CN109059769B - 一种非接触式受电弓升降弓臂杆位置关系测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式受电弓弓臂杆位置关系测量方法，其中受电弓的底架安装在水平面上；在一侧架设两台相机，两台相机镜头轴线形成一定夹角，调整相机固定距离和夹角或调整相机焦距和光圈，使得两相机均清晰成像且涵盖受电弓全部图像信息；然后，在受电弓上布置标记点；标定后，受电弓动力装置控制升弓或降弓过程中，两台相机同时采集图像信息，利用DIC操作软件识别标记点的位置变化，测得受电弓上各标记点相对于受电弓动作时刻的坐标值；最后建立数学模型，由坐标值计算相应时刻受电弓夹角，实现对于受电弓动作过程中杆间位置关系的测量。本发明通过数字图像成像的非接触式测量，将高铁受电弓各臂杆间位置关系转化为可由实验测得的数据。

Description

一种非接触式受电弓升降弓臂杆位置关系测量方法
技术领域
本发明属于机车制造和检测维护技术领域，特别是，涉及一种采用非接触式的三维数字图像相关法测量受电弓升降弓臂杆相对位置关系的方法。
背景技术
受电弓是电力牵引机车从接触网取得电能的重要受流电气设备，安装在机车或动车车顶上。受电弓可分单臂弓和双臂弓两种，均由滑板、上框架、下臂杆、拉杆、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成，在对高铁受电弓相关问题的分析中，我们希望掌握受电弓各臂杆的实时运动关系。
由于高铁受电弓是高铁的关键技术部位，往往具有造价昂贵，制造精密的特点，传统的接触式测量方式可能会影响受电弓的正常运行，往往难以实现，现阶段测量受电弓各臂杆间位置关系均采用计算机模拟，没有相应的实验测量方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非接触式受电弓弓臂杆位置关系测量方法，具体步骤如下：
步骤100：所述受电弓包括滑板、上框架、下臂杆、底架以及控制所述受电弓升弓或降弓的动力装置，其中受电弓的底架安装在水平面上；
步骤200：在平行于所述观察面一侧架设两台相机，两台相机镜头轴线形成一定夹角，调整相机固定距离和夹角或调整相机焦距和光圈，使得两相机均清晰成像且涵盖所述受电弓全部图像信息；
步骤300：在所述受电弓上布置标记点，编号0～12；
步骤400：利用DIC操作软件，通过相机拍摄标定板，实现标定过程；
步骤500：受电弓动力装置控制升弓或降弓过程中，两台相机同时采集图像信息，利用DIC操作软件识别受电弓升弓或降弓过程中所述标记点的位置变化，测得受电弓上各标记点相对于受电弓动作时刻的坐标值；
步骤600：建立数学模型，由坐标值计算相应时刻所述受电弓中所述上框架、所述下臂杆和所述拉杆之间的夹角，实现对于所述受电弓动作过程中，各臂杆杆间位置关系的测量；
选定所述水平面为基准面，选定所述底架位于所述两台相机的一侧表面所在平面且垂直于所述水平面的侧面为观察面。
优选地，所述步骤100中所述受电弓底架固定安装在机车或动车车顶。
优选地，所述步骤200中所述两台相机均为全画幅CCD相机，将所述两台相机设置在距离所述观察面1m至2m的位置，所述CCD相机配备50mm定焦镜头，所述两台相机包括第一相机和第二相机，所述第一相机和所述第二相机之间间隔距离40cm至80cm，所述第一相机镜头轴线与所述第二相机镜头轴线之间夹角范围为30°至90°。
优选地，所述步骤200中所述两台相机设置在距离所述观察面1.5m位置；所述第一相机和所述第二相机之间间隔距离为60cm；所述第一相机镜头轴线与所述第二相机镜头轴线之间夹角范围为60°。
优选地，所述步骤300：在所述受电弓上布置标记点，所述受电弓的底架位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点0、标记点1、标记点2、标记点3和标记点4，所述标记点0、所述标记点1和标记点2位于同一直线上，所述直线平行于水平面，所述标记点3和所述标记点4随机设置在所述直线上方；所述拉杆位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点5、标记点6，所述标记点5和所述标记点6所在直线平行于所述拉杆轴线；所述下臂杆位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点7、标记点8、标记点9、标记点10，其中所述标记点7和所述标记点9所在直线平行于所述下臂杆轴线，所述标记点8和所述标记点10所在直线垂直于所述下臂杆轴线；所述上框架位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点11和标记点12，其中所述标记点11和所述标记点12所在直线平行于所述上框架轴线。
