CN108801172B - 一种非接触式受电弓动态包络线测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及受电弓图像采集领域，尤其是一种非接触式受电弓动态包络线测量方法及装置。针对现有测量技术存在的技术难点，设计一种特征区分性明显的受电弓标靶（三角形标靶或者圆形标靶），将难度更大的完整受电弓匹配定位转换为难度更低、可靠稳定的受电弓标靶定位识别，以此来完成受电弓动态包络线的测量。本发明通过图像采集装置实时采集安装有标靶的整个受电弓区域图像；基于标靶特征，实时检测识别该图像中标靶实际位置坐标；将标靶理论位置为起始点，n个连续标靶实际位置坐标依次为n个检测点，得到受电弓标靶的n个实际位置偏移量；根据n个实际位置偏移量计算得到受电弓动态包络线。

Description

一种非接触式受电弓动态包络线测量方法及装置

技术领域

本发明涉及受电弓图像采集领域，尤其是一种非接触式受电弓动态包络线测量方法及装置。

背景技术

截至2015年底，全国电气化铁路里程超过7.4万公里，电气化率达到60.8％；预计到2020年，全国电气化里程、电气化率将分别达到9.38万公里、65.5％.2015-2016年，国家铁路投资均超过8000亿元，每年铁路电气化超过5000公里。而电气化铁路的一个重要组成部分即是接触网，它是铁路电气化工程的主构架，电力机车从接触网获取电能主要是靠安装在机车顶部的受电弓滑板与接触网之间的滑动接触来实现。

在轮轨关系方面，电力机车在钢轨上运行时，处于持续摆动和颠簸状态，受电弓也随之上下左右运动，受电弓无论在水平方向还是竖直方向都始终处于不停运动状态。受电弓的上下振动和左右摆动量与列车的行驶速度、铁路线路的状况(如钢轨的平顺性、曲线半径等)、机车及其受电弓的型号和性能、接触悬挂的性能和接触线的高度等诸多因素有关。因此电力机车高速运行时，受电弓的最大动态抬升量和最大动态摆动量就构成了受电弓动态包络线范围。在该范围内不得有任何障碍物，否则很可能发生弓网故障。评判方法就是对接触网进行受电弓动态包络线检测。动态包络线检测实质上就是对弓网关系进行机械安全性能方面的检测，确保不发生打弓和钻弓。

非接触式受电弓动态包络线实时监测主要应用于地铁城市轨道交通线路以及高铁线路中，它通过非接触式相机实时成像受电弓局部特征图像，结合图像处理、机器视觉的方法，实时、快速完成对整个受电弓动态包络线的测量监测，实现对检修作业的快速推进，为接触网的动态复合提供可靠的理论依据。

现有非接触式受电弓动态包络线测量技术，通过相机采集完整受电弓区域图像，然后利用模式识别的方法实现完整受电弓匹配定位,通过实时计算受电弓中心坐标、方向和位移等参数，即可得到受电弓在各个方向的偏移状态值，从而确定受电弓动态包络线。该方法受限于受电弓匹配定位算法的可靠性和精度误差较大，从而无法保证整个受电弓动态包络线的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有测量技术存在的技术难点，设计一种特征区分性明显的受电弓标靶(三角形标靶或者圆形标靶)，将难度更大的完整受电弓匹配定位转换为难度更低、可靠稳定的受电弓标靶定位识别，以此来完成受电弓动态包络线的测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种非接触式受电弓动态包络线测量方法包括：

通过图像采集装置实时采集安装有标靶的整个受电弓区域图像；

基于标靶特征，实时检测识别该图像中标靶实际位置坐标；

将标靶理论位置为起始点，n个连续标靶实际位置坐标依次为检测点，得到受电弓标靶的实际位置偏移量；根据此实际位置偏移量计算得到受电弓动态包络线。

在上述方法基础上，所述标靶是圆形标靶时，标靶是中心重合，且中心为半径为r1的中心圆，周围依次是半径是r2-r1的第一圆环、半径是r3-r2的第二圆环形成的区域；中心圆与第二圆环位亮色区域，第一圆环为暗色区域。

在上述方法基础上，所述标靶是三角形标靶时，标靶是中心重合，且从内到外边长为r1、r2、r3的3个三角形叠加，依次形成中心三角形、第一三角环、第二三角环叠加，三个三角形相应边都平行；r1、r2、r3依次增大；中心三角形与第二三角环为亮色区域，第一三角环为暗色区域。

在上述方法基础上，所述标靶安装在受电弓接触滑板的迎风面或者背风面上正中间位置(若标靶不安装在正中间，例如安装两侧，则因为受电弓会上下抬升，可能导致标靶被遮挡)。

在上述方法基础上，所述标靶实际位置坐标检测过程是：

对图像采集装置采集的受电弓区域图像做二值化处理；

对标靶形状进行拟合，得到相应形状的拟合参数以及标靶亮色区域识别；

然后根据实际标靶亮色区域与暗色区域比例值，确定标靶亮色区域的位置；

根据标靶亮色区域与暗色区域的位置结合相应形状的拟合参数得到标靶实际位置坐标。

一种非接触式受电弓动态包络线测量装置包括：

图像采集装置，用于实时采集安装有标靶的整个受电弓区域图像；

标靶实际位置坐标识别模块，用于基于标靶特征，实时检测识别该图像中标靶实际位置坐标；

受电弓动态包络线获取模块，用于将标靶理论位置为起始点，n个连续标靶实际位置坐标依次为检测点，得到受电弓标靶的实际位置偏移量；根据此实际位置偏移量计算得到受电弓动态包络线。

