CN109470262A - 一种轨道巡检车里程计数方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轨道巡检车里程计数方法，属于轨道巡检技术领域。在巡检车底部安装片光光源和线阵摄像机，片光光源斜向下投射、线阵摄像机斜向下拍摄，片光光源为线阵摄像机提供照明，在偏离轨枕高度的平面上不提供照明，从而得到明暗交替图像，根据图像明暗程度，检测出轨枕区域，然后根据轨枕数量计算巡检车行驶里程数。本发明所设计的里程计数方法不需要精准的触发控制系统，不会遗漏轨枕，不会产生冗余图像，图像数据量少，便于存储和管理，获取图像中轨枕与非轨枕区域存在明显的亮度差异，有利于轨枕检测和精准里程计数，可为轨道巡检系统提供精准的位置信息。

Description

一种轨道巡检车里程计数方法

技术领域

本发明涉及轨道巡检技术领域，特指一种轨道巡检车里程计数方法。

背景技术

轨道交通包括普通铁路、高速铁路、地铁等，在国民经济发展、人民生活出行中发挥着重大作用。为保证轨道交通运行安全，轨道交通运营部门需定期对轨道安全进行巡检。具体巡检内容包括：铁轨几何参数检测，铁轨扣件松动、缺失、裂纹等异常检测，铁轨磨损检测，弓网线路检测，路面异物检测等。

目前，铁轨几何参数检测，主要采用惯导系统、激光图像测量系统，用于自动检测轨道几何参数；扣件异常检测，主要采用人工巡检。近期，也有学者将图像检测、惯性导航、激光测量等自动化检测技术引入轨道巡检中。

在自动巡检系统中，通常需将所检测的异常结果与里程关联，作为事后维修时定位依据。目前，我国轨道巡检系统多常采用光电编码器、GPS定位系统用于里程计数。由于GPS在隧道、山区等环境下定位会受到严重影响，目前，多采用光电编码器用于里程计数，再采用间隔y Km处设置RFID电子标签对里程计数进行修正，y的取值为1～10。但是，在y Km以内，采用光电编码器进行里程计数时，还存在这样的问题：1)当光电编码器安装在列车或检测平台的驱动轮上时，在列车或检测平台启动或刹车时，驱动轮在铁轨上容易打滑，产生里程计数误差；2)当光电编码器安装于列车或检测平台的随动轮(随动轮自身不具备驱动能力，跟随列车或检测平台在铁轨上滚动)时，虽然在列车或检测平台启动或刹车时，随动轮不会有明显打滑现象发生，但是，在列车或检测平台运动过程中，随动轮与铁轨之间存在一定的相对运动，即存在轻微打滑现象，从而使里程计数存在累积误差。当我们采用随动轮驱动的线阵摄像机对轨道路面进行线阵扫描成像时，在扫描的初期，2次线阵扫描成像结果基本可以重合，如图1所示，但是，随着扫描距离的增加，光电编码器的累积误差效应变得非常明显，如图2所示(图1所位置到图2所示位置的距离仅有20m)。对于扣件、轨道损伤等异常检测而言，定位精度<0.5m。当y＝1、光电编码器累积误差为1％时，里程定位偏差将达到10m，这显然不能满足实际应用需求。

由于铁路轨枕安装位置固定，而且间隔已知，因此，可通过对铁轨轨枕或扣件计数实现高精度里程计数。为此，专利CN2016112135719提出一种利用机器视觉对铁轨扣件计数，进行里程计数的方法。该方法同光电编码器、光电测距传感器及GPS定位系统等扣件定位方法相比，具有定位精度高、无累积误差等优势。但是，专利CN2016112135719中采用面阵摄像机用于获取扣件图像，需要精准的扣件触发成像控制系统，才能保证所扣件拍摄图像中同一扣件只出现一次。在没有扣件触发成像控制系统时，当检测平台运行速度大于摄像机拍摄速度时，拍摄图像中会遗漏扣件，导致里程计数错误；当检测平台运行速度小于摄像机拍摄速度时，同一个扣件会出现在多幅图像中，需要在拍摄图像中剔除多余的扣件图像，从而增加计算复杂度。此外，该专利采用硬阈值检测方法直接对扣件区域进行处理还存在这样的问题：1)硬阈值方法容易受到图像亮度变化干扰，不能较好地适应场景中亮度变化；2)直接对扣件区域进行处理时，还容易受到扣件异常干扰，比如扣件缺少和扣件存在两种情况下，相同阈值的检测结果是不同的，从而影响检测结果的可靠性。为此，迫切需要一种可为自动巡检系统提供高精度里程计数的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种轨道巡检车里程计数方法，以用于轨道交通自动巡检高精度里程计数，以解决现有里程计数方法精度低、可靠性差等问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：在巡检车底部安装片光光源和线阵摄像机；片光光源位于钢轨上方，产生片状结构光斜向下投射矩形光斑，矩形光斑的长轴垂直于钢轨，投射方向与轨道路面的夹角为a；线阵摄像机位于钢轨上方，获取钢轨两侧轨枕区域图像，其成像光轴与轨道路面成角度b，线阵摄像机的成像光路位于片光光源以轨道路面为反射面的反射光路上，线阵摄像机的线阵成像平面与矩形光斑区域的长轴平行，片光投射区域与线阵摄像机的线阵成像平面在轨枕高度平面处相交；在相交位置处，线阵摄像机获取的反射光强，拍摄图像亮；在超出轨枕高度平面区域，线阵摄像机获取的反射光弱，拍摄图像暗；根据拍摄图像的明暗程度，检测出轨枕区域，然后根据轨枕数量计算巡检车行驶里程数。