优选地，所述步骤300中在所述拉杆为曲表面，设置所述标记点5和所述标记点6前，在所述拉杆上设置刚性方块，将所述标记点5和所述标记点6粘贴于所述刚性方块位于所述相机一侧的表面，微调所述刚性方块使所述标记点5和所述标记点6所在轴线平行于所述拉杆轴线。
优选地，所述步骤400所述标定过程系统为：以升弓初始状态所述第一相机图像为参考图，使用PMLAB DIC-3D软件的标记点计算功能，从初始状态第二相机图像及时序图像序列中匹配各标记点，得到各标记点的三维坐标。
优选地，所述步骤600建立数学模型过程如下：
步骤610：建立所述观察面的标准方程；
步骤620：在所述标记点0、所述标记点1、所述标记点2、所述标记点3和所述标记点4中任取非共线三点坐标求解观察面标准法向量和标准方程；
步骤630：求解所述标记点5、所述标记点6、所述标记点7、所述标记点8、所述标记点9、所述标记10、所述标记点11和所述标记点12在所述观察面内的投影坐标；
步骤640：求解所述上框架上的所述标记点11和所述标记点12所在直线在所述观察面内的投影与所述底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角；
求解所述下臂杆上的所述标记点7和所述标记点9所在直线在所述观察面内的投影与所述底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角；
求解所述拉杆上的所述标记点5和所述标记点6所在直线在所述观察面内的投影与所述底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角。
优选地，由所述标记点坐标值计算相应时刻所述受电弓中所述上框架、所述下臂杆和所述拉杆之间的夹角，测量并记录所述上框架、所述下臂杆、所述拉杆分别与所述底架所在水平面之间的夹角关系，形成角度-图像帧时序曲线。
优选地，所述标记点0～12使用散斑贴纸。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
通过数字图像成像的非接触式测量，本发明将原先由于高铁受电弓特殊性不能实现接触测量获取的高铁受电弓各臂杆间位置关系转化为可由实验测得的数据，为计算机建模模拟的方式提供了实验支持。
附图说明
图1本发明中受电弓结构图及相机位置示意图；
图2本发明中受电弓的弓臂杆之间待测角度示意图；
图3本发明中升弓前受电弓上标记点的位置示意图；
图4本发明中升弓后受电弓上标记点的位置示意图；
图5本发明中受电弓上标记点的角度-图像帧时序曲线示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位和位置关系为基于附图的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者部件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指标或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是自己连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
受电弓是电力牵引机车从接触网取得电能的重要受流电气设备，安装在机车或动车车顶上。受电弓可分单臂弓和双臂弓两种，如图1所示，由滑板60、上框架20、下臂杆30和拉杆40、底架50、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成，现有得到高铁受电弓各臂杆间位置关系的方式仅为计算机建模模拟，没有相应的实验测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非接触式受电弓弓臂杆位置关系测量方法，具体步骤如下：
步骤100：所述受电弓包括滑板60、上框架20、下臂杆30和拉杆40、底架50以及控制所述受电弓升弓或降弓的动力装置，其中受电弓的底架50安装在水平面上；
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤100中所述受电弓底架50固定安装在机车或动车车顶。
步骤200：在平行于所述观察面一侧架设两台相机，两台相机镜头轴线形成一定夹角，调整相机固定距离和夹角或调整相机焦距和光圈，使得两相机均清晰成像且涵盖所述受电弓全部图像信息；
步骤300：在所述受电弓上布置标记点，编号0～12；
本发明提供的非接触式受电弓升降弓臂杆位置关系测量方法需要分别在待测受电弓上框架20、下臂杆30及拉杆40上选择平行杆轴线、相距较远的两点，在这些位置贴上预制的标记点或散斑；
