CN108801149B - 一种基于几何放大原理和单目计算机视觉的接触网几何参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于几何放大原理和单目计算机视觉的接触网几何参数测量方法，所述方法包括以下步骤：使摄像机的成像平面保持水平；使用摄像机对接触线进行图像采集，并得到图像一；开启线激光器，令其发射的线激光形成的平面与水平面之间的夹角为α，线激光与接触线相交，形成激光亮斑；再次使用摄像机对带有激光亮斑的接触线进行图像采集，得到图像二；对图像一以及图像二进行预处理，并得到激光亮斑的中心点A′对应在摄像机的成像平面中的点A的坐标；设定C′并得出C′在成像平面中的点C的坐标，测量C′的导高；通过点A坐标与点C的坐标计算得出A′处的接触线的导高以及拉出值。本发明能够对接触线的导高以及拉出值进行高精度的实时测量。

Description

一种基于几何放大原理和单目计算机视觉的接触网几何参数 测量方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路供电技术领域，特别是涉及一种基于几何放大原理和单目计算机视觉的接触网几何参数测量方法。

背景技术

在电气化铁路供电系统中，接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的输电路，接触线是为电力机车供电的导线。为保证接触线与电力机车受电弓之间的良好接触需对接触线的几何参数进行精确设置，其中最重要的参数包括接触线的导高和拉出值。接触线的导高是接触线到铁轨平面的垂直高度，拉出值是接触线在定位点处相对于铁轨中心的水平偏移距离。并且在实际测量中，对接触线导高测量精度的要求比对拉出值测量精度的要求更高。

接触线的导高和拉出值需要定期检测，以保证电力机车受电弓与接触网保持良好的接触，从而保证牵引供电系统的安全性和可靠性。

目前对接触线的导高和拉出值的测量方法主要有非接触式和接触式两类测量方式。

接触式检测通常使用检测车测量，在检测车的受电弓滑条或弓架上安装传感器与接触线直接接触进行检测。接触式检测法还有人工吊杆式测量法，作业人员使用带有测量尺刻度的测量杆一头搭载接触线上，另一头搭载钢轨面上，读出测量杆伸出的最大刻度即为导高。

非接触检测方法主要有激光测量法和计算机视觉法，目前非接触式检测法已经成为主流的检测方法。激光测量法实例如山东蓝动激光技术有限公司开发的接触网激光测距仪DJJ-8，已应用于多家铁路相关单位。该测距仪使用的是激光脉冲测距的实现方式，测量时使用视频瞄准，在高分辨率TFT液晶屏上使用光学摄像系统瞄准待测的接触线，即可得到接触网几何参数。计算机视觉法有多目视觉法、双目视觉法和单目视觉法。多目视觉法是对多个相机(一般为四个)同时拍摄到的接触线上一点的图像进行处理，基于视差原理获得该点的位置信息，计算出该点处接触线的导高和拉出值的方法。双目视觉法与多目视觉法类似，同样采用视差原理通过图像处理获得导高和拉出值，区别在于双目视觉法是对两个布置在与铁轨延伸方向垂直的平面上的相机同时拍摄到的接触线上一点的图像进行处理。单目视觉法是使用1台摄像机和1组激光器，激光器在与铁轨延伸方向垂直的截面内发射线激光，对用摄像机获取含有激光线与接触线的交点的图像进行图像处理，得到接触线的导高和拉出值的方法。

目前采用单目视觉法的实例是西南交通大学的张桂南、刘志刚等人提出的基于摄像机标定的非接触式接触线导高和拉出值的检测方法。该方法的主要硬件是摄像头和激光器，摄像头和激光器沿铁轨延伸方向放置于检测车车顶，激光器可发射激光到接触线上。该方法主要有采集图像、定位激光光斑中心点、通过图像坐标与获取空间坐标三个步骤，据此计算接触线的导高、拉出值。采集图像的过程是，激光器发射线激光照射在接触线上，CCD摄像机采集图像。激光光斑中心点的定位通过迭代阈值算法实现。摄像头获得的图像坐标与激光点在空间中的位置关系可通过建立系统的几何模型进行分析，可根据三角形关系得以图像上的横纵坐标为参数的接触线导高和拉出值的公式计算出结果。此方法求得的拉出值与光学测量仪的实测值之差小于11mm，所得导高之差小于10mm。

