CN110992348A - 一种基于3d结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轨道建设的技术领域，目的是提供一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法及系统，其中，一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，包括以下步骤，S1：对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像，执行S2；S2：对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，执行S3；S3：根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，若是S5，执行，若不是，执行S4；S4：在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变，执行S5；S5：筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，执行S6；S6：计算接触线的磨耗角度。本发明具有确保牵引供电安全同时节约人力以及时间成本，提高工作效率的优点。
Description
技术领域
本发明涉及轨道建设的技术领域，具体涉及一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法及系统。
背景技术
接触网作为城市轨道交通供电系统的重要设备之一，其安全和可靠性将直接关系着地铁的运行状态，接触网人员在检修中发现局部区域的接触线，如一些大弯道处，锚段关节处，中间接头处，折返线线岔处，存在磨耗较大，磨耗不均匀，甚至侧磨等异常磨耗现象。接触线异常磨耗将影响弓网的正常匹配关系，降低受电弓取流质量，缩短接触线的使用寿命，甚至对地铁安全运营也存有一定的隐患。因此及时发现接触线异常磨耗，并通过专业技术人员分析查找接触线异常磨耗的原因，根据原因结合现场实际情况，提出切实可行的解决方法就显得尤为重要。
接触网是牵引供电系统向电客车提供电能的最直接环节。因此，接触网的状态直接影响这电客车的受流质量，接触网的检测也成为地铁公司最重要的日常检修维护工作之一。目前，在对地铁接触网进行检测是，接触线磨损、导高、拉出值等常规几何参数的测量多采用人工定点使用激光接触网检测仪的方式测量。这种人工定点测量方式，普遍存在测量值不连续，测量效率低、强度大等缺点，并不适用于全线的接触网检测，因此，急需一种快速，连续，全覆盖的接触网磨耗测量系统及方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法及系统，具有使用基于3D结构光的接触网磨耗测量系统代替传统的人工定点检测进行地铁接触网磨耗检测，能够静态连续检测接触网磨耗的变化情况，确保牵引供电安全同时节约人力以及时间成本，提高工作效率的优点。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，包括以下步骤，
S1：对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像，执行S2；
S2：对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，执行S3；
S3：根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，若是S5，执行，若不是，执行S4；
S4：在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变，执行S5；
S5：筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，执行S6；
S6：计算接触线的磨耗角度。
优选的，所述S2具体包括以下步骤，
S21：建立坐标系，设点集纵坐标系列为z(i)，取阈值s1＝3，执行S22；
S22：计算每个z(i)前后共10个点的平均值ave，比较z(i)后5个点z(j)与ave之差大于s1的个数count1，根据count1不同进行分类处理，执行S23；
S23：阈值s1是否小于3，若是，执行S24，若否，执行S22；
S24：统计每个z(i)前后5个点z(j)在|z(j)-z(i)|<s2＝1的个数count2，根据count2判断是否该点z(i)为离散群集点，每个z(i)前后5个点的前两个点进行线性外插得到离散群集点的z值，执行S25；
S25：对可能存在轮廓的地方通过最低点往上扫描得到中心位置，对中心位置的附近区域进行上述操作的反向操作，可进一步削弱离散群集现象，执行S25；
S26，对中心附近区域进行局部平滑。
优选的，所述S3具体包括以下步骤，
S31：判断接触线轮廓图像中的接触线轮廓曲率是否具有突变特征，若是，执行S32，若不是，执行S33；
S32：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5；
S33：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4。
优选的，所述S3具体包括以下步骤，
所述S3具体包括以下步骤，
S31：扫描柔性的接触线的底部轮廓，获取柔性的接触线轮廓图像，接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的水平距离d0，得到柔性线水平距离阈值区间，执行S32；
S32：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的测量水平距离dn，执行S33；
S33：判断每个数据区间的测量水平距离dn是否均位于柔性线水平距离阈值区间内，若是，执行S34，若否，执行S35；
S34：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4；
S35：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5。