在受电弓前放置两台相机，并形成一定的夹角，固定相机位置；
调整焦距和光圈，使得两台相机都能清晰成像。
步骤400：利用DIC操作软件，通过相机拍摄标定板，实现标定过程；
步骤500：受电弓动力装置控制升弓或降弓过程中，两台相机同时采集图像信息，利用DIC操作软件识别受电弓升弓或降弓过程中所述标记点的位置变化，测得受电弓上各标记点相对于受电弓动作时刻的坐标值；
通过动力装置控制在升弓或降弓，在升弓或降弓过程中，运用两台相机同时采图，通过DIC操作软件，识别升弓或降弓过程中每一时刻标记点或散斑的位置，进而测得各臂杆上各标记点在每一时刻的坐标；
步骤600：建立数学模型，由坐标值计算相应时刻所述受电弓中所述上框架20、所述下臂杆30和所述拉杆40之间的夹角，实现对于所述受电弓动作过程中，各臂杆杆间位置关系的测量；
选定所述水平面为基准面，选定所述底架50位于所述两台相机的一侧表面所在平面且垂直于所述水平面的侧面为观察面。
如所示，需要测量上框架20、下臂杆30、拉杆40在受电弓升起过程中相对于水平面的夹角变化结果。
升弓始末，弓的状态如图3、图4所示。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤200中所述两台相机均为全画幅CCD相机，将所述两台相机设置在距离所述观察面1m至2m的位置，所述CCD相机配备50mm定焦镜头，所述两台相机包括第一相机71和第二相机72，所述第一相机71和所述第二相机72之间间隔距离40cm至80cm，所述第一相机71镜头轴线与所述第二相机72镜头轴线之间夹角范围为30°至90°。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤200中所述两台相机设置在距离所述观察面1.5m位置；所述第一相机71和所述第二相机72之间间隔距离为60cm；所述第一相机71镜头轴线与所述第二相机72镜头轴线之间夹角范围为60°。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤300：在所述受电弓上布置标记点，所述受电弓的底架50位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点0、标记点1、标记点2、标记点3和标记点4，所述标记点0、所述标记点1和标记点2位于同一直线上，所述直线平行于水平面，所述标记点3和所述标记点4随机设置在所述直线上方；所述拉杆40位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点5、标记点6，所述标记点5和所述标记点6所在直线平行于所述拉杆40轴线；所述下臂杆30位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点7、标记点8、标记点9、标记点10，其中所述标记点7和所述标记点9所在直线平行于所述下臂杆30轴线，所述标记点8和所述标记点10所在直线垂直于所述下臂杆30轴线；所述上框架20位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点11和标记点12，其中所述标记点11和所述标记点12所在直线平行于所述上框架20轴线。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤300中在所述拉杆40为曲表面，设置所述标记点5和所述标记点6前，在所述拉杆40上设置刚性方块，将所述标记点5和所述标记点6粘贴于所述刚性方块位于所述相机一侧的表面，微调所述刚性方块使所述标记点5和所述标记点6所在轴线平行于所述拉杆40轴线。
如图3～图4所示，在基面和各杆上布置标记点，编号0～12。贴标记点0、1、2的标准为判断标记点下边缘到基面下端面的距离；贴标记点7、9和11、12的标准为判断标记点下边缘到下臂杆30、拉杆40中部凸起线条的距离；由于上框架20为曲表面，实验时用胶水黏贴刚性方块于上框架20上端，将标记点5、6贴于方块正面，标准为标记点边缘距方块下端面的距离，并用DIC方法实测标记点0、1所成向量与标记点7、9、10所成面的夹角，微调方块使线面平行。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤400所述标定过程系统为：以升弓初始状态所述第一相机71图像为参考图，使用PMLAB DIC-3D软件的标记点计算功能，从初始状态第二相机72图像及时序图像序列中匹配各标记点，利用标定结果，通过三维重建得到各标记点的三维坐标。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤600建立数学模型过程如下：
