔距离和采集次数，运行系统；检测小车开始前进，编码器实时检测行进距离，当行进距离与设定的间隔距离相等时，停止运动，开始采集图像；通过继电器控制激光器开一次并关一次，在关闭继电器前后，分别采集两幅图像，即目标图像和背景图像；当图像采集结束后，检测小车继续前进，并准备下一次检测；当采集完一侧的数据后，滑动滑块(6)至另一侧，对轨道的另一侧进行检测；当所有的图像采集结束后，开始图像处理，将采集到的目标图像和背景图像直接差分，即得到初步的激光光条；采用OTSU阈值分割方法，即获取二值化光条图像；再提取光条中心，获取光条中心线，再轮廓还原，获得铁路轨道准确的检测轮廓。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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