CN109414992A - 测量导电弓和架空线路之间的接触强度的光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量导电弓的滑动弓的位置和加速度以及该滑动弓与悬链线之间的接触力的光学系统，包括：至少一个摄像机，被安装在铁路车辆顶部上并被这样配置，以便使包含至少一部分所述滑动弓的区域被形成帧；至少一个激光器，被聚焦在被安排在大体上竖直平面中的激光片上并且被指向所述导电弓，所述激光片交叉由所述摄像机形成帧的所述区域，其特征在于，所述系统还包括至少一个圆柱形目标，在所述目标被所述激光器照亮的并且由所述摄像机形成帧的位置中，整体地以轴平行于所述滑动弓的轴被安装到所述滑动弓上，所述目标用对所述激光器发射的光的频率反射的材料实现。
Description
技术领域
本工业发明涉及一种用于测量导电弓的滑动弓的位置和加速度以及滑动弓与悬链线之间的接触力的光学系统。
背景技术
电气列车由导线(接触线)供电，该导线(接触线)沿轨道悬挂于支柱或门架，或者悬挂于安装在隧道顶部的专用支架。因为该接触线在多个点上被悬挂到支承缆线上，它采取的几何形状是悬链形式之一。因此，下面接触线也用术语“悬链线”表示。
机车通过使用安装在顶部的一个或多个导电弓，从接触线吸取能量。每一导电弓在上部配有导电带，通过由机械的或空气的弹簧施加的力，使导电带与悬链线接触。导电弓与悬链线之间的相互作用力是主要影响电力供应性能的参数之一。
由于悬链线与导电弓之间的接触，导电带经过一段时间会被磨损：因此，只要有可能，合适的是限制该相互作用力，以便使导电弓的磨耗被降低和支撑悬链线的结构的形变被避免。
另一方面，当导电弓和悬链线之间的接触力被降低或使之变为零时，能够出现带来一系列负面后果的接触损失。首先，电流收集方面的性能明显地下降，并且其次，产生电火花和电弧，不仅导致导电弓和悬链线两者的破坏，而且还导致显著的电磁污染。
因此十分清楚，导电弓的位置以及导电弓和悬链线之间的接触力，是根本性的，并且，它们必须被系统地控制。
在现有技术方面，已知有许多种系统，用于测量导电弓的位置和导电弓与悬链线之间的接触力。
最常见的测量方法是基于安装在导电弓上的并能收集和发送有关相互作用力的数据的传感器和转换器。所有这些方法的缺点在于，它们都是过度侵入性的，因为它们修改导电弓的动力学的，尤其是空气动力学的特性。它们对于管理测量设备与系统的高压部分之间的分离还有相当大的困难。
还有已知的光学测量系统，它们允许测量导电弓的位置，且在一些情形下，借助线性的或矩阵的摄像机，估算导电弓与悬链线之间的接触力。
这种的系统的第一个例子，在日本专利JP2002-279409中被描述，其中描述一种装置，它能通过线性传感器，获取导电弓的多个图像，以便借助所述图像的顺序逼近(sequential approaching)，获得时-空图像，以及借助移动媒体处理(mobile mediaprocess)，识别导电弓随着时间的位置和加速度。
这种系统的效果强烈依赖于周围环境条件。事实上，能够发生线性传感器是在黑暗中(在夜晚或在隧道中)、背对太阳、或对着光获取图像的，而这种变化性极大地影响获取的图像质量，因而使该系统不可靠。
所引用的系统的开发，在日本专利JP2008-104312中被描述，它描述一种系统，其中线性传感器按顺序获取导电弓的图像，目标被紧紧夹到该导电弓上。该目标包括置于两个非反射带之间的高反射带。因此，在获取的图像中，要把与三个目标带对应的图形个性化，从而找出导电弓的位置。这个系统的开发，在专利JP2009-244023中被描述。
