CN108896150A - 一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了非接触测量计算领域的一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统及使用方法，该系统包括若干工业相机、交换机和工控机，所述工业相机固定安装于货车装载处的轨道两侧以获取货车转向架上弹簧的压缩量，所述工业相机通过网线与所述交换机相连，所述交换机通过网线与所述工控机连接。本发明不需要在每一辆车上安装传感器，节约了大量资源。且可以在装载处对车辆偏载情况进行分析，避免了车辆在出站处监测到超载或偏载情况时需要重新拉回装载站重新调整装载造成效率不高的情况。
Description
技术领域
本发明属于非接触测量技术领域，特别涉及一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统及使用方法。
背景技术
铁路货车具有运量大，成本低等众多优点。在铁路货车运输过程中，超载和偏载对车辆的安全运行有重大影响，是引起车辆脱轨等事故的主要原因之一，因此需要对车辆的超载与偏载情况进行严格监控。
现有的货车超偏载转置主要是安装在编组站正线或进出站的咽喉处，采用固定式的动态轨道衡进行测量。该测量方法主要考虑通过在标准轨道下安装压力传感器和剪力传感器来实现测量。目前针对轨道衡的测量方法有较多的研究，但利用该方案对测量速度要严格的要求，限制了线路的通行效率。此外，当车辆被检测出超载或偏载时，需要重新拉回装载站重新调整装载，整体效率较低。一种比较合理的方案是在车辆装载处，在装载过程中实时测量车辆的偏载情况，在源头上防止车辆的超偏载。在货物装载处进行测量时，如果采用接触式的测量方式需要在每一辆车上安装传感器，实际操作困难，因此主要考虑采用非接触式的测量方案。
发明内容
本发明目的在提供于一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统及使用方法，以解决现有技术中存在的技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统，包括若干工业相机、交换机和工控机，工业相机固定安装于货车装载处的轨道两侧以获取货车转向架上弹簧的压缩量，工业相机通过网线与交换机相连，交换机通过网线与工控机连接。
优选地，工业相机有四个且两两设置于轨道两侧，同侧两个工业相机之间的距离为单节货车车体的两个转向架之间的距离，工业相机的高度为工业相机的镜头正对转向架上弹簧的高度。
优选地，工业相机、交换机和工控机上都设置有保护装置和防潮装置。
依托于上述系统，本发明还提供了一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统的使用方法，包括以下步骤：
通过工业相机获取货车空载时和装载时弹簧的图像，以空载时工业相机获取的弹簧的图像为模板图像，以装载时工业相机获取的弹簧的图像为匹配图像；
通过工控机计算交换机收集的模板图像与匹配图像中弹簧的压缩量并换算成弹簧实际压缩量；
根据弹簧的实际压缩量计算货车整体的偏载情况。
优选地，实际压缩量的计算公式为：
其中，系数k通过标定获得，H0为空载状态下，弹簧的实际高度，Hi为装载时，第i帧图像对应的弹簧的实际高度，f为工业相机的焦距参数，L为工业相机的安装距离，h0表示初始状态下，弹簧在图像中的像素高度；hi为装载时，第i帧图像中弹簧的像素高度。
优选地，工业相机在货车装载过程中对弹簧进行目标跟踪。
优选地，目标跟踪包括：以上一帧图像目标所在位置中心坐标为中心，在当前帧图像中，以1.5倍模板尺寸范围内的为搜索区域，在搜索区域内进行模板匹配。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的工业相机固定安装于货车装载处的轨道两侧以获取货车转向架上弹簧的压缩量，工业相机通过网线与交换机相连，交换机通过网线与工控机连接，工控机通过弹簧的压缩量计算出车辆的偏载情况，不需要在每一辆车上安装传感器，节约了大量资源。且可以在装载处对车辆偏载情况进行分析，避免了车辆在出站处监测到超载或偏载情况时需要重新拉回装载站重新调整装载造成效率不高的情况。