中国专利申请公开文本CN103557788A(公开日2014年2月5日)也披露了一种高铁接触网几何参数检测非接触式补偿及卡尔曼滤波修正方法。该方法包括实时采集发射以线激光打在接触线上的光斑高清图像；对所采集的图像进行预处理，以对激光打在接触线上的位置进行检测和定位，其中检测和定位包括预测目标光斑在图像中可能出现的区域，以及利用质心法和图像形态学方法定位目标光斑在图像中的位置；采用基于空间几何关系推导的方法，求出在世界坐标系下的图像位置坐标，从而定位出接触线在该处的导线高度和拉出值；最后，利用卡尔曼滤波方法修正接触线导高几何参数。

现有的方法无法稳定、高效、精确地从图像上识别出激光光斑，由图像光斑的坐标推算出接触线的导高和拉出值的过程复杂、涉及参数多、误差大，延时长，不能满足高精度实时测量的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于几何放大原理和单目计算机视觉的接触网几何参数测量方法，本发明能够对接触线的导高以及拉出值进行高精度的实时测量。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于几何放大原理和单目计算机视觉的接触网几何参数测量方法，所述方法包括以下步骤：

将摄像机以及线激光器进行安装固定，并使所述摄像机的成像平面保持水平；

使用摄像机对接触线表面进行图像采集，并得到图像一；

开启线激光器，令其发射的线激光形成的平面与水平面之间的夹角为α，线激光与接触线相交，形成激光亮斑；

再次使用所述摄像机以与水平面垂直的方式对带有所述激光亮斑的接触线表面进行图像采集，得到图像二；

对所述图像一以及图像二进行预处理，并得到所述激光亮斑的中心点A′对应在所述摄像机的成像平面中的点A的坐标；

设定拉出值为0的参考点C′并得出参考点C′对应在所述摄像机的成像平面中的点C的坐标，测量参考点C′的导高；

通过所述点A坐标与所述点C的坐标计算得出A′处的接触线的导高；

通过所述点A坐标与所述点C的坐标计算得出A′处的接触线的拉出值。

优选地，所述对所述图像一以及图像二进行预处理，并得到所述激光亮斑的中心点A′对应在所述摄像机的成像平面中的点A的坐标包括：

通过将所述图像一与图像二进行差值运算；

在所述图像一与图像二进行差值运算的结果上设置阈值，得到激光亮斑的中心点A′对应在所述摄像机的成像平面中的点A的坐标A(x,y)。

优选地，所述设定拉出值为0的参考点C′并得出参考点C′对应在所述摄像机的成像平面中的点C的坐标，测量参考点C′的导高包括：

设定平行于铁轨的参考线，所述参考线位于铁轨上方并正对于铁轨正中心；

选取所述参考线上拉出值为0的参考点C′；

通过测量得到所述参考点C′的导高h₀；

通过使用所述摄像机对接触线表面进行图像采集，并获取图像三；

通过所述图像三，计算所述参考点C′在所述摄像机的成像平面中的点C的坐标C(x₀,y₀)。

优选地，所述通过所述点A坐标与所述点C的坐标计算得出A′处的接触线的导高包括：

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的x方向上的像素点差值dx₁：

dx₁＝x-x₀

取所述摄像机的成像平面与摄像机光轴的交点为点K，其坐标为K(x_c，y_c)；

通过下式得到所述点A与所述点K在所述摄像机的成像平面中的x方向上的像素点差值dx₂：

dx₂＝x-x_c

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的x方向上的实际距离dx′₁：

AC＝dx′₁＝dx₁*w

其中，w为所述摄像机的像素的实际大小；

通过下式得到A′处的接触线的导高H：

其中，f为所述摄像机的摄像头焦距，N为所述摄像机的光学中心到所述参考点C′之间的垂直距离。

优选地，所述通过所述点A坐标与所述点C的坐标计算得出A′处的接触线的拉出值包括：

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的y方向上的像素点差值dy：

dy＝y₀-y

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的y方向上的实际距离dy′：

dy′＝dy*w

通过下式得到A′处的接触线上的拉出值DY：

其中,H为A′处的接触线的导高。

本发明的有益效果如下：

1、测量精度高：线激光器倾斜照射接触线的设计巧妙地将接触线垂直方向上的导高变化转换成激光光斑水平方向的变化，这样就可以通过调节线激光器的倾斜角度来提高接触线导高的测量精度。

