CN110319792A - 一种轨道直线度检测系统及方法 - Google Patents

一种轨道直线度检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种轨道直线度检测系统及方法，包括运动机构，所述运动机构滑动设置于轨道上，所述运动机构上设置有激光发射器，所述轨道一端还设置有相机，所述相机与所述运动机构之间设置有靶面，所述激光发射器发射的激光照射于所述靶面上，所述相机用于采集激光照射在所述靶面上的光斑图像，通过发射激光照射在靶面上，相机记录下激光斑点在靶面的图像，经过相机与靶面标定，系统的零位校准，通过记录下在靶面上光斑的初始位置，再通过移动所述运动机构并记录下距离初始位置的距离与该位置上的光斑图像，通过对比两次记录的图像中光斑的坐标即可得出直线度，使得轨道的直线度测量难度大大降低并且检测精确度高。

Description

一种轨道直线度检测系统及方法
技术领域
本发明涉及轨道检测领域，具体涉及一种轨道直线度检测系统及方法。
背景技术
轨道运输领域当中，包括有轨列车，门式起重机，在运行过程中两根轨道的间距，轨道的高度误差，轨道的直线度都会影响其运动机构的平稳性，安全性，运行精度以及寿命，所以轨道是此运输方式的关键所在，轨道的直线度则是衡量轨道制造误差和安装误差的重要标准，因此，轨道的直线度测量显得尤为重要。
传统的测量方法采用全站仪、水准仪、经纬仪等仪器对轨道上的各点进行逐一测量，以获得所需的轨道参数，但经纬仪只能测得轨道偏转角度，全站仪拟合计算过程十分复杂现场不能得到直接的结果，激光位移传感器量程有限，大量程激光位移传感器价格昂贵，导致轨道直线度的测量难度大、精度差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种轨道直线度检测系统及方法，降低轨道测量难度，提高测量精度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种轨道直线度检测系统，包括运动机构，所述运动机构滑动设置于轨道上，所述运动机构上设置有激光发射器，所述轨道一端还设置有相机，所述相机与所述运动机构之间设置有靶面，所述激光发射器发射的激光照射于所述靶面上，所述相机用于采集激光照射在所述靶面上的光斑图像。
通过上述技术手段，将所述运动机构滑动设置于轨道上，所述轨道的一端设置相机，所述相机和所述运动机构之间设置有靶面，通过运动机构上的激光发射器发射激光照射在靶面上，由于靶面较薄，相机可记录下激光斑点在靶面的图像，经过相机与靶面标定，系统的零位校准，通过发射激光记录下在靶面上光斑的初始位置，再通过移动所述运动机构并记录下距离初始位置的距离与该位置上的光斑图像，通过对比两次记录的图像中光斑的坐标即可得出直线度，使得轨道的直线度测量难度大大降低并且检测精确度高。
优选的，还包括控制单元，所述激光发射器底部设置有第一舵机，所述激光发射器侧面设置有第二舵机，所述运动机构上还设置有姿态传感器，所述姿态传感器用于采集所述运动机构的方位角和俯仰角并传输给所述控制单元，所述控制单元根据所述姿态传感器采集的信息控制所述第一舵机和第二舵机旋转调整所述激光发射器的位置，所述第一舵机用于调整所述激光发射器在水平方向的方位角，所述第二舵机用于调整所述激光发射器的俯仰角。
通过上述技术手段，所述姿态传感器记录初始位置运动机构的的俯仰角和方位角，控制单元控制第一舵机和第二舵机旋转调整激光发射器的位置使靶面和激光照射的角度不变，防止由于运动机构行驶过程中因轨道弯曲或水平倾斜造成激光发射器偏转而在靶面上造成的光斑偏移量，提高测量精度。
优选的，所述运动机构包括云台和滑动支撑架，所述滑动支撑架滑动设置于所述轨道上，所述云台的底部与所述滑动支撑架顶部连接，所述第一舵机设置于所述云台的底部，所述第二舵机设置于所述云台的侧面，所述激光发射器设置于所述云台的顶部。
通过上述技术手段，所述第一舵机设置于所述云台的底部，所述第二舵机设置于所述云台的侧面，所述激光发射器设置于所述云台的顶部，方便所述第一舵机和第二舵机通过云台调整激光发射器的位置。