优选的，所述S4具体包括在柔性的接触线轮廓图像的两个端点处向两边按一定间距各添加16个点，强制构造曲率突变。
优选的，所述S5具体包括以下步骤，
S51：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，对每个数据区间内的每个轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分，执行S52；
S52：根据轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分求取该轮廓点的曲率，执行S53；
S53：选择每个数据区间内曲率最大的轮廓点z(i)为特征点，执行S54；
S54：将多个特征点进行组合，根据接触线轮廓直径范围筛选特征点，执行S55；
S55：再根据圆弧上两个边缘点，中点、及中点与边缘点中点的纵坐标特征筛选目标特征点。
优选的，所述S6具体包括以下步骤，
S61：计算接触线轮廓图像的两端轮廓边缘点的z值，以z值较小的轮廓边缘点为基准点idx1建立基准线，该基准线与z轴方向垂直，与y轴方向平行，确定基准线与接触线轮廓的交点idx2；
S62：根据基准点idx1及交点idx2计算轮廓中心点mididx，执行S63；
S63：将轮廓中心点mididx的左右一定距离内的接触线轮廓点拟合成一条磨耗角度直线，计算该磨耗角度直线的倾斜角，得到磨耗角度。
一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量系统，包括图像采集单元，包括多个3D结构光相机，多个所述3D结构光相机均位于同一个水平标定平面并沿接触线的长度方向排布，用于扫描接触线的底部，获取接触线轮廓图像；
图像预处理单元，用于对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，还用于根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，并在判断接触线为柔性接触线时在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变；
几何参数计算单元，用于筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，并计算接触线的磨耗角度。
优选的，所述图像预处理单元使用如下方法对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，
S21：建立坐标系，设点集纵坐标系列为z(i)，取阈值s1＝3，执行S22；
S22：计算每个z(i)前后共10个点的平均值ave，比较z(i)后5个点z(j)与ave之差大于s1的个数count1，根据count1不同进行分类处理，执行S23；
S23：阈值s1是否小于3，若是，执行S24，若否，执行S22；
S24：统计每个z(i)前后5个点z(j)在|z(j)-z(i)|<s2＝1的个数count2，根据count2判断是否该点z(i)为离散群集点，每个z(i)前后5个点的前两个点进行线性外插得到离散群集点的z值，执行S25；
S25：对可能存在轮廓的地方通过最低点往上扫描得到中心位置，对中心位置的附近区域进行上述操作的反向操作，可进一步削弱离散群集现象，执行S25；
S26，对中心附近区域进行局部平滑。
所述图像预处理单元使用如下方法判断接触线是否为刚性线，
S31：判断接触线轮廓图像中的接触线轮廓曲率是否具有突变特征，若是，执行S32，若不是，执行S33；
S32：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5；
S33：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4。
优选的，所述图像预处理单元使用如下方法对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，
S21：建立坐标系，设点集纵坐标系列为z(i)，取阈值s1＝3，执行S22；
S22：计算每个z(i)前后共10个点的平均值ave，比较z(i)后5个点z(j)与ave之差大于s1的个数count1，根据count1不同进行分类处理，执行S23；
S23：阈值s1是否小于3，若是，执行S24，若否，执行S22；
S24：统计每个z(i)前后5个点z(j)在|z(j)-z(i)|<s2＝1的个数count2，根据count2判断是否该点z(i)为离散群集点，每个z(i)前后5个点的前两个点进行线性外插得到离散群集点的z值，执行S25；
S25：对可能存在轮廓的地方通过最低点往上扫描得到中心位置，对中心位置的附近区域进行上述操作的反向操作，可进一步削弱离散群集现象，执行S25；
S26，对中心附近区域进行局部平滑。
所述图像预处理单元使用如下方法判断接触线是否为刚性线，
S31：扫描柔性的接触线的底部轮廓，获取柔性的接触线轮廓图像，接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的水平距离d0，得到柔性线水平距离阈值区间，执行S32；
S32：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的测量水平距离dn，执行S33；
S33：判断每个数据区间的测量水平距离dn是否均位于柔性线水平距离阈值区间内，若是，执行S34，若否，执行S35；
S34：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4；
S35：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5。
优选的，S51：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，对每个数据区间内的每个轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分，执行S52；
S52：根据轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分求取该轮廓点的曲率，执行S53；
