CN110091891B - 高速列车动态限界测量方法、装置、存储介质及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速列车动态限界测量方法、存储介质及电子设备，方法包括：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标；利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系；提取多张结构光图像中的光条中心线；利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系；根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数；根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。减少了精密标靶使用过程中变形、损伤造成的测量误差；减少了高速相机的数量，缩短了实验准备时间。

Description

高速列车动态限界测量方法、装置、存储介质及电子设备

技术领域

本发明涉及机车车辆测试技术领域，尤其涉及高速动车组动态限界测量方法，具体涉及一种高速列车动态限界测量方法、装置、存储介质及电子设备。

背景技术

机车车辆限界是一个和线路(轨道)中心线垂直的断面轮廓，限界测量是保证车辆不会剐蹭铁路沿线两边的障碍物，保证安全运行的必要环节，它包括静态限界和动态限界测量。动态限界测量是指车辆在运动状态下对车体截面的测量以判断是否超出标准限界。

国内外早期动态限界测量均采用脉冲激光雷达进行测量，在铁路附近的合适区域布置多个激光器，当列车进入传感器测量范围时，对车身外轮廓进行扫描，通过获取足够多的传感器数据，得到列车动态包络线。

除此之外，中国发明专利CN103075976A披露了一种高速列车动态包络线测量方法，通过大功率一字线激光器将光束以扇面形式投射在被测车体表面形成近似竖直的激光光条，两个高速相机同时采集光条并通过专用电缆传送到测量计算机，经测量计算机处理，计算出所测区域车身的三维坐标，最后取垂直列车运行方向的两个分量，用以描述该时刻列车车体的偏移量。

天津大学刘蒙在毕业论文《基于单目视觉的高速列车动态包络线测量系统》中公开了一种基于单目视觉的列车动态包络线测量技术，采用专用的靶标由上、中、下三层子靶标组成梯形标靶对相机进行标定，建立世界坐标系和像素坐标系的转换关系；然后利用高速单目摄像机拍摄投射在车体表面的线结构激光图片，完成车体动态包络线的测量。

上述现有技术至少存在以下缺点和不足：

早期动态限界测量采用脉冲激光雷达进行单点测量，测量精度一般在在50mm～100mm左右，采样速度在500000点/秒左右，一般应用于时速100km/h速度以下的限界测量，最高应用时速不超过200km/h，应用于高速列车时，误差较大。

中国发明专利CN103075976A采用双目立体视觉进行测量时存在相机只能摆放在距离车体6m～10m的空间，测量现场测试空间常常难以满足需求；而且准备时间长，一般需要2个小时以上，实际测量过程中，铁路天窗时间难以满足测试时间需求；双目系统数据处理量大，硬件资源要求较高，计算重构时间长。

《基于单目视觉的高速列车动态包络线测量系统》采用单目立体视觉进行摄像机标定过程中，需要准确地确定标靶的世界坐标系坐标，对标靶加工精度和现场安装精度要求较高，否则会严重影响试验结果。

因此，所属技术领域技术人员亟需设计一种快速标定测量，精度满足500km/h高速动车组动态限界测试要求的测试方法。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高速列车动态限界测量方法、存储介质及电子设备，解决了现有技术中高速列车动态限界测量时，准备时间长，测量精度低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种高速列车动态限界测量方法，包括：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标；利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系；提取多张结构光图像中的光条中心线；利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系；根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数；根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

本发明的具体实施方式还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现高速列车动态限界测量方法的步骤。

本发明的具体实施方式还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现高速列车动态限界测量方法的步骤。

根据本发明的上述具体实施方式可知，高速列车动态限界测量方法、存储介质及电子设备至少具有以下有益效果：减少了精密标靶(标定工装卡槽及棋盘格板)使用过程中变形、损伤造成的测量误差；减少了高速相机的数量，缩短了实验准备时间，测量设备搭建费用显著降低，实现在较远距离进行精确的动态限界测量(测量距离由6m～10m扩展到5m～18m)，满足不同现场更加苛刻的测量条件，大大提高了工作效率；测量精度、测量适应性都能很好符合动态限界测量需要。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量方法的第一流程图。