在Koyama等人的文章(Measurement of the contact force of the pantographby image processing technology–Quarterly Report of RTRI,vol.55,no.2,May 2014)中，描述一种光学方法，用于测量导电弓和悬链线之间的接触力。该方法从接触力是气动力(列车速度的函数)、弹性力(导电弓位置的函数)及惯性力(导电弓加速度的函数)三者之和的考虑开始。
通过用与刚才描述的各个系统大体上相同的光学系统(使用有多个白色和黑色带的目标)，在时间上测量导电弓位置，然后凭此导出加速度，并获取列车速度，估算三个刚才描述的力，其结果是导电弓和悬链线之间的接触力。
使用配备有白色和黑色带的目标的系统的另一个例子，在文件EP2404777中被描述。在该文件中描述的目标是平的粘性粘附物，包括回归反射材料的两条带，它能粗略地沿同一方向反射光，但相对于来光的方向，是相反意义下的方向。
在D1示出的系统中，被目标反射的太阳光射线能够到达摄像机。事实上，虽然该回归反射带沿太阳辐射来的方向的同一方向几乎反射全部太阳辐射，(因此不是向着摄像机)，但目标的不回归反射部分，按通常的光学定律反射光，从而在某些环境条件下，它将向摄像机反射光。这一点在图7和8中示意性示出。在图7中，示出取自文件EP2404777的图2。在图8中，示出由太阳(4)发射的射线(41)，该射线(41)被平的目标(3)反射进反射射线(43)之后，能够到达摄像机(21)。在由摄像机获取的图像中，与反射射线关联的刚才描述的干扰以与导电弓的运动相同的频率运动。在现有技术已知的所有系统中，目标表面必须必然地是漫射的或漫射―镜面反射混合种类的，以便确定地有来自激光器的被反射的射线能够被摄像机截获，因而该目标能够被摄像机看见。无论如何，摄像机看到目标得益于漫射-镜面反射混合种类的漫射部分。代替的方案是，目标是回归反射的，如在EP2404777中那样，但在这种情形下，为了使该设备工作，激光器和摄像机必须必然地彼此非常接近。
已知的现有技术系统是受限的，因为尽管使用按照刚才描述的目标，但他们的效力相当地取决于它们工作地方的光的环境条件，而对这样的系统来说，光的环境条件能够是极端地变化的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种设备，能非接触地测量导电弓的滑动弓的位置和加速度，它克服与现有技术中已知设备相联系的缺点。尤其是，本发明的目的是提供一种设备，能非接触地完成滑动弓的位置和加速度的测量，该设备在任何光的环境条件下都是可靠的。按照另一个目的，本发明提供一种用于确定导电弓和悬链线之间的接触力的方法。
按照另一个目的，本发明提供一种设备，能非接触地测量导电弓的滑动弓的位置和加速度，该设备的性能既不受太阳位置，也不受用作光源的激光器与摄像机之间的相应距离影响。
本发明实现了这些目的，因为它是一种用于测量导电弓的滑动弓的位置和加速度以及滑动弓与悬链线之间的接触力的光学系统，包括：至少一个摄像机，被安装在铁路车辆的顶部，并且被这样配置，以便使包含至少一部分所述滑动弓的区域被形成帧；至少一个激光器，被聚焦在被安排在大体上竖直平面中的激光片上并且被指向所述导电弓，所述激光片交叉由所述摄像机形成帧的所述区域，其特征在于，所述系统还包括至少一个圆柱形目标，在该目标被激光器照亮的位置中，整体地被安装到所述滑动弓上并且以轴平行于所述滑动弓的轴。
附图说明
下面将参照附图1到6，详细描述一些优选实施例。