优选的，所述滑动支撑架包括车轮和卡槽，所述车轮设置于所述卡槽内部，所述车轮底部与所述轨道上表面接触，所述卡槽内部两侧分别与所述轨道的两侧面接触并且适配。
通过上述技术手段，通过卡槽的车轮的设置，使得运动机构在卡槽和车轮的配合下在所述轨道上平稳行驶。
优选的，所述滑动支撑架外侧还设置有高精度编码器，所述高精度编码器的输出端穿过所述滑动支撑架与所述车轮的轴端连接，所述高精度编码器用于测量所述车轮转动的角度。
通过上述技术手段，通过设置所述高精度编码器测量所述车轮转动的角度，方便计算所述运动机构行驶的距离。
优选的，所述轨道上还设置有若干红外传感器，若干所述红外传感器沿轨道的长度方向间隔设置。
通过上述技术手段，在轨道上设置有若干红外传感器，运动机构经过某一位置的红外传感器时，红外传感器发出信号，测量系统根据当前发出信号的红外传感器编号来判断运动机构当前所到达的精确位置，用于校正运动机构的行进距离。
一种轨道直线度检测方法，包括以下步骤：
S1：相机与靶面的标定，在轨道一端架设靶面，并在靶面正后方放置高清相机，将标定板贴附于靶面的不同位置采集多张图片，通过标定算法解算出相机畸变参数与相机外部参数，使用以上参数将靶平面的像素点从图像坐标系转化为世界坐标系，执行S2；
S2：检测系统零位校准，在所述靶面的正前方设置运动机构，所述运动机构上设置有云台和激光发射器，调整云台使激光发射器处于零点位置，再调整靶面使激光照射于靶面正中心并记录此时光斑在靶面的初始坐标p0(x0,y0)，执行S3；
S3：使运动机构沿所述轨道前进，测量运动机构前进的距离并且记录在该点时靶面上激光光斑的照片，执行S4；
S4：通过标定之后相机解算出S3中得到的激光光斑照片在靶面的真实二维平面坐标，得到的二维坐标中x值减去初始点x0值即为水平方向的轨道偏移量，得到的二维坐标中y值减去初始点y0值即为竖直方向上轨道的偏移量，即为轨道直线度。
优选的，所述S2还包括以下步骤：
S21：在所述运动机构上设置姿态传感器，所述姿态传感器用于实时检测所述运动机构的方位角和俯仰角并传输给控制单元，在所述云台的底部和侧面分别设置第一舵机和第二舵机，控制单元根据角度信息控制第一舵机和第二舵机旋转从而控制激光照射的角度，使激光与所述靶面的夹角保持不变。
优选的，所述S3还包括以下步骤：
S31：在所述运动机构上设置高精度编码器，使所述运动机构在所述轨道上前进，使用所述高精度编码器测量所述运动机构的车轮转动的角度，再通过测量所述运动机构的车轮的半径计算出所述运动机构前进的距离。
优选的，所述S3还包括以下步骤：
S32：在所述轨道上设置若干红外传感器并逐一编号，所述运动机构经过某一位置的红外传感器时，所述红外传感器发出信号，根据当前发出信号的红外传感器编号判断运动机构当前所到达的精确位置。
本发明的有益效果是：
1.本发明还包括控制单元，激光发射器底部设置有第一舵机，激光发射器侧面设置有第二舵机，运动机构上还设置有姿态传感器，姿态传感器用于采集运动机构的方位角和俯仰角并传输给控制单元，控制单元根据姿态传感器采集的信息控制第一舵机和第二舵机调整激光发射器的位置，姿态传感器记录初始位置运动机构的的俯仰角和方位角，控制单元控制第一舵机和第二舵机旋转调整激光发射器的位置使靶面和激光照射的角度不变，防止由于运动机构行驶过程中因轨道弯曲或水平倾斜造成激光发射器偏转而在靶面上造成的光斑偏移量，提高测量精度；
2.本发明的滑动支撑架外侧还设置有高精度编码器，高精度编码器的输出端穿过滑动支撑架与车轮的轴端连接，高精度编码器用于测量车轮转动的角度，通过设置高精度编码器测量车轮转动的角度，方便计算运动机构行驶的距离，轨道上还设置有若干红外传感器，若干红外传感器间隔设置，在轨道上设置有若干红外传感器，运动机构经过某一位置的红外传感器时，红外传感器发出信号，测量系统根据当前发出信号的红外传感器编号来判断运动机构当前所到达的精确位置，用于校正运动机构的行进距离。
附图说明
图1为本发明一个实施例的系统简图；