图2为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量方法的第二流程图。

图3为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量方法的第三流程图。

图4为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量方法的第四流程图。

图5为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量系统的组成示意图。

图6为本发明具体实施方式提供的一种标定工装的结构示意图。

图7为本发明具体实施方式提供的一种在棋盘格板上标定特征点的示意图。

附图标记说明：

1车身感应传感器 2同步触发器

3高速相机 4大功率线结构光激光器

5测量控制单元 6高速列车

7轨道 41光平面

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

图1为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量方法的第一流程图，如图1所示，标定多张棋盘格板采集图像得到棋盘格板标定特征点，并获取棋盘格板标定特征点的像素坐标，根据像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的对应关系，根据多张结构光图像中的光条中心线建立结构光平面参数与世界坐标系之间的对应关系，根据上述两个对应关系得到结构光平面参数，最后利用结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

该附图所示的具体实施方式中，高速列车动态限界测量方法包括：

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。本发明的实施例中，利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点之前，对多张棋盘格板采集图像进行降噪处理，提取棋盘格板采集图像的特征点得到棋盘格板标定特征点。棋盘格板是单平面棋盘格板；棋盘格板采集图像的张数可以为9。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。本发明的实施例中，结构光图像的张数可以为3。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。本发明的实施例中，利用线激光器光平面标定法建立结构光平面参数与世界坐标系之间的对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。本发明的实施例中，步骤106具体包括：利用激光器向行驶列车上投射线结构光，并在所述行驶列车上形成光条；利用高速相机同步拍摄所述光条获得所述高速列车行驶图片；根据所述结构光平面参数计算所述高速列车行驶图片中的所述光条在所述世界坐标系中的实际坐标；根据所述实际坐标计算所述高速列车行驶中的偏摆角和平移量。激光器可以选用瞬间功率可达150瓦的大功率脉冲激光器。

参见图1，通过单目结构光测量系统减少了精密标靶使用过程中变形、损伤造成的测量误差；减少了相机数量，缩短了实验准备时间，实现在较远距离精确的动态限界测量，大大地提高了工作效率；测量精度、测量适应性，都符合动态限界测量的需要。

图2为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量方法的第二流程图，如图2所示，利用张正友标定法对多张棋盘格板采集图像进行标定之前，旋转设置标定工装卡槽内的棋盘格板，利用高速相机拍摄多张盘格板采集图像。

该附图所示的具体实施方式中，步骤101之前，高速列车动态限界测量方法还包括：

步骤100：将棋盘格板设置在标定工装卡槽内，旋转所述棋盘格板利用高速相机拍摄多张所述棋盘格板在不同角度时的所述棋盘格板采集图像。本发明的实施例中，高速相机的帧速大于200帧/秒，例如，高速相机采用最短曝光时间为2微秒，满帧时每秒500帧的变焦镜头相机，在500km/h条件下采样速率达0.5m/帧。棋盘格板的背面具有铰链(合页)，铰链上固定有杆体，杆体设置在标定工装卡槽内。

参见图2，棋盘格板可以围绕着杆体自由旋转，高速相机拍摄9张棋盘格板旋转时的图像，即棋盘格板采集图像。

图3为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量方法的第三流程图，如图3所示，提取多张结构光图像中的光条中心线的之前，利用激光器照射棋盘格板，利用高速相机拍摄棋盘格板在不同标定工装卡槽内的结构光图像。

该附图所示的具体实施方式中，步骤103之前，高速列车动态限界测量方法还包括：

步骤102-1：将棋盘格板设置在多个不同位置的标定工装卡槽内，并利用激光器照射所述棋盘格板，利用高速相机拍摄所述棋盘格板在不同所述标定工装卡槽内的所述结构光图像，其中，所述棋盘格板在不同所述标定工装卡槽内时所在的平面相互平行。本发明的实施例中，在垂直于轨道测量位置5m～18m处安装大功率线结构光激光器，使结构光激光器发出的光平面垂直于轨道方向；在距离光平面30°位置安装高速相机(即调整高速相机的拍摄方向与线结构光激光器的照射方向之间的夹角为30度)；调整高速相机视角和焦距，使结构光激光器的发光面视场完整清晰地在高速相机成像范围内。