在图1、2和3中，示出本发明的包括线性传感器摄像机的第一实施例，分别以三向投影图、截面图和细部视图示出。在图4和5中，示出本发明的第二实施例，包括矩阵传感器摄像机；在图6中，示出描述测量原理的说明性几何略图。
在图7和8中，示出现有技术已知的两个实施例。
具体实施方式
实施例1
图1中，示出按照本发明的设备的第一优选实施例的三向投影图。尤其是，导电弓和该设备按它们的相互定位被示出。只是为了图形清晰，没有示出导电弓和设备二者被整体地紧紧夹到其上的铁路车辆的顶部。如图1中所示，导电弓(1)包括滑动弓(11)和该滑动弓的支架(12)。该滑动弓(11)在面朝上的表面中，被配备有称为滑行带(sliding)的导电带，该导电带在工作条件下与悬链线接触。滑动弓(11)和它的支架(12)借助弹簧悬置(13)被连接。
为了增强向摄像机反射的光的强度，在导电弓(1)上，至少一个圆柱形目标(111)被整体地安装到所述滑动弓(11)上，并且也可能地，目标(112)被整体地安装到支架(12)上。这些目标以它们的轴与导电弓(1)的所述元件平行而被定位。目标(111、112)用对于激光器(22)(激光器的使用在下面示出)的频率的反射材料被实现，而最好用不锈钢。
用于测量导电弓位置的设备，包括摄像机(21)和激光器(22)。激光器(22)的光学装置是这样的，使激光器被聚焦在激光片上，激光片的平面(221)在图1中以虚线示出。在图1中，还以实线示出摄像机(21)视场(211)的开度角。图1中示出的开度角示意性地是用线性传感器摄像机和相应的光学装置可获得的开度角。在图4中，示意性地示出有更大开度角的视场(231)的摄像机的使用，通常可用矩阵摄像机(23)和相应的光学装置获得。
激光器(22)被指向导电弓(1)，而该激光片(221)被安排在大体竖直平面中。关于摄像机(21)，它的位置必需是使之在导电弓处由激光片(221)照亮的平面被包含在该摄像机(21)的视场(211)内部。
这样，摄像机使导电弓(1)被激光照亮的部分，尤其是被激光照亮的圆柱形目标(111)形成帧。优选地，激光器(22)和摄像机(21)彼此接近地被定位，以便于把它们预先组装，安装在唯一的容器(图中没有示出)之内。激光器(22)能够邻近摄像机(21)被安排，如图1所示，或者能够被定位在摄像机(21)之上或之下。作为替代，图4所示种类的布置能够被使用，其中激光器和摄像机彼此被间隔开。
参照图6的图解，很清楚圆柱形目标(111、112)的用途，图6示出侧视图，其中激光器(22)和摄像机(21)示意地用圆表示，并且圆柱形目标在第一位置(111)和第二个位置(111’)被示出。从该图像很清楚，在导电弓被降低之后，目标(111)能够进入所有位置，存在光学的激光器-目标-摄像机路径，其中摄像机接收被直接反射的激光。事实上，通过把目标中心(111)与激光器(22)和摄像机(21)的位置连线的中点相连，使激光按镜面方式被反射向摄像机的点,在目标的外圆周上被个性化，从而使到达摄像机的辐射的强度最大化。
始终参照图6，很清楚，在导电弓的位置变化时，激光被直接反射向摄像机的点在目标的外表面上被移位。然而,这个误差绝对是系统性的误差(它在所有的导电弓提升/下降的循环中完全相同地被重复)，而因此它能够用简单的预先校正过程被消除。
在描述了系统的几何配置之后，现在能够描述它的光学特征。
如众所周知，激光器是单色光源，这意味着它以非常有限的光谱区间发射光。优选地，按照本发明的在系统中使用的激光器(22)发射近红外光，而更优选地，对于在800nm到850nm之间的波长，太阳光光谱的强度较低。