S53：选择每个数据区间内曲率最大的轮廓点z(i)为特征点，执行S54；
S54：将多个特征点进行组合，根据接触线轮廓直径范围筛选特征点，执行S55；
S55：再根据圆弧上两个边缘点，中点、及中点与边缘点中点的纵坐标特征筛选目标特征点，执行S61。
S61：计算接触线轮廓图像的两端轮廓边缘点的z值，以z值较小的轮廓边缘点为基准点idx1建立基准线，该基准线与z轴方向垂直，与y轴方向平行，确定基准线与接触线轮廓的交点idx2；
S62：根据基准点idx1及交点idx2计算轮廓中心点mididx，执行S63；
S63：将轮廓中心点mididx的左右一定距离内的接触线轮廓点拟合成一条磨耗角度直线，计算该磨耗角度直线的倾斜角，得到磨耗角度。
综上所述，本发明的有益效果为：
1、本发明具有使用基于3D结构光的接触网磨耗测量系统代替传统的人工定点检测进行地铁接触网磨耗检测，能够静态连续检测接触网磨耗的变化情况，确保牵引供电安全同时节约人力以及时间成本，提高工作效率的优点；
2、当3D结构光相机受到各种干扰时，相机采集到的轮廓数据可能存在噪点，尤其是由于曝光过度是材料表面反光所致的轮廓中心的离散噪点集，会严重影响轮廓的识别，本发明在进行轮廓识别前先进行接触线轮廓图像的去噪及平滑处理，具有提交识别准确率的效果。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明用于展示3D结构光相机安装位置的示意图；
图3为本发明用于展示对接触线的底部轮廓进行扫描的设备图；
图4为本发明用于展示刚性接触线的示意图；
图5为本发明用于展示刚性接触线的轮廓边缘的示意图；
图6为本发明用于展示柔性接触线的轮廓边缘的示意图；
图7为本发明用于展示构造辅助点的示意图；
图8为本发明用于展示筛选目标特征点m1、m2的示意图；
图9为本发明用于展示磨耗角度计算的示意图。
图中，1、3D结构光相机；2、地铁。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～9，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。
实施例1
参照图1，一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，包括以下步骤，
S1：对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像，执行S2。
参照图2、3，本实施例中，采用四个3D结构光相机1按照一定的间距安装在地铁2的车顶上，进行接触线的底部轮廓的扫描。在扫描前，首先对3D结构光相机1进行标定，标定使用反光较弱的一个水平标定平面放置在3D结构光相机1的激光上面，之后进行感兴趣区域、曝光、点距设置并校准。发送同步触发信号至四个3D结构光相机，使得四个3D结构光相机同步工作，其次，通过地铁移动，实现四台3D结构光相机1的水平坐标进行平移，实现X轴方向强制拼接，从而完成对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像，通过网线将接触线轮廓图像发送至PC端。
S2：对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，执行S3。当3D结构光相机1受到各种干扰时，相机采集到的轮廓数据可能存在噪点，尤其是由于曝光过度是材料表面反光所致的轮廓中心的离散噪点集，会严重影响轮廓的识别，因此，本实施例中需要对接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，S2具体包括以下步骤，
S21：建立坐标系，设点集纵坐标系列为z(i)，取阈值s1＝3，执行S22；
S22：计算每个z(i)前后共10个点的平均值ave，比较z(i)后5个点z(j)与ave之差大于s1的个数count1，根据count1不同进行分类处理，执行S23；
S23：阈值s1是否小于3，若是，执行S24，若否，执行S22；
S24：统计每个z(i)前后5个点z(j)在|z(j)-z(i)|<s2＝1的个数count2，根据count2判断是否该点z(i)为离散群集点，每个z(i)前后5个点的前两个点进行线性外插得到离散群集点的z值，执行S25；
S25：对可能存在轮廓的地方通过最低点往上扫描得到中心位置，对中心位置的附近区域进行上述操作的反向操作，可进一步削弱离散群集现象，执行S25；
S26，对中心附近区域进行局部平滑。
S3：根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，若是S5，执行，若不是，执行S4。
参照图4、5，对于刚性悬挂的接触线，采集数据中接触线的轮廓和汇流排的轮廓耦合在一起，通过曲率突变特征能很好识别其中的接触线的轮廓位置。结合图6，但是，对于隧道外或者较老地铁线路的柔性悬挂的接触线，采集到的数据只有接触线的轮廓，曲率几乎没有突变特征，所以需要对柔性接触线的数据轮廓两端通过添加辅助点构造曲率突变特征。
本实施例中，S3具体包括以下步骤，
S31：判断接触线轮廓图像中的接触线轮廓曲率是否具有突变特征，若是，执行S32，若不是，执行S33；
S32：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5；
S33：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4。
S4：在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变，执行S5。
参照图7，本实施例中，在添加辅助点前，先确定接触线的轮廓的两侧的端点，柔性线的两个轮廓端点坐标分别为A(x1,y1),B(x2,y2),那么添加辅助点的方式是，对于A点先构造A1点，横坐标不变，纵坐标+25,即A1坐标为(x1,y1+25),同理B1坐标为(x2，y2+25),然后沿着A1，B1分别向两端每隔0.1mm构造一个点，各构造16个点。
S5：筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，执行S6。
本实施例中，S5具体包括以下步骤，