所述计算巡检车行驶里程数的具体方法是：在拍摄图像中，设定轨枕4检测区域，在检测区域内，首先采用阈值分割方法，检测出亮区域，然后，对亮区域进行腐蚀、膨胀操作，消除噪声；根据轨枕面积，检测轨枕；最后，统计轨枕数量N，根据轨枕固定间距d，可得到巡检车行驶里程为N×d。

为进一步提高轨道巡检车里程计数方法的可靠性和计算精度：

优选的，所述片光光源前端设置一个反射镜，反射镜安装在轴转动机构上，可在沿轨道纵向的平面内绕该轴转动，以实现片光照射区域反射光与线阵成像角度调节，并缩短线阵摄像机到片光光源的距离。

优选的，所述线阵摄像机为外触发相机，由轨道巡检车的车辆编码器产生的脉冲信号驱动，编码分辨率为k mm/plus，k的取值范围为0.1-10，plus为一个脉冲。

优选的，所述片光光源为窄带光源，波长为c，在线阵摄像机前端设置波长为c的窄带滤光片，消除环境光干扰，c的取值范围为400-1000nm。

优选的，所述片光光源为窄带近红外光源，波长为c1，c1的取值范围为700-1000nm。

优选的，所述片光光源在轨枕表面照射区域为m*n的矩形，m的取值范围是1-10mm，n的取值范围是100-400mm。

优选的，所述角度a的取值范围是20-80度；所述角度b的取值范围为20-80度。

优选的，对一侧轨枕进行成像和计数。

本发明的有益效果为：

如附图1所示，本发明将片光光源斜向下投射、线阵摄像机斜向下拍摄，片光与线阵摄像机的线阵成像平面在轨枕高度平面上相交，在轨枕高度平面上，片光光源为线阵摄像机提供照明，在偏离轨枕高度的平面上不提供照明，从而得到明暗交替图像，亮图像区域为轨枕，暗图像区域为非轨枕，从而更容易准确提取轨枕图像，有利于轨枕计数和里程计算。与专利CN2016112135719采用面阵摄像机相比，不需要精准的触发控制系统，不会遗漏轨枕，不会产生冗余图像，图像数据量少，便于存储和管理；与现有将线光源垂直于轨道平面照射、线阵摄像机垂直于轨道平面成像的方法相比，获取的图像中，轨枕与非轨枕区域的区分度更好，明暗差异更明显。根据轨枕间隔恒定的先验信息，在获取轨枕计数结果后，即可实现精度优于1m的里程计数，可完全满足轨道巡检系统缺陷检测定位精度需求，为轨道巡检系统提供精准的位置信息，方便轨道巡检结果准确定位，和在后期维护中快速查找。

附图说明

图1是实施例1中成像系统结构原理示意图；

图2是实施例1中非轨枕平面成像示意图；

图3是实施例1中巡检车行驶里程数的具体方法流程图；

图4是实施例2中成像系统结构原理示意图；

图中，1表示片光光源，2表示线阵摄像机，3表示轨道路面，4表示轨枕，5表示片光光源投射片光，6表示线阵摄像机的线阵成像平面，7表示片光光源的强反射光，8表示片光光源的弱反射光，9表示反射镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种轨道巡检车里程计数方法，具体实施方式如下：

实施例1：

如图1所示，在巡检车底部安装片光光源1和线阵摄像机2，片光光源1位于钢轨上方，产生片状结构光5斜向下投射矩形光斑，矩形光斑的长轴垂直于钢轨，投射方向与轨道路面3的夹角为a，角度a的取值范围是20-80度，在实施例1中，取a＝60度。

片光光源1为窄带近红外光源，波长为c1，c1的取值范围为700-1000nm，在实施例1中，波长c1为600mm。

片光光源1在轨枕4表面照射区域为m*n的矩形，m的取值范围是1-10mm，n的取值范围是100-400mm，在实施例1中，矩形照射区域大小为5mm×150mm。

线阵摄像机2位于钢轨上方，获取钢轨两侧轨枕4区域图像，其成像光轴与轨道路面3成角度b，角度b的取值范围为20-80度，在实施例1中，取b＝60度。

线阵摄像机2为外触发相机，与轨道巡检车的车辆编码器产生的脉冲信号驱动，编码分辨率为k mm/plus，k的取值范围为0.1-10，plus为一个脉冲，在实施例1中，取k＝7。