图2为本发明激光光斑坐标图。
图中：1、激光发射器；2、第二舵机；3、第一舵机；4、姿态传感器；5、运动机构；501、滑动支撑架；502、车轮；503、卡槽；6、高精度编码器；7、红外传感器；8、靶面；9、相机；10、云台；11、轨道。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下。
实施例1
如图1所示，一种轨道11直线度检测系统，包括运动机构5，运动机构5滑动设置于轨道11上，运动机构5上设置有激光发射器1，轨道11一端还设置有相机9，相机9与运动机构5之间设置有靶面8，激光发射器1发射的激光照射于靶面8上，相机9用于采集激光照射在靶面8上的光斑图像。将运动机构5滑动设置于轨道11上，轨道11的一端设置相机9，相机9和运动机构5之间设置有靶面8，通过运动机构5上的激光发射器1发射激光照射在靶面8上，由于靶面8较薄，相机9可记录下激光斑点在靶面8的图像，经过相机9与靶面8标定，系统的零位校准，通过发射激光记录下在靶面8上光斑的初始位置，再通过移动运动机构5并记录下距离初始位置的距离与该位置上的光斑图像，通过对比两次记录的图像中光斑的坐标即可得出直线度，使得轨道11的直线度测量难度大大降低并且检测精确度高。
还包括控制单元，所述控制单元为51单片机系列，激光发射器1底部设置有第一舵机3，激光发射器1侧面设置有第二舵机2，运动机构5上还设置有姿态传感器4，姿态传感器4用于采集运动机构5的方位角和俯仰角并传输给控制单元，控制单元根据姿态传感器4采集的信息控制第一舵机3和第二舵机2旋转调整激光发射器1的位置，第一舵机3用于调整激光发射器1在水平方向的方位角，第二舵机2用于调整激光发射器1的俯仰角。
姿态传感器4记录初始位置运动机构5的的俯仰角和方位角，控制单元控制第一舵机3和第二舵机2旋转调整激光发射器1的位置使靶面8和激光照射的角度不变，防止由于运动机构5行驶过程中因轨道11弯曲或水平倾斜造成激光发射器1偏转而在靶面8上造成的光斑偏移量，提高测量精度。
运动机构5包括云台10和滑动支撑架501，滑动支撑架501滑动设置于轨道11上，云台10的底部与滑动支撑架501顶部连接，第一舵机3设置于云台10的底部，第二舵机2设置于云台10的侧面，激光发射器1设置于云台10的顶部。第一舵机3设置于云台10的底部，第二舵机2设置于云台10的侧面，激光发射器1设置于云台10的顶部，方便第一舵机3和第二舵机2通过云台10调整激光发射器1的位置。滑动支撑架501包括车轮502和卡槽503，车轮502设置于卡槽503内部，车轮502底部与轨道11上表面接触，卡槽503内部两侧分别与轨道11的两侧面接触并且适配。通过卡槽503的车轮502的设置，使得运动机构5在卡槽503和车轮502的配合下在轨道11上平稳行驶。滑动支撑架501外侧还设置有高精度编码器6，高精度编码器6的输出端穿过滑动支撑架501与车轮502的轴端连接，高精度编码器6用于测量车轮502转动的角度。
通过设置高精度编码器6测量车轮502转动的角度，方便计算运动机构5行驶的距离。轨道11上还设置有若干红外传感器7，若干红外传感器7沿轨道11的长度方向间隔设置。在轨道11上设置有若干红外传感器7，运动机构5经过某一位置的红外传感器7时，红外传感器7发出信号，测量系统根据当前发出信号的红外传感器7编号来判断运动机构5当前所到达的精确位置，用于校正运动机构5的行进距离。
如图2所示，一种轨道直线度检测方法，包括以下步骤：
S1：相机9与靶面8的标定，在轨道11一端架设靶面8，并在靶面8正后方放置高清相机9，将标定板贴附于靶面8的不同位置采集多张图片，通过标定算法解算出相机9畸变参数与相机9外部参数，使用以上参数将靶平面的像素点从图像坐标系转化为世界坐标系，执行S2；
S2：检测系统零位校准，在靶面8的正前方设置运动机构5，运动机构5上设置有云台10和激光发射器1，调整云台10使激光发射器1处于零点位置，再调整靶面8使激光照射于靶面8正中心并记录此时光斑在靶面8的初始坐标p0(x0,y0)，执行S3；