参见图3，将棋盘格板依次安装在标定工装卡槽一、标定工装卡槽二和标定工装卡槽三内。当棋盘格板安装在标定工装卡槽一中时，线结构光激光器将光条照在棋盘格板上，高速相机拍摄一张照片，获得一张结构光图像；当棋盘格板安装在标定工装卡槽二中时，线结构光激光器将光条点亮照在棋盘格板上，高速相机再拍一张照片，又获得一张结构光图像；当棋盘格板安装在标定工装卡槽三中时，线结构光激光器将光条点亮照在棋盘格板上，高速相机再拍一张照片，再获得一张结构光图像。为保证测量精度，标定工装卡槽一、标定工装卡槽二和标定工装卡槽三为一体设计(例如，标定工装底座上具有标定工装卡槽一、标定工装卡槽二和标定工装卡槽三，标定工装底座通过弹簧片卡接在轨道上，此外，标定工装底座上具有水平视窗，用于调节标定工装底座使其水平，标定工装底座上具有指示轨距的刻度)，棋盘格板在标定工装卡槽一、标定工装卡槽二和标定工装卡槽三时，棋盘格板均在高速相机的拍摄范围(成像范围)内，棋盘格板所在的平面均与轨道平行，并且标定工装卡槽一位于其中一个轨道上，标定工装卡槽三位于另一个轨道上，标定工装卡槽二位于两个轨道正中间。线结构光激光器和高速相机的位置不变，线结构光激光器的照射方向垂直于棋盘格板。

或者，如图6所示，标定工装包括标定工装底座、设置在标定工装底座上的标定工装卡槽一、标定工装卡槽二和标定工装卡槽三、分别插在标定工装卡槽一、标定工装卡槽二和标定工装卡槽三内的杆体，以及分别设置在杆体上的棋盘格板。分别在标定工装卡槽一、标定工装卡槽二和标定工装卡槽三内安装一块棋盘格板，三块棋盘格板所在的平面均与轨道平行，并且三块棋盘格板中心的连线与轨道垂直，线结构光激光器的照射方向垂直于三块棋盘格板，三块棋盘格板均在高速相机的拍摄范围内。线结构光激光器将光条照在标定工装卡槽一上的棋盘格板上，高速相机拍摄一张照片，获得一张结构光图像；取下标定工装卡槽一上的棋盘格板上的棋盘格板，线结构光激光器将光条点亮照在标定工装卡槽二上的棋盘格板上，高速相机再拍一张照片，又获得一张结构光图像；取下标定工装卡槽二上的棋盘格板上的棋盘格板，线结构光激光器将光条点亮照在标定工装卡槽三上的棋盘格板上，高速相机再拍一张照片，再获得一张结构光图像。

图4为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量方法的第四流程图，如图4所示，建立结构光平面参数与世界坐标系之间的第二对应关系之前，还需要对多张结构光图像进行降噪、特征点提取。

该附图所示的具体实施方式中，步骤104之前，高速列车动态限界测量方法还包括：

步骤103-1：对多张所述结构光图像进行降噪、特征点提取，其中，所述结构光图像的数量为3，Y_w3-Y_w1＝1435mm，Y_w1是第1张结构光图像的特征点在世界坐标系中的Y轴坐标，Y_w3是第3张结构光图像的特征点在世界坐标系中的Y轴坐标。本发明的实施例中，由于轨道之间的距离为1435mm，通过标定工装卡槽一上的棋盘格板获得第1张结构光图像，通过标定工装卡槽三上的棋盘格板获得第3张结构光图像，第1张结构光图像的Y轴坐标与第3张结构光图像的Y轴坐标的差为1435mm。

