CN112781491B - 基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法，其结构简单，检测节奏快、效率高，抗干扰能力强，精度高，可有效实现受电弓滑板磨耗的检测，可靠性好；其包括弓网系统、依次连接的驶入检测模块、数据采集模块、数据处理模块；弓网系统包括接触网和受电弓，驶入检测模块，用于采集列车驶入检测区域时的列车驶入信号，并将列车驶入信号发送给数据采集模块；数据采集模块包括相连接的激光器、相机，位于列车同一侧受电弓的上方和下方均设有激光器、相机，数据采集模块，用于在接收到列车驶入信号时触发激光器发出激光至受电弓表面，相机拍得的图像发送给数据处理模块；数据处理模块，用于接收图像后处理以获得滑板磨耗数据。

Description

基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体为基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法。

背景技术

受电弓是电力牵引机车从接触网取得电能的电气装置，安装在机车车顶。受电弓从接触网上获取电源，向整个列车电气系统供电，同时还通过列车的再生制动系统将列车的动能转换为电能回馈给接触网供给其它在线列车使用，起到双向传递枢纽的作用。

机车运行时，受电弓滑板的上表面与接触网接触，长时间运行必然产生磨耗，所以受电弓滑板的定期磨耗检测十分必要；传统人员定期检测的方式是，需要先给接触线断电，人员手工取点测量(如使用游标卡尺测量滑板厚度)，但是这种检测方式，不仅精度不高，检测点少，效率低，作业费时费力，检测结果也不能涵盖所有弓厚，导致准确性差，且需要涉高、涉电作业，存在一定的安全隐患。

另外，已有基于多个独立相机自然成像方式实现受电弓滑板磨耗检测的方法，但其需要背景白板和诸多打光装置，存在系统安装复杂、受外界光线(白天阴天夜间雷雨极端天气等)干扰多等问题，从而导致测量结果精度低、可靠性差。而当今轨道交通行业，高速重载成为其主要特征，因此，对受电弓滑板磨耗的检测，急需一种准确、可靠、便捷的自动在线检测设备。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法，其结构简单，检测节奏快、效率高，抗干扰能力强，精度高，可有效实现受电弓滑板磨耗的检测，可靠性好。

其技术方案是这样的：基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备，其包括弓网系统，所述弓网系统包括相接触的接触网和受电弓，其特征在于：其还包括依次连接的驶入检测模块、数据采集模块、数据处理模块；所述驶入检测模块，用于采集列车驶入检测区域时的列车驶入信号，并将列车驶入信号发送给所述数据采集模块；所述数据采集模块包括相连接的激光器、相机，位于所述列车同一侧所述受电弓的上方和下方均设有所述激光器、相机，所述数据采集模块，用于在接收到列车驶入信号时触发所述激光器发出激光至所述受电弓表面，所述相机拍照得到包含激光的受电弓图像，随后将受电弓图像发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于接收受电弓图像后进行处理以获得所述受电弓上的滑板磨耗数据。

进一步地，所述驶入检测模块包括对射型光电传感器，所述对射型光电传感器与所述激光器相连接；所述数据处理模块包括工控机，所述激光器经所述相机后与所述工控机相连接；

进一步地，所述激光器分为第一激光器、第二激光器、第三激光器，所述相机分为第一相机、第二相机，所述第一激光器与所述第一相机相连接，所述第二激光器、第三激光器均与所述第二相机相连接，所述第一激光器、第一相机布置于所述受电弓的上方；所述第二激光器、第三激光器、第二相机布置于所述受电弓的下方；

进一步地，其还包括由立柱连接而成的检测棚，位于检测区域的列车轨道两侧均设置有所述检测棚，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一相机、第二相机均装于所述列车轨道同一侧的所述检测棚上，且所述第一激光器、第一相机装于所述受电弓上方的所述立柱上，所述第二激光器、第三激光器、第二相机装于所述受电弓下方的所述立柱上，且所述第二相机位于所述第二激光器、第三激光器之间；

进一步地，所述第二激光器、第三激光器发出的激光均照射在所述受电弓的滑板下表面平面区域内，且使得所述第二相机拍摄的到位于所述滑板下表面平面区域内的两条激光线；

进一步地，所述第一激光器发出的激光与所述受电弓呈平行状态，且所述第一激光器发出的激光线覆盖所述滑板上表面，所述第一相机拍摄的到所述滑板上表面的激光线；

基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、当列车运行至检测棚内时，驶入检测模块感测到所述列车到来；