2、工业相机、交换机和工控机上都设置有保护装置和防潮装置，能够适用于各种环境。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统结构图；
图2是本发明优选实施例的一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统的计算原理示意图。
图中，1、弹簧；2、货车车体；3、交换机；4、工控机；5、轨道；6、工业相机；7、转向架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统，包括若干工业相机6、交换机3和工控机4，工业相机6固定安装于货车装载处的轨道5两侧以获取货车转向架7上弹簧1的压缩量，工业相机6通过网线与交换机3相连，交换机3通过网线与工控机4连接。
工业相机6是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。本发明通过设置的若干工业相机6获取货车车体2未装载货物时的弹簧1长度和装载货物后的弹簧1长度，通过交换机3获取货车转向架7上所有弹簧1的未装载货物时的长度和装载货物后的长度，并通过工控机4对获取的弹簧1长度数据进行分析，得到各个弹簧1的压缩量，最终实现货车偏载情况和超载情况的分析。根据货车的转向架7的分布在货车两侧布置工业相机6，保证每一部工业相机6正对一个转向架7上的弹簧1。当空载状态的货车车体2停放在测量区的位置时，启动工控机4上的图像处理软件，控制工业相机6采集初始状态的图像，并截取模板图像。货车车体2装载货物时，启动图像处理软件的目标跟踪功能，通过各种模板图像，监测货车车体2的弹簧1在图像中的压缩情况。根据弹簧1在图像中的压缩情况，计算其对应的实际压缩量。利用弹簧1的压缩量，估算货车车体2的偏载情况。并根据货车车体2实时的偏载情况，指导货物的装载过程，及时调整装载方案。
优选地，工业相机6有四个且两两设置于轨道5两侧，同侧两个工业相机6之间的距离为单节货车车体2的两个转向架7之间的距离，工业相机6的高度为工业相机6的镜头正对转向架7上弹簧1的高度。
参见图1，现有的铁路货车的单节车体一般包括两组转向架7，分别分布于车体前部和后部，每一组转向架7上布置有两个弹簧1。则四个弹簧1分别置于车体左前、右前、左后和右后四个方向以便通过四个弹簧1的压缩量分析货车车体2的偏载情况。工业相机6的镜头需要正对转向架7上弹簧1的高度。
优选地，工业相机6、交换机3和工控机4上都设置有保护装置和防潮装置。
考虑到工业相机6、交换机3或工控机4的安装地点可能离室内比较远，且铁路货车的装载处一般都是露天的，需要在工业相机6、交换机3和工控机4上设置保护装置和防潮装置以保证监测系统在各种环境下后可以安全、稳定的运作。
依托与上述系统，本发明还提供了一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统的使用方法，包括以下步骤：
通过工业相机6获取货车空载时和装载时弹簧1的图像，以空载时工业相机6获取的弹簧1的图像为模板图像，以装载时工业相机6获取的弹簧1的图像为匹配图像。
当货车未装载货物时工业相机6获取的弹簧1图片作为模版图像，此时的弹簧1处于未压缩状态；当开始装载货物时，获取弹簧1的实时压缩图片作为匹配图像。
通过工控机4计算交换机3收集的模板图像与匹配图像中弹簧1的压缩量并换算成弹簧1实际压缩量。
工控机4上的图像处理软件实时分析模版图像与匹配图像，并将图像中的压缩量换算成弹簧1实际压缩量。弹簧1的实际压缩量包括所有弹簧1的实际压缩量。
根据弹簧1的实际压缩量计算货车整体的偏载情况。
因为转向机上弹簧1分布的位置，可以通过分析每一个弹簧1的压缩量而从分析出货车装载货物时的偏载情况。比如分别置于车体左前、右前、左后和右后的4个弹簧1，当左前和左后的弹簧1压缩量明显大于右前和右后的弹簧1压缩量时，说明左侧货物装载较多，右侧货物装载较少，此时进行货物运输容易造成车辆向左侧发生倾覆。在实时偏载监测时，当发现偏载情况时，可以根据偏载情况调整货物的装置位置，使装载达到平衡状态。且实时监测可以同时监测货物是否超载，当弹簧1的压缩量大于一定程度时，则认为车辆处于超载状态，会影响到运输的安全性。
