CN110174059B - 一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法，包括首先对车顶硬件设备进行安装，车顶硬件设备包括工业相机、频闪补光灯和控制板；工业相机的图像传至车载工控机进行拉出值和导高计算；其次对车底振动补偿模块进行安装，车顶振动补偿模块为两个激光三角测距模块；激光三角测距模块实时测量列车底盘距离铁轨高度，并将高度传输至车载工控机；本发明提出了一种基于单个相机的铁路弓网系统实时检测方法，是一种非接触式的方法，不会对列车的正常运行造成不良影响，且成本远低于其他方法，同时，也考虑到列车振动带来的误差，进一步提升了检测的准确度。本发明可以对铁路弓网系统的状态进行实时监测，对可能发生的意外做出实时预警。

Description

一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法

技术领域

本发明属于受电弓导高及拉出值测量领域，涉及一种单目图像，具体是一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法。

背景技术

单目图像的受电弓导高、拉出值的量方法，在现有技术中存在以下几种方法，但是都存在对应的不足和缺陷；

1、接触式测量；这种方法在受电弓滑板上安装接近感应传感器，形成检测阵列，基于接触方式对接触网几何参数进行动态测量。这种方法需要在受电弓弓头安装大量的接近感应传感器，列车行驶时，增加了受电弓迎风面积，降低了受电弓跟随特性，存在可靠性低、维护不便的缺陷；

2.在检测车顶部安装激光雷达进行车载动态测量；由于激光雷达本身测量频率、分辨率低，高速状态下很容易造成故障漏检；因此一般都是检测车、作业车或者机车车顶安装激光雷达，通过激光扫描仪的参数进行计算。但如果加装在运行机车上，激光雷达难以胜任连续工作的工况；同时激光扫描仪受太阳光等环境影响也比较大，影响检测的干扰因素也较多；

3.在检测车顶部安装面阵摄像机和线结构光，基于线结构光视觉测量技术进行车载动态测；这种方法具有测量精度高、稳定可靠的优势，在检测速度要求不高的线路中得到广泛应用。但是，该测量方法单次测量所需的图像数据量大，对图像采集及处理要求极高，因此其在高速动态测量中具有一定局限性。

接触线作为弓网系统的重要组成部分，与受电弓滑板直接接触。滑板与接触线之间需要保持一定的接触力，以维持两者不间断的电接触。接触线位于轨道上方恰当的位置是确保弓网系统正常输电与受电弓顺利滑行的关键。接触线在空间的位置一般由接触线高度、接触线拉出值等参数来表征，这些参数统称为弓网系统的几何参数。弓网系统几何参数是评价弓网系统状态的重要指标之一，其工作状态直接影响行车安全，因此需要对列车弓网系统的几何参数进行重点监测以确保列车运行安全。而现有方法均存在一些缺陷，故本专利提出一种基于图像标定的受电弓导高、拉出值的非接触式测量方法，用于对列车运行状态进行实时检测。为实现上述构想，现提出一种解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：对车顶硬件设备进行安装，车顶硬件设备包括工业相机、频闪补光灯和控制板；工业相机的图像传至车载工控机进行拉出值和导高计算；