S51：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，对每个数据区间内的每个轮廓点的z(i)求一阶差分z′(i)及二阶差分z″(i)，执行S52。
求一阶差分z′(i)及二阶差分z″(i)采用z(i)前后第四个点，这样可在一定程度上减小干扰。
S52：根据轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分求取该轮廓点的曲率K，执行S53。
S53：选择每个数据区间内曲率最大的轮廓点z(i)为特征点，执行S54。
S54：将多个特征点进行组合，根据接触线轮廓直径范围筛选特征点，执行S55。
具体的，接触线轮廓直径范围筛选规则为：对组合的两两特征点间的距离d进行筛选，横坐标满足dx>6mm且dx<20mm，且纵坐标满足dy<10mm或dy>20mm。
S55：再根据圆弧上两个边缘点、中点、及中点与边缘点中点的纵坐标特征筛选目标特征点m1、m2。
具体的，关于边缘点的确定，从导线轮廓的中心开始，相邻点做差，如果差值大于0.1mm。认为轮廓不连续，此时认为该点为轮廓的边缘点。
具体的，结合图8，圆弧上两个边缘点m1、m2，中点I1、及中点与边缘点中点I2、I3的纵坐标特征进行筛选规则：
(1)对组合的两两特征点间的距离d进行筛选，横坐标满足dx>8mm且dx<15mm，且纵坐标满足dy<10mm；
(2)圆弧上两个边缘点(m1，m2)连线的中点的纵坐标大于圆弧中点(I1)纵坐标；
(3)m1与I1连线的中点的纵坐标大于m1到I1圆弧路径中点(I2)的纵坐标；
(4)m2与I1连线的中点的纵坐标大于m2到I1圆弧路径中点(I3)的纵坐标。
参照图9，S6：计算接触线的磨耗角度。
S6具体包括以下步骤，
S61：计算目标特征点m1、m2的z值，以z值较小的轮廓边缘点为基准点idx1建立基准线，该基准线与z轴方向垂直，与y轴方向平行，确定基准线与接触线轮廓的交点idx2；
S62：根据基准点idx1及交点idx2计算轮廓中心点mididx，执行S63；
S63：将轮廓中心点mididx的左右一定距离内的接触线轮廓点拟合成一条磨耗角度直线，计算该磨耗角度直线的倾斜角，得到磨耗角度。
值得说明的是，本系统还可以测量接触线的导高值。接触线的导高值为每个轮廓端点m1、m2之间的最小值的纵坐标Y值，根据标定和实际场景进行坐标平移后在加上车身高度就是实际的到导高值。
值得说明的是，本系统还可以测量接触线的拉出值。接触线的拉出值为轮廓中心点mididx的横坐标X值，根据标定和实际场景进行坐标平移后就得到实际的拉出值。
实施例2
参照图1，一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，包括以下步骤，
S1：对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像，执行S2。
参照图2、3，本实施例中，采用四个3D结构光相机1按照一定的间距安装在地铁2的车顶上，进行接触线的底部轮廓的扫描。在扫描前，首先对3D结构光相机1进行标定，标定使用反光较弱的一个水平标定平面放置在3D结构光相机1的激光上面，之后进行感兴趣区域、曝光、点距设置并校准。其次，通过地铁2移动，实现四台3D结构光相机1的水平坐标进行平移，实现X轴方向强制拼接，从而完成对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像。
S2：对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，执行S3。当3D结构光相机1受到各种干扰时，相机采集到的轮廓数据可能存在噪点，尤其是由于曝光过度是材料表面反光所致的轮廓中心的离散噪点集，会严重影响轮廓的识别，因此，本实施例中需要对接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，S2具体包括以下步骤，
S21：建立坐标系，设点集纵坐标系列为z(i)，取阈值s1＝3，执行S22；
S22：计算每个z(i)前后共10个点的平均值ave，比较z(i)后5个点z(j)与ave之差大于s1的个数count1，根据count1不同进行分类处理，执行S23；
S23：阈值s1是否小于3，若是，执行S24，若否，执行S22；
S24：统计每个z(i)前后5个点z(j)在|z(j)-z(i)|<s2＝1的个数count2，根据count2判断是否该点z(i)为离散群集点，每个z(i)前后5个点的前两个点进行线性外插得到离散群集点的z值，执行S25；
S25：对可能存在轮廓的地方通过最低点往上扫描得到中心位置，对中心位置的附近区域进行上述操作的反向操作，可进一步削弱离散群集现象，执行S25；
S26，对中心附近区域进行局部平滑。
S3：根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，若是S5，执行，若不是，执行S4。
参照图4、5，对于刚性悬挂的接触线，采集数据中接触线的轮廓和汇流排的轮廓耦合在一起，通过曲率突变特征能很好识别其中的接触线的轮廓位置。结合图6，但是，对于隧道外或者较老地铁线路的柔性悬挂的接触线，采集到的数据只有接触线的轮廓，曲率几乎没有突变特征，所以需要对柔性接触线的数据轮廓两端通过添加辅助点构造曲率突变特征。
本实施例中，S3具体包括以下步骤，
S31：扫描柔性的接触线的底部轮廓，获取柔性的接触线轮廓图像，接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的水平距离d0，得到柔性线水平距离阈值区间，执行S32；
S32：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的测量水平距离dn，执行S33；
S33：判断每个数据区间的测量水平距离dn是否均位于柔性线水平距离阈值区间内，若是，执行S34，若否，执行S35；
S34：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4；
S35：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5。
