CN112033283A - 一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法及器测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法及器测量装置，包括有双目视觉成像系统和激光发射装置，通过双目视觉成像系统采集激光发射装置向铁轨投射激光线获取得到激光条纹；双目视觉成像系统将激光条纹的端点转换成特征点，然后利用特征点位置关系完成双目视觉系统的立体匹配；利用激光三角原理，计算出各个特征点的三维坐标值，利用各个特征点的三维坐标值，转化完成道岔相关参数的测量，减少人工检测成本以及误检、漏检等弊端。

Description

一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法及器测量装置

技术领域

本发明涉及机器视觉测量领域，具体涉及一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法及器测量装置。

背景技术

国外，瑞士的OPTIMESS测量仪，该项技术基于数字激光测量原理，可实现对道岔尖轨和辙叉的3D检测，对于产生变化的参数进行监控。这种检测设备成本较高，数据量大，检测速度缓慢。

国内，在道岔参数检测方面还停留于人工巡检的方式，人工检测方法占用较大的铁路运营时间，降低了运营效率，且无法实现智能化、信息化的检测，主要受铁路安全限高、尖轨运动范围和视场宽度等因素制约，常规立体视觉仪器无法满足安装要求，现有技术存在改进之处。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法，可完成道岔参数的三维检测，为了特征点的准确定位，采用线激光对道岔进行标记，可提高系统运行速度与测量精度，完成道岔参数的实时检测，减少人工检测成本以及误检、漏检等弊端。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法，包括有双目视觉成像系统和激光发射装置，包括有以下步骤：

S1、双目视觉成像系统采集一组不同姿态下的棋盘格用于后续参数标定，双目视觉成像系统获取棋盘格的标定并获取标定参数；

S2、所述激光发射装置向铁轨投射激光线作为标志，双目视觉成像系统先后采集一组有激光线和无激光线的图像；

S3、先勾选出AOI区域，再利用背景差分，去除不必要的背景物体干扰，直接获取得到激光条纹；

S4、对S3中的激光条纹中心提取算法完成对光条纹进行中心提取；

S5、对激光条纹进行划分和标记，将激光条纹的端点转换成特征点；

S6、然后利用特征点位置关系完成双目视觉系统的立体匹配；

S7、利用激光三角原理，计算出各个特征点的三维坐标值；

S8、利用S7中获取各个特征点的三维坐标值，转化完成道岔相关参数的测量。

本发明进一步设置为：所述S3中，对激光条纹图像进行去畸变、形态学开运算以及滤波处理以去除噪声信号。

本发明进一步设置为：所述双目视觉系统立体匹配的过程中对三个特征点进行立体匹配。

本发明还公开了一种道岔测量装置，保证道岔测量装置在使用过程中的能够保证双目视觉成像系统和激光发射装置正常、稳定的运行，具体包括如下技术方案：一种道岔测量装置，采用上述的道岔测量方法。

本发明进一步设置为：包括有箱体，所述箱体内设置有双目视觉成像系统和激光发射装置，所述双目视觉成像系统包括有左相机和右相机，所述激光发射装置包括有与道岔对应设置的一字线激光器和短线激光器；所述箱体包括有与道岔相对设置的透明板。

本发明进一步设置为：所述箱体还包括有多个侧板，所述侧板上开设有通风槽，任一所述侧板上设置有风扇。

本发明进一步设置为：所述箱体内还设置有用于控制所述透明板摆动的驱动组件和拉紧组件，所述驱动组件包括有驱动电机、凸轮以及支架单元，所述驱动电机带动所述凸轮转动，所述凸轮的边缘与所述透明板抵接；支架单元包括有横梁、立柱以及推动杆，所述立柱固定设置在所述箱体上，所述横梁架设在两所述立柱上，所述推动杆固定设置在所述横梁上，所述推动杆上开设有腰型槽，所述透明板的边缘固定设置有穿射所述腰型槽的销钉，所述透明板远离所述推动杆的一侧转动设置在所述箱体内；所述拉紧组件包括有拉仲弹簧，所述拉仲弹簧的一端固定设置在所述箱体内，另一端固定设置在所述透明板上。

本发明进一步设置为：所述箱体内设置有多孔安装板，所述双目视觉成像系统、所述激光发射装置、所述驱动组件以及所述拉紧组件均固定设置在所述多孔安装板上。

本发明进一步设置为：所述推动杆上设置有防尘褶，所述防尘褶一端与所述横梁固定连接，另一端与所述透明板固定连接。

本发明进一步设置为：所述透明板倾斜设置，所述透明板与地面水平方向的夹角在55°～65°之间。

综上所述，本发明具有以下效果：

1.道岔测量装置通过驱动组件与拉紧组件之间的配合，能够使得透明板的上端向外打开以及向内关闭，即使得透明板绕其下侧转动，从而将透明板上的灰尘抖掉，防止透明板上灰尘对激光组件的激光以及相机组件的成像产生影响，保障道岔测量装置的可靠运行；