S3：使运动机构5沿轨道11前进，测量运动机构5前进的距离并且记录在该点时靶面8上激光光斑的照片如p1(x1,y1)，执行S4；
S4：通过标定之后相机9解算出S3中得到的激光光斑照片在靶面8的真实二维平面坐标，得到的二维坐标中x值减去初始点x0值即为水平方向的轨道11偏移量，即x1-x0，得到的二维坐标中y值减去初始点y0值即为竖直方向上轨道11的偏移量，即y1-y0，差量即为轨道11直线度。
具体实施时，计算外参：设三维世界坐标的点为M＝[X,Y,Z,1]T，二维相机9平面像素坐标m＝[u,v,1]T，所以标定用的棋盘格平面到图像平面的单应性关系为：sm＝A[R,t]M
令H＝[h1,h2,h3]＝λA[r1 r2 t]，于是空间到图像的映射可改为：sm＝HM，其中H是描述Homographic矩阵，H是一个齐次矩阵，有8个未知数，至少需要8个方程，每对对应点能提供两个方程，所以至少需要四个对应点，就可以算出世界平面到图像平面的单应性矩阵H，外部参数可通过Homography求出，式中，s：界坐标系到图像坐标系的尺度因子，A：相机9内参矩阵，(u0,v0)：主点坐标，R：旋转矩阵，t：平移向量，r：径向畸变参数，α,β：焦距与像素纵比的融合。计算内参可通过如下公式：
γ＝-B12α2β/λ
u0＝γv0/α-B13α2/λ
S2还包括以下步骤：
S21：在运动机构5上设置姿态传感器4，姿态传感器4用于实时检测运动机构5的方位角和俯仰角并传输给控制单元，在云台10的底部和侧面分别设置第一舵机3和第二舵机2，控制单元根据角度信息控制第一舵机3和第二舵机2旋转从而控制激光照射的角度，使激光与靶面8的夹角保持不变。
S3还包括以下步骤：
S31：在运动机构5上设置高精度编码器6，使运动机构5在轨道11上前进，使用高精度编码器6测量运动机构5的车轮502转动的角度，再通过测量运动机构5的车轮502的半径计算出运动机构5前进的距离。
S3还包括以下步骤：
S32：在轨道11上设置若干红外传感器7并逐一编号，运动机构5经过某一位置的红外传感器7时，红外传感器7发出信号，根据当前发出信号的红外传感器7编号判断运动机构5当前所到达的精确位置。
本发明的实施原理：将运动机构5滑动设置于轨道11上，轨道11的一端设置相机9，相机9和运动机构5之间设置靶面8，通过运动机构5上的激光发射器1发射激光照射在靶面8上，相机9记录下激光斑点在靶面8的图像，经过相机9与靶面8标定，系统的零位校准，通过发射激光记录下在靶面8上光斑的初始位置p0(x0,y0),再通过移动运动机构5并记录下距离初始位置的距离与该位置上的光斑图像p1(x1,y1),过对比两次记录的图像中光斑的坐标得出水平方向的直线度为x1-x0，竖直方向的直线度为y1-y0。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域乘员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轨道直线度检测系统，其特征在于，包括运动机构(5)，所述运动机构(5)滑动设置于轨道(11)上，所述运动机构(5)上设置有激光发射器(1)，所述轨道(11)一端还设置有相机(9)，所述相机(9)与所述运动机构(5)之间设置有靶面(8)，所述激光发射器(1)发射的激光照射于所述靶面(8)上，所述相机(9)用于采集激光照射在所述靶面(8)上的光斑图像。
2.根据权利要求1所述的一种轨道直线度检测系统，其特征在于，还包括控制单元，所述激光发射器(1)底部设置有第一舵机(3)，所述激光发射器(1)侧面设置有第二舵机(2)，述运动机构(5)上还设置有姿态传感器(4)，所述姿态传感器(4)用于采集所述运动机构(5)的方位角和俯仰角并传输给所述控制单元，所述控制单元根据所述姿态传感器(4)采集的信息控制所述第一舵机(3)和第二舵机(2)旋转调整所述激光发射器(1)的位置，所述第一舵机(3)用于调整所述激光发射器(1)在水平方向的方位角，所述第二舵机(2)用于调整所述激光发射器(1)的俯仰角。