参见图4，直接利用标准轨距1435mm约束条件，可以减少对棋盘格板安装和测量的需求，重建时间短，可以在1小时内完成，加快测量进度，降低测量棋盘格板时引入的误差，具有较高的适应能力和实用性。本发明的优选实施例中，轨距也可利用标定工装卡槽上的轨距指示装置读取。

本发明的优选实施例中，所述第一对应关系的表达式为：

其中，f_x和f_y是等效焦距；X_W、Y_W和Z_W是世界坐标系下的坐标位置；u和v是像素坐标系下坐标；s是像面坐标系下的Z轴坐标；c_x和c_y是像素坐标系与像面坐标系的转换系数；R是旋转矩阵；T是平移矩阵；利用解析解估算方法计算出内部参数f_x和f_y，并利用解析解估算方法计算出外部参数R和T；m₁₁，m₁₂…，m₃₄是转换矩阵元素。众所周知，像素坐标系是指像点所在像素在整个图像平面上的位置序列号，包括行数和列数；像素坐标系与像面坐标系的主要区别是，像素坐标系是以像素序列号为单位，像面坐标系是以长度(如mm)为单位；摄像机坐标系指的是以摄像机自身为系统的三维直角坐标系；世界坐标系是一个独立摄像机之外的参考坐标系，用于表示点在空间里的三维坐标信息。

本发明的优选实施例中，所述第二对应关系的表达式为：

其中，A、B、C和D是结构光平面参数；X_W、Y_W和Z_W是世界坐标系下的坐标位置；u和v是像素坐标系下的坐标；m₁₁，m₁₂，…，m₃₄是转换矩阵元素。如图7所示，取棋盘格板标定特征点(如图中所示的A、B、C)进行光平面计算，由于棋盘格的尺寸和黑白格子布置已知，可以通过几何计算得到图中棋盘格板标定特征点(如图中所示的A、B、C)的世界坐标系坐标(X_W,Z_W)，结构光平面共有4个参数，因此通过已知点的X、Z轴坐标及Y轴坐标关系即可计算得出结构光平面参数，其中，AX_wp+BY_wp+CY_wp+D＝0。

本发明的优选实施例中，步骤106具体包括：利用激光器向行驶列车上投射线结构光，并在所述行驶列车上形成光条；利用高速相机同步拍摄所述光条获得所述高速列车行驶图片；根据所述结构光平面参数计算所述高速列车行驶图片中的所述光条在所述世界坐标系中的实际坐标；根据所述实际坐标计算所述高速列车行驶中的偏摆角和平移量。

例如，高速列车行驶过程中，取高速列车上两处不同高度的坐标(x₁₁,y₁₁,z₁₁)(x₁₂,y₁₂,z₁₂)构成一条直线，取高速列车的车体设计尺寸坐标(x₀₁,y₀₁,z₁₁)(x₀₂,y₀₂,z₁₂)构成一条直线，计算两条直线之间的距离与夹角，该距离与夹角即为高速列车运行中的平移量和偏摆角。

本发明的优选实施例中，步骤106之后，高速列车动态限界测量方法还包括：根据测量得到的动态限界测量值和车辆限界标准值确定所述高速列车行驶过程中是否超出限界；如果所述高速列车行驶过程中超出限界，进行报警；显示所述高速列车行驶过程中超出限界的位置和超限值。

本发明的具体实施方式还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现高速列车动态限界测量方法。方法包括以下步骤：

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

本发明的具体实施方式还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现高速列车动态限界测量方法。方法包括以下步骤：

步骤100：将棋盘格板设置在标定工装卡槽内，旋转所述棋盘格板利用高速相机拍摄多张所述棋盘格板在不同角度时的所述棋盘格板采集图像。

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

本发明的具体实施方式还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现高速列车动态限界测量方法。方法包括以下步骤：

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤102-1：将棋盘格板设置在多个不同位置的标定工装卡槽内，并利用激光器照射所述棋盘格板，利用高速相机拍摄所述棋盘格板在不同所述标定工装卡槽内的所述结构光图像，其中，所述棋盘格板在不同所述标定工装卡槽内时所在的平面相互平行。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

本发明的具体实施方式还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现高速列车动态限界测量方法。方法包括以下步骤：

