CN108195843A - 一种锚段吊弦状态检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚段吊弦状态检测装置及方法，装置可以永久安装在车顶，无人值守，具体包括安装于一字型外壳内的两个工业相机、两个线激光器和系统控制器，所述工业相机和线激光器均电性连接于系统控制器；所述工业相机安装于所述一字型外壳内的两端并成对角方式安装，两个线激光器位于所述一字型外壳的两端且在两个工业相机之间，且所述线激光器的光照射在待检测锚段吊弦上能够形成一亮光区域，两端的线激光器和亮光区域之间、两端的工业相机及亮光区域之间均呈现三角分布。方法利用双三角原理实现精准出发，结合超高分辨率工业相机、帧间预测与跟踪、智能图像识别技术，将及时发现锚段吊弦异常现象。

Description

一种锚段吊弦状态检测装置及方法

技术领域

本发明涉及接触网技术领域，具体涉及一种锚段吊弦状态检测装置及方法。

背景技术

锚段是接触网分成若干一定长度且机械、电器上互相独立的分段。吊弦是接触网链形悬挂中，承力索和接触线间的连接部件。吊弦的作用是通过吊弦线夹，将接触线悬挂到承力索上；调节吊弦的长度以保持接触线距轨面一定的高度，以改善受流质量。

锚段吊弦属于接触网结构中的一部分，但是由于锚段吊弦所在位置相对特殊，一般动态检测方法难以检测到锚段吊弦位置，并对锚段吊弦状态进行检测，如线夹裂纹、螺丝缺失、吊弦断股等现象。

当前对锚段吊弦检测主要有两种方式：接触式检测设备、手持式非接触检测设备。对于这两种检测设备均存在着弊端，其中，接触式设备操作繁琐，检测数据因人而异，耗时，不能适用于平时检测，手持式非接触的检测设备采用点激光测试技术，在检测过程中需人工对位，且对位困难，测试速度慢，不能适用于平时检测。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种锚段吊弦状态检测装置及方法，可以永久安装，无人值守，并且实现锚段吊弦的精准拍摄和检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锚段吊弦状态检测装置，包括安装于一字型外壳内的两个工业相机、两个线激光器和系统控制器，所述工业相机和线激光器均电性连接于系统控制器；所述工业相机安装于所述一字型外壳内的两端并成对角方式安装，两个线激光器位于所述一字型外壳的两端且在两个工业相机之间，且所述线激光器的光照射在待检测锚段吊弦上能够形成一亮光区域，两端的线激光器和亮光区域之间、两端的工业相机及亮光区域之间均呈现三角分布。

进一步地，所述线激光器安装于电控云台上。

利用上述锚段吊弦状态检测装置进行锚段吊弦状态检测的方法，包括如下步骤：

S1通过系统控制器控制线激光器启动，两端的线激光器的光照射在待检测锚段吊弦上形成一亮光区域，线激光器、工业相机及亮光区域呈现双三角分布，所述工业相机接收待检测锚段吊弦的反射光并形成图像，形成的图像传输至系统控制器；

S2系统控制器根据步骤S1中工业相机形成的图像，确定待检测锚段吊弦所在位置，生成触发信号，控制所述工业相机进行抓拍，抓拍到的图像传输至系统控制器；

S3系统控制器对步骤S2中抓拍到的图像进行二值化处理，通过帧间预测与跟踪技术完成锚段吊弦检测，得到锚段吊弦的图像；

S4系统控制器分析步骤S3中得到的锚段吊弦的图像的边缘梯度变化，确定锚段吊弦缺陷。

需要说明的是，步骤S2的具体过程为：

2.1)建立直角坐标系；

设定位于左端的工业相机K₁的安装角度为α₁，焦距f₁；右端的工业相机K₂的安装角度α₂，焦距f₂；工业相机K₁的中心线与其成像面交点，即其成像面的中心点为C₁；工业相机K₂的中心线与其成像面交点，即其成像面的中心点为C₂；两相机距离d，角Q₁-O₁-x₁的负轴角度为β₁，角Q₂-O₂-x₂的负轴角度为β₂；其中，Q₁为工业相机K₁的成像点，Q₂为工业相机K₂的成像点，O₁为工业相机K₁的中心线与X轴的交点，O₂为工业相机K₂的中心线与X轴的交点，x₁为工业相机K₁的中心线，x₂为工业相机K₂的中心线；