步骤二：对车顶振动补偿模块进行安装，车顶振动补偿模块为两个激光三角测距模块；激光三角测距模块实时测量列车底盘距离铁轨高度，并将高度传输至车载工控机；

步骤三：对工业相机标定；具体标定步骤为：

S1：选取合适的标定棋盘，对工业相机图像进行标定；

S2：将标定棋盘放于工业相机前方，放置在受电弓附近任意的多个位置，并在每个位置至少拍摄一张图片；

S3：并基于上述图片，使用张正友标定对相机进行标定，得到相机的标定参数，即相机的内参；

S4：将标定棋盘放于工业相机前方，距离工业相机的水平距离为W，垂直距离为H1,与中轴线的偏离值为L，偏离值即为拉出值；其中W等于列车受电弓到工业相机的距离；

S5：将H1均匀设置为大于受电弓最小高度且小于受电弓最大高度的不同值，并在每个H1值不同的位置处至少采集一张图像；

S6：对上述S5中采集的图像进行标定，得到棋盘中心在图像中的不同位置时，对应的H1值；

S7：同样的，将L均匀设置为大于最小拉出值且小于最大拉出值的不同值，并在每个L值不同的位置处至少采集一张图像；对这些图像进行标定，得到棋盘中心在图像中的不同位置时，对应的L值；

步骤四：进行图像分析；通过工业相机对受电弓拍摄的光学图像，采用图像处理的方法，获得图像中接触网和受电弓的几何形状、交点的位置；初步确定接触网高度的导高H2和拉出值L；

步骤五：使用激光三角测距模块，实时测量车底与铁轨的距离，进行振动补偿；避免由振动带来的列车车顶高度变化而导致的导高计算误差；其中激光三角测距模块使用三角测距原理，根据反射光在CMOS面整上成像点的变化，实时计算目标距离，该目标距离即为列车车底高度；

步骤六：校正导高；由于步骤四中只计算出了接触线与车顶的距离H_a，因此需要将其加上步骤五中的列车车底高度H_b以及列车本身高度H_c，得到导高H＝H_a+H_b+H_c；

所述步骤四中初步确定接触网高度和拉出值L的具体步骤为：

S10：使用步骤三S3中得到的标定参数，对原始图像进行矫正；

S20：为降低待处理的数据量，提取有可能包含受电弓的ROI，ROI为长为1.2米，高为0.6米的图像所占的矩形区域，其中心在图像中点；

S30：对受电弓图像进行预处理，包括均值降噪与灰度值均衡化处理；

S40：使用Canny边缘检测提取受电弓与接触线的轮廓信息；

S50：使用霍夫检测出图像中的直线，根据检测出直线的角度不同，区分出接触线与受电弓进行提取，并计算出接触线、受电弓交点的在原始图像中的坐标(x,y)；

S60：根据交点的坐标(x,y)及步骤三中S4-S7的标定结果，计算出接触线与车顶的距离H_a，以及拉出值L；由于标定时的结果是离散的，因此需要使用双线性插值获得H_a与L：

令Q11、Q12、Q21和Q22为标定结果中的已标定点，而(x,y)是原始图像中接触线、受电弓的交点；设P₀为标定结果图，则有：

其中，P0是标定结果关于被标定点的函数，P是原始图像中以接触线、受电弓的交点坐标为自变量的Ha或者L的函数；

所述步骤S30中均值降噪处理具体步骤为：

设输入图像为P_src,输出图像为P_dst；则对于点(x,y)有：

进一步地，所述步骤一中车顶硬件设备的具体安装过程包括：

首先将工业相机、频闪补光灯和控制板安装在行驶机车车顶，确保工业相机位于车顶中轴线的正中央；其次采用控制板将工业相机与频闪补光灯的工作频率一致。

进一步地，所述车顶振动补偿模块的具体安装过程为在车底中轴线上安装两个激光三角测距模块，并连接至步骤一中的所述车载工控机。

进一步地，由于车顶振动补偿模块为倾斜安装，因此步骤五计算得到列车车底高度存在误差，需要进行矫正，具体矫正为：

由于车顶振动补偿模块为倾斜安装，因此H_b＝d×sin(θ)；其中d为测得距离，即d为从激光测距仪到被测量平面的直线距离；θ为倾斜角度。

本发明的有益效果：本发明提出了一种基于单个相机的铁路弓网系统实时检测方法，是一种非接触式的方法，不会对列车的正常运行造成不良影响，且成本远低于其他方法，同时，也考虑到列车振动带来的误差，进一步提升了检测的准确度。本发明可以对铁路弓网系统的状态进行实时监测，对可能发生的意外做出实时预警，提高列车运行的安全性。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明标定棋盘示意图；