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。

步骤103-1：对多张所述结构光图像进行降噪、特征点提取，其中，所述结构光图像的数量为3，Y_w3-Y_w1＝1435mm，Y_w1是第1张结构光图像的特征点在世界坐标系中的Y轴坐标，Y_w3是第3张结构光图像的特征点在世界坐标系中的Y轴坐标。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

本发明的具体实施方式还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现高速列车动态限界测量方法。方法包括以下步骤：

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

本发明的具体实施方式还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现高速列车动态限界测量方法。方法包括以下步骤：

步骤100：将棋盘格板设置在标定工装卡槽内，旋转所述棋盘格板利用高速相机拍摄多张所述棋盘格板在不同角度时的所述棋盘格板采集图像。

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

本发明的具体实施方式还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现高速列车动态限界测量方法。方法包括以下步骤：

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤102-1：将棋盘格板设置在多个不同位置的标定工装卡槽内，并利用激光器照射所述棋盘格板，利用高速相机拍摄所述棋盘格板在不同所述标定工装卡槽内的所述结构光图像，其中，所述棋盘格板在不同所述标定工装卡槽内时所在的平面相互平行。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

本发明的具体实施方式还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现高速列车动态限界测量方法。方法包括以下步骤：

步骤101：利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标。

步骤102：利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系。

步骤103：提取多张结构光图像中的光条中心线。

步骤103-1：对多张所述结构光图像进行降噪、特征点提取，其中，所述结构光图像的数量为3，Y_w3-Y_w1＝1435mm，Y_w1是第1张结构光图像的特征点在世界坐标系中的Y轴坐标，Y_w3是第3张结构光图像的特征点在世界坐标系中的Y轴坐标。

步骤104：利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系。

步骤105：根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数。

步骤106：根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

图5为本发明具体实施方式提供的一种高速列车动态限界测量系统的组成示意图，如图5所示，在垂直于轨道7测量位置5m～18m处安装大功率线结构光激光器4，使大功率线结构光激光器4发出的光平面41垂直于轨道7方向；在与线结构光激光器4光平面成30度角的直线上安装高速相机3(即高速相机3的轴线与大功率线结构光激光器4的激光平面形成30度的夹角)；调整高速相机3的视角和焦距，使大功率线结构光激光器4的发光面41视场完整清晰地在高速相机3成像范围内；连接高速相机3的触发输入线和大功率线结构光激光器4的触发输入线至同步触发器2；连接车身感应传感器1的信号线至同步触发器2，车身感应传感器1可选用漫反射传感器或者红外感应传感器；连接高速相机3的数据线和同步触发器2的数据线至测量控制单元5。本发明的优选实施例中，同步触发器2和测量控制单元5可以采用NI-PXI数据采集系统(具体指NI(National Instrument，美国国家仪器公司)生产的PXI系统(PCI extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)，具体可包括PXI-8102中央处理单元和PXI-6602数据采集卡)，实现对高速相机3和大功率线结构光激光器4的同步触发，测量控制单元5通过测试软件完成图像处理、坐标变换和动态限界判定。

启动车身感应传感器1和同步触发器2，等待高速列车6通过测试区域；当高速列车6通过时，触发车身感应传感器1发出启动信号至同步触发器2；同步触发器2控制大功率线结构光激光器4投射线结构光于被测高速列车6的车体上，在被测高速列车6的车体截面上形成光条，高速相机3在同步触发器2的控制下同步对光条进行拍照；测量控制单元5高速相机3拍摄的图像计算得到高速相机的内参(指高速相机的焦距f)、外参(指第一对应关系中的旋转矩阵R和平移矩阵T)及光平面参数(指第二对应关系表达式中的A、B、C、D)，计算高速列车6的车体表面在世界坐标系的坐标；取高速列车6上两处不同高度的坐标(x₁₁,y₁₁,z₁₁)(x₁₂,y₁₂,z₁₂)构成一条直线，取高速列车6的车体设计尺寸坐标(x₀₁,y₀₁,z₁₁)(x₀₂,y₀₂,z₁₂)构成一条直线，测量控制单元5计算两条直线的夹角和间距，即高速列车6在运行中的偏摆角和平移量；在Y方向上计算动态限界测量值；将计算的动态限界测量值与车辆限界标准值进行比对；如果动态限界测量值超出车辆限界标准值，在测量控制单元5的界面上显示高速列车6超出车辆限界标准值的位置和超限值，然后继续采集；否则返回继续采集，直至高速列车6完全通过。