2.2)系统控制器通过机器视觉技术分析可得左端的工业相机的成像点Q₁在左端的工业相机的成像面中的位置，即Q₁到C₁所占的像素，设为R₁，根据系统运行前实际值的设定，通过和R₁对比，即可得到左端的工业相机的成像点Q₁到其成像面的中心点C₁的距离l₁，即l₁＝R₁×实际值/实际像素；同理，系统控制器通过机器视觉技术分析可得右端的工业相机的成像点Q₂在右端的工业相机的成像面中的位置，即Q₂到C₂所占的像素，设为R₂，根据系统运行前实际值的设定，通过和R₂对比，即可得到右端的工业相机的成像点R₂到其成像面的中心点C₂的距离l₂，即l₂＝R₂×实际值/实际像素；

2.3)由几何关系可知：

由三角形对顶角及角间关系可得：

γ₁＝α₁-β₁

γ₂＝α₂-β₂

从而计算出待检测锚段吊弦的位置的坐标值x、y值：

2.4)当x、y值为非零数值，系统控制器即生成触发信号，控制所述工业相机进行抓拍，抓拍到的图像传输至系统控制器。

需要说明的是，步骤S3具体为：

3.1)根据锚段吊弦在抓拍到的图像中灰度分布不同，提取对象，以像素作为起始计数点，则t时刻锚段吊弦的中心位置为：

n₁和n₂分别为左端的工业相机和右端的工业相机所拍摄到的目标图像的范围；

3.2)计算得到待检测锚段吊弦的宽度：d＝n₁-n₂；

3.3)获得锚段吊弦实际值ΔN(t)：

ΔN(t)＝N(t)-N(t-1)。

本发明的有益效果在于：本发明装置采用固定式安装，完成首装即可进行日常检测工作，实现无人值守。检测方法利用双三角原理实现精准出发，结合超高分辨率工业相机、帧间预测与跟踪、智能图像识别技术，将及时发现锚段吊弦异常现象。

附图说明

图1为本发明实施例中装置的外部示意图；

图2为本发明实施例中双三角分布的示例图；

图3为本发明实施例中双三角分布出发的原理示意图；

图4为图像边缘梯度变化示意图，其中(a)为有磨损的锚段吊弦的图像边缘梯度变化示意图，(b)为没有磨损的锚段吊弦的图像边缘梯度变化示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1-2所示，一种锚段吊弦状态检测装置，包括安装于一字型外壳内的两个2900万像素的工业相机、两个线激光器和系统控制器，所述工业相机和线激光器均电性连接于系统控制器；所述工业相机安装于所述一字型外壳内的两端并成对角方式安装，两个线激光器位于所述一字型外壳的两端且在两个工业相机之间，且所述线激光器的光照射在锚段吊弦上能够形成一亮光区域，线激光器、工业相机及亮光区域呈现双三角分布，如图2所示。在本实施例中，所述一字型外壳长1500mm。

进一步地，所述线激光器安装于电控云台上。

利用上述锚段吊弦状态检测装置进行锚段吊弦状态检测的方法包括如下步骤：

S1通过系统控制器控制线激光器启动，两端的线激光器的光照射在锚段吊弦上形成一亮光区域，线激光器、工业相机及亮光区域呈现双三角分布，所述工业相机接收锚段吊弦反射光并形成图像，形成的图像传输至系统控制器；

