CN108317997A - 基于视频分析的轨道车辆在隧道内的振动检测系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种基于视频分析的轨道车辆在隧道内的振动检测系统，包括：至少一个视觉传感器，其安装在列车的外周的至少一个表面上以用于在列车经过隧道时采集隧道内的图像数据，每一个视觉传感器包括沿着列车运行方向布置的第一摄像机和第二摄像机；数据处理单元，用于处理视觉传感器所采集到的图像数据并确定列车的振动数据，其中第一摄像机与第二摄像机之间的距离等于列车工作速度与摄像机帧间时间的乘积，由此位于后方的第一摄像机在当前时刻的图像与位于前方的第二摄像机在前一帧时刻的图像具有重合区域，数据处理单元对重合区域进行特征提取和匹配，从而能够确定当前时刻的图像与前一帧时刻的图像之间的坐标差，由此获得列车当前的振动参数。
Description
技术领域
本发明提供了一种列车在隧道运行中的振动检测方法和装置，属于铁路隧道检测技术领域和振动传感器领域。
背景技术
近年来，随着城市地铁和高铁的快速发展，对地铁隧道和铁路隧道的运营管理和养护提出了更高的要求，因此对隧道表面结构缺陷检测的各种技术方案也应运而生。其中，以相机、激光器等摄影扫描测量技术对隧道进行全断面扫描的方案尤为突出。全断面扫描的方案通常可分为手持的检测设备和车载的检测设备。手持的检测设备具有很多不足，如检测速度慢、效率低，因此越来越不适应现代隧道检测窗口时间短的特点。而车载的全断面检测方案可以在较高的运行速度下进行隧道的检测，因此具有更高的效率和便利性。
但是，在车载的全断面检测方案中，各类传感器面临的一个最重要的影响因素是列车的振动。目前，一种有效的方案是采用陀螺仪来测量其振动，然而陀螺仪在应用中自身存在零点漂移，因此不得不采用加装在地面上的设备去校正它。这使得以陀螺仪检测振动的方法在应用上受到很多的限制。
另一方面，目前高速相机及视频分析技术的日趋成熟，使得以视频分析为技术手段完成对刚性物体振动的检测成为可能。
发明内容
为克服上述问题以及其它尚待解决的技术问题，做出了本发明。
本发明的目的在于，提供一种基于视频分析技术在隧道全断面检测中有效地检测列车的振动的方法和装置，其能够精确可靠地校正传感器的测量数据，完成隧道的全断面检测。
根据本公开的一个方面，提供了一种基于视频分析的轨道车辆在隧道内的振动检测系统，包括：
至少一个视觉传感器，所述视觉传感器被安装在列车的外周的至少一个表面上以用于在列车经过隧道时采集隧道内的图像数据，每一个视觉传感器包括沿着列车运行方向布置的第一摄像机和第二摄像机；
数据处理单元，用于处理视觉传感器所采集到的图像数据，并确定当前时刻列车的振动数据，
其中，所述第一摄像机与所述第二摄像机之间的距离等于列车工作速度与摄像机帧间时间的乘积，由此，位于列车后方的所述第一摄像机在当前时刻所采集的图像与位于列车前方的所述第二摄像机在前一帧时刻所采集的图像具有重合区域，并且
其中，所述数据处理单元对所述重合区域进行特征提取和匹配，从而能够确定当前时刻的图像与前一帧时刻的图像之间的坐标差，由此获得列车当前的振动参数。
优选地，第一摄像机和第二摄像机被刚性地连接。
优选地，摄像机的参数被提前标定，或者进行自标定。其中自标定的方法指在图像点的三维坐标未知的情况下，通过不同角度拍摄的场景中图像对应点的关系来进行标定的方法。
优选地，振动检测系统进一步包括控制模块，用于使所述视觉传感器同时地或选择性地对图像进行采集。
优选地，视觉传感器进一步包括温度补偿装置，用于对所述摄像机的参数进行温度补偿。
优选地，视觉传感器进一步包括布置在第一摄像机和第二摄像机之间的光源。
进一步优选地，所述光源为普通光源或结构光源。结构光源为以一定模板形式投射出去的光源，如条纹状、点状、环状等的投射光源或者由特定形式的激光构成的光源。
优选地，振动检测系统包括四个视觉传感器，四个所述视觉传感器分别布置在列车的四个外周表面。
优选地，第一摄像机和第二摄像机在同一时刻获取的图像之间存在交叠区域，并且数据处理单元通过对所述交叠区域进行特征提取和匹配而能够确定当前时刻所述视觉传感器与隧道之间的绝对距离。