摄像机(21)优选地被配备有中心在激光器频率上的带通干涉滤波器，其功能是把具有在许可频带之外频率的到达的光全部滤除，从而排除几乎所有太阳辐射以及来自人工光源的辐射。
因此，到达摄像机传感器的只有：
-被导电弓以镜面反射方式反射的激光；
-包括在该滤波器许可的波长频带内的太阳辐射(当有太阳时)部分。
通过校正激光器功率，使上面列举的两种成分的第一种明显大于第二种(至少一个数量级)，摄像机的传感器将在导电弓(1)的位置处只检测信号峰值，不管它工作地点的环境光条件。
无论线性传感器摄像机或矩阵传感器摄像机被使用，所获得的图像有非常高的信噪比，且允许立即确定目标(和导电弓)的位置。
在图4和5中，示出用于本发明的第二实施例，其中，使用矩阵摄像机(23)代替线性摄像机(21)。矩阵摄像机的视场(231)具有的开度角明显地大于线性摄像机的开度角。对于这个实施例，所有刚才描述的考虑都是有效的。
此外需要指出，所描述的设备包括由摄像机检测的数据的获取和处理装置，以及摄像机和激光器的控制装置，被方便地安装在列车上。
还有按照本发明的被描述的设备的其他实施例。事实上，为了识别导电弓可能的旋转，在滑动弓上能够安装两个圆柱形目标，相应的激光片被聚焦在该两个圆柱形目标上。同样的处理能够对支架实施。包含该两个圆柱形目标的区域的图像能够利用两个线性摄像机被获取，每个线性摄像机与相应的目标和相应的激光片配成对，或者利用有矩阵传感器的摄像机和光学装置，被这样配置，以便使关注的全部区域被形成帧。这样，能够把滑动弓在两个不同的点的高度个性化，从而识别导电弓可能的旋转。
在图9中，进一步图解示出该设备的优选实施例的几何结构。目标(111)由高反射的圆柱体制成，优选地用抛光的不锈钢实现。圆柱体的截面用比实际大得很多的尺寸在图9中被示出，以突出从光学观点看的性能。圆柱体的表面特征使镜面反射作用相对于漫反射作用大大占优势，因此目标(111)是几乎完美的反射体，对它可以应用斯涅尔(Snell)反射定律。该圆形截面保证，从激光器(22)发射的多条射线(226、227)当中，一定有射线(226)以镜面反射方式被反射进由摄像机(21)截取的射线(228)中。
从几何光学的简单考虑，很清楚，对导电弓的滑动弓(11)的每个高度，从而对与滑动弓成一体的圆柱体(111)的每个高度，总是存在且唯一地存在同激光器(22)发射的按镜面反射方式被反射进摄像机(21)中的射线。
参考图10的图解，示出按镜面反射方式反射的射线的唯一性是不受太阳干扰的充分条件。事实上，要考虑的是目标能够占据的两个极限位置(111)和(111’)：在这样的位置处,将有2条由激光器22发射的单义的射线(226)和(226’)，将通过相应的射线216和216’被反射进入摄像机(21)。为使摄像机的分辨率从而使测量精度最大化，摄像机的物镜(214)的焦距被选择成使圆柱形目标的极限位置在摄像机的传感器(213)上在该传感器的极限点(A、B)产生图像。因此假定，不包括在两条单义的射线(226)和(226’)之间的所有激光射线，将被投射到传感器之外的点，从而对摄像机是不可见的。
如果考虑由太阳(4)发射并被投射在圆柱体上的射线(41)，从几何光学的简单考虑，能够假定，对于圆柱体在极限位置111和111'之间的任何高度，这样的射线对摄像机是不可见的，因为这样的射线不属于226和226'之间的射线束。在改变太阳的高度时，考虑到关注的系统的布置，被圆柱体反射的太阳射线没有属于226和226'之间的射线束；因此，太阳不能以任何方式，通过在圆柱体上的反射，产生对摄像机的干扰信号。