S2、所述驶入检测模块将驶入信号发送给数据采集模块，触发第一激光器、第二激光器、第三激光器发射激光，随后触发第一相机、第二相机拍照，采集到经所述受电弓表面发射回来的包含激光的受电弓图像；

S3、所述第一相机、第二相机将采集到的包含激光的受电弓图像发送给工控机，所述工控机对图像进行算法处理分析，得到当前所述受电弓的磨耗值，从而实现对列车受电弓滑板磨耗检测的目的。

进一步地，在所述步骤S2中，若是单弓，所述第一相机、第二相机仅拍照一次；若是双弓，所述第一相机、第二相机连续拍摄两次；

进一步地，在所述步骤S3中，所述第二相机拍摄到所述第二激光器、第三激光器发出的位于所述滑板下表面平面区域内的两条激光线图像，设定两条激光线在所述受电弓的下部底面上的空间坐标点为p_bi＝[X_bi Y_bi Z_bi]，通过空间坐标点进行拟合平面方程为ax+by+cz+1＝0，且使得最小目标函数

的值最小，然后通过最小二乘法得到所述滑板下表面的平面系数[a b c]，并作为测量的基准面，其中，i＝0，1，2…n；

进一步地，在所述步骤S3中，所述第一激光器发出的激光与所述受电弓呈平行状态，以构造出所述受电弓滑板上表面的轮廓线，所述第一相机对所述轮廓线进行拍摄得到激光线图像，设定落在所述滑板上表面的激光线上的空间坐标点p_ti＝[X_ti Y_ti Z_ti]，则结合ax+by+cz+1＝0，通过公式

计算得到空间坐标点到所述滑板下表面的距离D_i，并作为空间坐标点处的剩余磨耗值，随后通过标准的滑板厚度值减去各空间坐标点处的剩余磨耗值，最终得到滑板磨耗值。

本发明的有益效果是，其检测节奏快、效率高，自动化程度高，可有效实现连续在线监测，无需使用背景白板和补光灯，便于现场作业的安装与调试，使用视觉硬件少，节省成本，且能适应各种外界光照环境，抗干扰能力强，并通过数据采集模块可得到受电弓滑板的上表面和下表面的几何轮廓图像，继而计算得到表面磨耗状态，避免受电弓滑板磨耗检测存在漏检区域的情况，可有效实现受电弓滑板磨耗的检测，可靠性好，具有较好的经济使用价值。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的俯视结构布局示意图；

图3是本发明的主视局部布局示意图。

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备，其包括弓网系统，弓网系统包括相接触的接触网4和受电弓5，其还包括依次连接的驶入检测模块1、数据采集模块2、数据处理模块3；驶入检测模块1，用于采集列车驶入检测区域时的列车驶入信号，并将列车驶入信号发送给数据采集模块2；数据采集模块2包括相连接的激光器、相机，位于列车同一侧受电弓5的上方和下方均设有激光器、相机，以使得激光器发出的激光照射至受电弓5表面，且使得相机拍照得到经对应的激光器发射激光后经受电弓5表面反射回来的包含激光的受电弓5图像，数据采集模块2，用于在接收到列车驶入信号时触发激光器发出激光至受电弓5表面，相机拍照得到包含激光的受电弓5图像，随后将受电弓5图像发送给数据处理模块3；数据处理模块3，用于接收受电弓5图像后进行处理以获得受电弓5上的滑板10磨耗数据。

驶入检测模块1包括对射型光电传感器(图中未示出)，对射型光电传感器与激光器相连接；数据处理模块3包括工控机(图中未示出)，激光器经相机后与工控机相连接。

激光器分为第一激光器6-1、第二激光器6-2、第三激光器6-3，相机分为第一相机7-1、第二相机7-2，第一激光器6-1与第一相机7-1相连接，第二激光器6-2、第三激光器6-3均与第二相机7-2相连接，第一激光器6-1、第一相机7-1布置于受电弓5的上方；第二激光器6-2、第三激光器6-3、第二相机7-2布置于受电弓5的下方。

其还包括由立柱8连接而成的检测棚9，位于检测区域的列车轨道两侧均设置有检测棚9，第一激光器6-1、第二激光器6-2、第三激光器6-3、第一相机7-1、第二相机7-2均装于列车轨道同一侧的检测棚9上，且第一激光器6-1、第一相机7-1装于受电弓5上方的立柱8上，第二激光器6-2、第三激光器6-3、第二相机7-2装于受电弓5下方的立柱8上，且第二相机7-2位于第二激光器6-2、第三激光器6-3之间。

