CN109211120B - 接触线磨耗检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种接触线磨耗检测装置，包括：第一图像采集单元和第二图像采集单元，第一图像采集单元和第二图像采集单元均设于接触线下方，分别从不同位置采集接触线的图像，且第一图像采集单元和第二图像采集单元在接触线上的图像采集区域重合；图像处理单元，图像处理单元根据接触线的图像识别磨耗边缘点，并确定磨耗边缘点的位置信息；以及计算单元，计算单元根据磨耗边缘点的位置信息计算接触线的磨耗量。与现有的人工检测方式相比，本发明能够极大地提高接触线磨耗检测效率、避免漏检。

Description

接触线磨耗检测装置
技术领域
本发明涉及轨道运输技术领域，特别涉及一种接触线磨耗检测装置。
背景技术
触网供电是电气化铁路常用的两种供电网络方式之一。触网供电时，通过列车上方的受电弓和接触网接触进行供电，在这种供电方式下，即使跌落轨行区也不可能触电，安全性较高，因此触网供电方式广泛应用于高铁、动车和地铁中。
进行触网供电时，受电弓和接触网相接触，随着触网使用时间的延长，接触线不可避免地出现磨损，从而严重影响供电质量和供电安全，因此需要对接触线磨损情况进行及时检测，以避免出现供电故障，并在必要时更换接触线。
目前在轨道运输行业主要依靠人工方式检测接触线磨耗，这种检测方法效率低下，且容易造成漏检。因此期待开发一种高效且可靠的接触线磨耗检测装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种接触线磨耗检测装置，以克服现有检测方式效率低下且容易漏检的问题。
本发明提出一种接触线磨耗检测装置，包括：
第一图像采集单元和第二图像采集单元，所述第一图像采集单元和第二图像采集单元均设于所述接触线下方，分别从不同位置采集所述接触线的图像，且所述第一图像采集单元和第二图像采集单元在所述接触线上的图像采集区域重合；
图像处理单元，所述图像处理单元根据所述接触线的图像识别磨耗边缘点，并确定所述磨耗边缘点的位置信息；以及
计算单元，所述计算单元根据所述磨耗边缘点的位置信息计算所述接触线的磨耗量。
优选地，所述第一图像采集单元和第二图像采集单元相对于所述接触线中心所在的竖直平面对称设置。
优选地，所述第一图像采集单元和第二图像采集单元是CCD线阵相机。
优选地，还包括：
光源，所述光源的照射区域至少覆盖所述第一图像采集单元和第二图像采集单元的图像采集区域。
优选地，所述光源包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器与所述第一图像采集单元同轴设置，所述第二激光器与所述第二图像采集单元同轴设置；
所述接触线磨耗检测装置还包括：
激光器控制单元，用于控制所述第一激光器和第二激光器的电源的打开和关闭；
同步触发单元，用于在所述第一激光器和第二激光器的电源打开时同步触发所述第一激光器和第二激光器。
优选地，所述图像处理单元将所述接触线的图像中的光照梯度突变点识别为磨耗边缘点。
优选地，所述图像处理单元分别根据以下公式(1)和公式(2)计算磨耗边缘点的位置信息：
其中，X、Y分别表示磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标，f表示第一图像采集单元和第二图像采集单元的焦距，x1表示第一图像采集单元测得的与磨耗边缘点之间的距离，x2表示第二图像采集单元测得的与磨耗边缘点之间的距离，L表示第一图像采集单元或第二图像采集单元与所述竖直平面之间的距离，α为第一图像采集单元或第二图像采集单元的光轴相对于竖直方向的夹角。
优选地，所述磨耗边缘点包括第一磨耗边缘点和第二磨耗边缘点，所述计算单元根据以下公式(3)计算所述接触线的磨耗宽度w：
其中，xA、yA分别表示所述接触线的第一磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标，xB、yB分别表示所述接触线的第二磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标。