上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于单目视觉的高速列车动态限界测量方法，其特征在于，该方法包括：

利用张正友标定法标定多张棋盘格板采集图像的棋盘格板标定特征点，获取所述棋盘格板标定特征点的像素坐标；

利用相机成像原理根据所述像素坐标建立像素坐标系与世界坐标系之间的第一对应关系，所述第一对应关系的表达式为：

其中，f_x和f_y是等效焦距；X_W、Y_W和Z_W是世界坐标系下的坐标位置；u和v是像素坐标系下坐标；s是像面坐标系下的Z轴坐标；c_x和c_y是像素坐标系与像面坐标系的转换系数；R是旋转矩阵；T是平移矩阵；利用解析解估算方法计算出内部参数f_x和f_y，并利用解析解估算方法计算出外部参数R和T；m₁₁，m₁₂…，m₃₄是转换矩阵元素；

将棋盘格板设置在多个不同位置的标定工装卡槽内，并利用激光器照射所述棋盘格板，利用高速相机拍摄所述棋盘格板在不同所述标定工装卡槽内的结构光图像，其中，所述棋盘格板在不同所述标定工装卡槽内时所在的平面相互平行；

提取多张结构光图像中的光条中心线；

对多张所述结构光图像进行降噪、特征点提取，其中，所述结构光图像的数量为3，Y_w3-Y_w1＝1435mm，Y_w1是第1张结构光图像的特征点在世界坐标系中的Y轴坐标，Y_w3是第3张结构光图像的特征点在世界坐标系中的Y轴坐标；

利用线激光光平面的特点根据所述光条中心线建立结构光平面参数与所述世界坐标系之间的第二对应关系，所述第二对应关系的表达式为：

其中，A、B、C和D是结构光平面参数；X_W、Y_W和Z_W是世界坐标系下的坐标位置；u和v是像素坐标系下的坐标；m₁₁，m₁₂，…，m₃₄是转换矩阵元素；

根据所述第一对应关系和所述第二对应关系获得所述结构光平面参数；以及

根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量。

2.根据权利要求1所述的基于单目视觉的高速列车动态限界测量方法，其特征在于，利用张正友标定法对多张棋盘格板采集图像进行标定，获取棋盘格板标定特征点的像素坐标的步骤之前，该方法还包括：

将棋盘格板设置在标定工装卡槽内，旋转所述棋盘格板利用高速相机拍摄多张所述棋盘格板在不同角度时的所述棋盘格板采集图像。

3.根据权利要求1所述的基于单目视觉的高速列车动态限界测量方法，其特征在于，根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量的步骤，具体包括：

利用激光器向行驶列车上投射线结构光，并在所述行驶列车上形成光条；

利用高速相机同步拍摄所述光条获得所述高速列车行驶图片；

根据所述结构光平面参数计算所述高速列车行驶图片中的所述光条在所述世界坐标系中的实际坐标；以及

根据所述实际坐标计算所述高速列车行驶中的偏摆角和平移量。

4.根据权利要求3所述的基于单目视觉的高速列车动态限界测量方法，其特征在于，根据所述结构光平面参数对高速列车进行动态限界测量的步骤之后，该方法还包括：

根据测量得到的动态限界测量值和车辆限界标准值确定所述高速列车行驶过程中是否超出限界；

如果所述高速列车行驶过程中超出限界，进行报警；以及

显示所述高速列车行驶过程中超出限界的位置和超限值。

5.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～4任一所述的基于单目视觉的高速列车动态限界测量方法。

6.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～4任一所述的基于单目视觉的高速列车动态限界测量方法。

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