图2为本发明标定棋盘与工业相机的水平距离为W和垂直距离为H示意图；

图3为本发明标定棋盘与工业相机的中轴线偏离值为L的示意图；

图4为本发明标定结果中的已标定点Q₁₁ Q₁₂ Q₂₁ Q₂₂的示意图；

图5为本发明激光三角测距原理图；

图6为本发明硬件结构侧视图；

图7为本发明硬件结构俯视图；

图8为本发明车底振动模块安装正视图；

图9为本发明车底振动模块安装细节图；

图10为本发明测量方法的流程图；

图11为本发明车载主机控制工业相机拍摄光学图像的原始光学图像；

图12为本发明原始光学图像经过ROI提取示意图；

图13为本发明使用Canny边缘检测检测目标弓网边缘对原始光学图检测的结果示意；

图14为本发明霍夫直线检测结果示意图；

图15为本发明特征参数提取结果示意图；

图16为双线性插值过程中P点与Ha和L之间关系示意图。

具体实施方式

如图1-15所示，一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：对车顶硬件设备进行安装，车顶硬件设备包括工业相机、频闪补光灯和控制板；工业相机的图像传至车载工控机进行拉出值和导高计算；

步骤二：对车顶振动补偿模块进行安装，车顶振动补偿模块为两个激光三角测距模块；激光三角测距模块实时测量列车底盘距离铁轨高度，并将高度传输至车载工控机；

步骤三：对工业相机标定；具体标定步骤为：

S1：选取合适的标定棋盘，对工业相机图像进行标定；

S2：将标定棋盘放于工业相机前方，即放置在受电弓附近任意的多个位置，并在每个位置至少拍摄一张图片；

S3：并基于上述图片，使用张正友标定对相机进行标定，得到相机的标定参数，即相机的内参；

S4：将标定棋盘放于工业相机前方，距离工业相机的水平距离为W，垂直距离为H1,与中轴线的偏离值为L，偏离值即为拉出值；其中W等于列车受电弓到工业相机的距离；

S5：将H1均匀设置为大于受电弓最小高度且小于受电弓最大高度的不同值，并在每个H1值不同的位置处至少采集一张图像；

S6：对上述S5中采集的图像进行标定，得到棋盘中心在图像中的不同位置时，对应的H1值；

S7：同样的，将L均匀设置为大于最小拉出值且小于最大拉出值的不同值，并在每个L值不同的位置处至少采集一张图像；对这些图像进行标定，得到棋盘中心在图像中的不同位置时，对应的L值；

步骤四：进行图像分析；通过工业相机对受电弓拍摄的光学图像，采用图像处理的方法，获得图像中接触网和受电弓的几何形状、交点的位置；初步确定接触网高度的导高H2和拉出值L；

步骤五：使用激光三角测距模块，实时测量车底与铁轨的距离，进行振动补偿；避免由振动带来的列车车顶高度变化而导致的导高计算误差；其中激光三角测距模块使用三角测距原理，根据反射光在CMOS面整上成像点的变化，实时计算目标距离，该目标距离即为列车车底高度；

步骤六：校正导高；由于步骤四中只计算出了接触线与车顶的距离H_a，因此需要将其加上步骤五中的列车车底高度H_b以及列车本身高度H_c，得到导高H＝H_a+H_b+H_c。