S4：在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变，执行S5。
参照图7，本实施例中，在添加辅助点前，先确定接触线的轮廓的两侧的端点，两个轮廓端点坐标分别为A(x1,y1),B(x2,y2)。本实施例中添加辅助点的方式是，对于A点先构造A1点，横坐标不变，纵坐标+25,即A1坐标为(x1,y1+25),同理B1坐标为(x2，y2+25),然后沿着A1，B1分别向两端每隔0.1mm构造一个点，各构造16个点。
S5：筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，执行S6。
本实施例中，S5具体包括以下步骤，
S51：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，对每个数据区间内的每个轮廓点的z(i)求一阶差分z′(i)及二阶差分z″(i)，执行S52。
求一阶差分z′(i)及二阶差分z″(i)采用z(i)前后第四个点，这样可在一定程度上减小干扰。
S52：根据轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分求取该轮廓点的曲率K，执行S53。
S53：选择每个数据区间内曲率最大的轮廓点z(i)为特征点，执行S54。
S54：将多个特征点进行组合，根据接触线轮廓直径范围筛选特征点，执行S55。
具体的，接触线轮廓直径范围筛选规则为：对组合的两两特征点间的距离d进行筛选，横坐标满足dx>6mm且dx<20mm，且纵坐标满足dy<10mm或dy>20mm。
S55：再根据圆弧上两个边缘点，中点、及中点与边缘点中点的纵坐标特征筛选目标特征点。
具体的，关于边缘点的确定，从导线轮廓的中心开始，相邻点做差，如果差值大于0.1mm。认为轮廓不连续，此时认为该点为轮廓的边缘点。
具体的，参照图8，圆弧上两个边缘点m1、m2，中点I1、及中点与边缘点中点I2、I3的纵坐标特征进行筛选规则：
(1)对组合的两两特征点间的距离d进行筛选，横坐标满足dx>8mm且dx<15mm，且纵坐标满足dy<10mm；
(2)圆弧上两个边缘点(m1，m2)连线的中点的纵坐标大于圆弧中点(I1)纵坐标；
(3)m1与I1连线的中点的纵坐标大于m1到I1圆弧路径中点(I2)的纵坐标；
(4)m2与I1连线的中点的纵坐标大于m2到I1圆弧路径中点(I3)的纵坐标。
参照图9，S6：计算接触线的磨耗角度。
S6具体包括以下步骤，
S61：计算接触线轮廓图像的两端轮廓边缘点的z值，以z值较小的轮廓边缘点为基准点idx1建立基准线，该基准线与z轴方向垂直，与y轴方向平行，确定基准线与接触线轮廓的交点idx2；
S62：根据基准点idx1及交点idx2计算轮廓中心点mididx，执行S63；
S63：将轮廓中心点mididx的左右一定距离内的接触线轮廓点拟合成一条磨耗角度直线，计算该磨耗角度直线的倾斜角，得到磨耗角度。
值得说明的是，本系统还可以测量接触线的导高值。接触线的导高值为每个轮廓端点m1、m2之间的最小值的纵坐标Y值，根据标定和实际场景进行坐标平移后在加上车身高度就是实际的到导高值。
值得说明的是，本系统还可以测量接触线的拉出值。接触线的拉出值为轮廓中心点mididx的横坐标X值，根据标定和实际场景进行坐标平移后就得到实际的拉出值。
实施例3
参照图2、3，一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量系统，包括
图像采集单元，包括多个3D结构光相机1，多个3D结构光相机1均位于同一个水平标定平面并沿接触线的长度方向排布，用于扫描接触线的底部，获取接触线轮廓图像。
参照图2、3，本实施例中，采用四个3D结构光相机1按照一定的间距安装在地铁2的车顶上，进行接触线的底部轮廓的扫描。在扫描前，首先对3D结构光相机1进行标定，标定使用反光较弱的一个水平标定平面放置在3D结构光相机1的激光上面，之后进行感兴趣区域、曝光、点距设置并校准。发送同步触发信号至四个3D结构光相机，使得四个3D结构光相机同步工作，其次，通过地铁移动，实现四台3D结构光相机1的水平坐标进行平移，实现X轴方向强制拼接，从而完成对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像，通过网线将接触线轮廓图像发送至PC端。
图像预处理单元，用于对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，还用于根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，并在判断接触线为柔性接触线时在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变。
当3D结构光相机1受到各种干扰时，相机采集到的轮廓数据可能存在噪点，尤其是由于曝光过度是材料表面反光所致的轮廓中心的离散噪点集，会严重影响轮廓的识别，因此，本实施例中需要对接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理。
图像预处理单元使用如下方法对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，
S21：建立坐标系，设点集纵坐标系列为z(i)，取阈值s1＝3，执行S22；
S22：计算每个z(i)前后共10个点的平均值ave，比较z(i)后5个点z(j)与ave之差大于s1的个数count1，根据count1不同进行分类处理，执行S23；
S23：阈值s1是否小于3，若是，执行S24，若否，执行S22；
S24：统计每个z(i)前后5个点z(j)在|z(j)-z(i)|<s2＝1的个数count2，根据count2判断是否该点z(i)为离散群集点，每个z(i)前后5个点的前两个点进行线性外插得到离散群集点的z值，执行S25；
S25：对可能存在轮廓的地方通过最低点往上扫描得到中心位置，对中心位置的附近区域进行上述操作的反向操作，可进一步削弱离散群集现象，执行S25；
S26，对中心附近区域进行局部平滑。