步骤610：建立所述观察面的标准方程；
设基面的标准方程为：
Ax+By+Cz+D＝0
步骤620：在所述标记点0、所述标记点1、所述标记点2、所述标记点3和所述标记点4中任取非共线三点坐标求解观察面标准法向量和标准方程；
设平面上三点P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),P3(x3,y3,z3),则:
Figure BDA0001785538200000061
Figure BDA0001785538200000071
Figure BDA0001785538200000072
均为基面上的法向量，基面的法向量与
Figure BDA0001785538200000073
垂直，
法向量
Figure BDA0001785538200000074
基面法向量a坐标对应基面方程系数，则：
A＝(y2-y1)(z3-z1)-(y2-y1)(z3-z1)
B＝(z2-z1)(x3-x1)-(z3-z1)(x2-x1)
C＝(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)
将P1代入标准方程中可得：
D＝-(Ax1+By1+Cz1)
步骤630：求解所述标记点5、所述标记点6、所述标记点7、所述标记点8、所述标记点9、所述标记10、所述标记点11和所述标记点12在所述观察面内的投影坐标；
设面外一点Q(X,Y,Z)，到基面的投影点为Q'(x,y,z)，利用基面的法向量与QQ'平行，QQ'用参数方程，可以得到：
设QQ'与a模长之比为t
QQ'的模长为：
Figure BDA0001785538200000075
a的模长为：
Figure BDA0001785538200000076
故：
Figure BDA0001785538200000077
由QQ'与a平行，可得：
Figure BDA0001785538200000081
由此可得：
x＝X-At
y＝Y-Bt
z＝Z-Ct
步骤640：求解所述上框架20上的所述标记点11和所述标记点12所在直线在所述观察面内的投影与所述底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角；
求解所述下臂杆30上的所述标记点7和所述标记点9所在直线在所述观察面内的投影与所述底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角；
求解所述拉杆40上的所述标记点5和所述标记点6所在直线在所述观察面内的投影与所述底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角。
夹角计算：
上框架20与底座的夹角，θ1恒取正值：
Figure BDA0001785538200000082
下臂杆30与底座的夹角，θ2恒取正值：
Figure BDA0001785538200000083
拉杆40与底座的夹角，
其中关于θ3正负的判断：
y11',12'/x11',12'-y0,1/x0,1＞0，取正；
y11'，12'/x11'，12'-y0，1/x0，1＜0，取负：
Figure BDA0001785538200000084
在本发明的一个具体实施例中，由所述标记点坐标值计算相应时刻所述受电弓中所述上框架20、所述下臂杆30和所述拉杆40之间的夹角，测量并记录所述上框架20、所述下臂杆30、所述拉杆40分别与所述底架50所在水平面之间的夹角关系，形成角度-图像帧时序曲线。
如图5所示，为上框架20、下臂杆30、拉杆40与底座的夹角时序曲线。左上角小图可以得到，没有升弓过程角度时序曲线的波动约0.5度，原因是对标记点坐标计算时存在匹配误差；标记点5、6，7、9，11、12之间的距离过近，导致标记点坐标结果到向量夹角计算结果之间的误差传递效应较大。可以得到：本次实验的角度计算误差约0.5度。
后续角度测试实验时，可以从以下几个方面进一步减小测量误差：
(1)因试件表面不能喷斑，使用可黏贴的散斑贴纸，用全场相关计算代替标记点计算，降低匹配误差；
(2)使向量起始点分别位于2块贴纸上，在保证不超出视场情况下，2块贴纸之间的距离尽量远，降低误差传递效应。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (4)

1.一种非接触式受电弓弓臂杆位置关系测量方法，其特征在于，
步骤100：所述受电弓包括滑板、上框架、下臂杆、底架以及控制所述受电弓升弓或降弓的动力装置，其中受电弓的底架安装在水平面上；