唯一的干扰射线是由直接入射引起的，如在图11中所示。在这种情形下，太阳射线(41)被投射进摄像机(21)的传感器上的点C。无论如何，因为圆柱体以时间动力学运动，它比太阳快许多数量级，所以点C实际上会呈现在固定的位置，从而将被图像处理软件简单地个性化和滤除。应当指出，图8的干扰信号(43)被目标漫射，并在传感器上以与目标的相同时间动力学产生图像运动，因此，它不能被识别为太阳反射，从而不能被消除。
方法
本发明还提供一种方法，用于通过使用刚才描述的设备，测量导电弓的滑动弓的运动、它的加速度，并且用于确定导电弓和悬链线之间接触力。
用于确定位置的方法，包括步骤：
a)以轴平行于导电弓的滑动弓，把至少一个圆柱形目标(111)紧紧夹到导电弓(1)上；
b)用激光源(22)照亮导电弓(1)，该激光源(22)被聚焦在定位在交叉所述目标(111)的竖直平面中的激光片(221)上；
c)用线性摄像机(21)或矩阵摄像机(23)，按照接连的时间瞬间，获取含有导电弓的区域的多个图像，该摄像机配备有中心在所述激光器(22)的频率上的频率滤波器；
d)按每一个所述接连的时间瞬间，在所述图像的每一个中，识别与该目标位置有关的像素，从而，识别该同一目标到列车顶部的高度、因而也是该滑动弓到列车顶部的高度；
e)根据在步骤d)测量的滑动弓随着时间的位置，计算滑动弓的速度和加速度。
为了确定滑动弓和悬链线之间的接触力，应当考虑，该接触力是施加于导电弓的气动力(列车速度平方和导电弓气动力特性的函数)、由滑动弓及其支架之间的悬置弹簧施加的弹性力(导电弓位置和弹簧特征的函数)以及惯性力(导电弓加速度的函数)之和。
通过借助在步骤a)到e)的该方法，获知对每一时间瞬间的滑动弓的位置和加速度，并且通过按滑动弓的位置的函数，获知滑动弓的悬置弹簧施加的力，以及气动力对列车速度的依从定律(dependence law)，足以获取列车的速度，以便估算滑动弓和悬链线之间的接触力的所有分量，从而计算合成的力。要这样做，需要实施包括如下步骤的方法：
f)利用按照权利要求9的方法，按接连的时间瞬间，确定滑动弓的位置和加速度；
g)按在步骤f)确定的滑动弓的位置的函数，对每一考虑的时间瞬间，计算由所述滑动弓(11)的悬置弹簧(13)施加的力；
h)获取铁路车辆的速度，并且按每一时间瞬间，按所述速度的函数，确定作用在所述导电弓(1)上的气动力；
i)按在步骤f))计算的加速度的函数，对每一时间瞬间，计算作用在所述滑动弓(11)上的惯性力；
j)作为在步骤g)、h)和i))中计算的力的和，按每一时间瞬间，计算滑动弓(11)与悬链线之间交换的力。
Claims (10)
1.一种用于测量导电弓(1)的滑动弓(11)的位置和加速度以及该滑动弓(11)与悬链线之间的接触力的光学系统，包括：
-至少一个摄像机(21)，被安装在铁路车辆的顶部，并被配置为使包含至少一部分所述滑动弓(11)的区域被形成帧；
-至少一个激光器(22)，被聚焦在被安排在大体上竖直平面上的激光片上并且被指向所述导电弓(1)，所述激光片交叉由所述摄像机(21)形成帧的所述区域；
其特征在于
所述系统还包括至少一个目标(111)，在所述目标(111)被所述激光器(22)照亮并由所述摄像机(21)形成帧的位置中，所述目标(111)被整体地安装到所述滑动弓(11)上，所述目标(111)用对所述激光器(22)发射的光的频率反射的材料实现，
并且其特征在于
所述目标(111)是圆柱形的，并以轴平行于所述滑动弓的轴被安装。