进一步地，所述步骤一中车顶硬件设备的具体安装过程包括：

首先将工业相机、频闪补光灯和控制板安装在行驶机车车顶，确保工业相机位于车顶中轴线的正中央；其次采用控制板将工业相机与频闪补光灯的工作频率一致。

进一步地，所述车顶振动补偿模块的具体安装过程为在车底中轴线上安装两个激光三角测距模块，并连接至步骤一中的所述车载工控机。

进一步地，由于车顶振动补偿模块为倾斜安装，因此步骤五计算得到列车车底高度存在误差，需要进行矫正，具体矫正为：

由于车顶振动补偿模块为倾斜安装，因此H_b＝d×sin(θ)；其中d为测得距离，即d为从激光测距仪到被测量平面的直线距离；θ为倾斜角度。

进一步地，所述步骤四中初步确定接触网高度和拉出值L的具体步骤为：

S10：使用步骤三S3中得到的标定参数，对原始图像进行矫正；

S20：为降低待处理的数据量，提取有可能包含受电弓的ROI，ROI为长为1.2米，高为0.6米的图像所占的矩形区域，其中心在图像中点；

S30：对受电弓图像进行预处理，包括均值降噪与灰度值均衡化处理；

S40：使用Canny边缘检测提取受电弓与接触线的轮廓信息；

S50：使用霍夫检测出图像中的直线，根据检测出直线的角度不同，区分出接触线与受电弓进行提取，并计算出接触线、受电弓交点的在原始图像中的坐标(x,y)；

S60：根据交点的坐标(x,y)及步骤三中S4-S7的标定结果，计算出接触线与车顶的距离H_a，以及拉出值L；由于标定时的结果是离散的，因此需要使用双线性插值获得H_a与L：

令Q11、Q12、Q21和Q22为标定结果中的已标定点，而(x,y)是原始图像中接触线、受电弓的交点；设P₀为标定结果图，则有：

其中，P0是标定结果关于被标定点的函数，P是原始图像中以接触线、受电弓的交点坐标为自变量的Ha或者L的函数；如图16所示，之后根据P点坐标结合三角函数能够很容易获得Ha和L；

进一步地，所述步骤S30中均值降噪处理具体步骤为：

设输入图像为P_src,输出图像为P_dst；则对于点(x,y)有：

本发明在具体实际操作中可表现为，包括如下步骤：

步骤一：车顶硬件设备及安装；将工业相机、频闪补光灯和控制板安装在行驶机车车顶，确保工业相机位于车顶中轴线的正中央；采用控制板将工业相机与频闪补光灯的工作频率一致；工业相机的图像传至车载工控机进行拉出值和导高计算；

步骤二：车顶振动补偿模块安装；在车底中轴线上安装两个激光三角测距模块，并连接至步骤一中的所述车载工控机；激光三角测距模块实时测量列车底盘距离铁轨高度，并将高度传输至车载工控机；

步骤三：对工业相机标定；具体标定步骤为

S1：如图1所示的标定棋盘，选取合适的标定棋盘，对工业相机图像进行标定；

S2：将标定棋盘放于工业相机前方多个不同位置，拍摄多张照片；

S3：并基于这些照片，使用张正友标定对相机进行标定，得到相机的标定参数，即相机的内参；

S4：如图2-3所示，将标定棋盘放于工业相机前方，距离工业相机的水平距离为W，垂直距离为H1,与中轴线的偏离值为L，偏离值即为拉出值；其中W等于列车受电弓到工业相机的距离；

S5：将H1均匀设置为大于受电弓最小高度且小于受电弓最大高度的不同值，并采集不同图像；

S6：将这些图像进行标定，得到棋盘中心在图像中的不同位置时，对应的H1值；

S7：同样的，将L均匀设置为大于最小拉出值且小于最大拉出值的不同值，并采集不同图像；将这些图像进行标定，得到棋盘中心在图像中的不同位置时，对应的L值；

步骤四：进行图像分析；通过工业相机对受电弓拍摄的光学图像，采用图像处理的方法，获得图像中接触网和受电弓的几何形状、交点的位置；初步确定接触网高度和拉出值；具体表现为：