第二激光器6-2、第三激光器6-3发出的激光均照射在受电弓5的滑板10下表面平面区域内，且使得第二相机7-2拍摄的到位于滑板10下表面平面区域内的两条激光线。

第一激光器6-1发出的激光与受电弓5呈平行状态，且第一激光器6-1发出的激光线覆盖滑板10上表面，第一相机7-1拍摄的到滑板10上表面的激光线。

基于激光投射的列车受电弓5滑板10磨耗在线检测方法，其包括以下步骤：

S1、当列车运行至检测棚9内时，驶入检测模块1的对射型光电传感器感测到列车到来；

S2、驶入检测模块1将驶入信号发送给数据采集模块2，触发第一激光器6-1、第二激光器6-2、第三激光器6-3发射激光，随后触发第一相机7-1、第二相机7-2拍照，采集到经受电弓5表面发射回来的包含激光的受电弓5图像，其中，若是单弓，第一相机7-1、第二相机7-2仅拍照一次；若是双弓，第一相机7-1、第二相机7-2连续拍摄两次，两次拍照均需分别拍摄到两个受电弓5；

S3、第一相机7-1、第二相机7-2将采集到的包含激光的受电弓5图像发送给工控机，工控机的检测程序根据相机采集到的图像，结合之前的三维标定结果，对图像进行处理算法分析，得到当前列车受电弓5的磨耗值，对磨耗值进行判断处理及保存等一系列工作，从而实现对列车受电弓5滑板10磨耗检测的目的，也就是说，第二相机7-2拍摄到第二激光器6-2、第三激光器6-3发出的位于滑板10下表面平面区域内的两条激光线，根据事先标定的结果，还原出拍摄到的两条激光线的实际物理坐标，即滑板10底面的平面方程，并将其作为测量的基准面；接着，根据第一激光器6-1发出的激光与受电弓5呈平行状态，以构造出受电弓5滑板10上表面的轮廓线，第一相机7-1对轮廓线进行拍摄，结合标定数据转换还原为实际物理坐标，这样就得到受电弓5滑板10上方轮廓线的三维坐标，计算轮廓线的每个点与下方基准平面的空间距离，即是受电弓5滑板10磨耗区间内各点的磨耗值；

具体地，第二相机7-2拍摄到第二激光器6-2、第三激光器6-3发出的位于滑板10下表面平面区域内的两条激光线图像，设定两条激光线在受电弓5的下部底面上的空间坐标点为p_bi＝[X_bi Y_bi Z_bi]，通过空间坐标点进行拟合平面方程为ax+by+cz+1＝0，且使得最小目标函数

的值最小，然后通过最小二乘法得到滑板10下表面的平面系数[a b c]，并作为测量的基准面，其中，i＝0，1，2…n；

随后，第一激光器6-1发出的激光与受电弓5呈平行状态，以构造出受电弓5滑板10上表面的轮廓线，第一相机7-1对轮廓线进行拍摄得到激光线图像，设定落在滑板10上表面的激光线上的空间坐标点p_ti＝[X_ti Y_ti Z_ti]，则结合ax+by+cz+1＝0，通过公式

计算得到空间坐标点到滑板下表面的距离D_i，并作为空间坐标点处的剩余磨耗值，随后通过标准的滑板厚度值减去各空间坐标点处的剩余磨耗值，最终得到滑板磨耗值。

本发明中，主要是首先明确受电弓5滑板10磨耗的检测目的是获得受电弓5滑板10部分上下的厚度值，第二激光器6-2、第三激光器6-3分别将激光打在滑板10下方平面区域内，第二相机7-2可以拍摄到这两条激光线，根据事先标定的结果，还原出两条激光线的实际物理坐标，即受电弓5滑板10底面的平面方程，将其作为测量的基准面；第一激光器6-1合适架设使得发出的激光与受电弓5呈平行姿态，从而构造出受电弓5上表面的轮廓线，第一相机7-1对此轮廓线进行拍摄，结合标定数据转换还原为实际物理坐标，这样就得到受电弓5滑板10上方轮廓线的三维坐标。计算轮廓线的每个点与下方基准平面的空间距离，即算得受电弓5滑板10磨耗区间内各点的磨耗值。

本发明主要是对于受电弓5滑板10磨耗检测，可用于检测所有含有受电弓5的列车，包括货运机车、高铁列车、地铁列车等，其具有以下技术效果：

1、利用第一激光器6-1、第二激光器6-2、第三激光器6-3、第一相机7-1、第二相机7-2得到滑板10的下方和上方的几何轮廓图像，继而计算得到表面磨耗状态，没有漏检区域；