优选地，实际压缩量的计算公式为：
其中，系数k通过标定获得，H0为空载状态下，弹簧1的实际高度，Hi为装载时，第i帧图像对应的弹簧1的实际高度，f为工业相机6的焦距参数，L为工业相机6的安装距离，h0表示初始状态下，弹簧1在图像中的像素高度；hi为装载时，第i帧图像中弹簧1的像素高度。
参见图2，图2为本发明系统的计算原理示意图；图2中，A为图像平面，B为成像小孔平面，C为弹簧1，D为镜头凸透镜，f为相机焦距，h为弹簧1在图像中的像素高度，L为相机与弹簧1之间的实际距离，H为弹簧1的实际高度。
优选地，工业相机6在货车装载过程中对弹簧1进行目标跟踪。
对弹簧1进行实时跟踪能够及时发现装载时的偏差，及时进行纠正。
优选地，目标跟踪包括：以上一帧图像目标所在位置中心坐标为中心，在当前帧图像中，以1.5倍模板尺寸范围内的为搜索区域，在搜索区域内进行模板匹配。
采用归一化的相似度来度量模版的匹配度，其具体的计算表达式为：
其中IT与IM分别为模板图像和匹配图像。当区域最大匹配度大于给定阈值0.98时，以最大匹配度对应坐标为模板在当前图像中的坐标；当区域最大匹配度大于给定阈值时，扩大搜索区域为模板尺寸的2倍，重新进行匹配计算。如果匹配度依然小于阈值，则放弃匹配，进行下一张图像的匹配。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统，其特征在于，包括若干工业相机(6)、交换机(3)和工控机(4)，所述工业相机(6)固定安装于货车装载处的轨道(5)两侧以获取货车转向架(7)上弹簧(1)的压缩量，所述工业相机(6)通过网线与所述交换机(3)相连，所述交换机(3)通过网线与所述工控机(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统，其特征在于，所述工业相机(6)有四个且两两设置于轨道(5)两侧，同侧两个所述工业相机(6)之间的距离为单节货车车体(2)的两个转向架(7)之间的距离，所述工业相机(6)的高度为所述工业相机(6)的镜头正对转向架(7)上弹簧(1)的高度。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统，其特征在于，所述工业相机(6)、所述交换机(3)和所述工控机(4)上都设置有保护装置和防潮装置。
4.一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过工业相机(6)获取货车空载时和装载时弹簧(1)的图像，以空载时工业相机(6)获取的弹簧(1)的图像为模板图像，以装载时工业相机(6)获取的弹簧(1)的图像为匹配图像；
通过工控机(4)计算交换机(3)收集的模板图像与匹配图像中弹簧(1)的压缩量并换算成弹簧(1)实际压缩量；
根据弹簧(1)的实际压缩量计算货车整体的偏载情况。
5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统的使用方法，其特征在于，所述实际压缩量的计算公式为：
其中，系数k通过标定获得，H0为空载状态下，弹簧(1)的实际高度，Hi为装载时，第i帧图像对应的弹簧(1)的实际高度，f为工业相机(6)的焦距参数，L为工业相机(6)的安装距离，h0表示初始状态下，弹簧(1)在图像中的像素高度；hi为装载时，第i帧图像中弹簧的像素高度。
6.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统的使用方法，其特征在于，工业相机(6)在货车装载过程中对弹簧(1)进行目标跟踪。
7.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉的轨道货车偏载监测系统的使用方法，其特征在于，所述目标跟踪包括：以上一帧图像目标所在位置中心坐标为中心，在当前帧图像中，以1.5倍模板尺寸范围内的为搜索区域，在搜索区域内进行模板匹配。
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