S2系统控制器根据步骤S1中工业相机形成的图像，确定锚段吊弦所在位置，生成触发信号，控制所述工业相机进行抓拍，抓拍到的图像传输至系统控制器；

S3系统控制器对步骤S2中抓拍到的图像进行二值化处理，通过帧间预测与跟踪技术完成锚段吊弦检测，得到锚段吊弦的图像；

S4系统控制器分析步骤S3中得到的锚段吊弦的图像的边缘梯度变化，确定锚段吊弦缺陷。

如图3所示，工业相机K₁与K₂构成对锚段吊弦的捕获识别系统。S₁与S₂为大功率线激光器。可以在工业相机的镜头前增加滤光片，这样能够有效改变检测目标与背景的对比度，利于目标提取。整个锚段吊弦状态检测装置可以安装于火车顶部，工业相机K₁与K₂的安装角度根据被检测线路(地铁、高铁)不同而不同。

步骤S2的具体过程为：如图3所示，建立直角坐标系。位于左端的工业相机K₁的安装角度为α₁，焦距f₁；右端的工业相机K₂的安装角度α₂，焦距f₂；工业相机K₁的中心线与其成像面交点，即其成像面的中心点为C₁；工业相机K₂的中心线与其成像面交点，即其成像面的中心点为C₂。两相机距离d，角Q₁-O₁-x₁的负轴角度为β₁，角Q₂-O₂-x₂的负轴角度为β₂；其中，Q₁为工业相机K₁的成像点，Q₂为工业相机K₂的成像点，O₁为工业相机K₁的中心线与X轴的交点，O₂为工业相机K₂的中心线与X轴的交点，x₁为工业相机K₁的中心线，x₂为工业相机K₂的中心线。

根据以下公式当计算出x、y值为非零数值，即生成触发信号。

系统控制器通过机器视觉技术分析可得左端的工业相机的成像点Q₁在左端的超高分辨率工业相机的成像面中的位置，从而可得左端的相机成像点Q₁到其成像面的中心点C₁的距离l₁；同理可得l₂。

具体地，Q₁到C₁所占的像素设为R₁，根据系统运行前实际值的设定，通过和理论值对比，可得出l₁的值，即l₁通过R₁×实际值/实际像素得到。同理，Q₂到C₂所占的像素设为R₂，根据系统运行前实际值的设定，通过和理论值对比，可得出l₂的值，即l₂通过R₂×实际值/实际像素得到。

由几何关系可知：

由三角形对顶角及角间关系可得

γ₁＝α₁-β₁

γ₂＝α₂-β₂

从而计算出检测目标的位置的坐标值x、y值：

步骤S3中，在经过锚段吊弦的粗定位后，可以大致提取出锚段吊弦对象，然后通过跟踪运动对象的轮廓和轨迹，可以相对容易地在下一帧中预测到连续对象的位置，最终获得锚段吊弦的图像。该技术能有效地提高图像识别精度及降低容错率。

根据锚段吊弦在抓拍到的图像中灰度分布不同，提取对象，以像素作为起始计数点，则t时刻锚段吊弦的中心位置为：

n₁和n₂分别为左端的工业相机和右端的工业相机所拍摄到的目标图像的范围。

目标宽度：

d＝n₁-n₂

最终获得锚段吊弦实际值ΔN(t)：

ΔN(t)＝N(t)-N(t-1)

线夹裂纹、螺丝缺失、吊弦断股等现象严重影响着电气化铁路的供电安全，良好的受电才能保证机车的正常运行，当光源照射锚段吊弦缺陷面时，通过工业相机接收的锚段吊弦反射光形成的图像，并经过图像处理技术进行分析图像边缘梯度变化便可以确定锚段吊弦缺陷，如图4所示，由于缺陷部分有明显的反光，导致图像中的梯度变化明显，从而判断出缺陷。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种锚段吊弦状态检测装置，其特征在于，包括安装于一字型外壳内的两个工业相机、两个线激光器和系统控制器，所述工业相机和线激光器均电性连接于系统控制器；所述工业相机安装于所述一字型外壳内的两端并成对角方式安装，两个线激光器位于所述一字型外壳的两端且在两个工业相机之间，且所述线激光器的光照射在待检测锚段吊弦上能够形成一亮光区域，两端的线激光器和亮光区域之间、两端的工业相机及亮光区域之间均呈现三角分布。