如图1所示，线阵摄像机2的成像光路位于片光光源1以轨道路面3为反射面的反射光路上，线阵摄像机2的线阵成像平面6与矩形光斑区域的长轴平行，片光投射区域与线阵摄像机2的线阵成像平面6在轨枕高度平面处相交；在相交位置处，线阵摄像机获取的反射光7强，拍摄图像亮；如图2所示，在超出轨枕高度平面区域，线阵摄像机2获取的反射光8弱，拍摄图像暗。

计算巡检车行驶里程数的具体方法流程如图3所示，在拍摄图像中，设定轨枕4检测区域，在检测区域内，首先采用阈值分割方法，检测出亮区域，然后，对亮区域进行腐蚀、膨胀操作，消除噪声；根据轨枕面积，检测轨枕；最后，统计轨枕数量N，根据轨枕固定间距d，可得到巡检车行驶里程为N×d。

轨枕区域图像为亮，非轨枕区域图像为暗的原因是：

线阵摄像机2的成像方向位于片光光源1的反射光路上，线阵摄像机的线阵成像平面6与片光光源1投射平面在轨枕4高度位置处相交；在轨枕4高度位置处，线阵摄像机2在片光光源1的反射光路上，片光光源1会进入线阵摄像机2中，使拍摄图像为亮；超出(高于或低于)轨枕4高度处，线阵摄像机2不在片光的反射光路上，只有少部分光线会进入线阵摄像机，因此，成像图像暗。

直接利用图像明暗程度对拍摄图像进行分割，这种方法操作简单，而且准确率较高。

实施例2：

如图4所示，在实施例1中的片光光源1前端设置一个反射镜9，反射镜9安装在轴转动机构上，可在沿轨道纵向的平面内绕该轴转动，以实现片光照射区域反射光与线阵成像角度调节，并缩短线阵摄像机到片光光源的距离。

实施例2的其余操作步骤与实施例1相同。

实施例3：

与实施例1与实施例2不同的是，片光光源为窄带近红外光源，波长为c1，c1的取值范围为700-1000nm，在实施例3中，取波长c1＝800nm。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：在巡检车底部安装片光光源和线阵摄像机；片光光源位于钢轨上方，产生片状结构光斜向下投射矩形光斑，矩形光斑的长轴垂直于钢轨，投射方向与轨道路面的夹角为a；线阵摄像机位于钢轨上方，获取钢轨两侧轨枕区域图像，其成像光轴与轨道路面成角度b，线阵摄像机的成像光路位于片光光源以轨道路面为反射面的反射光路上，线阵摄像机的线阵成像平面与矩形光斑区域的长轴平行，片光投射区域与线阵摄像机的线阵成像平面在轨枕高度平面处相交；在相交位置处，线阵摄像机获取的反射光强，拍摄图像亮；在超出轨枕高度平面区域，线阵摄像机获取的反射光弱，拍摄图像暗；根据拍摄图像的明暗程度，检测出轨枕区域，然后根据轨枕数量计算巡检车行驶里程数。

2.根据权利要求1所述的轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：所述计算巡检车行驶里程数的具体方法是：在拍摄图像中，设定轨枕4检测区域，在检测区域内，首先采用阈值分割方法，检测出亮区域，然后，对亮区域进行腐蚀、膨胀操作，消除噪声；根据轨枕面积，检测轨枕；最后，统计轨枕数量N，根据轨枕固定间距d，可得到巡检车行驶里程为N×d。

3.根据权利要求1所述的轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：所述片光光源前端设置一个反射镜，反射镜安装在轴转动机构上，可在沿轨道纵向的平面内转动，以实现片光照射区域反射光与线阵成像角度调节，并缩短线阵摄像机到片光光源的距离。

4.根据权利要求1所述的轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：所述线阵摄像机为外触发相机，由轨道巡检车的车辆编码器产生的脉冲信号驱动，编码分辨率为kmm/plus，k的取值范围为0.1-10，plus为一个脉冲。

5.根据权利要求1所述的轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：所述片光光源为窄带光源，波长为c，在线阵摄像机前端设置波长为c的窄带滤光片，消除环境光干扰，c的取值范围为400-1000nm。

6.根据权利要求5所述的轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：所述片光光源为窄带近红外光源，波长为c1，c1的取值范围为700-1000nm。

7.根据权利要求1所述的轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：所述片光光源在轨枕表面照射区域为m*n的矩形，m的取值范围是1-10mm，n的取值范围是100-400mm。

8.根据权利要求1所述的轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：所述角度a的取值范围是20-80度；所述角度b的取值范围为20-80度。

9.根据权利要求1所述的轨道巡检车里程计数方法，其特征在于：对一侧轨枕进行成像和计数。