参照图4、5，对于刚性悬挂的接触线，采集数据中接触线的轮廓和汇流排的轮廓耦合在一起，通过曲率突变特征能很好识别其中的接触线的轮廓位置。结合图6，但是，对于隧道外或者较老地铁线路的柔性悬挂的接触线，采集到的数据只有接触线的轮廓，曲率几乎没有突变特征，所以需要对柔性接触线的数据轮廓两端通过添加辅助点构造曲率突变特征。
图像预处理单元使用如下方法判断接触线是否为刚性线，
S31：判断接触线轮廓图像中的接触线轮廓曲率是否具有突变特征，若是，执行S32，若不是，执行S33；
S32：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5；
S33：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4。
本实施例中，图像预处理单元通过以下方式构造辅助点，
参照图7，本实施例中，在添加辅助点前，先确定接触线的轮廓的两侧的端点，两个轮廓端点坐标分别为A(x1,y1),B(x2,y2)。本实施例中添加辅助点的方式是，对于A点先构造A1点，横坐标不变，纵坐标+25,即A1坐标为(x1,y1+25),同理B1坐标为(x2，y2+25),然后沿着A1，B1分别向两端每隔0.1mm构造一个点，各构造16个点。
几何参数计算单元，用于筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，并计算接触线的磨耗角度。
几何参数计算单元具体通过以下步骤计算接触线的磨耗角度，
S51：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，对每个数据区间内的每个轮廓点的z(i)求一阶差分z′(i)及二阶差分z″(i)，执行S52。
求一阶差分z′(i)及二阶差分z″(i)采用z(i)前后第四个点，这样可在一定程度上减小干扰。
S52：根据轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分求取该轮廓点的曲率K，执行S53。
S53：选择每个数据区间内曲率最大的轮廓点z(i)为特征点，执行S54。
S54：将多个特征点进行组合，根据接触线轮廓直径范围筛选特征点，执行S55。
接触线轮廓直径范围筛选规则为：对组合的两两特征点间的距离d进行筛选，横坐标满足dx>6mm且dx<20mm，且纵坐标满足dy<10mm或dy>20mm。
S55：再根据圆弧上两个边缘点，中点、及中点与边缘点中点的纵坐标特征筛选目标特征点，执行S61。
具体的，关于边缘点的确定，从导线轮廓的中心开始，相邻点做差，如果差值大于0.1mm。认为轮廓不连续，此时认为该点为轮廓的边缘点。
具体的，结合图8，圆弧上两个边缘点m1、m2，中点I1、及中点与边缘点中点I2、I3的纵坐标特征进行筛选规则：
(1)对组合的两两特征点间的距离d进行筛选，横坐标满足dx>8mm且dx<15mm，且纵坐标满足dy<10mm；
(2)圆弧上两个边缘点(m1，m2)连线的中点的纵坐标大于圆弧中点(I1)纵坐标；
(3)m1与I1连线的中点的纵坐标大于m1到I1圆弧路径中点(I2)的纵坐标；
(4)m2与I1连线的中点的纵坐标大于m2到I1圆弧路径中点(I3)的纵坐标。
参照图9，S61：计算接触线轮廓图像的两端轮廓边缘点的z值，以z值较小的轮廓边缘点为基准点idx1建立基准线，该基准线与z轴方向垂直，与y轴方向平行，确定基准线与接触线轮廓的交点idx2；
S62：根据基准点idx1及交点idx2计算轮廓中心点mididx，执行S63；
S63：将轮廓中心点mididx的左右一定距离内的接触线轮廓点拟合成一条磨耗角度直线，计算该磨耗角度直线的倾斜角，得到磨耗角度。
值得说明的是，本系统还可以测量接触线的导高值。接触线的导高值为每个轮廓端点m1、m2之间的最小值的纵坐标Y值，根据标定和实际场景进行坐标平移后在加上车身高度就是实际的到导高值。
值得说明的是，本系统还可以测量接触线的拉出值。接触线的拉出值为轮廓中心点mididx的横坐标X值，根据标定和实际场景进行坐标平移后就得到实际的拉出值。
实施例4
参照图2、3，一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量系统，包括
图像采集单元，包括多个3D结构光相机1，多个3D结构光相机1均位于同一个水平标定平面并沿接触线的长度方向排布，用于扫描接触线的底部，获取接触线轮廓图像。
参照图2、3，本实施例中，采用四个3D结构光相机1按照一定的间距安装在地铁2的车顶上，进行接触线的底部轮廓的扫描。在扫描前，首先对3D结构光相机1进行标定，标定使用反光较弱的一个水平标定平面放置在3D结构光相机1的激光上面，之后进行感兴趣区域、曝光、点距设置并校准。发送同步触发信号至四个3D结构光相机，使得四个3D结构光相机同步工作，其次，通过地铁移动，实现四台3D结构光相机1的水平坐标进行平移，实现X轴方向强制拼接，从而完成对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像，通过网线将接触线轮廓图像发送至PC端。
图像预处理单元，用于对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，还用于根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，并在判断接触线为柔性接触线时在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变。
当3D结构光相机1受到各种干扰时，相机采集到的轮廓数据可能存在噪点，尤其是由于曝光过度是材料表面反光所致的轮廓中心的离散噪点集，会严重影响轮廓的识别，因此，本实施例中需要对接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理。
图像预处理单元使用如下方法对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，
S21：建立坐标系，设点集纵坐标系列为z(i)，取阈值s1＝3，执行S22；
S22：计算每个z(i)前后共10个点的平均值ave，比较z(i)后5个点z(j)与ave之差大于s1的个数count1，根据count1不同进行分类处理，执行S23；