在上述装置基础上，所述标靶是圆形标靶时，标靶是中心重合，且中心为半径为r1的中心圆，周围依次是半径是r2-r1的第一圆环、半径是r3-r2的第二圆环形成的区域；中心圆与第二圆环位亮色区域，第一圆环为暗色区域。

在上述装置基础上，所述标靶是三角形标靶时，标靶是中心重合，且从内到外边长为r1、r2、r3的3个三角形叠加，依次形成中心三角形、第一三角环、第二三角环叠加，三个三角形相应边都平行；r1、r2、r3依次增大；中心三角形与第二三角环为亮色区域，第一三角环为暗色区域。

在上述装置基础上，所述标靶安装在受电弓接触滑板的迎风面或者背风面上正中间位置(若标靶不安装在正中间，例如安装两侧，则因为受电弓会上下抬升，可能导致标靶被遮挡)。

在上述装置基础上，所述标靶实际位置坐标检测过程是：

对图像采集装置采集的受电弓区域图像做二值化处理；

对标靶形状进行拟合，得到相应形状的拟合参数以及标靶亮色区域识别；

然后根据实际标靶亮色区域与暗色区域比例值，确定标靶亮色区域的位置；

根据标靶亮色区域与暗色区域的位置结合相应形状的拟合参数得到标靶实际位置坐标。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过安装特殊的圆形标靶或者三角形标靶，在相机成像图像中，将标靶与背景中其他混淆区域以及其他所有噪声干扰进行有效区分，为后续构建包络线提供基础。

由于列车运行线路环境复杂性，本发明为了克服可能的环境干扰，提高系统测量精度和稳定性，设计特定圆环形状的LED标靶，安装在受电弓上。通过标靶的实际偏移量构建包络线的方式，将难度更大的受电弓匹配定位转换为结构形状单一、区分性明显的受电弓标靶定位；简单的解决了现有技术问题。并且该图像识别与构建过程简单，能有效解决实际技术问题，提高了识别效率与识别精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是相机采集结构示意图。

图2是圆形标靶标注图。

图3是三角形标靶标注图。

图4是标靶定位算法流程图。

图5是受电弓动态包络线示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、图像采集装置指的是面阵相机以及与面阵相机相同功能的其他图像次啊及设备。

2、相应形状指的是三角形标靶对应的区域或者圆形标靶对应的区域。

3、标靶实际位置坐标识别模块与受电弓动态包络线获取模块是通过处理器中程序编写实现的功能模块。

4、亮色区域是标靶图像最大灰度值80％及以上的区域。暗色区域是除过亮色区域之外的标靶区域。

本发明工作原理：

标靶安装在机车顶部受电弓某一特定位置(接触滑板的侧面中间部位，滑板截面是一个矩形的形状，滑板截面朝上的一面与导线接触，朝上一面相邻的面上安装标靶，即接触滑板的迎风面或者背风面中间位置)；面阵相机采集包括标靶在内的整个受电弓区域图像，然后由安装在工业计算机上的检测系统软件负责受电弓标靶位置实时定位，最后根据标靶的位置变化计算得到受电弓动态包络线。

相机采集受电弓图像基本示意图，其中，为了提高受电弓标靶的特征区分性，便于提高整个测量系统的精度和稳定性，本发明设计一种发光亮度均匀且形状特定的圆环形LED标靶(如图2所示)，该标靶安装在受电弓中间位置。

本发明实现过程为：

1、通过图像采集装置实时采集安装有标靶的整个受电弓区域图像；

2、基于标靶特征，实时检测识别该图像中标靶实际位置坐标；

3、将标靶理论位置为起始点，n个连续标靶实际位置坐标依次为检测点，得到受电弓标靶的实际位置偏移量；根据此实际位置偏移量计算得到受电弓动态包络线。

其中，标靶实际位置坐标检测过程是：

1)对图像采集装置采集的受电弓区域图像做二值化处理；

对标靶形状进行拟合，得到相应形状的拟合参数以及标靶亮色区域与暗色区域识别；

2)标靶亮色区域与暗色区域集合标靶参数，确定标靶亮色区域与暗色区域的位置；

3)根据标靶亮色区域与暗色区域的位置结合相应形状的拟合参数得到标靶实际位置坐标。

实施例一：当标靶形状是所述标靶是圆形标靶时，标靶是中心重合，且中心为半径为r1的中心圆，周围依次是半径是r2-r1的第一圆环、半径是r3-r2的第二圆环形成的区域；中心圆与第二圆环位亮色区域，第一圆环为暗色区域。