3.根据权利要求2所述的一种轨道直线度检测系统，其特征在于，所述运动机构(5)包括云台(10)和滑动支撑架(501)，所述滑动支撑架(501)滑动设置于所述轨道(11)上，所述云台(10)的底部与所述滑动支撑架(501)顶部连接，所述第一舵机(3)设置于所述云台(10)的底部，所述第二舵机(2)设置于所述云台(10)的侧面，所述激光发射器(1)设置于所述云台(10)的顶部。
4.根据权利要求3所述的一种轨道直线度检测系统，其特征在于，所述滑动支撑架(501)包括车轮(502)和卡槽(503)，所述车轮(502)设置于所述卡槽(503)内部，所述车轮(502)底部与所述轨道(11)上表面接触，所述卡槽(503)内部两侧分别与所述轨道(11)的两侧面接触并且适配。
5.根据权利要求4所述的一种轨道直线度检测系统，其特征在于，所述滑动支撑架(501)外侧还设置有高精度编码器(6)，所述高精度编码器(6)的输出端穿过所述滑动支撑架(501)与所述车轮(502)的轴端连接，述高精度编码器(6)用于测量所述车轮(502)转动的角度。
6.根据权利要求1所述的一种轨道直线度检测系统，其特征在于，所述轨道(11)上还设置有若干红外传感器(7)，若干所述红外传感器(7)沿轨道(11)的长度方向间隔设置。
7.一种轨道直线度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：相机(9)与靶面(8)的标定，在轨道(11)一端架设靶面(8)，并在靶面(8)正后方放置高清相机(9)，将标定板贴附于靶面(8)的不同位置采集多张图片，通过标定算法解算出相机(9)畸变参数与相机(9)外部参数，使用以上参数将靶平面的像素点从图像坐标系转化为世界坐标系，执行S2；
S2：检测系统零位校准，在所述靶面(8)的正前方设置运动机构(5)，所述运动机构(5)上设置有云台(10)和激光发射器(1)，调整云台(10)使激光发射器(1)处于零点位置，再调整靶面(8)使激光照射于靶面(8)正中心并记录此时光斑在靶面(8)的初始坐标p0(x0,y0)，执行S3；
S3：使运动机构(5)沿所述轨道(11)前进，测量运动机构(5)前进的距离并且记录在该点时靶面(8)上激光光斑的照片，执行S4；
S4：通过标定之后相机(9)解算出S3中得到的激光光斑照片在靶面(8)的真实二维平面坐标，得到的二维坐标中x值减去初始点x0即为水平方向的轨道(11)偏移量，得到的二维坐标中y值减去初始点y0即为竖直方向上轨道(11)的偏移量，即为轨道(11)直线度。
8.根据权利要求7所述的一种轨道(11)直线度检测方法，其特征在于，所述S2还包括以下步骤：
S21：在所述运动机构(5)上设置姿态传感器(4)，所述姿态传感器(4)用于实时检测所述运动机构(5)的方位角和俯仰角并传输给控制单元，在所述云台(10)的底部和侧面分别设置第一舵机(3)和第二舵机(2)，控制单元根据角度信息控制第一舵机(3)和第二舵机(2)旋转从而控制激光照射的角度，使激光与所述靶面(8)的夹角保持不变。
9.根据权利要求7所述的一种轨道(11)直线度检测方法，其特征在于，所述S3还包括以下步骤：
S31：在所述运动机构(5)上设置高精度编码器(6)，使所述运动机构(5)在所述轨道(11)上前进，使用所述高精度编码器(6)测量所述运动机构(5)的车轮(502)转动的角度，再通过测量所述运动机构(5)的车轮(502)的半径计算出所述运动机构(5)前进的距离。
10.根据权利要求9所述的一种轨道(11)直线度检测方法，其特征在于，所述S3还包括以下步骤：
S32：在所述轨道(11)上设置若干红外传感器(7)并逐一编号，所述运动机构(5)经过某一位置的红外传感器(7)时，所述红外传感器(7)发出信号，根据当前发出信号的红外传感器(7)编号判断运动机构(5)当前所到达的精确位置。
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