S10：使用步骤三S3中得到的标定参数，对原始图像进行矫正。

S20：为降低待处理的数据量，提取有可能包含受电弓的ROI，ROI为长为1.2米，高为0.6米的图像所占的矩形区域，其中心在图像中点。

S30：对受电弓图像进行预处理，包括均值降噪与灰度值均衡化处理；

其中均值降噪处理具体为：设输入图像为P_src,输出图像为P_dst；则对于点(x,y)有：

S40：使用Canny边缘检测提取受电弓与接触线的轮廓信息；

S50：使用霍夫检测出图像中的直线，根据检测出直线的角度不同，区分出接触线与受电弓进行提取，并计算出接触线、受电弓交点的在原始图像中的坐标(x,y)；

S60：根据交点的坐标(x,y)及步骤三中S4-S7的标定结果，计算出接触线与车顶的距离H_a，以及拉出值L；由于标定时的结果是离散的，因此需要使用双线性插值获得H_a与L：

如图4和图16所示，Q₁₁ Q₁₂ Q₂₁ Q₂₂为标定结果中的已标定点，而P是原始图像中接触线、受电弓的交点；设P₀为标定结果图，则有：

根据P点坐标结合三角函数能够求得Ha和L；

步骤五：使用激光三角测距模块，实时测量车底与铁轨的距离，进行振动补偿；避免由振动带来的列车车顶高度变化而导致的导高计算误差；其中激光三角测距模块使用三角测距原理，根据反射光在CMOS面整上成像点的变化，实时计算目标距离。

如图5所示，由于ΔOPA与ΔOQB是相似三角形，因此有：

由此可以在标定SH₁后计算出SH₂；

步骤六：校正导高；

由于步骤四中只计算出了接触线与车顶的距离H_a，因此需要将其加上步骤五中的列车车底高度H_b以及列车本身高度H_c，得到导高H：

H＝H_a+H_b+H_c

由于车顶振动补偿模块为倾斜安装，因此有：

H_b＝d×sin(θ)；其中d为测得距离，θ为倾斜角度。

本发明的具体实施过程表现为：

(1)如图11所示，使用车载主机，控制工业相机拍摄光学图像；

(2)对原始图像提取ROI，并进行灰度化，降噪、锐化处理、灰度值均衡化。然后使用Canny边缘检测检测目标弓网，得到结果如图12-13所示；

(3)如图14所示，使用霍夫直线检测，检测出“接触线、受电弓”。

(4)将霍夫检测结果映射回原始图像，得到如图15所示图像；

首先确定交点在原始图像中的相对位置，然后根据标定数据，查找得到对应的受电弓距离列车表面的高度H_a以及拉出值L。

(5)使用车载主机，控制三角激光测距仪检测车底高度，记为H_b。假设车厢高度为H_c；计算得到导高：

H＝H_a+H_b+H_c

(6)经过以上步骤，基于图像标定的方法，测得了导高以及拉出值。

本发明提出了一种基于单个相机的铁路弓网系统实时检测方法，是一种非接触式的方法，不会对列车的正常运行造成不良影响，且成本远低于其他方法，同时，也考虑到列车振动带来的误差，进一步提升了检测的准确度。本发明可以对铁路弓网系统的状态即导高、拉出值进行实时监测，对可能发生的意外做出实时预警，提高列车运行的安全性。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：对车顶硬件设备进行安装，车顶硬件设备包括工业相机、频闪补光灯和控制板；工业相机的图像传至车载工控机进行拉出值和导高计算；