2、利用机器视觉的非接触式图像测量，机车动态检测，方便且不影响列车运行，检测节奏快、效率高；

3、采用激光投射技术，激光亮度高，能适应各种外界光照环境，抗干扰能力强；激光方向性好，精度高，可靠性好，检测稳定性佳；

4、采用相机硬触发方式，无论是单弓还是双弓，一套设备实现连续在线检测，仅使用两个相机三个激光器，并且省去背景白板和补光灯，方便现场作业的安装与调试，使用视觉硬件少，节省成本。

图1中，箭头方向为列车前进方向。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：其包括基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备，所述检测设备包括弓网系统、依次连接的驶入检测模块、数据采集模块、数据处理模块；所述弓网系统包括相接触的接触网和受电弓，所述驶入检测模块，用于采集列车驶入检测区域时的列车驶入信号，并将列车驶入信号发送给所述数据采集模块；所述数据采集模块包括相连接的激光器、相机，位于所述列车同一侧所述受电弓的上方和下方均设有所述激光器、相机，所述数据采集模块，用于在接收到列车驶入信号时触发所述激光器发出激光至所述受电弓表面，所述相机拍照得到包含激光的受电弓图像，随后将受电弓图像发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于接收受电弓图像后进行处理以获得所述受电弓上的滑板磨耗数据；所述驶入检测模块包括对射型光电传感器，所述对射型光电传感器与所述激光器相连接；所述数据处理模块包括工控机，所述激光器经所述相机后与所述工控机相连接；所述激光器分为第一激光器、第二激光器、第三激光器，所述相机分为第一相机、第二相机，所述第一激光器与所述第一相机相连接，所述第二激光器、第三激光器均与所述第二相机相连接，所述第一激光器、第一相机布置于所述受电弓的上方；所述第二激光器、第三激光器、第二相机布置于所述受电弓的下方；所述第二激光器、第三激光器发出的激光均照射在所述受电弓的滑板下表面平面区域内，且使得所述第二相机拍摄的到位于所述滑板下表面平面区域内的两条激光线；所述第一激光器发出的激光与所述受电弓呈平行状态，且所述第一激光器发出的激光线覆盖所述滑板上表面，所述第一相机拍摄的到所述滑板上表面的激光线；

检测方法还包括以下步骤：

S1、当列车运行至检测棚内时，驶入检测模块感测到所述列车到来；

S2、所述驶入检测模块将驶入信号发送给数据采集模块，触发第一激光器、第二激光器、第三激光器发射激光，随后触发第一相机、第二相机拍照，采集到经所述受电弓表面发射回来的包含激光的受电弓图像；

S3、所述第一相机、第二相机将采集到的包含激光的受电弓图像发送给工控机，所述工控机对图像进行算法处理分析，得到当前所述受电弓的磨耗值，从而实现对列车受电弓滑板磨耗检测的目的；

在所述步骤S3中，所述第二相机拍摄到所述第二激光器、第三激光器发出的位于所述滑板下表面平面区域内的两条激光线图像，设定两条激光线在所述受电弓的下部底面上的空间坐标点为，通过空间坐标点进行拟合平面方程为，且使得最小目标函数 的值最小，然后通过最小二乘法得到所述滑板下表面的平面系数，并作为测量的基准面，其中，；

在所述步骤S3中，所述第一激光器发出的激光与所述受电弓呈平行状态，以构造出所述受电弓滑板上表面的轮廓线，所述第一相机对所述轮廓线进行拍摄得到激光线图像，设定落在所述滑板上表面的激光线上的空间坐标点 ，则结合，通过公式，计算得到空间坐标点到所述滑板下表面的距离，并作为空间坐标点处的剩余磨耗值，随后通过标准的滑板厚度值减去各空间坐标点处的剩余磨耗值，最终得到滑板磨耗值。

2.根据权利要求1所述的基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：其还包括由立柱连接而成的检测棚，位于检测区域的列车轨道两侧均设置有所述检测棚，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一相机、第二相机均装于所述列车轨道同一侧的所述检测棚上，且所述第一激光器、第一相机装于所述受电弓上方的所述立柱上，所述第二激光器、第三激光器、第二相机装于所述受电弓下方的所述立柱上，且所述第二相机位于所述第二激光器、第三激光器之间。

3.根据权利要求1所述的基于激光投射的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：在所述步骤S2中，若是单弓，所述第一相机、第二相机仅拍照一次；若是双弓，所述第一相机、第二相机连续拍摄两次。

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