2、算法简单，对计算资源要求低，适用范围广：本发明主要通过对一组同一位置有无光斑的两幅图像进行差值来运算获取光斑坐标，之后依据简单的几何关系就可以推算出接触线的导高与拉出值，整个测量过程所涉及的算法十分简单，对计算资源要求低。

3、测量实时性强：在本发明中，摄像头可以实时地获取图片，批量处理海量图像信息；又由于算法简单，计算机可以在极短的时间内完成由光斑坐标推算出接触线导高与拉出值的操作，在测量的实时性方面可以达到比较好的效果。

4、性价比高：本发明主要通过机器视觉的方式来实现非接触式地测量接触线导高与拉出值。随着计算机处理器价格的不断下降，机器视觉系统的成本效率也会相应降低，因此本发明的性价比也会逐渐提高。

5、安全性高：本发明采用的是非接触式测量方法，理论上可以杜绝测量人员因为触电等因素而产生意外的情况发生。

6、硬件结构简单：系统硬件结构简单，主体由一个摄像头和一个线激光器构成，具有良好的便携性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的流程示意图；

图2示出本发明中的整体效果图；

图3示出本发明中所述方法测量导高时的演示图；

图4示出本发明中所述方法测量拉出值时的演示图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于几何放大原理和单目计算机视觉的接触网几何参数测量方法，方法包括以下步骤：