2.按照权利要求1的用于测量导电弓(1)的滑动弓(11)的位置和加速度以及该滑动弓(11)与悬链线之间的接触力的光学系统，还包括至少另一个圆柱形目标(112)，在所述又一个目标(112)被所述激光器(22)照亮的并由所述摄像机(21)形成帧的位置中，所述另一个目标(112)被整体地安装到所述滑动弓(11)的支架(12)上。
3.按照权利要求1或2的用于测量导电弓(1)的滑动弓(11)的位置和加速度以及该滑动弓(11)与悬链线之间的接触力的光学系统，其特征在于，至少两个圆柱形目标(111)被整体地安装到所述滑动弓(11)上，所述至少两个圆柱形目标分别被激光片照亮，并且其特征在于，所述两个激光片都交叉由所述摄像机(21)形成帧的所述区域。
4.按照权利要求1或2的用于测量导电弓(1)的滑动弓(11)的位置和加速度以及该滑动弓(11)与悬链线之间的接触力的光学系统，其特征在于，至少两个圆柱形目标(111)被整体地安装到所述滑动弓(11)上，所述两个圆柱形目标分别被激光片照亮，并且其特征在于，所述系统还包括至少两个摄像机(21)，所述激光片的每个都交叉由至少一个所述摄像机(21)形成帧的区域。
5.按照前面权利要求任一项的用于测量导电弓(1)的滑动弓(11)的位置和加速度以及该滑动弓(11)与悬链线之间的接触力的光学系统，其特征在于，所述激光器发射波长在800nm到850nm之间的近红外光。
6.按照前面权利要求任一项的用于测量导电弓(1)的滑动弓(11)的位置和加速度以及该滑动弓(11)与悬链线之间的接触力的光学系统，其特征在于，所述摄像机配备有中心在所述激光器(22)的频率上的带通干涉滤波器。
7.按照前面权利要求任一项的用于测量导电弓(1)的滑动弓(11)的位置和加速度以及该滑动弓(11)与悬链线之间的接触力的光学系统，其特征在于，所述摄像机是线性传感器摄像机。
8.按照前面权利要求任一项的用于测量导电弓(1)的滑动弓(11)的位置和加速度以及该滑动弓(11)与悬链线之间的接触力的光学系统，其特征在于，所述摄像机是矩阵传感器摄像机。
9.借助使用按照前面权利要求任一项的设备测量铁路车辆的导电弓(1)的滑动弓(11)的运动及其加速度的方法，包括的步骤有：
a)以轴平行于导电弓的滑动弓，把至少一个圆柱形目标(111)紧紧夹到所述导电弓(1)上；
b)用聚焦在被定位在交叉所述目标(111)的竖直平面中的激光片(221)上的激光源(22)照亮所述导电弓(1)；
c)用线性摄像机(21)或矩阵摄像机(23)，按照接连的时间瞬间，获取含有所述导电弓(1)的区域的多个图像；
d)按每一个所述接连的时间瞬间，在所述图像的每一个中，识别与所述目标(111)的位置有关的像素，并且从而，确定所述目标(111)和所述滑动弓到列车顶部的高度；
e)根据在步骤d)测量的所述滑动弓(11)随着时间的位置，计算所述滑动弓(11)的速度和加速度。
10.借助使用按照权利要求1到8任一项的设备测量铁路车辆的导电弓(1)的滑动弓(11)与悬链线之间交换的接触力的方法，包括的步骤有：
f)利用按照权利要求9的方法，按接连的时间瞬间，确定滑动弓的位置和加速度；
g)按在步骤f)确定的滑动弓的位置的函数，对每一考虑的时间瞬间，计算由所述滑动弓(11)的悬置弹簧(13)施加的力；
h)获取铁路车辆的速度，并且按每一时间瞬间，按所述速度的函数，确定作用在所述导电弓(1)上的气动力；
i)按在步骤f)计算的加速度的函数，对每一时间瞬间，计算作用在所述滑动弓(11)上的惯性力；
j)作为在步骤g)、h)和i)计算的力的和，按每一时间瞬间，计算滑动弓(11)与悬链线之间交换的力。
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