步骤二：对车顶振动补偿模块进行安装，车顶振动补偿模块为两个激光三角测距模块；激光三角测距模块实时测量列车底盘距离铁轨高度，并将高度传输至车载工控机；

步骤三：对工业相机标定；具体标定步骤为：

S1：选取合适的标定棋盘，对工业相机图像进行标定；

S2：将标定棋盘放于工业相机前方，放置在受电弓附近任意的多个位置，并在每个位置至少拍摄一张图片；

S3：并基于上述图片，使用张正友标定对相机进行标定，得到相机的标定参数，即相机的内参；

S4：将标定棋盘放于工业相机前方，距离工业相机的水平距离为W，垂直距离为H1,与中轴线的偏离值为L，偏离值即为拉出值；其中W等于列车受电弓到工业相机的距离；

S5：将H1均匀设置为大于受电弓最小高度且小于受电弓最大高度的不同值，并在每个H1值不同的位置处至少采集一张图像；

S6：对上述S5中采集的图像进行标定，得到棋盘中心在图像中的不同位置时，对应的H1值；

S7：同样的，将L均匀设置为大于最小拉出值且小于最大拉出值的不同值，并在每个L值不同的位置处至少采集一张图像；对这些图像进行标定，得到棋盘中心在图像中的不同位置时，对应的L值；

步骤四：进行图像分析；通过工业相机对受电弓拍摄的光学图像，采用图像处理的方法，获得图像中接触网和受电弓的几何形状、交点的位置；初步确定接触网高度的导高H2和拉出值L；

步骤五：使用激光三角测距模块，实时测量车底与铁轨的距离，进行振动补偿；避免由振动带来的列车车顶高度变化而导致的导高计算误差；其中激光三角测距模块使用三角测距原理，根据反射光在CMOS面整上成像点的变化，实时计算目标距离，该目标距离即为列车车底高度；

步骤六：校正导高；由于步骤四中只计算出了接触线与车顶的距离H_a，因此需要将其加上步骤五中的列车车底高度H_b以及列车本身高度H_c，得到导高H＝H_a+H_b+H_c；

所述步骤四中初步确定接触网高度和拉出值L的具体步骤为：

S10：使用步骤三S3中得到的标定参数，对原始图像进行矫正；

S20：为降低待处理的数据量，提取有可能包含受电弓的ROI，ROI为长为1.2米，高为0.6米的图像所占的矩形区域，其中心在图像中点；

S30：对受电弓图像进行预处理，包括均值降噪与灰度值均衡化处理；

S40：使用Canny边缘检测提取受电弓与接触线的轮廓信息；

S50：使用霍夫检测出图像中的直线，根据检测出直线的角度不同，区分出接触线与受电弓进行提取，并计算出接触线、受电弓交点的在原始图像中的坐标(x,y)；

S60：根据交点的坐标(x,y)及步骤三中S4-S7的标定结果，计算出接触线与车顶的距离H_a，以及拉出值L；由于标定时的结果是离散的，因此需要使用双线性插值获得H_a与L：

令Q11、Q12、Q21和Q22为标定结果中的已标定点，而(x,y)是原始图像中接触线、受电弓的交点；设P₀为标定结果图，则有：

其中，P0是标定结果关于被标定点的函数，P是原始图像中以接触线、受电弓的交点坐标为自变量的Ha或者L的函数；

所述步骤S30中均值降噪处理具体步骤为：

设输入图像为P_src,输出图像为P_dst；则对于点(x,y)有：

2.根据权利要求1所述的一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法，其特征在于，所述步骤一中车顶硬件设备的具体安装过程包括：

首先将工业相机、频闪补光灯和控制板安装在行驶机车车顶，确保工业相机位于车顶中轴线的正中央；其次采用控制板将工业相机与频闪补光灯的工作频率一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法，其特征在于，所述车顶振动补偿模块的具体安装过程为在车底中轴线上安装两个激光三角测距模块，并连接至步骤一中的所述车载工控机。

4.根据权利要求1所述的一种基于单目图像的受电弓导高及拉出值测量方法，其特征在于，由于车顶振动补偿模块为倾斜安装，因此步骤五计算得到列车车底高度存在误差，需要进行矫正，具体矫正为：

由于车顶振动补偿模块为倾斜安装，因此H_b＝d×sin(θ)；其中d为测得距离，即d为从激光测距仪到被测量平面的直线距离；θ为倾斜角度。

Images