将摄像机以及线激光器进行安装固定，并使摄像机的成像平面保持水平；

使用摄像机对接触线表面进行图像采集，并得到图像一；

开启线激光器，令其发射的线激光形成的平面与水平面之间的夹角为α，线激光与接触线相交，形成激光亮斑；

再次使用摄像机以与水平面垂直的方式对带有激光亮斑的接触线表面进行图像采集，得到图像二；

对图像一以及图像二进行预处理，并得到激光亮斑的中心点A′对应在所述摄像机的成像平面中的点A的坐标；

设定拉出值为0的参考点C′并得出参考点C′对应在摄像机的成像平面中的点C的坐标，测量参考点C′的导高；

通过点A坐标与点C的坐标计算得出A′处的接触线的导高；

通过点A坐标与点C的坐标计算得出A′处的接触线的拉出值。

优选地，对图像一以及图像二进行预处理，并得到激光亮斑的中心点A′对应在摄像机的成像平面中的点A的坐标包括：

通过将图像一与图像二进行差值运算；

在所述图像一与图像二进行差值运算的结果上设置阈值，得到激光亮斑的中心点A′对应在所述摄像机的成像平面中的点A的坐标A(x,y)。

优选地，如图2所示，设定拉出值为0的参考点C′并得出参考点C′对应在摄像机的成像平面中的点C的坐标，测量参考点C′的导高包括：

设定平行于铁轨的参考线，参考线位于铁轨上方并正对于铁轨正中心；

选取参考线上拉出值为0的参考点C′；

通过测量得到参考点C′的导高h₀；

通过使用摄像机对接触线表面进行图像采集，并获取图像三；

通过图像三，计算参考点C′在所述摄像机的成像平面中的点C的坐标C(x₀,y₀)。

优选地，如图3所示，通过点A坐标与点C的坐标计算得出A＇处的接触线的导高包括：

通过下式得到A与C在摄像机的成像平面中的x方向上的像素点差值dx₁：

dx₁＝x-x₀

取摄像机的成像平面与摄像机光轴的交点为点K，其坐标为K(x_c，y_c)；

通过下式得到点A与点K在摄像机的成像平面中的x方向上的像素点差值dx₂：

dx₂＝x-x_c

通过下式得到A与C在摄像机的成像平面中的x方向上的实际距离dx′₁：

AC＝dx′₁＝dx₁*w

其中，w为摄像机的像素的实际大小；

通过下式得到A′处的接触线的导高H：

其中，f为摄像机的摄像头焦距，N为摄像机的光学中心到所述参考点C′之间的垂直距离。

也就是说，在正视方向示意图中，由于镜头点O连接激光亮斑的中心点A′后，线段OA′与参考线之间的交点为D′，通过依据三角形AOC与三角形C′D′O相似，可得：

依据直角三角形AOK，可得：

∠OAC＝∠C′D′O＝β

由于

在三角形A′C′D′中：

∠A′C′D′＝α

∠C′A′D′＝β-α

所以根据正弦定理可得：

进一步可得：

优选地，如图4所示，通过点A坐标与点C的坐标计算得出A′处的接触线的拉出值包括

通过下式得到A与C在摄像机的成像平面中的y方向上的像素点差值dy：

dy＝y-y₀

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的y方向上的实际距离dy′：

dy′＝dy*w

与测量导高类似，通过简单的几何关系可以得到：

从而推导出测试点的拉出值：

将上述所得H的表达式代入，可以得到A′处的接触线上的拉出值DY：

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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种基于几何放大原理和单目计算机视觉的接触网几何参数测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将摄像机以及线激光器进行安装固定，并使所述摄像机的成像平面保持水平；

使用摄像机对接触线表面进行图像采集，并得到图像一；

开启线激光器，令其发射的线激光形成的平面与水平面之间的夹角为α，线激光与接触线相交，形成激光亮斑；

再次使用所述摄像机以与水平面垂直的方式对带有所述激光亮斑的接触线表面进行图像采集，得到图像二；

对所述图像一以及图像二进行预处理，并得到所述激光亮斑的中心点A′对应在所述摄像机的成像平面中的点A的坐标；

设定拉出值为0的参考点C′并得出参考点C′对应在所述摄像机的成像平面中的点C的坐标，测量参考点C′的导高，其中，设定平行于铁轨的参考线，所述参考线位于铁轨上方并正对于铁轨正中心，选取所述参考线上拉出值为0的参考点C′；

通过所述点A坐标与所述点C的坐标计算得出A′处的接触线的导高；

通过所述点A坐标与所述点C的坐标计算得出A′处的接触线的拉出值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述图像一以及图像二进行预处理，并得到所述激光亮斑的中心点A′对应在所述摄像机的成像平面中的点A的坐标包括：

通过将所述图像一与图像二进行差值运算；

在所述图像一与图像二进行差值运算的结果上设置阈值，得到激光亮斑的中心点A′对应在所述摄像机的成像平面中的点A的坐标A(x，y)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设定拉出值为0的参考点C′并得出参考点C′对应在所述摄像机的成像平面中的点C的坐标，测量参考点C′的导高包括：

通过测量得到所述参考点C′的导高h₀；

通过使用所述摄像机对接触线表面进行图像采集，并获取图像三；

通过所述图像三，计算所述参考点C′在所述摄像机的成像平面中的点C的坐标C(x₀，y₀)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述点A坐标与所述点C的坐标计算得出A′处的接触线的导高包括：

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的x方向上的像素点差值dx₁：

dx₁＝x-x₀

取所述摄像机的成像平面与摄像机光轴的交点为点K，其坐标为K(x_c，y_c)；

通过下式得到所述点A与所述点K在所述摄像机的成像平面中的x方向上的像素点差值dx₂：

dx₂＝x-x_c

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的x方向上的实际距离dx′₁：

AC＝dx′₁＝dx₁*w

其中，w为所述摄像机的像素的实际大小；

通过下式得到A′处的接触线的导高H：

其中，f为所述摄像机的摄像头焦距，N为所述摄像机的光学中心到所述参考点C′之间的垂直距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述通过所述点A坐标与所述点C的坐标计算得出A′处的接触线的拉出值包括：

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的y方向上的像素点差值dy：

dy＝y₀-y

通过下式得到A与C在所述摄像机的成像平面中的y方向上的实际距离dy′：

dy′＝dy*w

通过下式得到A′处的接触线上的拉出值DY：

其中，H为A′处的接触线的导高。

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