优选地，所述计算单元根据以下公式(4)计算所述接触线的磨耗深度Δh：
其中，r表示所述接触线的半径，h表示所述接触线的初始高度。
优选地，所述第一图像采集单元和第二图像采集单元设于列车顶部，所述图像处理单元和计算单元设于列车内。
本发明的有益效果在于：与现有的人工检测方式相比，本发明能够极大地提高接触线磨耗检测效率、避免漏检，且采用非接触式检测方法，可避免对弓网系统造成影响。在实际应用时，第一图像采集单元和第二图像采集单元可设于列车顶部，图像处理单元和计算单元可设于列车内，随列车一起运行，从而可以实现全线路的接触线磨耗检测。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。
图1a和图1b分别显示接触线磨耗前后的剖视图；
图2a和图2b分别显示接触线磨耗后的照片和立体示意图；
图3显示根据本发明示例性实施例的磨耗边缘点的位置信息计算原理图；
图4显示根据本发明示例性实施例的接触线的磨耗量计算原理图。
图5显示根据本发明示例性实施例的接触线磨耗检测装置的示意图；
附图标记说明：
1-第一图像采集单元，2-第二图像采集单元，3-接触线，31-磨损面，4-图像处理单元，5-计算单元，6-第一激光器，7-第二激光器，8-激光器控制单元，9-同步触发单元。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明实施例的接触线磨耗检测装置，其包括：
第一图像采集单元和第二图像采集单元，第一图像采集单元和第二图像采集单元均设于接触线下方，分别从不同位置采集接触线的图像，且第一图像采集单元和第二图像采集单元在接触线上的图像采集区域重合；
图像处理单元，图像处理单元根据接触线的图像识别磨耗边缘点，并确定磨耗边缘点的位置信息；以及
计算单元，计算单元根据磨耗边缘点的位置信息计算接触线的磨耗量。
该接触线磨耗检测装置通过设置于接触线下方的两个图像采集单元分别从不同位置采集接触线的图像，对于采集的接触线图像，可以基于双目视觉原理确定图像中任一点的位置信息，并识别磨耗边缘点，进而通过计算单元计算接触线的磨耗量。
与现有的人工检测方式相比，本发明能够极大地提高接触线磨耗检测效率、避免漏检，且采用非接触式检测方法，可避免对弓网系统造成影响。在实际应用时，第一图像采集单元和第二图像采集单元可设于列车顶部，图像处理单元和计算单元可设于列车内，随列车一起运行，从而可以实现全线路的接触线磨耗检测。
在一个示例中，第一图像采集单元和第二图像采集单元相对于接触线中心所在的竖直平面对称设置，以简化位置信息计算。优选地，第一图像采集单元和第二图像采集单元的光学参数完全相同，且第一图像采集单元的轴线和第二图像采集单元的轴线相对于竖直平面的夹角也相同。
在一个示例中，第一图像采集单元和第二图像采集单元是CCD线阵相机。线阵相机是采用线阵图像传感器的相机。线阵相机主要采用CCD线阵图像传感器和CMOS线阵图像传感器，其中以CCD线阵图像传感器为主。CCD线阵相机特别适用于连续物体的检测，检测精度极高。
在一个示例中，接触线磨耗检测装置还包括光源，光源的照射区域至少覆盖第一图像采集单元和第二图像采集单元的图像采集区域。通过设置光源可以提高第一图像采集单元和第二图像采集单元的成像质量，从而提高磨耗边缘点的识别精度。
在一个示例中，光源包括第一激光器和第二激光器，第一激光器与第一图像采集单元同轴设置，第二激光器与第二图像采集单元同轴设置。第一激光器和第二激光器分别作为第一图像采集单元和第二图像采集单元的光源。由于激光的方向性好，当对准直径很小的接触线时，能够对其进行充分补光。第一激光器和第二激光器的波长可以为400～1000nm。接触线上照射光带宽度约为0.5mm～2mm，光功率根据实际需求确定，一般为2W～10W。
在一个示例中，接触线磨耗检测装置还包括：激光器控制单元和同步触发单元。激光器控制单元用于控制第一激光器和第二激光器的打开和关闭，即在需要采集图像时打开激光器，不需要采集图像时关闭激光器，以避免激光器过热；同步触发单元，用于在第一激光器和第二激光器的电源打开时同步触发第一激光器和第二激光器，以使第一激光器和第二激光器同时发射激光。根据实际检测需求，一般建议同步触发频率为25Hz。