S23：阈值s1是否小于3，若是，执行S24，若否，执行S22；
S24：统计每个z(i)前后5个点z(j)在|z(j)-z(i)|<s2＝1的个数count2，根据count2判断是否该点z(i)为离散群集点，每个z(i)前后5个点的前两个点进行线性外插得到离散群集点的z值，执行S25；
S25：对可能存在轮廓的地方通过最低点往上扫描得到中心位置，对中心位置的附近区域进行上述操作的反向操作，可进一步削弱离散群集现象，执行S25；
S26，对中心附近区域进行局部平滑。
参照图4、5，对于刚性悬挂的接触线，采集数据中接触线的轮廓和汇流排的轮廓耦合在一起，通过曲率突变特征能很好识别其中的接触线的轮廓位置。结合图6，但是，对于隧道外或者较老地铁线路的柔性悬挂的接触线，采集到的数据只有接触线的轮廓，曲率几乎没有突变特征，所以需要对柔性接触线的数据轮廓两端通过添加辅助点构造曲率突变特征。
图像预处理单元使用如下方法判断接触线是否为刚性线，
S31：扫描柔性的接触线的底部轮廓，获取柔性的接触线轮廓图像，接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的水平距离d0，得到柔性线水平距离阈值区间，执行S32；
S32：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的测量水平距离dn，执行S33；
S33：判断每个数据区间的测量水平距离dn是否均位于柔性线水平距离阈值区间内，若是，执行S34，若否，执行S35；
S34：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4；
S35：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5。
本实施例中，图像预处理单元通过以下方式构造辅助点，
参照图7，本实施例中，在添加辅助点前，先确定接触线的轮廓的两侧的端点，两个轮廓端点坐标分别为A(x1,y1),B(x2,y2)。本实施例中添加辅助点的方式是，对于A点先构造A1点，横坐标不变，纵坐标+25,即A1坐标为(x1,y1+25),同理B1坐标为(x2，y2+25),然后沿着A1，B1分别向两端每隔0.1mm构造一个点，各构造16个点。
几何参数计算单元，用于筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，并计算接触线的磨耗角度。
几何参数计算单元具体通过以下步骤计算接触线的磨耗角度，
S51：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，对每个数据区间内的每个轮廓点的z(i)求一阶差分z′(i)及二阶差分z″(i)，执行S52。
求一阶差分z′(i)及二阶差分z″(i)采用z(i)前后第四个点，这样可在一定程度上减小干扰。
S52：根据轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分求取该轮廓点的曲率K，执行S53。
S53：选择每个数据区间内曲率最大的轮廓点z(i)为特征点，执行S54。
S54：将多个特征点进行组合，根据接触线轮廓直径范围筛选特征点，执行S55。
具体的，接触线轮廓直径范围筛选规则为：对组合的两两特征点间的距离d进行筛选，横坐标满足dx>6mm且dx<20mm，且纵坐标满足dy<10mm或dy>20mm。
S55：再根据圆弧上两个边缘点，中点、及中点与边缘点中点的纵坐标特征筛选目标特征点，执行S61。
具体的，关于边缘点的确定，从导线轮廓的中心开始，相邻点做差，如果差值大于0.1mm。认为轮廓不连续，此时认为该点为轮廓的边缘点。
具体的，结合图8，圆弧上两个边缘点m1、m2，中点I1、及中点与边缘点中点I2、I3的纵坐标特征进行筛选规则：
(1)对组合的两两特征点间的距离d进行筛选，横坐标满足dx>8mm且dx<15mm，且纵坐标满足dy<10mm；
(2)圆弧上两个边缘点(m1，m2)连线的中点的纵坐标大于圆弧中点(I1)纵坐标；
(3)m1与I1连线的中点的纵坐标大于m1到I1圆弧路径中点(I2)的纵坐标；
(4)m2与I1连线的中点的纵坐标大于m2到I1圆弧路径中点(I3)的纵坐标。
参照图9，S61：计算接触线轮廓图像的两端轮廓边缘点的z值，以z值较小的轮廓边缘点为基准点idx1建立基准线，该基准线与z轴方向垂直，与y轴方向平行，确定基准线与接触线轮廓的交点idx2；
S62：根据基准点idx1及交点idx2计算轮廓中心点mididx，执行S63；
S63：将轮廓中心点mididx的左右一定距离内的接触线轮廓点拟合成一条磨耗角度直线，计算该磨耗角度直线的倾斜角，得到磨耗角度。
值得说明的是，本系统还可以测量接触线的导高值。接触线的导高值为每个轮廓端点m1、m2之间的最小值的纵坐标Y值，根据标定和实际场景进行坐标平移后在加上车身高度就是实际的到导高值。
值得说明的是，本系统还可以测量接触线的拉出值。接触线的拉出值为轮廓中心点mididx的横坐标X值，根据标定和实际场景进行坐标平移后就得到实际的拉出值。
在另一个实施例中，底座还设置有行走组件，该行走组件包括四个万向轮，四个万向轮分别设置在底座的四周，方便操作人员移动底座。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：对接触线的底部轮廓进行扫描，获取接触线轮廓图像，执行S2；
S2：对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，执行S3；
S3：根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，若是S5，执行，若不是，执行S4；
S4：在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变，执行S5；
S5：筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，执行S6；
S6：计算接触线的磨耗角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，所述S2具体包括以下步骤，