优选地，列车是用于振动检测的检测车辆或者普通的列车。
优选地，列车当前工作速度被传输到所述数据处理单元，以基于列车当前工作速度与设定工作速度的偏差来确定视觉传感器的重合区域，从而确定列车的振动。
附图说明
附图示出了本公开的优选实施例，且连同前述的公开一起用于提供本公开的技术精神的进一步理解。然而，本公开不应该被解释为限于附图中所示的实施例。
图1为本发明的振动检测系统的示意图。
图2示出根据本发明的视觉传感器的具体结构。
图3示出t1时刻视觉传感器所采集图像的交叠区域。
图4为图3中所示的交叠区域的平面图。
图5示出t1与t2时刻视觉传感器所采集图像的重合区域。
图6示出图5中所示的重合区域的平面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。在描述之前，应该理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中所使用的术语不应该被解释为限于一般的和词典的含义，而是基于与本公开的技术方面对应的含义和概念进行解释，所述含义和概念以允许发明人为了最好的解释而适当地定义术语的原则为基础。
此外，这里所提出的描述仅是用于说明目的的优选的实例，而不是意在限制本公开的范围，因此，应当理解，可以在不脱离递交本申请时的本公开的精神和范围的情况下对其进行其他的等同和修改。
图1为本发明的振动检测系统的示意图。在图1中，本发明的振动检测系统被应用于轨道列车19，其中轨道列车19正通过隧道18。但是，本发明的振动检测系统也可以被应用其他陆地车辆，而不仅限于此。
如图1中所示意的，本申请的振动检测系统包括至少一个视觉传感器100、控制模块20以及数据处理单元17。在列车19的横截面中，视觉传感器100可以安装至列车19的至少一个外表面，优选地，安装至列车19的四个外表面。控制模块20被设置成使视觉传感器100同时地或选择性地对图像进行采集，并将视觉传感器100采集到的图像数据传输到数据处理单元17。数据处理单元17可以是对接收到的图像数据进行特征提取、匹配及三维位置计算的服务器。
图2示出根据本发明的一个视觉传感器的具体结构。视觉传感器100包括沿着列车运行方向A间隔布置的两个或更多个摄像机。在图2中，视觉传感器100包括两个摄像机1、2，它们可以采用现有技术中已知的任何适当的摄像机，并且经过标定确定了摄像机的内参数和外参数。可选地，在两个摄像机1、2之间布置有光源9，也可以使用结构光在隧道表面投射相关的特征点或线。
摄像机1、2沿着列车运行方向A布置，并且相互刚性连接。摄像机1、2之间的距离与列车工作速度和摄像机帧间时间有关。特别地，摄像机1、2之间的距离是列车工作速度与摄像机帧间时间的乘积。也就是说，在列车运行过程中，当单位摄像机帧间时间经过时，位于列车后侧的摄像机1正好位于当前摄像机2的位置。
进一步，视觉传感器100设置有温度补偿装置13以对摄像机1、2进行温度补偿。
图3示出t1时刻视觉传感器所采集图像的交叠区域。图4为图3中所示的交叠区域的平面图。
在列车通过隧道时，摄像机1和2获取某一时刻例如t1时刻的图像I1和I2，图像I1和I2之间存在交叠区域O1。数据处理单元17对图像I1和I2的数据进行分析，从而能够获得列车当前的位姿。优选地，可以通过对隧道内所提取的图像的特征点进行识别分析以确定列车此时的三维坐标(x-水平方向，y-竖直方向，z-深度方向)。特别地，深度方向的数据可以通过如图3和图4所示的交叠区域即图像I1和I2的交叠区域O1而获得。
图5示出t1与t2时刻视觉传感器所采集图像的重合区域。图6示出图5中所示的重合区域的平面图。
当列车以工作速度向前运行到t2时刻，视觉传感器获取下一帧图像I3和I4。在图5和图6中，虚线表示t1时刻所获取的图像I1和I2，实线表示t2时刻所获取的图像I3和I4。根据本发明，在理想状态下，摄像机1和2之间的距离等于列车在一帧时间内以工作速度运行的距离，因此，在t2时刻，摄像机1位于t1时刻的摄像机2的位置。此时，图像I3与I2具有重合区域O2，如图5和图6所示。当将t2时刻的图像I3和I4的数据传输到数据处理单元17时，数据处理单元17对重合区域O2进行特征提取及匹配计算，从而获得列车当前时刻(t2时刻)与上一时刻(t1时刻)的坐标差值，从而确定列车当前的振动参数。特别地，列车当前工作速度也将被传输到数据处理单元17，以在确定振动时考虑列车当前工作速度与设定工作速度的偏差。