2.道岔测量装置通过在安装板上设置有多个安装孔，能够实现各相机和激光器在不同位置的调整布局，由于道岔尖轨变化范围较广，通过调节相机和激光器的安装位置实现装置能够检测道岔尖轨范围内的全部变化；而且上述位置调整方式简单快速。

3.道岔测量装置中的箱体的整体结构简单、体积小且扁平化，能够满足现场埋装与测量需求，同时兼顾防尘、防水和抗污染等环境影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为道岔测量方法的流程图；

图2为激光条纹预处理后的示意图；

图3为光条中心提取后的效果图；

图4为左、右相机的采集图；

图5为道岔测量装置的结构示意图；

图6为防尘褶的结构示意图。

图中：1、左相机；2、一字激光器；3、直流电源；4、短线激光器；5、嵌入式处理器；6、右相机；7、支柱；8、合页；9、横梁杆；10、凸轮；11、销钉；12、驱动电机；13、透明板；14、尖轨；15、基本轨；16、弹簧；17、推动杆；18、立柱18；19、风机；20、防尘褶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图5所示，一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法，包括有双目视觉成像系统和激光发射装置，包括有以下步骤：

S1、双目视觉成像系统采集一组不同姿态下的棋盘格用于后续参数标定，双目视觉成像系统获取棋盘格的标定并获取标定参数；参数标定是建立世界坐标系统与双目视觉成像系统之间空间位置变化关系，是机器视觉测量系统最重要的步骤之一；

S2、所述激光发射装置向铁轨投射激光线作为标志，双目视觉成像系统先后采集一组有激光线和无激光线的图像；由于基本轨与尖轨上并无明显的特征，为了更好地获取理想的精度要求，因此向铁轨投射线线结构光作为标志，此步骤为人为提供纹理特征，可有效地解决道岔在后续立体匹配步骤中对应点的问题，提高运行系统的速度和测量精度；

S3、先勾选出AOI区域，再利用背景差分，去除不必要的背景物体干扰，直接获取得到激光条纹；

S4、对S3中的激光条纹中心提取算法完成对光条纹进行中心提取；将图像上的特征点定位到亚像素级别，对提取精度的提高有着重要的意义；

S5、由于尖轨位置的不断切换，投射的激光条纹在图像上分成两段或者是三段，对激光条纹进行划分和标记，将激光条纹的端点转换成特征点；

S6、然后利用特征点位置关系完成双目视觉系统的立体匹配；在这个立体匹配的过程中，不须对全局进行匹配，只须对三个特征点，该步骤减少了匹配点，提高系统运行速度，获得更好的立体匹配效果；

S7、利用激光三角原理，计算出各个特征点的三维坐标值；

S8、利用S7中获取各个特征点的三维坐标值，转化完成道岔相关参数的测量。

其中，所述S3中，对激光条纹图像进行去畸变、形态学开运算以及滤波处理以去除噪声信号。

其中，所述双目视觉系统立体匹配的过程中对三个特征点进行立体匹配。

如图5所示，一种道岔测量装置，采用上述测量方法对道岔进行监测，道岔包括有基本轨和尖轨，道岔测量装置包括有箱体，所述箱体内设置有双目视觉成像系统和激光发射装置，所述双目视觉成像系统包括有左相机和右相机，所述激光发射装置包括有与道岔对应设置的一字线激光器和短线激光器；所述箱体包括有与道岔相对设置的透明板，所述箱体还包括有多个侧板，所述侧板上开设有通风槽，任一所述侧板上设置有风扇，箱体内设置有为各部件提供能量的直流电源。

为了避免透明板上出现积灰，所述箱体内还设置有用于控制所述透明板摆动的驱动组件和拉紧组件，所述驱动组件包括有驱动电机、凸轮以及支架单元，所述驱动电机带动所述凸轮转动，所述凸轮的边缘与所述透明板抵接；支架单元包括有横梁、立柱以及推动杆，所述立柱固定设置在所述箱体上，所述横梁架设在两所述立柱上，所述推动杆固定设置在所述横梁上，所述推动杆上开设有腰型槽，所述透明板的边缘固定设置有穿射所述腰型槽的销钉，所述透明板远离所述推动杆的一侧转动设置在所述箱体内；所述拉紧组件包括有拉仲弹簧，所述拉仲弹簧的一端固定设置在所述箱体内，另一端固定设置在所述透明板上，所述透明板的边缘通过合页转动设置在所述箱体内，所述透明板倾斜设置，所述透明板与地面水平方向的夹角在55°～65°之间。

在需要进行除尘时，驱动电机带动凸轮转动，周期性地推动支架单元中的横梁杆向箱体外侧移动，经立柱将推动杆同步向箱体外部推动，从而带动透明板上的销钉向外移动，即使得透明板绕其下端转动而向外打开，进行抖灰动作；在凸轮转动一定角度后，横梁杆往外移动至最大位移，此时透明板则向外打开最大角度，此时拉紧组件则将透明板往回拉，实现关门动作，通过弹簧将透明板拉紧，保证箱体的整体密封性和防水性，保障内部环境的洁净性，防止铁路现场灰尘对相机组件上的镜头的污染而影响成像，使得各部件能够正常工作