步骤200：在平行于观察面一侧架设两台相机，两台相机镜头轴线形成一定夹角，调整相机固定距离和夹角或调整相机焦距和光圈，使得两相机均清晰成像且涵盖所述受电弓全部图像信息；
步骤300：在所述受电弓上布置标记点，编号0～12；
所述步骤300：在所述受电弓上布置标记点，所述受电弓的底架位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点0、标记点1、标记点2、标记点3和标记点4，所述标记点0、所述标记点1和标记点2位于同一直线上，所述直线平行于水平面，所述标记点3和所述标记点4随机设置在所述直线上方；拉杆位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点5、标记点6，所述标记点5和所述标记点6所在直线平行于所述拉杆轴线；所述下臂杆位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点7、标记点8、标记点9、标记点10，其中所述标记点7和所述标记点9所在直线平行于所述下臂杆轴线，所述标记点8和所述标记点10所在直线垂直于所述下臂杆轴线；所述上框架位于所述两台相机的一侧表面上设置有标记点11和标记点12，其中所述标记点11和所述标记点12所在直线平行于所述上框架轴线；
所述步骤300中在所述拉杆为曲表面，设置所述标记点5和所述标记点6前，在所述拉杆上设置刚性方块，将所述标记点5和所述标记点6粘贴于所述刚性方块位于所述相机一侧的表面，微调所述刚性方块使所述标记点5和所述标记点6所在轴线平行于所述拉杆轴线；
步骤400：利用DIC操作软件，通过相机拍摄标定板，实现标定过程；
步骤500：受电弓动力装置控制升弓或降弓过程中，两台相机同时采集图像信息，利用DIC操作软件识别受电弓升弓或降弓过程中所述标记点的位置变化，测得受电弓上各标记点相对于受电弓动作时刻的坐标值；
步骤600：建立数学模型，由坐标值计算相应时刻所述受电弓中所述上框架、所述下臂杆和所述拉杆之间的夹角，实现对于所述受电弓动作过程中，各臂杆杆间位置关系的测量；选定所述水平面为基准面，选定所述底架位于所述两台相机的一侧表面所在平面且垂直于所述水平面的侧面为观察面；
所述步骤600建立数学模型过程如下：步骤610：建立所述观察面的标准方程；步骤620：在所述标记点0、所述标记点1、所述标记点2、所述标记点3和所述标记点4中任取非共线三点坐标求解观察面标准法向量和标准方程；步骤630：求解所述标记点5、所述标记点6、所述标记点7、所述标记点8、所述标记点9、所述标记10、所述标记点11和所述标记点12在所述观察面内的投影坐标；步骤640：求解所述上框架上的所述标记点11和所述标记点12所在直线在所述观察面内的投影与底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角θ3；求解所述下臂杆上的所述标记点7和所述标记点9所在直线在所述观察面内的投影与所述底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角θ2；求解所述拉杆上的所述标记点5和所述标记点6所在直线在所述观察面内的投影与所述底座上的标记点0、所述标记点1和所述标记点2所在直线之间的夹角θ1；
所述步骤400所述标定过程系统为：以升弓初始状态第一相机图像为参考图，使用PMLAB DIC-3D软件的标记点计算功能，从初始状态第二相机图像及时序图像序列中匹配各标记点，得到各标记点的三维坐标；
由所述标记点坐标值计算相应时刻所述受电弓中所述上框架、所述下臂杆和所述拉杆之间的夹角，测量并记录所述上框架、所述下臂杆、所述拉杆分别与所述底架所在水平面之间的夹角关系，形成角度-图像帧时序曲线；
所述标记点0～12使用散斑贴纸。
2.根据权利要求1所述的非接触式受电弓弓臂杆位置关系测量方法，其特征在于，所述步骤100中所述受电弓底架固定安装在机车或动车车顶。
3.根据权利要求1所述的非接触式受电弓弓臂杆位置关系测量方法，其特征在于，所述步骤200中所述两台相机均为全画幅CCD相机，将所述两台相机设置在距离所述观察面1m至2m的位置，所述CCD相机配备50mm定焦镜头，所述两台相机包括第一相机和第二相机，所述第一相机和所述第二相机之间间隔距离40cm至80cm，所述第一相机镜头轴线与所述第二相机镜头轴线之间夹角范围为30°至90°。
4.根据权利要求3所述非接触式受电弓弓臂杆位置关系测量方法，其特征在于，所述步骤200中所述两台相机设置在距离所述观察面1.5m位置；所述第一相机和所述第二相机之间间隔距离为60cm；所述第一相机镜头轴线与所述第二相机镜头轴线之间夹角范围为60°。
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