优选地，当列车设置有多个视觉传感器(例如，列车的四周分别设置一个视觉传感器)时，通过对所有传感器的分析结果进行组合，能够获取列车在当前检测位置和当前检测时间上的六维振动数值，即水平、垂直、前后及俯仰、偏航、滚动上的振动数值。
尽管为了说明性目的已经公开了本发明的示例性实施例，但本领域的技术人员将会认识到，在不脱离如随附的权利要求书中公开的本发明的精神和范围的情况下，各种变型、添加和替代是可能的。
Claims (11)
1.一种基于视频分析的轨道车辆在隧道内的振动检测系统，其特征在于包括：
至少一个视觉传感器，所述视觉传感器被安装在列车的外周的至少一个表面上以用于在列车经过隧道时采集隧道内的图像数据，每一个视觉传感器包括沿着列车运行方向布置的第一摄像机和第二摄像机；
数据处理单元，用于处理所述视觉传感器所采集到的图像数据，并确定当前时刻列车的振动数据，
其中，所述第一摄像机与所述第二摄像机之间的距离等于列车工作速度与摄像机帧间时间的乘积，由此，位于列车后方的所述第一摄像机在当前时刻所采集的图像与位于列车前方的所述第二摄像机在前一帧时刻所采集的图像具有重合区域，并且
其中，所述数据处理单元对所述重合区域进行特征提取和匹配，从而能够确定当前时刻的图像与前一帧时刻的图像之间的坐标差，由此获得列车当前的振动参数。
2.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述第一摄像机和所述第二摄像机被刚性地连接。
3.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述摄像机的参数被提前标定，或者在运行中进行自标定，其中在进行自标定时通过不同角度拍摄的场景中图像对应点的关系来进行标定。
4.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述振动检测系统进一步包括控制模块，用于使所述视觉传感器同时地或选择性地对图像进行采集。
5.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述视觉传感器进一步包括温度补偿装置，用于对所述摄像机的参数进行温度补偿。
6.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述视觉传感器进一步包括布置在所述第一摄像机和所述第二摄像机之间的光源。
7.根据权利要求6所述的振动检测系统，其特征在于，所述光源为普通光源或结构光源。
8.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述振动检测系统包括四个所述视觉传感器，四个所述视觉传感器分别布置在列车的四个外周表面。
9.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述第一摄像机和所述第二摄像机在同一时刻获取的图像之间存在交叠区域，并且所述数据处理单元通过对所述交叠区域进行特征提取和匹配而能够确定当前时刻所述视觉传感器与隧道之间的绝对距离。
10.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述列车是用于振动检测的检测车辆或者普通的列车。
11.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，列车当前工作速度被传输到所述数据处理单元，以基于列车当前工作速度与设定工作速度的偏差来确定所述视觉传感器的所述重合区域，从而确定列车的振动。
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