在一个示例中，图像处理单元将接触线的图像中的光照梯度突变点识别为磨耗边缘点。
图1a和图1b分别显示接触线磨耗前后的剖视图，图2a和图2b分别显示接触线磨耗后的照片和立体示意图。如图1a、1b和图2a、2b所示，接触线一般由钢及铜合金制成，未磨耗的接触线其下部呈圆弧状。电力机车通过受电弓与接触线的滑动接触取流，获取电能。随着接触线使用时间的延长，受电弓与接触线的接触面被不断摩擦而产生磨损，形成磨损面。由于磨损面被不断摩擦，因此表面较为光滑，不易形成氧化层，反光强度较高，接近镜面反射。当图像采集单元与激光器同轴设置时，图像采集单元以非垂直角度拍摄磨损面，大部分的补光被磨损面反射掉，只有极少量光线被图像采集单元的感光元件采集到，因此在成像上会反映出偏暗的灰色或黑色，相反，未被磨耗的接触线表面漫反射较强，相对较多的补光光线被图像采集单元的感光元件采集到，成像相对明亮。基于以上原因，在磨耗边缘点(即图1b中的A点和B点)反光强度发生突变，导致成像的磨耗边缘点处光照梯度发生突变。因此，图像处理单元可以将接触线的图像中的光照梯度突变点识别为磨耗边缘点。
在一个示例中，采用光学参数完全相同的第一图像采集单元和第二图像采集单元，且两个图形采集单元相对于接触线中心所在的竖直平面对称设置。基于双目视觉原理，即可以确定图像采集区域内任意一点的位置信息。
如图3所示建立世界坐标系OXYZ，以第一图像采集单元的光心C1为原点建立第一相机坐标系C1Xc1Yc1Zc1，以第二图像采集单元的光心C2为原点建立第二相机坐标系C2Xc2Yc2Zc2，第一图像采集单元和第二图像采集单元的光敏面中心之间的距离为2L，焦距均为f，第一图像采集单元和第二图像采集单元的光轴构成的平面处于平面XOY内，光轴与竖直方向的夹角均为α。空间内点P投影到第一图像采集单元和第二图像采集单元的光敏面上的点分别为P’和P”。根据数学推导可以得到点P在世界坐标系中的坐标。因此，当图像处理单元在接触线图像中识别出磨耗边缘点之后，即可以分别根据以下公式(1)和公式(2)计算磨耗边缘点的位置信息：
其中，X、Y分别表示磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标，f表示第一图像采集单元和第二图像采集单元的焦距，x1表示第一图像采集单元测得的与磨耗边缘点之间的距离，x2表示第二图像采集单元测得的与磨耗边缘点之间的距离，L表示第一图像采集单元或第二图像采集单元与接触线中心所在的竖直平面之间的距离，α为第一图像采集单元或第二图像采集单元的光轴相对于竖直方向的夹角。
在一个示例中，如以上参考图1a和图1b所述，磨耗边缘点包括第一磨耗边缘点和第二磨耗边缘点(即图1b中的A点和B点)。图4显示接触线的磨耗量计算原理图，根据图4中所示的各参数，计算单元根据以下公式(3)计算接触线的磨耗宽度w：
其中，xA、yA分别表示所述接触线的第一磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标，xB、yB分别表示所述接触线的第二磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标。
此外，计算单元根据以下公式(4)计算接触线的磨耗深度Δh：
其中，r表示接触线的半径，h表示接触线的初始高度。
实施例
图5显示根据本发明示例性实施例的接触线磨耗检测装置的示意图。如图5所示，接触线磨耗检测装置包括：
第一图像采集单元1和第二图像采集单元2，第一图像采集单元1和第二图像采集单元2均设于接触线3的下方，且相对于接触线中心所在的竖直平面对称设置，分别从两个不同位置采集接触线的图像，第一图像采集单元1和第二图像采集单元2在接触线上的图像采集区域重合；
图像处理单元4，图像处理单元4根据接触线的图像识别磨耗边缘点，并确定磨耗边缘点的位置信息；以及
计算单元5，计算单元5根据磨耗边缘点的位置信息计算接触线的磨耗量；
第一激光器6和第二激光器7，第一激光器6与第一图像采集单元1同轴设置，第二激光器7与第二图像采集单元2同轴设置(在图5中，为了清楚起见，并未将激光器与图像采集单元绘制为同轴设置)；