为了方便箱体内所述箱体内设置有多孔安装板，所述双目视觉成像系统、所述激光发射装置、所述驱动组件以及所述拉紧组件均固定设置在所述多孔安装板上。其中激光组件包括一字线激光器和短线激光器，一字线激光器和短线激光器均通过支柱插设于安装板上的安装孔上；相机组件包括左相机和右相机，左相机和右相机形成双目相机；左相机和右相机同样通过支柱插设于安装板上的安装孔上，通过移动支柱在安装板上安装孔的位置，当道岔整体位于相机视野中央范围时固定。在进行检测时，使用短线激光器和一字线激光器配合实现道岔特征定位；其中短线激光器发射的激光线长度较短，向道岔基本轨表面投射短线激光，用来定位位置固定的基本轨平面；由于道岔进行换轨时尖轨处于运动状态位置不固定，使用一字线激光器向道岔尖轨投射一字线激光，使激光线在尖轨尖端位置发生断裂，对尖轨尖端进行定位。左相机和右相机同时采集道岔表面的各线激光图像，将发送到箱体内的嵌入式处理器，嵌入式处理器接收采集到的左右图像，根据双目视觉方法计算道岔密贴度、斥离度和爬行量。上述通过在安装板上设置有多个安装孔，能够实现各相机和激光器在不同位置的调整布局，由于道岔尖轨变化范围较广，通过调节相机和激光器的安装位置实现装置能够检测道岔尖轨范围内的全部变化。

如图6所示，所述推动杆上设置有防尘褶，所述防尘褶一端与所述横梁固定连接，另一端与所述透明板固定连接。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法，其特征在于，包括有双目视觉成像系统和激光发射装置，包括有以下步骤：

S1、双目视觉成像系统采集一组不同姿态下的棋盘格用于后续参数标定，双目视觉成像系统获取棋盘格的标定并获取标定参数；

S2、所述激光发射装置向铁轨投射激光线作为标志，双目视觉成像系统先后采集一组有激光线和无激光线的图像；

S3、先勾选出AOI区域，再利用背景差分，去除不必要的背景物体干扰，直接获取得到激光条纹；

S4、对S3中的激光条纹中心提取算法完成对光条纹进行中心提取；

S5、对激光条纹进行划分和标记，将激光条纹的端点转换成特征点；

S6、然后利用特征点位置关系完成双目视觉系统的立体匹配；

S7、利用激光三角原理，计算出各个特征点的三维坐标值；

S8、利用S7中获取各个特征点的三维坐标值，转化完成道岔相关参数的测量。

2.根据权利要求1所述的道岔测量方法，其特征在于，所述S3中，对激光条纹图像进行去畸变、形态学开运算以及滤波处理以去除噪声信号。

3.根据权利要求1或2所述的道岔测量方法，其特征在于，所述双目视觉系统立体匹配的过程中对三个特征点进行立体匹配。

4.一种道岔测量装置，其特征在于，采用如权利要求1至3任一所述的道岔测量方法。

5.根据权利要求4所述的一种道岔测量装置，其特征在于，包括有箱体，所述箱体内设置有双目视觉成像系统和激光发射装置，所述双目视觉成像系统包括有左相机和右相机，所述激光发射装置包括有与道岔对应设置的一字线激光器和短线激光器；所述箱体包括有与道岔相对设置的透明板。

6.根据权利要求5所述的一种道岔测量装置，其特征在于，所述箱体还包括有多个侧板，所述侧板上开设有通风槽，任一所述侧板上设置有风扇。

7.根据权利要求5所述的一种道岔测量装置，其特征在于，所述箱体内还设置有用于控制所述透明板摆动的驱动组件和拉紧组件，所述驱动组件包括有驱动电机、凸轮以及支架单元，所述驱动电机带动所述凸轮转动，所述凸轮的边缘与所述透明板抵接；支架单元包括有横梁、立柱以及推动杆，所述立柱固定设置在所述箱体上，所述横梁架设在两所述立柱上，所述推动杆固定设置在所述横梁上，所述推动杆上开设有腰型槽，所述透明板的边缘固定设置有穿射所述腰型槽的销钉，所述透明板远离所述推动杆的一侧转动设置在所述箱体内；所述拉紧组件包括有拉仲弹簧，所述拉仲弹簧的一端固定设置在所述箱体内，另一端固定设置在所述透明板上。

8.根据权利要求7所述的一种道岔测量装置，其特征在于，所述箱体内设置有多孔安装板，所述双目视觉成像系统、所述激光发射装置、所述驱动组件以及所述拉紧组件均固定设置在所述多孔安装板上。

9.根据权利要求7所述的一种道岔测量装置，其特征在于，所述推动杆上设置有防尘褶，所述防尘褶一端与所述横梁固定连接，另一端与所述透明板固定连接。

10.根据权利要求7所述的一种道岔测量装置，其特征在于，所述透明板倾斜设置，所述透明板与地面水平方向的夹角在55°～65°之间。

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