S21：建立坐标系，设点集纵坐标系列为z(i)，取阈值s1＝3，执行S22；
S22：计算每个z(i)前后共10个点的平均值ave，比较z(i)后5个点z(j)与ave之差大于s1的个数count1，根据count1不同进行分类处理，执行S23；
S23：阈值s1是否小于3，若是，执行S24，若否，执行S22；
S24：统计每个z(i)前后5个点z(j)在|z(j)-z(i)|<s2＝1的个数count2，根据count2判断是否该点z(i)为离散群集点，每个z(i)前后5个点的前两个点进行线性外插得到离散群集点的z值，执行S25；
S25：对可能存在轮廓的地方通过最低点往上扫描得到中心位置，对中心位置的附近区域进行上述操作的反向操作，可进一步削弱离散群集现象，执行S25；
S26，对中心附近区域进行局部平滑。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，所述S3具体包括以下步骤，
S31：判断接触线轮廓图像中的接触线轮廓曲率是否具有突变特征，若是，执行S32，若不是，执行S33；
S32：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5；
S33：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4。
4.根据权利要求2所述的一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，所述S3具体包括以下步骤，
S31：扫描柔性的接触线的底部轮廓，获取柔性的接触线轮廓图像，接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的水平距离d0，得到柔性线水平距离阈值区间，执行S32；
S32：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，计算每个数据区间内端点到最低点的测量水平距离dn，执行S33；
S33：判断每个数据区间的测量水平距离dn是否均位于柔性线水平距离阈值区间内，若是，执行S34，若否，执行S35；
S34：判断该接触线轮廓图像中的接触线为柔性接触线，执行S4；
S35：判断该接触线轮廓图像中的接触线为刚性接触线，执行S5。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，所述S4具体包括在柔性的接触线轮廓图像的两个端点处向两边按一定间距各添加16个点，强制构造曲率突变。
6.根据权利要求3或4所述的一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，所述S5具体包括以下步骤，
S51：将接触线轮廓图像中的接触线轮廓划分为多个数据区间，对每个数据区间内的每个轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分，执行S52；
S52：根据轮廓点的z(i)求一阶差分及二阶差分求取该轮廓点的曲率，执行S53；
S53：选择每个数据区间内曲率最大的轮廓点z(i)为特征点，执行S54；
S54：将多个特征点进行组合，根据接触线轮廓直径范围筛选特征点，执行S55；
S55：再根据圆弧上两个边缘点，中点、及中点与边缘点中点的纵坐标特征筛选目标特征点。
7.根据权利要求6所述的一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，所述S6具体包括以下步骤，
S61：计算接触线轮廓图像的两端轮廓边缘点的z值，以z值较小的轮廓边缘点为基准点idx1建立基准线，该基准线与z轴方向垂直，与y轴方向平行，确定基准线与接触线轮廓的交点idx2；
S62：根据基准点idx1及交点idx2计算轮廓中心点mididx，执行S63；
S63：将轮廓中心点mididx的左右一定距离内的接触线轮廓点拟合成一条磨耗角度直线，计算该磨耗角度直线的倾斜角，得到磨耗角度。
8.一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量系统，其特征在于，包括
图像采集单元，包括多个3D结构光相机(1)，多个所述3D结构光相机(1)均位于同一个水平标定平面并沿接触线的长度方向排布，用于扫描接触线的底部，获取接触线轮廓图像；
图像预处理单元，用于对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，还用于根据接触线轮廓图像中的接触线轮廓数据判断接触线是否为刚性线，并在判断接触线为柔性接触线时在接触线轮廓的两端分别添加多个辅助点，构造曲率突变；
几何参数计算单元，用于筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，并计算接触线的磨耗角度。
9.根据权利要求8所述的一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，所述图像预处理单元使用权利要求2所述的方法进行对获取的接触线轮廓图像进行去噪及平滑处理，所述图像预处理单元还使用权利要求3或4所述的方法判断接触线是否为刚性线。
10.根据权利要求8或9所述的一种基于3D结构光相机的地铁接触网磨耗测量方法，其特征在于，所述几何参数计算单元使用权利要求6和权利要求7所述的方法筛选表征接触线轮廓边缘的特征点，并计算接触线的磨耗角度。
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|---|---|---|---|---|
| CN111521616A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-08-11 | 成都国铁电气设备有限公司 | 一种用于绝缘器缺陷检测的触发方法和系统 |
| CN111579560A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-08-25 | 成都国铁电气设备有限公司 | 一种用于隧道内的缺陷定位装置和方法 |
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