2.根据权利要求1所述的锚段吊弦状态检测装置，其特征在于，所述线激光器安装于电控云台上。

3.利用上述任一权利要求所述的锚段吊弦状态检测装置进行锚段吊弦状态检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1通过系统控制器控制线激光器启动，两端的线激光器的光照射在待检测锚段吊弦上形成一亮光区域，线激光器、工业相机及亮光区域呈现双三角分布，所述工业相机接收待检测锚段吊弦的反射光并形成图像，形成的图像传输至系统控制器；

S2系统控制器根据步骤S1中工业相机形成的图像，确定待检测锚段吊弦所在位置，生成触发信号，控制所述工业相机进行抓拍，抓拍到的图像传输至系统控制器；

S3系统控制器对步骤S2中抓拍到的图像进行二值化处理，通过帧间预测与跟踪技术完成锚段吊弦检测，得到锚段吊弦的图像；

S4系统控制器分析步骤S3中得到的锚段吊弦的图像的边缘梯度变化，确定锚段吊弦缺陷。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：

2.1)建立直角坐标系；

设定位于左端的工业相机K₁的安装角度为α₁，焦距f₁；右端的工业相机K₂的安装角度α₂，焦距f₂；工业相机K₁的中心线与其成像面交点，即其成像面的中心点为C₁；工业相机K₂的中心线与其成像面交点，即其成像面的中心点为C₂；两相机距离d，角Q₁-O₁-x₁的负轴角度为β₁，角Q₂-O₂-x₂的负轴角度为β₂；其中，Q₁为工业相机K₁的成像点，Q₂为工业相机K₂的成像点，O₁为工业相机K₁的中心线与X轴的交点，O₂为工业相机K₂的中心线与X轴的交点，x₁为工业相机K₁的中心线，x₂为工业相机K₂的中心线；

2.2)系统控制器通过机器视觉技术分析可得左端的工业相机的成像点Q₁在左端的工业相机的成像面中的位置，即Q₁到C₁所占的像素，设为R₁，根据系统运行前实际值的设定，通过和R₁对比，即可得到左端的工业相机的成像点Q₁到其成像面的中心点C₁的距离l₁，即l₁＝R₁×实际值/实际像素；同理，系统控制器通过机器视觉技术分析可得右端的工业相机的成像点Q₂在右端的工业相机的成像面中的位置，即Q₂到C₂所占的像素，设为R₂，根据系统运行前实际值的设定，通过和R₂对比，即可得到右端的工业相机的成像点R₂到其成像面的中心点C₂的距离l₂，即l₂＝R₂×实际值/实际像素；

2.3)由几何关系可知：

由三角形对顶角及角间关系可得：

γ₁＝α₁-β₁

γ₂＝α₂-β₂

从而计算出待检测锚段吊弦的位置的坐标值x、y值：

2.4)当x、y值为非零数值，系统控制器即生成触发信号，控制所述工业相机进行抓拍，抓拍到的图像传输至系统控制器。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3具体为：

3.1)根据锚段吊弦在抓拍到的图像中灰度分布不同，提取对象，以像素作为起始计数点，则t时刻锚段吊弦的中心位置为：

n₁和n₂分别为左端的工业相机和右端的工业相机所拍摄到的目标图像的范围；

3.2)计算得到待检测锚段吊弦的宽度：d＝n₁-n₂；

3.3)获得锚段吊弦实际值ΔN(t)：

ΔN(t)＝N(t)-N(t-1)。