激光器控制单元8，用于控制第一激光器6和第二激光器7的电源的打开和关闭；
同步触发单元9，用于在第一激光器6和第二激光器7的电源打开时同步触发第一激光器6和第二激光器7。
其中，第一图像采集单元和第二图像采集单元是CCD线阵相机。第一图像采集单元、第二图像采集单元、第一激光器、第二激光器、激光器控制单元、同步触发单元均设于列车顶部，图像处理单元和计算单元可设于列车内，车顶设备与车内设备通信连接。
接触线磨耗检测装置工作时，激光器控制单元8控制第一激光器6和第二激光器7的电源的打开，同步触发单元9以指定频率同步触发第一激光器6和第二激光器7，向接触线3发射激光；第一图像采集单元1和第二图像采集单元2采集接触线的图像，并将图像通过网络传输至图像处理单元4；图像处理单元4根据接触线的图像识别磨耗边缘点，并根据公式(1)和公式(2)分别确定第一磨耗边缘点和第二磨耗边缘点的位置信息；计算单元根据公式(3)和公式(4)基于磨耗边缘点的位置信息计算接触线的磨耗量，包括磨耗宽度和磨耗深度。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (4)

1.一种接触线磨耗检测装置，其特征在于，包括：
第一图像采集单元和第二图像采集单元，所述第一图像采集单元和第二图像采集单元均设于所述接触线下方，分别从不同位置采集所述接触线的图像，且所述第一图像采集单元和第二图像采集单元在所述接触线上的图像采集区域重合；
图像处理单元，所述图像处理单元根据所述接触线的图像识别磨耗边缘点，并确定所述磨耗边缘点的位置信息；以及
计算单元，所述计算单元根据所述磨耗边缘点的位置信息计算所述接触线的磨耗量；
所述第一图像采集单元和第二图像采集单元相对于所述接触线中心所在的竖直平面对称设置；
所述图像处理单元分别根据以下公式(1)和公式(2)计算磨耗边缘点的位置信息：
其中，X、Y分别表示磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标，f表示第一图像采集单元和第二图像采集单元的焦距，x1表示第一图像采集单元测得的与磨耗边缘点之间的距离，x2表示第二图像采集单元测得的与磨耗边缘点之间的距离，L表示第一图像采集单元或第二图像采集单元与所述竖直平面之间的距离，α为第一图像采集单元或第二图像采集单元的光轴相对于竖直方向的夹角；
所述磨耗边缘点包括第一磨耗边缘点和第二磨耗边缘点，所述计算单元根据以下公式(3)计算所述接触线的磨耗宽度w：
其中，xA、yA分别表示所述接触线的第一磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标，xB、yB分别表示所述接触线的第二磨耗边缘点在世界坐标系中的横坐标和纵坐标；
所述接触线磨耗检测装置还包括光源，所述光源的照射区域至少覆盖所述第一图像采集单元和第二图像采集单元的图像采集区域；
所述光源包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器与所述第一图像采集单元同轴设置，所述第二激光器与所述第二图像采集单元同轴设置；
所述接触线磨耗检测装置还包括：
激光器控制单元，用于控制所述第一激光器和第二激光器的电源的打开和关闭；
同步触发单元，用于在所述第一激光器和第二激光器的电源打开时同步触发所述第一激光器和第二激光器；
所述图像处理单元将所述接触线的图像中的光照梯度突变点识别为磨耗边缘点。
2.根据权利要求1所述的接触线磨耗检测装置，其特征在于，所述第一图像采集单元和第二图像采集单元是CCD线阵相机。
3.根据权利要求1所述的接触线磨耗检测装置，其特征在于，所述计算单元根据以下公式(4)计算所述接触线的磨耗深度Δh：
其中，r表示所述接触线的半径，h表示所述接触线的初始高度。
4.根据权利要求1所述的接触线磨耗检测装置，其特征在于，所述第一图像采集单元和第二图像采集单元设于列车顶部，所述图像处理单元和计算单元设于列车内。
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