具体处理过程是：如图4所示。

首先对面阵相机采集的包括标靶的受电弓区域图像作二值化处理；

然后基于连通区域的分布位置以及形状尺寸等作Blob滤波分析，去除部分噪声干扰。

在得到的结果二值图像中，基于最小二乘法进行圆拟合，初步得到类似圆环形状的亮色区域；

最后根据特定设计的标靶形状，尤其是三个圆环的半径比例，最后确定标靶前景区域位置，然后结合拟合圆环参数，计算得到最终的标靶位置。

整个受电弓在水平方向和垂直方向的位置运动范围，即构成受电弓动态包络线。

本发明中，通过图4所示定位算法流程，完成受电弓标靶的位置定位后，受电弓标靶的实时位置偏移量，即为受电弓本身的偏移，从而计算得到受电弓动态包络线。

实施例二：当标靶是三角形标靶时，标靶是中心重合，且从内到外边长为r1、r2、r3的3个三角形叠加，依次形成中心三角形、第一三角环、第二三角环叠加，三个三角形相应边都平行；r1、r2、r3依次增大；中心三角形与第二三角环为亮色区域，第一三角环为暗色区域；

与实施例一种图4的处理过程类似：只是标靶形状从圆形区域修改为三角区域。

受电弓包络线说明：如图5所示，整个受电弓在水平方向和垂直方向的位置运动范围，即构成受电弓动态包络线。本发明中，通过图4所示定位算法流程，完成标靶的位置定位后，标靶的实时位置偏移量，即为受电弓本身的偏移，从而计算得到受电弓动态包络线。图5中a是受电弓横向摆动量；b是受电弓动态抬升量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (2)

1.一种非接触式受电弓动态包络线测量方法，其特征在于包括：

通过图像采集装置实时采集安装有标靶的整个受电弓区域图像；

基于标靶特征，实时探测识别该图像中标靶实际位置坐标；

将标靶理论位置为起始点，n个连续标靶实际位置坐标依次为n个检测点，得到受电弓标靶的n个实际位置偏移量；根据n个实际位置偏移量计算得到受电弓动态包络线；

所述标靶安装在受电弓接触滑板的迎风面或者背风面上正中间位置；

其中当所述标靶是圆形标靶时，标靶是中心重合，且中心为半径为r1的中心圆，周围依次是半径是r2-r1的第一圆环、半径是r3-r2的第二圆环形成的区域；中心圆与第二圆环位亮色区域，第一圆环为暗色区域；当所述标靶是三角形标靶时，标靶是中心重合，且从内到外边长为r1、r2、r3的3个三角形叠加，依次形成中心三角形、第一三角环、第二三角环叠加，三个三角形相应边都平行；r1、r2、r3依次增大；中心三角形与第二三角环为亮色区域，第一三角环为暗色区域；

所述标靶实际位置坐标检测具体过程是：

对图像采集装置采集的受电弓区域图像做二值化处理；

基于连通区域的分布位置以及形状尺寸作Blob分析，去除噪声干扰；

对标靶形状进行拟合，得到相应形状的拟合参数以及标靶亮色区域和暗色区域识别；

根据实际标靶亮色区域与暗色区域比例值，确定标靶亮色区域和暗色区域的位置；

根据标靶亮色区域与暗色区域的位置结合所述相应形状的拟合参数得到标靶实际位置坐标。

2.一种非接触式受电弓动态包络线测量装置，其特征在于包括：

图像采集装置，用于实时采集安装有标靶的整个受电弓区域图像；

标靶实际位置坐标识别模块，用于基于标靶特征，实时检测识别该图像中标靶实际位置坐标；

受电弓动态包络线获取模块，用于将标靶理论位置为起始点，n个连续标靶实际位置坐标依次为检测点，得到受电弓标靶的实际位置偏移量；根据此实际位置偏移量计算得到受电弓动态包络线；

所述标靶安装在受电弓接触滑板的迎风面或者背风面上正中间位置；

其中，当所述标靶是圆形标靶时，标靶是中心重合，且中心为半径为r1的中心圆，周围依次是半径是r2-r1的第一圆环、半径是r3-r2的第二圆环形成的区域；中心圆与第二圆环位亮色区域，第一圆环为暗色区域；当所述标靶是三角形标靶时，标靶是中心重合，且从内到外边长为r1、r2、r3的3个三角形叠加，依次形成中心三角形、第一三角环、第二三角环叠加，三个三角形相应边都平行；r1、r2、r3依次增大；中心三角形与第二三角环为亮色区域，第一三角环为暗色区域；

所述实时检测识别该图像中标靶实际位置坐标具体过程是：

对图像采集装置采集的受电弓区域图像做二值化处理；

基于连通区域的分布位置以及形状尺寸作Blob分析，去除噪声干扰；

对标靶形状进行拟合，得到相应形状的拟合参数以及标靶亮色区域和暗色区域识别；

根据实际标靶亮色区域与暗色区域比例值，确定标靶亮色区域和暗色区域的位置；

根据标靶亮色区域与暗色区域的位置结合所述相应形状的拟合参数得到标靶实际位置坐标。

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